CN110823507B - 一种螺旋桨动力仪及螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺旋桨试验技术领域，具体涉及一种螺旋桨动力仪及螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台。本发明的螺旋桨动力仪采用推力扭矩传感器以及六分量天平替代了螺旋桨敞水动力仪，解决了传统螺旋桨敞水动力仪在测量冰桨接触工况下的量程不够的问题。螺旋桨动力仪整体采用组合壳体包装，可以适用于空气与水下两种试验环境。本发明具有安装简便，稳定性好，适用性高等优点，作为一种常规敞水动力仪的代替产品，在对特殊工况下螺旋桨动力测量方面有着广泛的应用前景。本发明螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台实现了模型冰XY二维自由度的可调，可用于螺旋桨和冰的切削实验，避免了敞水动力仪在量程上的局限性。

Description

一种螺旋桨动力仪及螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台

技术领域：

本发明属于螺旋桨试验技术领域，具体涉及一种螺旋桨动力仪及螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台。

背景技术：

冰区航行船舶普遍采用螺旋桨作为推进器，螺旋桨的可靠性将对船舶在冰区航行的安全性有较大影响。冰桨接触过程中冰载荷要比冰桨相互作用下的水动力载荷大一个数量级以上，可能导致螺旋桨的损坏。而且，接触冰载荷通常是剧烈波动的，其诱导的激振力将通过桨轴传递到船体，引起较大的机械振动，可能振裂船体构件，造成破坏事故。因此，关于冰桨接触问题的研究在数值模拟与模型实验两方面都开展了很多研究。

目前，国内针对螺旋桨的试验主要有敞水动力仪，其量程一般在300N和20N·m范围内。在冰桨切削状态下的模型试验开展过程中，出现了常规敞水动力仪的推力、扭矩量程不够的情况，同时由于螺旋桨的旋转轴设计较长，其上搭载的测量设备以及自身重力会导致旋转轴弯曲。因此，在进行螺旋桨-冰切削试验时现有的敞水动力仪的测力装置的量程、电机功率以及旋转轴的长度等因素都存在问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种量程更大的轴系更短的螺旋桨动力仪。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括主体壳体和六分量天平；所述的主体壳体包括后壳体、中壳体与前壳体，后壳体、中壳体与前壳体依次连接；所述的后壳体尾部安装有后导流帽，后壳体内部安装有电机；所述的中壳体上方安装有翼型导流罩，在翼型导流罩内部设有动力仪支撑杆；所述的六分量天平安装于翼型导流罩上方；所述的动力仪支撑杆内部设有导线通道，动力仪支撑杆底端与中壳体连接；所述的中壳体内部设有推力扭矩传感器；所述的前壳体首部安装有螺旋桨；所述的螺旋桨通过前轴与推力扭矩传感器连接；所述的电机通过后轴与推力扭矩传感器连接；所述的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接；所述的推力扭矩传感器通过导线从动力仪支撑杆内部的导线通道穿过与六分量天平连接。

本发明还可以包括：

所述的动力仪支撑杆的下端通过中壳体上的凹槽与中壳体连接，动力仪支撑杆的上端通过连接法兰与试验平台支撑架连接。

本发明的目的还在于提供实现对冰桨洗削工况下的螺旋桨力学响应进行测量的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括试验平台支撑架、模型冰推送装置、螺旋桨动力仪及控制系统；所述的六分量天平安装于试验平台支撑架的顶部；所述的动力仪支撑杆上端与试验平台支撑架的顶部连接；所述的电机通过导线与控制系统连接；所述的模型冰推送装置包括水平运动机构、垂向运动机构及模型冰夹持机构；所述的水平运动机构包括水平滑台；所述的水平滑台安装在试验平台支撑架顶面上；所述的水平滑台上面设有滑台支撑板；所述的垂向运动机构包括限位导板；所述的限位导板安装在滑台支撑板两侧，限位导板上端与顶板连接；所述的滑台支撑板上端设有加力轴；所述的加力轴上端穿过顶板与调整轮盘连接；所述的模型冰夹持机构包括限位挡板和侧板；所述的限位挡板安装在水平滑台下方两侧的限位导板之间；所述的侧板安装于限位导板下端；所述的侧板下端安装有下锁紧板，侧板尾部安装有后限位板。

