CN110346278A - 一种模型冰动摩擦系数测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模型冰动摩擦系数测量装置及其使用方法，包括工作平台，沿其长度方向安装纵向运动机构，位于纵向运动机构前方的工作平台上固装有船模；纵向运动机构中的滑块一上固装垂向调节机构，垂向调节机构底部通过基座二固装传感器；还包括放置于船模上的与传感器固装的拉冰盒，拉冰盒内固装模型冰，模型冰底部与船模贴合；在电机驱动下，模型冰随着拉冰盒一起沿着船模纵向运动，拉冰盒通过滚轮相对于船模滚动，通过传感器获得模型冰相对于船模运动时的动摩擦力，动摩擦力与正压力的比值即为动摩擦系数。本发明结构紧凑合理，实现了模型冰与船体表面之间动摩擦系数的测量，以提高船模冰环境航行试验时的测试精度及试验效率，方便有效。

Description

一种模型冰动摩擦系数测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及冰环境实验摩擦力测量装备技术领域，尤其是一种模型冰动摩擦系数测量装置及其使用方法。

背景技术

滑动摩擦力，是两个有相对滑动的物体间在接触面上产生的阻碍它们相对滑动的力，通俗来说就是一个物体在另一个物体表面上滑动时产生的摩擦。摩擦力在实际工程应用中广泛存在。动摩擦系数，是指彼此接触的两物体作相对运动时摩擦力和正压力之间的比值，它和物体表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。

随着现代科技的突飞猛进，人类已经着眼于积极开发地球南、北极天然丰富的矿产资源、生物资源及旅游资源。由于受气候影响，南北极均常年处于冰的海洋中。当人类借助于船舶在该冰区航行时，运动的船体与冰块之间产生摩擦，其摩擦力的大小由船体、及其表面与冰面之间的滑动摩擦系数决定，摩擦力的大小直接影响船舶的航行效能。

现有技术中，通过在冰环境实验室中对船模进行航行性能试验，来对冰区航行的船舶进行初步设计和优化设计。动摩擦系数是冰环境实验室航行性能试验中非常重要的一个测量参数。在冰环境实验航行性能试验前，必须提前获知船模表面与冰块之间的滑动摩擦力，以保证船模航行性能试验与现场实际的冰试验满足相似准则，从而使得实际的冰动摩擦与试验室动摩擦的力学性能相似，进而保障试验效果。

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模型冰动摩擦系数测量装置及其使用方法，从而实现模型冰与船体表面间的动摩擦力的测量，进而实现摩擦系数的评估，为冰环境实验室中试验效率和试验效果提供可靠保障。

本发明所采用的技术方案如下：

一种模型冰动摩擦系数测量装置，包括多个支脚，多个支脚顶部共同安装有工作平台，工作平台上沿其长度方向安装有纵向运动机构，位于纵向运动机构前方的工作平台上固装有船模；纵向运动机构包括滑块一，所述滑块一在电机驱动下沿着船模纵向运动；所述滑块一前侧面安装有基座一，所述基座一侧面固装有垂向调节机构，所述垂向调节机构底部安装有基座二，基座二上固装有传感器；还包括放置于船模上的拉冰盒，所述拉冰盒内固装有模型冰，所述传感器与拉冰盒端部固接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述拉冰盒为中空框架结构，所述模型冰位于拉冰盒中空框架内，且模型冰的底面与船模贴合。

所述纵向运动机构的结构为：包括底部与工作平台固接的框架体一，所述框架体一侧面中部水平安装有丝杆一，位于丝杆一上下两侧的框架体一侧面分别安装有导轨一，所述丝杆一的两端通过轴承一与框架体一滚动连接，丝杆一的端头连接有电机；两根导轨一上分别安装有滑块一，两个滑块一共同安装有滑板一，所述滑板一底部通过螺旋副一与丝杆一配合运动；所述滑板一侧面与基座一固装。

