CN109100131A - 空泡作用下海水环境疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

一种空泡作用下海水环境疲劳试验装置，包括疲劳试验机，所述疲劳试验机的一旁安装有海水循环系统，另一旁安装有海水环境模拟装置，所述海水环境模拟装置与海水循环系统连通，所述海水环境模拟装置的前方设置有控制装置。以真实环境考核其结构安全性能，确保其在服役期间不会因空泡、海水等因素的影响而引起疲劳失效，解决了现有装置无法准确考核桨叶结构的空泡疲劳问题，揭示多变量载荷的力学机理，实现桨叶在海洋极端条件下服役性能评估，为螺旋桨结构性能验证和评估提出一种新的技术途径，有效提高了桨叶结构的安全可靠性。整个发明装置结构布局合理，系统简洁可靠，安装操作方便，实现自动控制，大大提高试验效率。

Description

空泡作用下海水环境疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及疲劳试验装置技术领域，尤其是一种空泡作用下海水环境疲劳试验装置。

背景技术

船舶的螺旋桨在海洋环境长期服役过程中，不仅要承受风、流和二阶波浪力导致的稳态力，而且还要承受使用过程中频繁加速、减速、变向等操作导致的交变非稳态力，使得螺旋桨在实际运行过程中长期处于交变应力状态，易产生疲劳问题。同时螺旋桨在高速的运转过程中会产生高速水流，形成低压和/或超低压区，发生空泡现象。空泡破灭会对附近的固体表面产生微射流，射流的强度超过基材的强度就会产生剥离作用，使得基件表面产生空洞和麻面，桨叶横截面积会随之减小，严重引发桨叶断裂现象，同时桨叶光滑表面遭到破坏，其升力下降导致推力减小。特别是空泡状态下桨叶受力特性，制约着一系列关键部件的强度评估问题。

现有技术中，对于桨叶的性能考核主要集中在疲劳载荷作用下的桨叶结构强度试验或空泡作用下的桨叶性能试验，没有考虑在空泡和海水环境耦合作用下桨叶结构疲劳性能，导致桨叶在使用过程中会出现突然失效现象，对装备带来很大的安全风险。现有技术中空泡试验通常采用待测试件夹持在高速旋转的电机上，然后向水中吹入气泡束，高速旋转一定时间，旋转的作用加上往水中吹入的气泡会对试件表面有一定的蚀刻作用，进而做空泡模拟运行试验。这种高速旋转的方法无法与疲劳试验机加载方式共同作用，满足不了性能考核要求。因此研制一种空泡作用下海水环境疲劳试验装置，在实验室内实现对桨叶结构综合性能安全考核是本发明要解决的主要问题。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，从而可以大大提高试验的可靠性，提高试验效率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种空泡作用下海水环境疲劳试验装置，包括疲劳试验机，所述疲劳试验机的一旁安装有海水循环系统，另一旁安装有海水环境模拟装置，所述海水环境模拟装置与海水循环系统连通，所述海水环境模拟装置的前方设置有控制装置。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述疲劳试验机的输出端安装有第一丝杆，所述通过过渡连接工装与海水环境模拟装置的第二丝杆连接。

所述疲劳试验机采用立柱式电液伺服疲劳试验机。

所述海水环境模拟装置的结构为：包括海水环境箱，所述海水环境箱的四面均设置有光学玻璃窗，所述海水环境箱的底部安装有集水盘，集水盘的底部安装有第二丝杆，所述第二丝杆通过过渡工装与疲劳试验机连接；还包括海水循环系统，所述海水循环系统分成回水箱和清水箱，所述集水盘通过软管与回水箱连接。

光学玻璃窗采用K9光学玻璃制造。

所述激光诱导空泡发生装置的结构为：包括通过支架支撑安装的基础光学平台，所述基础光学平台位于疲劳试验机的一旁，所述基础光学平台的上表面开有多个圆孔，所述基础光学平台上安装有激光发生器和第一传输镜组，所述第一传输镜组和激光发生器的出光口对应设置；位于基础光学平台的上表面还通过支撑脚安装有高架光学平台，所述第一传输镜组在高架光学平台的下方，高架光学平台上开有与第一传输镜组对应的第一通光孔，所述高架光学平台上表面同样开有多个圆孔，高架光学平台上通过升降装置安装有升降台，所述升降台上通过间隔的升降杆分别安装有第二传输镜组和扩束镜组，位于第二传输镜组和扩束镜组之间的升降台上开有第二通光孔，所述第二通光孔与第二传输镜组对应，位于升降台的前端通过支板安装有聚焦镜组。