本发明还可以包括：

所述的动力仪支撑杆的下端通过中壳体上的凹槽与中壳体连接，动力仪支撑杆的上端通过连接法兰与试验平台支撑架连接。

所述的水平滑台侧面设有侧向标尺，侧向标尺两端安装有限位传感器；所述的限位传感器与控制系统连接。

所述的加力轴通过轴套连接在滑台支撑板上端；所述的加力轴与轴套之间为反向锁死连接。

所述的限位导板上设有垂向标尺。

本发明的有益效果在于：

本发明的螺旋桨动力仪采用推力扭矩传感器以及六分量天平替代了螺旋桨敞水动力仪，解决了传统螺旋桨敞水动力仪在测量冰桨接触工况下的量程不够的问题。外壳的设计保证了螺旋桨动力仪的密封性，使其可以适用于水下试验条件与空气试验条件。螺旋桨动力仪的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接，支撑轴承为前轴提供支点，减小由于螺旋桨重量较大导致的轴的弯曲和变形。螺旋桨水动力仪的主体壳体采用分段的方式进行组装，使整套壳体的加工过程更加方便，减少了加工难度和加工费用，节约了加工时间。

本发明螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台实现了模型冰XY二维自由度的可调，可用于螺旋桨和冰的切削实验，避免了敞水动力仪在量程上的局限性。同时，六分量天平的安装可以对整套装置的整体载荷进行测量。螺旋桨动力仪整体采用组合壳体包装，可以适用于空气与水下两种试验环境。本发明具有安装简便，稳定性好，适用性高等优点，作为一种常规敞水动力仪的代替产品，在对特殊工况下螺旋桨动力测量方面有着广泛的应用前景。

附图说明：

图1为一种螺旋桨动力仪的主视图。

图2为一种螺旋桨动力仪中动力仪支撑杆的局部放大图。

图3为一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台的模型冰推送装置的示意图。

图4为一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台的主视图。

图5为一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台的电控柜示意图。

图6为一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台的计算机示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明提供了一种量程更大的轴系更短的螺旋桨动力仪，并且将其与模型冰推送装置结合，设计了一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，实现对冰桨洗削工况下的螺旋桨力学响应进行测量。

一种螺旋桨动力仪，如附图1所示，包括主体壳体和六分量天平13。主体壳体包括后壳体2、中壳体5与前壳体9，后壳体、中壳体与前壳体依次连接。后壳体尾部安装有后导流帽1，后壳体内部安装有电机12，电机与后壳体之间通过连接轴承连接，通过非标定螺丝进行紧固。中壳体上方安装有翼型导流罩11，在翼型导流罩内部设有动力仪支撑杆10。六分量天平安装于翼型导流罩上方。动力仪支撑杆内部设有导线通道，动力仪支撑杆底端与中壳体连接。中壳体内部设有推力扭矩传感器4，前壳体首部安装有螺旋桨7。螺旋桨通过前轴6与推力扭矩传感器连接。电机通过后轴3与推力扭矩传感器连接。前轴与前壳体之间通过支撑轴承8连接。推力扭矩传感器通过导线从动力仪支撑杆内部的导线通道穿过与六分量天平连接。

后壳体、中壳体与前壳体之间通过连接孔以及非标定螺丝紧固。后导流帽用于减缓壳体部分对螺旋桨来流流场的影响。后壳体、中壳体与前壳体组成的螺旋桨动力仪的主体壳体部分，用于保护内部构件。翼型导流罩用于改善动力仪的整体流场，翼型导流罩与中壳体以及试验平台支撑架相连。电机、推力扭矩传感器与中壳体之间均通过连接轴承固定，前轴与前壳体之间通过支撑轴承8连接，支撑轴承8用于减少前轴以及螺旋桨旋转轴的弯曲。电机、推力扭矩传感器以及前轴与后轴之间通过连轴器进行连接。螺旋桨动力仪整体与试验平台支撑架之间通过动力仪支撑杆10连接。如图2所示，动力仪支撑杆10可通过中壳体上的凹槽14与中壳体连接，通过连接法兰15与试验平台支撑架连接。动力仪支撑杆同时起到将内部构件的导线导出的功能。六分量天平13连接在试验平台支撑架上，用于测量螺旋桨动力仪的整体的运动与力的数据。