所述垂向调节机构的结构为：包括与基座一固装的框架体二，框架体二侧面中部竖直安装有丝杆二，所述丝杆二两端通过轴承二与框架体二滚动连接，所述轴承二安装于轴承座内，轴承座与框架体二固接，所述丝杆二端部伸出框架体二并在端头设置有夹持部；位于丝杆二左右两侧面的框架体二上分别安装有导轨二，两根导轨二上均安装有滑块二，两个滑块二共同安装有滑板二，所述滑板二底部通过螺旋副二与丝杆二配合运动。

所述拉冰盒的结构为：包括“[”型结构的盒体，所述盒体开口端通过紧固件安装有挡板，所述盒体与挡板共同构成容纳模型冰的“□”型空间；所述盒体端部外侧的中部固装有拉环，所述拉环与传感器固接；所述盒体两侧壁的外侧分别安装有轮座，轮座上均安装有滚轮，所述拉冰盒通过滚轮相对于船模滚动。

所述滚轮为滚动轴承。

所述船模艏部和艉部外侧均通过夹紧座固装于工作平台上。

所述夹紧座的截面为L型结构；两个夹紧座相背设置，两个夹紧座之间的工作平台上放置有船模，船模由两个夹紧座纵向限位。

所述传感器一端与基座二固接，传感器另一端与拉冰盒固接；所述传感器处于水平状态安装。

一种利用所述的模型冰动摩擦系数测量装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：通过夹紧座将船模固定于工作平台上；

第二步：将拉冰盒放置于船模上，在拉冰盒的盒体内部放置模型冰，并通过紧固件将挡板和盒体固接；将传感器与拉冰盒端头的拉环固接；

第三步：通过丝杆二端部的夹持部，手动转动丝杆二，螺旋副二与丝杆二配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆二的转动带动滑板二沿着导轨二上下运动，传感器的端部与基座二一起随滑板二上下运动；

第四步：通过第三步，调整传感器至水平状态；

第五步：在模型冰上放置砝码；

第六步：电机工作，带动丝杆一旋转，螺旋副一与丝杆一配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆一的转动带动滑板一沿着导轨一水平运动，即沿着船模的纵向运动；垂向调节机构与基座一一起随着滑板一运动，从而传感器拉着拉冰盒运动，进而模型冰随拉冰盒一起沿着船模的纵向运动；

第七步：拉冰盒通过滚轮相对于船模滚动运动；模型冰底面与船模贴合，模型冰在纵向运动过程中相对于船模产生滑动摩擦；通过传感器获得模型冰与船模之间的动摩擦力；

第八步：将第七步中的动摩擦力与第五步中砝码的载荷值进行比值求解，进而得到模型冰与船模之间的动摩擦系数；

第九步：调整第五步中砝码的重量，重复第六步至第八步，进而求得多个动摩擦系数值，将多个动摩擦系数值求均值，获得结果。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过电机驱动丝杆一转动，并通过螺旋副一将转动转换为直线运动，进而滑板一沿着导轨一水平运动，即沿着船模的纵向运动；垂向调节机构随着滑板一运动，从而拉动传感器及拉冰盒运动，进而模型冰随着运动，模型冰在运动过程中因其底部与船模贴合而产生相对滑动摩擦力，该摩擦力通过传感器获得；纵向运动机构用于载有模型冰的拉冰盒的牵引运动，从而实现模型冰与船模之间动摩擦力的测量；在模型冰上放置砝码载荷，通过摩擦力、正压力及摩擦系数之间的关系，实现摩擦系数的评估，为冰环境实验室中试验效率和试验效果提供可靠保障。

本发明还包括如下优点：

垂向调节机构用于调节传感器的水平程度，使得传感器在试验时处于水平状态，从而提高并确保传感器的测量精度，使得测量结果更加准确；

拉冰盒为中空框型结构，模型冰放置于拉冰盒内，在拉动模型冰运动的同时，使得模型冰底部与船模贴合接触；拉冰盒侧边安装有滚轮，使得拉冰盒本身相对于船模滚动运行，从而大大减小拉冰盒与船模之间的摩擦力，即大大减小模型冰与船模两者之外的额外摩擦力的影响，以提高测量准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为本发明纵向运动机构的结构示意图。