所述聚焦镜组、扩束镜组和第二传输镜组在同一高度位置。

所述第一传输镜组、所述第一通光孔、所述第二通光孔和所述第二传输镜组位于同一直线上。

所述第一传输镜组、所述第二传输镜组、所述扩束镜组和所述聚焦镜组均采用可升降机构安装。

升降装置为剪叉式升降装置。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，以真实环境考核其结构安全性能，确保其在服役期间不会因空泡、海水等因素的影响而引起疲劳失效，解决了现有装置无法准确考核桨叶结构的空泡疲劳问题，揭示多变量载荷的力学机理，实现桨叶在海洋极端条件下服役性能评估，为螺旋桨结构性能验证和评估提出一种新的技术途径，有效提高了桨叶结构的安全可靠性。整个发明装置结构布局合理，系统简洁可靠，安装操作方便，实现自动控制，大大提高试验效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图(省略罩壳和控制装置)。

图3为本发明另一视角的结构示意图(省略激光诱导空泡发生装置的罩壳和控制装置)。

其中：100、疲劳试验机；200、海水环境模拟装置；300、激光诱导空泡发生装置；400、控制装置；

101、第一丝杆；

210、海水环境箱；211、光学玻璃窗；212、集水盘；213、第二丝杆；220、海水循环系统；221、回水箱；222、清水箱；

301、基础光学平台；302、激光发生器；303、第一传输镜组；304、高架光学平台；305、第一通光孔；306、升降台；307、第二通光孔；308、第二传输镜组；309、扩束镜组；310、聚焦镜组。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，本实施例的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，包括疲劳试验机100，疲劳试验机100的一旁安装有海水循环系统220，另一旁安装有海水环境模拟装置200，海水环境模拟装置200与海水循环系统220连通，海水环境模拟装置200的前方设置有控制装置400。

疲劳试验机100的输出端安装有第一丝杆101，通过过渡连接工装与海水环境模拟装置200的第二丝杆213连接。

疲劳试验机100采用立柱式电液伺服疲劳试验机。

海水环境模拟装置200的结构为：包括海水环境箱210，海水环境箱210的四面均设置有光学玻璃窗211，一侧可伸缩调距，可使激光射入海水环境箱210而不发生光路改变和能量衰减，内盛有海水或淡水；海水环境箱210的底部安装有集水盘212，集水盘212的底部安装有第二丝杆213，第二丝杆213通过过渡工装与疲劳试验机100连接；还包括海水循环系统220，海水循环系统220分成回水箱221和清水箱222，集水盘212通过软管与回水箱221连接。

光学玻璃窗211采用K9光学玻璃制造。

激光诱导空泡发生装置300的结构为：包括通过支架支撑安装的基础光学平台301，基础光学平台301位于疲劳试验机100的一旁，基础光学平台301的上表面开有多个圆孔，基础光学平台301上安装有激光发生器302和第一传输镜组303，第一传输镜组303和激光发生器302的出光口对应设置；位于基础光学平台301的上表面还通过支撑脚安装有高架光学平台304，第一传输镜组303在高架光学平台304的下方，高架光学平台304上开有与第一传输镜组303对应的第一通光孔305，高架光学平台304上表面同样开有多个圆孔，高架光学平台304上通过升降装置安装有升降台306，升降台306上通过间隔的升降杆分别安装有第二传输镜组308和扩束镜组309，位于第二传输镜组308和扩束镜组309之间的升降台306上开有第二通光孔307，第二通光孔307与第二传输镜组308对应，位于升降台306的前端通过支板安装有聚焦镜组310。

