CN110849583B - 一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，包括转动驱动装置、扭矩信号采集单元、试验样件测试系统和试验样件压紧系统，试验样件测试系统包括试验筒装置、试验样件支撑架和试验样件；试验筒装置包括试验筒筒体、试验筒左端盖和试验筒右端盖，试验筒筒体上设有进水管和出水管。试验筒左端盖上设有轴承套筒，轴承套筒内密封套设有传动轴，传动轴的右端伸入试验筒筒体内部并与试验样件支撑架固定连接，试验样件固定安装在试验样件支撑架右侧，转动驱动装置通过扭矩信号采集单元与传动轴的左端固定连接。本申请具有装置小型化、结构简单紧凑、装置成本低、操作简单、试验性能好等优点，适用于不同形状结构的非光滑试验样件。

Description

一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置

技术领域

本申请涉及一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置。

背景技术

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。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。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本申请的目的在于提供一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于包括转动驱动装置、扭矩信号采集单元、试验样件测试系统和试验样件压紧系统，所述试验样件测试系统包括用于承载水环境的试验筒装置、试验样件支撑架以及试验样件；试验筒装置包括试验筒筒体、设于试验筒筒体左侧的试验筒左端盖和设于试验筒筒体右侧的试验筒右端盖，试验筒筒体上设有进水管和出水管；所述试验筒左端盖上设置有轴承套筒，轴承套筒内密封套设有能够进行转动的传动轴，传动轴的两端均从轴承套筒内水平穿出，传动轴的右端伸入试验筒筒体内部并与所述试验样件支撑架固定连接，所述试验样件通过螺栓固定安装在试验样件支撑架右侧，使得试验样件支撑架和试验样件一并安装在试验筒筒体内部；试验样件的右侧面为非光滑壁面；所述试验筒右端盖上设置有压紧套管，所述试验样件压紧系统包括密封设置在所述压紧套管内的压紧面单元、压紧面支撑单元和压紧驱动机构，在所述压紧驱动机构的驱动作用下，能够推动压紧面单元向前移动并对试验样件的非光滑壁面进行顶紧，且试验筒筒体的内腔保持密封状态；所述转动驱动装置的动力输出端与扭矩信号采集单元的动力输入端相连，扭矩信号采集单元的动力输出端与传动轴的左端固定连接。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于还包括第一实验平台，所述转动驱动装置包括通过电机支座固定安装在第一实验平台上的电机，所述扭矩信号采集单元包括通过耦合器支座固定安装在第一实验平台上的扭矩信号耦合器，电机的输出轴通过第一联轴器与扭矩信号耦合器的输入端相连，扭矩信号耦合器的输出端通过第二联轴器与所述传动轴的左端固定连接。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述传动轴为五段阶梯轴；从左向右开始，传动轴的第二段和第四段均通过轴承与所述轴承套筒内壁固定连接，以对传动轴进行定位与固定；传动轴的第三段与轴承套筒内壁之间设置有第一密封环，以对试验筒筒体进行密封。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于还包括第二实验平台和供水系统，所述供水系统包括设于第二实验平台下方的水槽及放置在水槽内的潜水泵，水槽内盛有水；所述试验筒筒体底部通过固定腔座固定安装在第二实验平台上，所述出水管设于试验筒筒体底部，且出水管下端从固定腔座和第二实验平台穿出并伸入到水槽内的水中，出水管上设置有控制阀；所述进水管设于试验筒筒体顶部，且进水管的进水端伸入水槽内并与潜水泵的出水端连通。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述压紧套管呈中空管状结构，所述压紧面单元包括设置于压紧套管内的承载面、压紧面和第二密封环，所述压紧面与承载面的左侧面通过螺栓固定连接，承载面的外周边缘与第二密封环通过螺栓连接固定，且承载面的外周边缘通过所述第二密封环与压紧套管内壁进行贴合密封，以控制压紧面向前移动并对试验样件的非光滑壁面进行顶紧的情况下，试验筒筒体的内腔能保持密封状态。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述压紧面支撑单元包括固定安装在承载面右侧面的外接套筒、滑动轴承和套筒支座，套筒支座上设有轴承套孔，外接套筒外部与所述滑动轴承套合，滑动轴承与套筒支座的轴承套孔套合；在套筒支座对外接套筒的支撑作用下，当推动承载面和压紧面一并向试验样件施加压紧力时，承载面和压紧面能够顺畅地在水平向左移动。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述压紧驱动机构包括位置调整装置及安装在位置调整装置上的施力电机和弹簧缓冲器，所述施力电机的动力输出端与弹簧缓冲器的一端固定连接，弹簧缓冲器的另一端穿过所述外接套筒并与承载面固定连接，施力电机能够通过位置调整装置进行左右移动，且弹簧缓冲器能够将施力电机输出的压紧力传输至承载面右侧面上。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述位置调整装置包括底部设有滚轮的承载平台和带有凹槽型导轨的工作平台，承载平台底部的滚轮配合设置在工作平台的凹槽型导轨上，以便承载平台能够在工作平台的凹槽型导轨上左右移动；所述承载平台底部还设有用于锁定位置的定位销，以便通过定位销将承载平台锁定在工作平台上；所述承载平台上端设有承载板，所述施力电机固定安装在承载平台上端的承载板上。