图4为图3的左视图。

图5为本发明垂向调节机构的结构示意图。

图6为图5的左视图。

图7为本发明拉冰盒的结构示意图。

图8为图7的仰视图。

图9为本发明使用状态时的示意图(省略工作平台)。

其中：1、工作平台；2、基座二；3、垂向调节机构；31、轴承座；32、轴承二；33、框架体二；34、导轨二；35、丝杆二；36、滑块二；37、螺旋副二；38、滑板二；39、夹持部；4、传感器；5、拉冰盒；51、盒体；52、拉环；53、滚轮；54、轮座；55、紧固件；56、挡板；6、模型冰；7、纵向运动机构；71、电机；72、导轨一；73、滑块一；74、框架体一；75、螺旋副一；76、丝杆一；77、滑板一；78、轴承一；8、船模；9、夹紧座；10、基座一；11、砝码。

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和图2所示，本实施例的一种模型冰动摩擦系数测量装置，包括多个支脚，多个支脚顶部共同安装有工作平台1，工作平台1上沿其长度方向安装有纵向运动机构7，位于纵向运动机构7前方的工作平台1上固装有船模8；纵向运动机构7包括滑块一73，滑块一73在电机71驱动下沿着船模8纵向运动；滑块一73前侧面安装有基座一10，基座一10侧面固装有垂向调节机构3，垂向调节机构3底部安装有基座二2，基座二2上固装有传感器4；还包括放置于船模8上的拉冰盒5，拉冰盒5内固装有模型冰6，传感器4与拉冰盒5端部固接。

拉冰盒5为中空框架结构，模型冰6位于拉冰盒5中空框架内，且模型冰6的底面与船模8贴合。

如图3和图4所示，纵向运动机构7的结构为：包括底部与工作平台1固接的框架体一74，框架体一74侧面中部水平安装有丝杆一76，位于丝杆一76上下两侧的框架体一74侧面分别安装有导轨一72，丝杆一76的两端通过轴承一78与框架体一74滚动连接，丝杆一76的端头连接有电机71；两根导轨一72上分别安装有滑块一73，两个滑块一73共同安装有滑板一77，滑板一77底部通过螺旋副一75与丝杆一76配合运动；滑板一77侧面与基座一10固装。

如图5和图6所示，垂向调节机构3的结构为：包括与基座一10固装的框架体二33，框架体二33侧面中部竖直安装有丝杆二35，丝杆二35两端通过轴承二32与框架体二33滚动连接，轴承二32安装于轴承座31内，轴承座31与框架体二33固接，丝杆二35端部伸出框架体二33并在端头设置有夹持部39；位于丝杆二35左右两侧面的框架体二33上分别安装有导轨二34，两根导轨二34上均安装有滑块二36，两个滑块二36共同安装有滑板二38，滑板二38底部通过螺旋副二37与丝杆二35配合运动；基座二2固装于滑板二38上。

垂向调节机构3用于调节传感器4的水平程度，使得传感器4在试验时处于水平状态，从而提高并确保传感器4的测量精度，使得测量结果更加准确。

如图7和图8所示，拉冰盒5的结构为：包括“[”型结构的盒体51，盒体51开口端通过紧固件55安装有挡板56，盒体51与挡板56共同构成容纳模型冰6的“□”型空间；盒体51端部外侧的中部固装有拉环52，拉环52与传感器4固接；盒体51两侧壁的外侧分别安装有轮座54，轮座54上均安装有滚轮53，拉冰盒5通过滚轮53相对于船模8滚动；滚轮53使得拉冰盒5本身相对于船模8滚动运行，从而大大减小拉冰盒5与船模8之间的摩擦力，即大大减小模型冰6与船模8两者之外的额外摩擦力的影响，以提高测量准确性。