聚焦镜组310、扩束镜组309和第二传输镜组308在同一高度位置。并与海水环境模拟装置200的海水环境箱210对接。

第一传输镜组303、第一通光孔305、第二通光孔307和第二传输镜组308位于同一直线上。

第一传输镜组303、第二传输镜组308、扩束镜组309和聚焦镜组310均采用可升降机构安装。

升降装置为剪叉式升降装置。

第一传输镜组303和第二从传输镜组308主要为反射元件，用于改变所述激光发生器302所产生激光的光路。

第一传输镜组303内的反射元件用于将所述激光发生器302产生的激光反射向所述第二传输镜组，所述第一传输镜组303内的反射元件表面激光入射光线与反射光线夹角为90度；所述第二传输镜组308内的反射元件用于将所述激光发生器302产生的激光反射向所述扩束镜组309，所述第二传输镜组308内的反射元件表面激光入射光线与反射光线夹角为90度。

本发明的具体结构如下：

本发明实施方式提供的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，包括疲劳试验机100，海水环境模拟装置200、激光诱导空泡发生装置300和控制装置400。

疲劳试验机100的作动器端部设有第一丝杆101，通过过渡工装与海水环境箱210底部第二丝杆213连接。

海水环境模拟装置200主要分为海水环境箱210和海水循环系统220组成；海水环境箱210四面设有光学玻璃窗211，光学玻璃窗211由K9光学玻璃制成，海水环境箱210底部设有集水盘212，集水盘212通过软管与回水箱221连接；海水环境箱210底部设有第二丝杆213，通过过渡工装与疲劳试验机100上的第一丝杆101连接，传递试验载荷；海水循环系统220分隔为两个水箱，分别为回水箱221和清水箱222。

激光诱导空泡发生装置300主要包括基础光学平台301、激光发生器302、高架光学平台304和传输镜组；基础光学平台301上设置有激光发生器302、第一传输镜组303和高架光学平台304，第一传输镜组303和激光发生器302的出光口对应设置，第一传输镜组303位于高架光学平台304下方。高架光学平台304上设置有升降台306，高架光学平台304开设有和第一传输镜组303对应的第一通光孔305，升降台306开设有和第二传输镜组308对应的第二通光孔307，升降台306上沿激光发射方向依次设置有第二传输镜组308、扩束镜组309和聚焦镜组310，第二通光孔307位于第二传输镜组308和扩束镜组309之间。

本发明所述的疲劳试验机100作动器端部设有第一丝杆101，通过过渡工装与海水环境箱210底部第二丝杆213连接，从而传递试验载荷；海水环境箱210底部设有集水盘212，集水盘212通过软管与回水箱221连接，当发生故障海水环境箱210泄露或者海水溢出时集水盘212可将泄露的水收集并通过软管排至回水箱221。

本发明所述的海水循环系统220集成为一长方体水箱，内部分隔为互不相通的回水箱221和清水箱222；回水箱221通过两根软管分别与海水环境箱210和集水盘212连接，用于盛放由于试验过程中试件(金属)腐蚀变浑浊的废水；清水箱222内设有水泵，通过软管与海水环境箱210的进水口连接，用于给海水环境箱210补充清水；时刻保持海水环境箱210内海水的清澈有助于空泡准确的产生。

在海水环境箱210的上盖板上除有LED导光条带，以便试验条件下为海水环境箱210提供照明，便于操作人员观察。

本发明所述的水的补充和排放都是自动的，通过电控柜控制一系列电磁阀、泵来实现。

本发明实施方式中，海水亦可为淡水或其他腐蚀性溶液。

本发明实施方式中，第一传输镜组303反射激光发生器302产生的激光，通过第一通光孔305和第二通光孔307后第二传输镜组308再次反射激光，使激光进入扩束镜组309，经扩束镜组309增强后的激光束进入到聚焦镜组310，聚焦后射出，在海水中形成能量较高的一点，在此点上制造出大量空泡，模拟海水中螺旋桨工作时产生的空泡，从而便于对空泡进行科学研究。其中，第一传输镜组303和第二传输镜组308提高了激光最终的出射高度和空泡形成点的高度，降低了对光学平台本身高度的需求，从而减少了光学平台的制造成本。同时，扩束镜组309和聚焦镜组310保证了激光出射光束的稳定性和强度，进而实现在海水中折射为一个稳定、高能量的空泡产生点，低能耗、高效率、高稳定地产生空泡，更加便于对空泡现象进行科学研究。

