CN110553817A - 一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置。本发明包括供水装置、压紧装置、测试装置以及辅助装置，其中所述的压紧装置包括测力传感器、弹簧缓冲器左支撑板、压缩弹簧缓冲器、弹簧缓冲器右支撑板、推杆电动机、电机支座、滑轮、导轨平台。所述的测试装置包括电机、第一联轴器、扭矩传感器、传感器支座、第二联轴器、试验测试部件。本发明中的测力传感器的加入可以使压紧力数据化，对不同压紧力下研究非光滑壁面减阻有很大帮助；压缩弹簧缓冲器可以使压紧面与试验样件接触时更加平滑，不易损坏试验样件。

Description

一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置

技术领域

本发明涉及一种流体阻力测试装置，具体的说是一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人类不断地进入研究的无人区。在流体阻力的研究领域，由于人类对各类水下潜航器、空天高速飞行器等的需求不断增大，针对这类高速航行器的研究越发为研究人员们所重视，这其中，关于高速航行器外表面的减阻研究则属于重中之重。

根据有关资料的研究数据，在空中飞行器的低速巡航过程中，飞行器外表面与空气之间的摩擦阻力约是空中飞行器飞行总阻力的50%。水面上航行的常规船舶，在其航行的总阻力中，船舶与水流之间的摩擦阻力亦达50%左右，且在水下航行器，如深海潜艇、鱼雷导弹等中，这一比例甚至可以达到70%左右。面对这一实际情况，研究人员们针对表面减阻进行了大量的研究，并取得了卓有成效的研究成果，如微气泡减阻技术、柔顺壁面减阻技术、聚合物减阻技术、射流减阻技术以及仿生非光滑壁面减阻技术等等，上述技术都可以有效地降低目标表面的摩擦力，从而使空天飞行器或水中航行器的运动速度得到提高，使其能源消耗量得以降低。

但在进一步的研究过程中，受限于目前减阻测试装置的固有缺陷，如装置庞大、操作复杂等，减阻研究不再如之前那般进展顺利，且由于减阻测试装置成本高昂，使得减阻研究无法全面铺开，规模较小的实验室根本无力进行减阻研究。因此，当前的减阻研究迫切需要一种新型的测阻装置它应当满足以下几点要求：（1）较低的成本价格，应在广大研究机构的承受范围之内；（2）小型化的装置结构，应保证在小型化的同时完成试验内容并保证精度要求；（3）简易的操作方式，应使试验可以简单快速地完成。

发明内容

本发明的目的在解决水下环境中仿生非光滑壁面结构减阻效果进行评估的基础上，同时对装置中的变量进行控制，实现对照实验。试验中数据通过数据采集系统采集试验装置中的不同壁面试验样件的减阻率，进行数据对比，得到不同表面结构的减阻效果，从而研究壁面表面结构的减阻特性。

本发明包括供水装置、压紧装置、测试装置以及辅助装置，所述的供水装置连接所述的测试装置，并在其下方，所述的压紧装置连接所述的测试装置，在其右方。

所述的压紧装置包括测力传感器、弹簧缓冲器左支撑板、压缩弹簧缓冲器、弹簧缓冲器右支撑板、推杆电动机、电机支座、滑轮、导轨平台。

所述的测力传感器呈现一个圆柱形状，一端连接所述的测试装置的压紧板垫板，另一端与所述的弹簧缓冲器左支撑板接触，并安装在所述的测试装置的试验筒右端盖的通孔内部，所述的压缩弹簧缓冲器一端连接所述的弹簧缓冲器左支撑板，另一端连接所述的弹簧缓冲器右支撑板，所述的弹簧缓冲器右支撑板通过螺栓、螺母与所述的推杆电动机连接，所述的推杆电动机与所述的电机支座连接，所述的电机支座底部安装所述的滑轮，所述的滑轮置放在所述的导轨平台上的凹槽里，并且通过连接所述的电机支座和导轨平台的螺栓进行固定，待到滑轮滚动到合适的位置，拧紧螺栓就能固定电机支座和滑轮。

所述的测试装置包括电机、第一联轴器、扭矩传感器、传感器支座、第二联轴器、试验测试部件。

所述的电机通过螺栓安装固定在所述的辅助装置的电机置放台上，所述的电机的输出轴与所述的扭矩传感器通过所述的第一联轴器连接，所述的扭矩传感器与所述的试验测试部件中的传动轴通过所述的第二联轴器连接，所述的扭矩传感器通过螺栓固定在所述的传感器支座上，所述的传感器支座通过螺栓固定在所述的电机置放台上。

所述的试验测试部件包括试验筒、试验筒左端盖、试验筒右端盖、传动轴、肋板、样件支撑架、轴承右端盖、磁流体密封装置、轴承左端盖、垫片、密封圈、压紧板、压紧板垫板、定位支架筒、试验样件。