所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于试验筒筒体顶部设有排气口，并在试验筒筒体顶部的排气口上配合安装有密封堵头。

相对于现有技术，本申请取得的有益效果是：

本申请装置的工作原理是：试验开始时，首先关闭出水管上的控制阀，启动潜水泵将试验筒筒体内注满水，然后开启转动驱动装置的电机，电机通过传动轴带动试验样件旋转，此时开启施力电机，施力电机的输出端通过弹簧缓冲器推动压紧面单元挤压试验样件，使试验样件一端受旋转的驱动作用力，一端受水平的压紧作用力，这样就可以通过传动路径上的扭矩信号耦合器测得试验样件的动态扭矩。然后重新换上光滑试验样件，重复刚才的步骤测得动态扭矩，对比算出减阻率。待到实验结束，多余的水从试验筒下方的出水管排除。

2、本申请具有装置小型化、结构简单紧凑、装置成本低、操作简单、试验性能好、不受周围试验环境限制等优点，应用范围广，适用于不同形状结构的非光滑试验样件。

附图说明

图1为本申请非光滑壁面摩擦阻力测试装置的结构示意图；

图2为本申请试验样件测试系统的截面结构示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图中：1-第一实验平台，2-电机支座，3-电机，4-第一联轴器，5-扭矩信号耦合器，6-耦合器支座，7-第二联轴器，8-进水管，9-试验筒筒体，10-试验筒左端盖，11-套筒支座，12-弹簧缓冲器，13-施力电机，14-承载平台，15-滚轮，16-定位销，17-工作平台，18-第二实验平台，19-水槽，20-潜水泵，21-控制阀，22-出水管，23-固定腔座，24-传动轴，25-轴承套筒，26-试验样件支撑架，27-密封堵头，28-试验样件，29-压紧面，30-承载面，31-外接套筒，32-试验筒右端盖，33-轴承，34-第一密封环，35-第二密封环。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：对照图1-3

一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，包括第一实验平台1、第二实验平台18、转动驱动装置、扭矩信号采集单元、试验样件测试系统和试验样件压紧系统。转动驱动装置和扭矩信号采集单元安装在第一实验平台1上，试验样件测试系统和试验样件压紧系统安装在第二实验平台18上。

试验样件测试系统包括用于承载水环境的试验筒装置、试验样件支撑架26以及试验样件28；试验筒装置包括试验筒筒体9、试验筒左端盖10和试验筒右端盖32，试验筒筒体9顶部设有进水管8，试验筒筒体9底部设有出水管22，出水管22上设置有控制阀21，以通过控制阀21控制试验筒筒体9内是否排水。对照图1可以看出，试验筒筒体9顶部设有排气口，并在试验筒筒体9顶部的排气口上配合安装有密封堵头27。

对照图2可以看出，试验筒装置是可拆卸式结构，试验筒左端盖10通过螺栓安装在试验筒筒体9的左侧，试验筒右端盖32安装在试验筒筒体9的右侧。所述试验筒左端盖10上设置有轴承套筒25，轴承套筒25内密封套设有能够进行转动的传动轴24，传动轴24的两端均从轴承套筒25内水平穿出，传动轴24的右端伸入试验筒筒体9内部并与所述试验样件支撑架26固定连接，所述试验样件28通过螺栓固定安装在试验样件支撑架26右侧，使得试验样件支撑架26和试验样件28一并安装在试验筒筒体9内部。试验样件28的右侧面为非光滑壁面。

对照图2可以看出，轴承套筒25内密封套设传动轴24，且传动轴24能够进行转动的方式是：传动轴24为五段阶梯轴；从左向右开始，传动轴24的第二段和第四段均通过轴承33与所述轴承套筒25内壁固定连接，以对传动轴24进行定位与固定；传动轴24的第三段与轴承套筒25内壁之间设置有第一密封环34，以对试验筒筒体9进行密封。可以看出，传动轴24的两端均从轴承套筒25内穿出。

对照图1可以看出，转动驱动装置包括通过电机支座2固定安装在第一实验平台1上的电机3，所述扭矩信号采集单元包括通过耦合器支座6固定安装在第一实验平台1上的扭矩信号耦合器5，电机3的输出轴通过第一联轴器4与扭矩信号耦合器5的输入端相连，扭矩信号耦合器5的输出端通过第二联轴器7与所述传动轴24的左端固定连接。在电机3的驱动作用下，能够带动试验样件支撑架26和试验样件28整体进行转动。