具体地，激光诱导空泡是由于激光聚焦在液体中，引起聚焦区域液体的属性变化而产生的空泡。激光能量密度不同，产生的机制也不同，分为蒸汽空泡和等离子空泡。激光空泡激发原理依据于高峰值功率激光束辐照到液体物质时所产生的光学击穿现象，高温击穿所产生的离子体吸收后续激光能量会在靶材附近以超声速进行膨胀，从而在靶材附近形成高温高压的空泡。由于激光发生器302的工作参数是可以调控的，因此基于激光的空泡产生系统产生空泡的速度和位置是可以进行多方位调节的，为科学研究提供了一种新的试验条件，在此条件下，我们可以使空泡连续或短暂地作用在试验对象的不同部位进行试验。

一方面，激光发生器302产生的空泡的大小和数量是可以严格进行控制的，另一方面由于激光的单向性，空泡产生的位置和方向也是严格可控的，由于这两点特性，激光诱导空泡的产生是研究空泡模拟试验的较理想试验方法。

由于疲劳试验机100具有一定高度，疲劳试验机100活塞具有一定行程，试件不同海水环境箱210所处高度会有不同，要想在试验对象指定位置产生空泡，必须将激光聚焦在指定位置，对激光焦点位置要求可调。本实施方式利用第一传输镜组303和第二传输镜组308两次反射激光，改变激光光路传输路径，将放置在基础光学平台301上的激光发生器302发射的激光引导到和海水环境箱210相同的高度，降低了基础光学平台301的制造成本。

本实施方式中，基础光学平台301的高度为800毫米，高架光学平台304的高度为500mm，升降台306在竖直方向上可伸缩的最大距离为100mm，第二传输镜组308和扩束镜组309之间的距离为150mm，聚焦镜组310的F为100毫米，D为25mm，激光从聚焦镜组310出射后，在距离聚焦镜组310的100mm的位置的试件上形成高能量、高集中点，从而在试件上产生空泡，模拟海水中螺旋桨工作时产生空泡的环境。

需要注意的是，扩束镜组309与聚焦镜组310之间的距离对空泡产生位置并无影响，需要调节空泡产生位置时，可以通过更换不同聚焦效果的聚焦镜组310来实现。

在某些实施方式中，第一传输镜组303和第二传输镜组308包括反射元件，反射元件用于改变激光的光路传播方向。

在某些实施方式中，第一传输镜组303内的反射元件用于将激光向第二传输镜组308方向反射90度，第二传输镜组308内的反射镜组用于将激光向扩束镜组309方向反射90度。

在某些实施方式中，第一传输镜组303、第一通光孔305、第二通光孔307和第二传输镜组308位于同一直线上。

具体地，本实施方式中所说的“第一传输镜组303、第一通光孔305、第二通光孔307和第二传输镜组308位于同一直线上”指的是，激光从第一传输镜组303出射后的光路正好可以通过第一通光孔305、第二通光孔307，进入第二传输镜组308的光路进入口。