所述的传动轴为阶梯轴，从左往右共有八段，第一段安装平键与所述的扭矩传感器通过所述的第二联轴器连接，第三段和第五段安装轴承，并通过轴肩进行定位，第四段安装所述的磁流体密封装置，磁流体密封装置的作用在于在合理压差内，可实现零泄露，同时该结构是非接触的，故而不会影响扭矩的精度下降问题，第七段通过平键和螺母安装所述的样件支撑架，所述的传动轴穿过所述的试验筒左端盖的通孔，并在通孔两侧安装所述的轴承左端盖和轴承右端盖，用于安装固定轴承，所述的样件支撑架通过螺栓与螺母固定所述的试验样件，所述的试验筒左右两侧分别固定连接所述的试验筒左端盖和试验筒右端盖，并通过所述的垫片进行密封，所述的试验筒的上下两端都开有通孔，用于连接所述的供水装置的进水管和出水管连接，所述的试验筒右端盖的通孔内部套有所述的压紧板垫板，在所述的试验筒右端盖的通孔与所述的压紧板垫板之间通过螺栓与螺母固定所述的密封圈，所述的压紧板垫板靠近所述的试验样件那一端固定所述的压紧板，所述的压紧板垫板的另一端通过螺栓固定所述的定位支架筒，所述的肋板套在所述的试验筒上，用于固定测量装置，整个试验测试部件通过所述的垫片与密封圈进行密封，防止漏水对零件造成损伤。

所述的辅助装置包括轴承支座、滑动轴承、十字槽盘头螺钉、试验装置平台、电机安置台。

所述的十字槽盘头螺钉连接所述的测力传感器与压紧板垫板，所述的轴承支座下端固定在所述的导轨平台，所述的轴承支座上端固定所述的滑动轴承，其优点在于结构简单、体积小、承载能力强、抗振性好，所述的滑动轴承套在所述的定位支架筒，所述的定位支架筒的形状是圆柱状，刚好可以用于安装所述的测力传感器，所述的试验装置平台上固定所述的导轨平台，所述的电机安置台上通过螺栓固定所述的电机与传感器支座。

进一步说，所述的供水装置包括水箱、清水潜水泵、出水管、进水管、球阀，所述的清水潜水泵置放在所述的水箱中，所述的水箱为整个过程提供试验的流体，所述的进水管一端通过法兰、螺栓和螺母连接所述的清水潜水泵，另一端通过螺纹连接在所述的试验筒的上端，所述的出水管一端连接所述的试验筒下端，另一端通入所述的水箱，并在所述的出水管上安装所述的球阀，用于控制整个水路的循环，整个水路都是循环利用的，环保无污染。

进一步说，所述的压紧装置还包括防倾支撑板，所述的防倾支撑板安装在所述的电机支座上。

测试装置的工作原理是：试验开始时，打开清水潜水泵，让试验筒内部灌满水，形成水下环境，再打开电机，电机带动传动轴旋转，试验样件与样件支撑架和传动轴一起旋转，然后打开推杆电动机，推杆电动机推动压紧板的压紧面向试验样件接触，接触时测力传感器会显示出压紧力，得到合适的压紧力时关闭推杆电动机，这时候扭矩传感器会传出所需要的动态扭矩，从而用来计算阻力效果。

本发明的有益效果是：体积小、结构紧凑简单、所需成本低、操作简单、试验性能强、不受周围试验环境限制以及方便水翼试验样件装卸等优点；测力传感器的加入可以使压紧力数据化，对不同压紧力下研究非光滑壁面减阻有很大帮助；压缩弹簧缓冲器可以使压紧面与试验样件接触时更加平滑，不易损坏试验样件；滑轮与导轨平台能够在装卸装置时更加胜利方便安全；供水装置实现了水路的循环利用，环保无污染；磁流体密封装置的加入能够实现对装置的密封作用，在合理压差内，可实现零泄露，同时该结构是非接触的，故而不会影响扭矩的精度下降问题。

附图说明

图1为本发明的装置主视图；

图2为装置的俯视图；

图3为试验测试部件的剖视图；

图4为图1中Ⅰ处的放大图；

图5为图3中Ⅱ处的放大图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施过程。

针对现有的流体阻力测试装置占地大、成本高、操作繁琐、试验成本高等问题，本发明提出了一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置。本发明所述的一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，包括供水装置、压紧装置、测试装置以及辅助装置，它们的分布位置呈现一个倒L形，所述的测试装置在其最中间的位置，所述的供水装置连接所述的测试装置，并在其下方，所述的压紧装置连接所述的测试装置，在其右方。