滚轮53为滚动轴承。

船模8艏部和艉部外侧均通过夹紧座9固装于工作平台1上。

夹紧座9的截面为L型结构；两个夹紧座9相背设置，两个夹紧座9之间的工作平台1上放置有船模8，船模8由两个夹紧座9纵向限位。

传感器4一端与基座二2固接，传感器4另一端与拉冰盒5固接；传感器4处于水平状态安装。

本实施例的一种模型冰动摩擦系数测量装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：通过夹紧座9将船模8固定于工作平台1上；

第二步：将拉冰盒5放置于船模8上，在拉冰盒5的盒体51内部放置模型冰6，并通过紧固件55将挡板56和盒体51固接；将传感器4与拉冰盒5端头的拉环52固接；

第三步：通过丝杆二35端部的夹持部39，手动转动丝杆二35，螺旋副二37与丝杆二35配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆二35的转动带动滑板二38沿着导轨二34上下运动，传感器4的端部与基座二2一起随滑板二38上下运动；

第四步：通过第三步，调整传感器4至水平状态；

第五步：在模型冰6上放置砝码11，如图9所示；

第六步：电机71工作，带动丝杆一76旋转，螺旋副一75与丝杆一76配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆一76的转动带动滑板一77沿着导轨一72水平运动，即沿着船模8的纵向运动；垂向调节机构3与基座一10一起随着滑板一77运动，从而传感器4拉着拉冰盒5运动，进而模型冰6随拉冰盒5一起沿着船模8的纵向运动；

第七步：拉冰盒5通过滚轮53相对于船模8滚动运动；模型冰6底面与船模8贴合，模型冰6在纵向运动过程中相对于船模8产生滑动摩擦；通过传感器4获得模型冰6与船模8之间的动摩擦力；

第八步：将第七步中的动摩擦力与第五步中砝码11的载荷值进行比值求解，进而得到模型冰6与船模8之间的动摩擦系数；即：

μ＝f/N

其中：μ为动摩擦系数；f为由传感器4测得的模型冰6与船模8之间的动摩擦力；N为砝码11的载荷值，即正压力。

第九步：调整第五步中砝码11的重量，重复第六步至第八步，进而求得多个动摩擦系数值，将多个动摩擦系数值求均值，获得结果。

本实施例中，船模8的材质为木材，多次试验时使用的砝码11重量和对应的由传感器4测得的动摩擦力如下表所示：

求解表格中摩擦系数的平均值，为：0.099866，则获得模型冰6与船模8之间的动摩擦系数为0.0998。

本发明实现了模型冰与船体表面间的动摩擦系数的测量，并且操作简单，多次重复试验，测量结果准确。

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)

1.一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：包括多个支脚，多个支脚顶部共同安装有工作平台(1)，工作平台(1)上沿其长度方向安装有纵向运动机构(7)，位于纵向运动机构(7)前方的工作平台(1)上固装有船模(8)；纵向运动机构(7)包括滑块一(73)，所述滑块一(73)在电机(71)驱动下沿着船模(8)纵向运动；所述滑块一(73)前侧面安装有基座一(10)，所述基座一(10)侧面固装有垂向调节机构(3)，所述垂向调节机构(3)底部安装有基座二(2)，基座二(2)上固装有传感器(4)；还包括放置于船模(8)上的拉冰盒(5)，所述拉冰盒(5)内固装有模型冰(6)，所述传感器(4)与拉冰盒(5)端部固接。

2.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述拉冰盒(5)为中空框架结构，所述模型冰(6)位于拉冰盒(5)中空框架内，且模型冰(6)的底面与船模(8)贴合。

3.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述纵向运动机构(7)的结构为：包括底部与工作平台(1)固接的框架体一(74)，所述框架体一(74)侧面中部水平安装有丝杆一(76)，位于丝杆一(76)上下两侧的框架体一(74)侧面分别安装有导轨一(72)，所述丝杆一(76)的两端通过轴承一(78)与框架体一(74)滚动连接，丝杆一(76)的端头连接有电机(71)；两根导轨一(72)上分别安装有滑块一(73)，两个滑块一(73)共同安装有滑板一(77)，所述滑板一(77)底部通过螺旋副一(75)与丝杆一(76)配合运动；所述滑板一(77)侧面与基座一(10)固装。