在某些实施方式中，高架光学平台304可升降。

如此，可根据试验需要，调整高架光学平台304的高度，以便激光能准确在海水环境箱210中的试件表面形成空泡。

具体地，可通过内杆、外杆和限位件配合的方式实现高架光学平台304的升降，在此不再赘述。

在某些实施方式中，第一传输镜组303、第二传输镜组308、扩束镜组309和聚焦镜组310可升降。

如此，可根据试验需要，调整第一传输镜组303、第二传输镜组308、扩束镜组309和聚焦镜组310的高度，以便激光能准确在海水环境箱210中的试件表面形成空泡。

具体地，可通过内杆、外杆和限位件配合的方式实现高架光学平台304的升降，在此不再赘述。

在某些实施方式中，升降台306为剪叉式升降台306。

如此，升降台306占据的空间较小，同时，剪叉式升降台306能稳定地升降，保证升降台306上的第二传输镜组308、扩束镜组309和聚焦镜组310的工作质量。

在某些实施方式中，海水环境箱210四周面安装光学玻璃窗211，内盛有海水。

在某些实施方式中，海水环境箱210的光学玻璃窗211由k9玻璃制成。

如此，由抗激光损伤的K9玻璃制造海水环境箱210的光学玻璃窗211，以便激光发生器302出射的激光束可以穿透并作用在海水环境箱210内部的试件表面产生空泡。

综上，本发明实施方式中的空泡作用下海水环境疲劳试验装置的工作流程如下：

首先，安装试件启动海水环境模拟装置200；其次打开和激光发生器302相连接的水冷机，水冷机会将循环水加热到激光发生器302的最佳工作温度；打开激光发生器302的开关，在控制界面对激光发生器302的相关参数进行设置；点击出光，激光发生器302输出的光束经第一传输镜组303反射至高架光学平台304上的第二传输镜组308；第二传输镜组308出射的光束经扩束镜组309扩束，后经聚焦镜组310聚焦传递至海水环境箱210，在海水环境箱210中试件表面的特定位置形成空泡；最后启动疲劳试验机100，按预定试验参数进行疲劳试验；进而对试件的特定部位进行空泡作用下海水环境疲劳试验研究。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：包括疲劳试验机(100)，所述疲劳试验机(100)的一旁安装有海水循环系统(220)，另一旁安装有海水环境模拟装置(200)，所述海水环境模拟装置(200)与海水循环系统(220)连通，所述海水环境模拟装置(200)的前方设置有控制装置(400)。

2.如权利要求1所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述疲劳试验机(100)的输出端安装有第一丝杆(101)，所述通过过渡连接工装与海水环境模拟装置(200)的第二丝杆(213)连接。

3.如权利要求1所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述疲劳试验机(100)采用立柱式电液伺服疲劳试验机。

4.如权利要求1所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述海水环境模拟装置(200)的结构为：包括海水环境箱(210)，所述海水环境箱(210)的四面均设置有光学玻璃窗(211)，所述海水环境箱(210)的底部安装有集水盘(212)，集水盘(212)的底部安装有第二丝杆(213)，所述第二丝杆(213)通过过渡工装与疲劳试验机(100)连接；还包括海水循环系统(220)，所述海水循环系统(220)分成回水箱(221)和清水箱(222)，所述集水盘(212)通过软管与回水箱(221)连接。

5.如权利要求4所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：光学玻璃窗(211)采用K9光学玻璃制造。

6.如权利要求1所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述激光诱导空泡发生装置(300)的结构为：包括通过支架支撑安装的基础光学平台(301)，所述基础光学平台(301)位于疲劳试验机(100)的一旁，所述基础光学平台(301)的上表面开有多个圆孔，所述基础光学平台(301)上安装有激光发生器(302)和第一传输镜组(303)，所述第一传输镜组(303)和激光发生器(302)的出光口对应设置；位于基础光学平台(301)的上表面还通过支撑脚安装有高架光学平台(304)，所述第一传输镜组(303)在高架光学平台(304)的下方，高架光学平台(304)上开有与第一传输镜组(303)对应的第一通光孔(305)，所述高架光学平台(304)上表面同样开有多个圆孔，高架光学平台(304)上通过升降装置安装有升降台(306)，所述升降台(306)上通过间隔的升降杆分别安装有第二传输镜组(308)和扩束镜组(309)，位于第二传输镜组(308)和扩束镜组(309)之间的升降台(306)上开有第二通光孔(307)，所述第二通光孔(307)与第二传输镜组(308)对应，位于升降台(306)的前端通过支板安装有聚焦镜组(310)。

7.如权利要求6所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述聚焦镜组(310)、扩束镜组(309)和第二传输镜组(308)在同一高度位置。

8.如权利要求6所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述第一传输镜组(303)、所述第一通光孔(305)、所述第二通光孔(307)和所述第二传输镜组(308)位于同一直线上。

9.如权利要求6所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：所述第一传输镜组(303)、所述第二传输镜组(308)、所述扩束镜组(309)和所述聚焦镜组(310)均采用可升降机构安装。

10.如权利要求6所述的空泡作用下海水环境疲劳试验装置，其特征在于：升降装置为剪叉式升降装置。