结合图1，对供水装置进行详细地说明：清水潜水泵21是泵与电机连体，并且潜入工作的泵，它的优点是结构紧凑、占地面积小、安装维修方便、运转时间久、不存在汽蚀等现象，在试验过程中可以更加方便，不用更换，有利于更长时间的运转，清水潜水泵21连接进水管22一端，进水管22另一端与试验筒108上端连接，试验筒108的形状是圆柱状，其上下两部分都有连接水管的螺纹接口，出水管一端23与试验筒108下端连接，出水管23另一端通入水箱20，形成整个回路的水循环，在出水管23上安装球阀24用于控制水路循环。

结合图1、图2、图4，对压紧装置进行详细地说明：测力传感器8的主要作用是对压紧力进行测量，通过数据的形式表现出来，测力传感器8整体呈现圆柱形状，刚好可以镶嵌安装在定位支架筒114内部，定位支架筒114的形状是圆柱形状，测力传感器8的左端通过十字槽盘头螺钉7与压紧板垫板113连接在一起，十字槽盘头螺钉7可以直接的头部可以安装转入压紧板垫板113的内部，有利于安装压紧板112，测力传感器8的右端与弹簧缓冲器左支撑板11连接在一起，压缩弹簧缓冲器12两端分别安装弹簧缓冲器左支撑板11和弹簧缓冲器右支撑板13，压缩弹簧缓冲器12的作用在于使压紧力更加平缓地施加到试验样件115上，防止对试验样件115造成损伤，试验样件115的一边是光滑的壁面，另一边是呈现三角形的非光滑壁面，与压紧装置的压紧板112的一边接触，弹簧缓冲器右支撑板13通过螺栓、螺母固定在推杆电动机14上，推杆电动机14固定在电机支架16上，电机支架16上安装防倾支撑板15，电机支架16底部安装滑轮17，滑轮17放置在导轨平台18的凹槽内，等到滑轮17滑到合适位置时，通过拧紧连接电机支座16与导轨平台18的螺栓进行固定，防止试验过程中，因为震动等原因使滑轮17滚动，对零件造成损伤并有安全隐患，滑轮17的作用是有利于在拆卸过程中可以更加方便地进行装卸零件，并且防止零件损坏，整个压紧装置通过推杆电动机14自动化进行压紧力的施加，通过压缩弹簧缓冲器12的作用实现整个施压压紧力过程的安全与准确，通过测力传感器8将压紧力数据化，更加有利于进行不同压紧力作用下非光滑壁面对减阻效果的对照试验。

结合图1、图2、图3、图5，对测试装置进行详细地说明：电机1的作用为整个装置提供动力，电机1的输出轴与扭矩传感器3通过第一联轴器2连接，电机1固定在电机安置台25上，扭矩传感器3固定在传感器支座4上，传感器支座4固定在电机安置台25上，扭矩传感器3另一端与试验测试部件6中的传动轴105通过第二联轴器5连接，整个过程中，电机1的输出轴输出的扭矩与试验测试部件6反馈给扭矩传感器3的扭矩，通过测量这两个施加给扭矩传感器3的动态扭矩，从而可以计算出减阻率，继而可以获知非光滑壁面对减阻的效果如何。

结合图3，对试验测试部件6进行详细地说明：传动轴105从左至右共有八段，第一段开有键孔，与第二联轴器3连接，第三段和第五段安装轴承，第四段安装磁流体密封装置104，第七段通过平键和螺母安装样件支撑架102，传动轴105穿过试验筒左端盖106的通孔，并在通孔两侧安装轴承左端盖106和轴承右端盖103，用于安装固定轴承，样件支撑架102通过螺栓与螺母固定试验样件115，试验筒108左右两侧分别固定连接试验筒左端盖107和试验筒右端盖110，并通过垫片109进行密封，试验筒108的上下两端都开有通孔，用于连接供水装置的进水管22和出水管23连接，试验筒右端盖110的通孔内部套有压紧板垫板113，在试验筒右端盖110的通孔与压紧板垫板113之间通过螺栓与螺母固定密封圈111，密封圈111的作用是防止密封筒内部的流体流出，其形状截面是凹形的，中间凹处与压紧板垫板113的边缘嵌合，通过螺栓与螺母从两侧穿过固定，压紧板垫板113靠近试验样件115那一端固定压紧板112，压紧板垫板113的另一端通过螺栓固定定位支架筒114，肋板101套在试验筒108上，用于固定测量装置。

结合图1、图2，对辅助装置进行详细地说明：十字槽盘头螺钉7连接测力传感器8与压紧板垫板113，轴承支座9下端固定在导轨平台18上，轴承支座9上端固定滑动轴承10，滑动轴承10套在定位支架筒114，试验装置平台19上固定在导轨平台18上，电机安置台25上固定电机1与传感器支座4。