本发明的螺旋桨动力仪采用推力扭矩传感器以及六分量天平替代了螺旋桨敞水动力仪，解决了传统螺旋桨敞水动力仪在测量冰桨接触工况下的量程不够的问题。外壳的设计保证了螺旋桨动力仪的密封性，使其可以适用于水下试验条件与空气试验条件。螺旋桨动力仪的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接，支撑轴承为前轴提供支点，减小由于螺旋桨重量较大导致的轴的弯曲和变形。螺旋桨水动力仪的主体壳体采用分段的方式进行组装，使整套壳体的加工过程更加方便，减少了加工难度和加工费用，节约了加工时间。

螺旋桨动力仪使用更大量程的推力扭矩传感器，使本发明的螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台的应用范围更广，既可以开展螺旋桨的敞水试验，也可开展螺旋桨的切削和碰撞试验。螺旋桨动力仪的前轴的直径和强度更大，同时，前轴的前端安装有轴承，为前轴提供支点，减小由于螺旋桨重量较大导致的轴的弯曲和变形。

本发明的螺旋桨动力仪可用于螺旋桨和冰的切削试验，避免了敞水动力仪在量程上的局限性，螺旋桨动力仪的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接，可以减小轴系在螺旋桨重量条件下导致的旋转轴的弯曲。螺旋桨动力仪整体采用组合壳体包装，可以适用于空气与水下两种试验环境。本发明具有安装简便，稳定性好，适用性高等优点，作为一种常规敞水动力仪的代替产品，在对特殊工况下螺旋桨动力测量方面有着广泛的应用前景。

本发明的螺旋桨动力仪采用推力扭矩传感器以及六分量天平替代了螺旋桨敞水动力仪，解决了传统螺旋桨敞水动力仪在测量冰桨接触工况下的量程不够的问题。外壳的设计保证了螺旋桨动力仪的密封性，使其可以适用于水下试验条件与空气试验条件。螺旋桨动力仪的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接，支撑轴承为前轴提供支点，减小由于螺旋桨重量较大导致的轴的弯曲和变形。螺旋桨水动力仪的主体壳体采用分段的方式进行组装，使整套壳体的加工过程更加方便，减少了加工难度和加工费用，节约了加工时间

一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，如图4所示，包括两部分，一部分是模型冰推送装置，包括水平运动机构、垂向运动机构及模型冰夹持机构三种组成机构，另一部分是螺旋桨动力仪。还包括试验平台支撑架及控制系统。本发明将模型冰推送装置与螺旋桨动力仪两部分集中于同一试验平台支撑架中，实现了试验设备与测量设备的结合，大大简化了试验中的操作步骤与难度。控制系统包括如图5所示的控制柜28，数据采集及处理系统包括如图6所示的计算机29，控制系统与数据采集系统通过翼型导流罩的导线通道与动力仪的内部构件相连。螺旋桨动力仪固定在试验平台支撑架前部。

模型冰推送装置如图3所示。模型冰推送装置包括水平运动机构、垂向运动机构及模型冰夹持机构。水平运动机构包括水平滑台24，水平滑台安装在试验平台支撑架顶面上，水平滑台用于调整模型冰的水平位置。水平滑台上面设有滑台支撑板20，水平滑台侧面设有侧向标尺，侧向标尺两端安装有限位传感器，限位传感器与控制系统连接。垂向运动机构包括限位导板21，限位导板安装在滑台支撑板两侧，限位导板上端与顶板连接，限位导板上设有垂向标尺27，便于定量的测量模型冰垂向调整距离。滑台支撑板上端设有加力轴19，加力轴通过轴套连接在滑台支撑板上端，加力轴与轴套之间设计为反向锁死连接，有效的保证了推送器在振动情况下垂向位移不变。加力轴上端穿过顶板与调整轮盘18连接，限位导板的作用是调整模型冰夹持器的垂向位置，通过转动调整轮盘，进而改变加力轴的长度，可以调整垂直运动机构的位置。模型冰夹持机构包括限位挡板23和侧板，侧板通过非标定螺丝与限位导板相连，限位挡板上有紧固螺丝孔25，用于紧固不同厚度的模型冰。限位挡板安装在水平滑台下方两侧的限位导板之间。侧板下端安装有下锁紧板22，侧板尾部安装有后限位板26。水平滑台侧面设有侧向标尺，侧向标尺两端安装有限位传感器，限位传感器与控制系统连接。侧向标尺有助于定量的测量模型冰的水平进给长度，限位传感器限制推送器的最大水平位移，当限位导板通过传感器时，控制系统将停止推送器的水平进给。