为了方便测量，本申请的装置还包括供水系统，所述供水系统包括设于第二实验平台18下方的水槽19及放置在水槽19内的潜水泵20，水槽19内盛有水，潜水泵20置于水槽19内的水中。试验筒筒体9底部通过固定腔座23固定安装在第二实验平台18上，出水管22下端从固定腔座23和第二实验平台18穿出并伸入到水槽19内的水中，进水管8的进水端伸入水槽19内并与潜水泵20的出水端连通。由此在潜水泵20的运行作用下，能够将水槽19内的水输送到试验筒筒体9内，当打开出水管22上的控制阀21时，试验筒筒体9内的水能够返回到水槽19内。

对照图3可以看出，试验筒右端盖32上设置有压紧套管，压紧套管呈中空管状结构，试验样件压紧系统包括密封设置在所述压紧套管内的压紧面单元、压紧面支撑单元和压紧驱动机构，在所述压紧驱动机构的驱动作用下，能够推动压紧面单元向前移动并对试验样件28的非光滑壁面进行顶紧，且试验筒筒体9的内腔保持密封状态。其中，试验筒筒体9、试验筒左端盖10、试验筒右端盖32与所述压紧面单元围成试验筒装置的内腔。

压紧面单元包括设置于压紧套管内的承载面30、压紧面29和第二密封环35，所述压紧面29与承载面30的左侧面通过螺栓固定连接，承载面30的外周边缘与第二密封环35通过螺栓连接固定（承载面30与第二密封环35的具体连接方式可以是：对照图3，第二密封环35内侧设置环形卡槽，承载面30外周配合卡接于第二密封环35内侧的环形卡槽中，承载面30和第二密封环35的环形卡槽再通过螺栓进一步连接固定），且承载面30的外周边缘通过所述第二密封环35与压紧套管内壁进行贴合密封（即第二密封环35的环形侧面与压紧套管内壁紧密接触），以控制压紧面29向前移动并对试验样件28的非光滑壁面进行顶紧的情况下，试验筒筒体9的内腔能保持密封状态。

压紧面支撑单元包括固定安装在承载面30右侧面的外接套筒31、滑动轴承和套筒支座11，套筒支座11上设有轴承套孔，外接套筒31外部与所述滑动轴承套合，滑动轴承与套筒支座11的轴承套孔套合（即外接套筒31通过滑动轴承安装在套筒支座11的轴承套孔内）。外接套筒31、滑动轴承和套筒支座11三者的连接结构，保证了当施力电机13推动压紧面单元向试验样件28施加压紧力时，压紧面单元可左右顺畅移动且有足够的支撑力保证其水平移动。对照图1可以看出，套筒支座11下端固定安装在工作平台17上。

压紧驱动机构包括位置调整装置及安装在位置调整装置上的施力电机13和弹簧缓冲器12，所述施力电机13的动力输出端与弹簧缓冲器12的一端固定连接，弹簧缓冲器12的另一端穿过所述外接套筒31并与承载面30固定连接，施力电机13能够通过位置调整装置进行左右移动，且弹簧缓冲器12能够将施力电机13输出的压紧力传输至承载面30右侧面上。

对照图1可以看出，位置调整装置包括底部设有滚轮15的承载平台14和带有凹槽型导轨的工作平台17，承载平台14底部的滚轮15配合设置在工作平台17的凹槽型导轨上，以便承载平台14能够在工作平台17的凹槽型导轨上左右移动；所述承载平台14底部还设有用于锁定位置的定位销16，以便通过定位销16将承载平台14锁定在工作平台17上；所述承载平台14上端设有承载板，所述施力电机13固定安装在承载平台14上端的承载板上。在本申请中，通过承载平台14底部的滚轮15与工作平台17的凹槽型导轨嵌合，进行调节承载平台14左右移动，以将施力电机13调整到最佳的工作位置。其中，承载平台14可在外力作用下左右移动以调整位置。对照图1，工作平台17固定安装在第二实验平台18上表面。

对照图1，通过定位销16将承载平台14锁定在工作平台17上的方式可以是：定位销16的销杆外侧加工有阳螺纹，承载平台14底部设有相配的螺纹孔，定位销16配合螺接在承载平台14底部。

沿着工作平台17靠近于试验筒筒体9的一端，向着工作平台17远离试验筒筒体9的一端的水平方向上，工作平台17上表面间隔设置若干位于同一直线上的螺纹孔，定位销16能够与工作平台17上表面的螺纹孔配合连接固定，进而将承载平台14锁定在工作平台17上。由此通过工作平台17上的不同位置的螺纹孔进行固定，实现承载平台14位置的多级调整。