测试装置的工作原理是：试验开始时，打开清水潜水泵21，让试验筒108内部灌满水，形成水下环境，再打开电机1，电机1带动传动轴105旋转，试验样件115与样件支撑架102和传动轴105一起旋转，打开电机支座16与导轨平台18之间的螺栓，推动滑轮17到合适的位置，接着拧紧螺栓，防止滑轮17滑动，然后打开推杆电动机14，推杆电动机14推动压紧板112的压紧面向试验样件115接触，接触时测力传感器8会显示出压紧力，得到合适的压紧力时关闭推杆电动机14，这时候扭矩传感器3会传出所需要的动态扭矩，从而用来计算阻力效果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，包括供水装置、压紧装置、测试装置以及辅助装置，所述的供水装置连接所述的测试装置，并在其下方，所述的压紧装置在连接所述的测试装置，在其右方，其特征在于：

所述的压紧装置包括测力传感器、弹簧缓冲器左支撑板、压缩弹簧缓冲器、弹簧缓冲器右支撑板、推杆电动机、电机支座、滑轮、导轨平台；

所述的测力传感器呈现一个圆柱形状，一端连接所述的测试装置的压紧板垫板，另一端与所述的弹簧缓冲器左支撑板接触，并安装在所述的测试装置的试验筒右端盖的通孔内部；所述的压缩弹簧缓冲器一端连接所述的弹簧缓冲器左支撑板，另一端连接所述的弹簧缓冲器右支撑板；所述的弹簧缓冲器右支撑板通过与所述的推杆电动机连接，所述的推杆电动机与所述的电机支座连接，所述的电机支座底部安装所述的滑轮，所述的滑轮置放在所述的导轨平台上的凹槽里；

所述的测试装置包括电机、第一联轴器、扭矩传感器、传感器支座、第二联轴器、试验测试部件；

所述的电机通过螺栓安装固定在所述的辅助装置的电机置放台上，所述的电机的输出轴与所述的扭矩传感器通过所述的第一联轴器连接，所述的扭矩传感器与所述的试验测试部件中的传动轴通过所述的第二联轴器连接，所述的扭矩传感器固定在所述的传感器支座上，所述的传感器支座固定在所述的电机置放台上；

所述的试验测试部件包括试验筒、试验筒左端盖、试验筒右端盖、传动轴、肋板、样件支撑架、轴承右端盖、磁流体密封装置、轴承左端盖、垫片、密封圈、压紧板、压紧板垫板、定位支架筒、试验样件；

所述的传动轴为阶梯轴，从左往右共有八段，第一段安装平键与所述的扭矩传感器通过所述的第二联轴器连接，第三段和第五段安装轴承，并通过轴肩进行定位，第四段安装所述的磁流体密封装置，第七段通过平键安装所述的样件支撑架；所述的传动轴穿过所述的试验筒左端盖的通孔，并在通孔两侧安装所述的轴承左端盖和轴承右端盖，用于安装固定轴承；所述的样件支撑架固定所述的试验样件，所述的试验筒左右两侧分别固定连接所述的试验筒左端盖和试验筒右端盖，并通过所述的垫片进行密封，所述的试验筒的上下两端都开有通孔，用于连接所述的供水装置的进水管和出水管连接，所述的试验筒右端盖的通孔内部套有所述的压紧板垫板，在所述的试验筒右端盖的通孔与所述的压紧板垫板之间固定所述的密封圈，所述的压紧板垫板靠近所述的试验样件一端固定所述的压紧板，所述的压紧板垫板的另一端固定所述的定位支架筒，所述的肋板套在所述的试验筒上，用于固定测量装置，整个试验测试部件通过所述的垫片与密封圈进行密封，防止漏水对零件造成损伤；

所述的辅助装置包括轴承支座、滑动轴承、十字槽盘头螺钉、试验装置平台、电机安置台；

所述的十字槽盘头螺钉连接所述的测力传感器与压紧板垫板，所述的轴承支座下端固定在所述的导轨平台，所述的轴承支座上端固定所述的滑动轴承，所述的滑动轴承套在所述的定位支架筒，所述的定位支架筒的形状是圆柱状，刚好用于安装所述的测力传感器，所述的试验装置平台上固定所述的导轨平台，所述的电机安置台上固定所述的电机与传感器支座；

根据权利要求1所述的一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述的供水装置包括水箱、清水潜水泵、出水管、进水管、球阀。

2.所述的清水潜水泵置放在所述的水箱中，所述的水箱为整个过程提供试验的流体，所述的进水管一端通过法兰、螺栓和螺母连接所述的清水潜水泵，另一端通过连接在所述的试验筒的上端，所述的出水管一端连接所述的试验筒下端，另一端通入所述的水箱，并在所述的出水管上安装所述的球阀，用于控制整个水路的循环。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于水下的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述的压紧装置还包括防倾支撑板，所述的防倾支撑板安装在所述的电机支座上。