下锁紧板与侧板之间通过非标定螺丝紧固，调整非标定螺丝的位置，可以改变下锁紧板与限位挡板之间的位置，或通过紧固螺丝孔25适应不同厚度的模型冰。

动力仪支撑杆上端与试验平台支撑架的顶部连接，可通过连接法兰盘连接并通过非标定螺丝紧固。试验平台支撑架上设有六维上座，动力仪支撑杆中的导线通道，与上方六维上座相通。螺旋桨动力仪的六分量天平安装于试验平台支撑架的六维上座中，六维上座与六分量天平之间通过非标定螺丝紧固。螺旋桨动力仪的电机通过导线与控制系统连接。六分量天平的安装可以对整套装置的整体载荷进行测量。

滑台支撑板与限位导板以及模型冰夹持机构的材料为铝，且厚度大于10mm，有效地较小了冰桨切削过程中模型冰固定装置振动的问题。

模型冰推送装置有如下优点：

1.通过水平滑台与限位挡板，实现了模型冰XY二维可调自由度的保证，模型冰推送装置可沿着滑台移动，移动的速度和位移可精确调整。通过限位传感器的设置，限制了模型冰推送装置的最大水平位移，防止模型冰与动力仪壳体部分接触，增加了试验中的安全性。

2.调整轮盘的存在便于调整螺旋桨和模型冰的切削深度，减少了使用不同长度的连接板的可能，减少了反复拆卸装置的可能。

3.侧板，限位挡板、下锁紧板的存在可固定多种不同尺寸的模型冰；限位导板上安装有垂向标尺，便于定量的调整模型冰垂向位置。在限位挡板上安装的紧固螺丝孔25可以实现对不同厚度的模型冰的紧固，增加了本平台的适用性。

4.滑台支撑板与限位导板以及模型冰夹持机构的材料为铝，有效地减少了整套装置的重量，同时，板材的厚度大于10mm，有效地减小了冰桨切削过程中模型冰的振动，使试验测量的精度更高。

在冰桨切削试验之前，需要将仪器整体搭建好。在有整体框架的基础上，在其上安装滑台支撑板20和水平滑台24，采用非标定螺丝将其紧固后，安装限位导板21及模型冰夹持机构的侧板。在滑台支撑板上安装加力轴19。限位导板21上贴有垂向标尺27，用于标定模型冰垂向位置的调整幅度。在侧板底部通过非标定螺丝紧固下锁紧板26，调整下锁紧板26以与限位挡板23加紧模型冰。限位挡板上钻取紧固螺丝孔25，在使用不同冰厚的情况下，加入锁紧螺丝与垫片压紧模型冰。在此基础上，安装螺旋桨动力仪，首先安装固定于试验平台支撑架上的六维上座，在六维上座中放置六分量天平13，六维上座与试验平台支撑架之间通过螺丝紧固。下一步组装螺旋桨动力仪，螺旋桨动力仪的安装分为内部构件的安装与组合壳体的安装。首先将电机12放入后壳体2中，通过非标定螺丝将电机与后壳体内部的连接轴承紧固，然后将推力扭矩传感器4放入中壳体5中，推力扭矩传感器4与中壳体通过连接轴承连接。将电机与后轴相连，后轴插入中壳体与推力扭矩传感器4相连，连接处通过轴承连接。将前轴6插入前壳体9中，前壳体与前轴之有支撑轴承8作为支撑。最后将前壳体、中壳体、后壳体连接，至此，组合壳体与内部构件组合完毕。下一步将中壳体与动力仪支撑杆10通过凹槽相连，通过非标定螺丝进行紧固。动力仪支撑杆与试验平台支撑架通过连接法兰15连接，通过非标定螺丝进行紧固。检查安装效果后，在中壳体外侧加装翼型导流罩11，翼型导流罩将动力仪支撑杆包于内部。待实验时将螺旋桨7安装于前轴上，螺旋桨动力仪部分安装完毕。下一步根据导线的标识进行控制柜28的安装，接线的同时在水平滑台侧面安装侧向标尺，在侧向标尺两端安装限位传感器，将限位传感器与控制柜28连接。