4.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述垂向调节机构(3)的结构为：包括与基座一(10)固装的框架体二(33)，框架体二(33)侧面中部竖直安装有丝杆二(35)，所述丝杆二(35)两端通过轴承二(32)与框架体二(33)滚动连接，所述轴承二(32)安装于轴承座(31)内，轴承座(31)与框架体二(33)固接，所述丝杆二(35)端部伸出框架体二(33)并在端头设置有夹持部(39)；位于丝杆二(35)左右两侧面的框架体二(33)上分别安装有导轨二(34)，两根导轨二(34)上均安装有滑块二(36)，两个滑块二(36)共同安装有滑板二(38)，所述滑板二(38)底部通过螺旋副二(37)与丝杆二(35)配合运动。

5.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述拉冰盒(5)的结构为：包括“[”型结构的盒体(51)，所述盒体(51)开口端通过紧固件(55)安装有挡板(56)，所述盒体(51)与挡板(56)共同构成容纳模型冰(6)的“□”型空间；所述盒体(51)端部外侧的中部固装有拉环(52)，所述拉环(52)与传感器(4)固接；所述盒体(51)两侧壁的外侧分别安装有轮座(54)，轮座(54)上均安装有滚轮(53)，所述拉冰盒(5)通过滚轮(53)相对于船模(8)滚动。

6.如权利要求5所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述滚轮(53)为滚动轴承。

7.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述船模(8)艏部和艉部外侧均通过夹紧座(9)固装于工作平台(1)上。

8.如权利要求7所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述夹紧座(9)的截面为L型结构；两个夹紧座(9)相背设置，两个夹紧座(9)之间的工作平台(1)上放置有船模(8)，船模(8)由两个夹紧座(9)纵向限位。

9.如权利要求1所述的一种模型冰动摩擦系数测量装置，其特征在于：所述传感器(4)一端与基座二(2)固接，传感器(4)另一端与拉冰盒(5)固接；所述传感器(4)处于水平状态安装。

10.一种利用权利要求1所述的模型冰动摩擦系数测量装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：通过夹紧座(9)将船模(8)固定于工作平台(1)上；

第二步：将拉冰盒(5)放置于船模(8)上，在拉冰盒(5)的盒体(51)内部放置模型冰(6)，并通过紧固件(55)将挡板(56)和盒体(51)固接；将传感器(4)与拉冰盒(5)端头的拉环(52)固接；

第三步：通过丝杆二(35)端部的夹持部(39)，手动转动丝杆二(35)，螺旋副二(37)与丝杆二(35)配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆二(35)的转动带动滑板二(38)沿着导轨二(34)上下运动，传感器(4)的端部与基座二(2)一起随滑板二(38)上下运动；

第四步：通过第三步，调整传感器(4)至水平状态；

第五步：在模型冰(6)上放置砝码(11)；

第六步：电机(71)工作，带动丝杆一(76)旋转，螺旋副一(75)与丝杆一(76)配合运动并将转动转换为直线运动，从而丝杆一(76)的转动带动滑板一(77)沿着导轨一(72)水平运动，即沿着船模(8)的纵向运动；垂向调节机构(3)与基座一(10)一起随着滑板一(77)运动，从而传感器(4)拉着拉冰盒(5)运动，进而模型冰(6)随拉冰盒(5)一起沿着船模(8)的纵向运动；

第七步：拉冰盒(5)通过滚轮(53)相对于船模(8)滚动运动；模型冰(6)底面与船模(8)贴合，模型冰(6)在纵向运动过程中相对于船模(8)产生滑动摩擦；通过传感器(4)获得模型冰(6)与船模(8)之间的动摩擦力；

第八步：将第七步中的动摩擦力与第五步中砝码(11)的载荷值进行比值求解，进而得到模型冰(6)与船模(8)之间的动摩擦系数；

第九步：调整第五步中砝码(11)的重量，重复第六步至第八步，进而求得多个动摩擦系数值，将多个动摩擦系数值求均值，获得结果。