根据设定工况调整限位导板在滑台上的位置以调整模型冰推送装置的水平位置，调整加力轴的高度以调整模型冰推送装置的垂向位置，根据模型冰的不同冰厚条件调整下锁紧板与挡板紧固螺丝。根据不同大小的模型冰，可将下锁紧板固定于不同位置，通过限位挡板与下锁紧板将模型冰加紧。进而实现不同相对位置、不同模型冰大小的冰桨切削的试验。调节电机转速，进而实现不同螺旋桨转速时的冰桨切削试验。将推力扭矩传感器与电机的导线通过动力仪支撑杆10中顺出至试验平台支撑架上分别与六分量天平及控制柜连接。

在试验平台支撑架、螺旋桨动力仪和模型冰推送装置安装完成后，将电机的控制导线与电控柜相连，初步调试电控柜，对限位传感器进行试验性试验。将六分量天平接线与数据采集及处理系统相连，进行预采样的工作。待预采样工作完成后，可进行正式试验。

以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本技术领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：包括试验平台支撑架、模型冰推送装置、螺旋桨动力仪及控制系统；所述的螺旋桨动力仪包括主体壳体和六分量天平；所述的主体壳体包括后壳体、中壳体与前壳体，后壳体、中壳体与前壳体依次连接；所述的后壳体尾部安装有后导流帽，后壳体内部安装有电机；所述的中壳体上方安装有翼型导流罩，在翼型导流罩内部设有动力仪支撑杆；所述的动力仪支撑杆内部设有导线通道，动力仪支撑杆的下端通过中壳体上的凹槽与中壳体连接；所述的中壳体内部设有推力扭矩传感器；所述的前壳体首部安装有螺旋桨；所述的螺旋桨通过前轴与推力扭矩传感器连接；所述的电机通过后轴与推力扭矩传感器连接；所述的前轴与前壳体之间通过支撑轴承连接；所述的推力扭矩传感器通过导线从动力仪支撑杆内部的导线通道穿过与六分量天平连接；所述的六分量天平安装于试验平台支撑架的顶部；所述的动力仪支撑杆上端与试验平台支撑架的顶部连接；所述的电机通过导线与控制系统连接；所述的模型冰推送装置包括水平运动机构、垂向运动机构及模型冰夹持机构；所述的水平运动机构包括水平滑台；所述的水平滑台安装在试验平台支撑架顶面上；所述的水平滑台上面设有滑台支撑板；所述的垂向运动机构包括限位导板；所述的限位导板安装在滑台支撑板两侧，限位导板上端与顶板连接；所述的滑台支撑板上端设有加力轴；所述的加力轴上端穿过顶板与调整轮盘连接；所述的模型冰夹持机构包括限位挡板和侧板；所述的限位挡板安装在水平滑台下方两侧的限位导板之间；所述的侧板安装于限位导板下端；所述的侧板下端安装有下锁紧板，侧板尾部安装有后限位板。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的动力仪支撑杆的下端通过中壳体上的凹槽与中壳体连接，动力仪支撑杆的上端通过连接法兰与试验平台支撑架连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的水平滑台侧面设有侧向标尺，侧向标尺两端安装有限位传感器；所述的限位传感器与控制系统连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的加力轴通过轴套连接在滑台支撑板上端；所述的加力轴与轴套之间为反向锁死连接。

5.根据权利要求3所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的加力轴通过轴套连接在滑台支撑板上端；所述的加力轴与轴套之间为反向锁死连接。

6.根据权利要求3所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的限位导板上设有垂向标尺。

7.根据权利要求4所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的限位导板上设有垂向标尺。

8.根据权利要求5所述的一种螺旋桨冰切削状态下的空气试验平台，其特征在于：所述的限位导板上设有垂向标尺。

Images