实施例2：

利用实施例1所述的基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置的使用方法。进行测试时，测试一组非光滑的试验样件28（即试验样件28的右侧面为非光滑壁面）的动态扭矩，还需要测试一组光滑的试验样件28（即试验样件28的右侧面为光滑壁面）的动态扭矩作为对比实验。

测试一组非光滑的试验样件28，包括以下步骤：

1）试验开始时，首先关闭出水管22上的控制阀21，启动潜水泵20通过入水口将试验筒筒体9的内腔内注满水（先将试验筒筒体9顶部的密封堵头27打开，待试验筒筒体9的内腔内注满水后，再使用密封堵头27将试验筒筒体9顶部的排气口封堵）。

2）开启转动驱动装置的电机3，电机3通过传动轴24带动试验样件28旋转。

3）开启施力电机13，施力电机13的输出端通过弹簧缓冲器12推动压紧面29挤压非光滑的试验样件28，使试验样件28一端受旋转的驱动作用力，一端受水平的压紧作用力。

4）通过传动路径上的扭矩信号耦合器5，测得非光滑的试验样件28的动态扭矩。

测试一组光滑的试验样件28的动态扭矩，其测试步骤重复上述步骤1）~4），不同之处在于：“将非光滑的试验样件28，替换成光滑的试验样件28”。最终测得光滑的试验样件28的动态扭矩。

实验结束，多余的水从试验筒筒体9下方的出水管22排出。

对比非光滑的试验样件28、光滑的试验样件28两种测得的动态扭矩结果，算出非光滑的试验样件28的减阻率。这是因为在其他条件一致的情况下，非光滑试验样件和光滑试验样件的动态扭矩（的均值）即分别代表了其摩擦减阻性能，因此直接对比两者的动态扭矩（的均值）即可得出非光滑试验样件相对于光滑试验样件的相对减阻率。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，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。

Claims (7)

1.一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于包括转动驱动装置、扭矩信号采集单元、试验样件测试系统和试验样件压紧系统，所述试验样件测试系统包括用于承载水环境的试验筒装置、试验样件支撑架（26）以及试验样件（28）；试验筒装置包括试验筒筒体（9）、设于试验筒筒体（9）左侧的试验筒左端盖（10）和设于试验筒筒体（9）右侧的试验筒右端盖（32），试验筒筒体（9）上设有进水管（8）和出水管（22）；

所述试验筒左端盖（10）上设置有轴承套筒（25），轴承套筒（25）内密封套设有能够进行转动的传动轴（24），传动轴（24）的两端均从轴承套筒（25）内水平穿出，传动轴（24）的右端伸入试验筒筒体（9）内部并与所述试验样件支撑架（26）固定连接，所述试验样件（28）通过螺栓固定安装在试验样件支撑架（26）右侧，使得试验样件支撑架（26）和试验样件（28）一并安装在试验筒筒体（9）内部；试验样件（28）的右侧面为非光滑壁面；

所述试验筒右端盖（32）上设置有压紧套管，所述试验样件压紧系统包括密封设置在所述压紧套管内的压紧面单元、压紧面支撑单元和压紧驱动机构，在所述压紧驱动机构的驱动作用下，能够推动压紧面单元向前移动并对试验样件（28）的非光滑壁面进行顶紧，且试验筒筒体（9）的内腔保持密封状态；

所述转动驱动装置的动力输出端与扭矩信号采集单元的动力输入端相连，扭矩信号采集单元的动力输出端与传动轴（24）的左端固定连接；

所述压紧套管呈中空管状结构，所述压紧面单元包括设置于压紧套管内的承载面（30）、压紧面（29）和第二密封环（35），所述压紧面（29）与承载面（30）的左侧面通过螺栓固定连接，承载面（30）的外周边缘与第二密封环（35）通过螺栓连接固定，且承载面（30）的外周边缘通过所述第二密封环（35）与压紧套管内壁进行贴合密封，以控制压紧面（29）向前移动并对试验样件（28）的非光滑壁面进行顶紧的情况下，试验筒筒体（9）的内腔能保持密封状态；

试验筒筒体（9）顶部设有排气口，并在试验筒筒体（9）顶部的排气口上配合安装有密封堵头（27）。

2.如权利要求1所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于还包括第一实验平台（1），所述转动驱动装置包括通过电机支座（2）固定安装在第一实验平台（1）上的电机（3），所述扭矩信号采集单元包括通过耦合器支座（6）固定安装在第一实验平台（1）上的扭矩信号耦合器（5），电机（3）的输出轴通过第一联轴器（4）与扭矩信号耦合器（5）的输入端相连，扭矩信号耦合器（5）的输出端通过第二联轴器（7）与所述传动轴（24）的左端固定连接。

3.如权利要求1所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述传动轴（24）为五段阶梯轴；从左向右开始，传动轴（24）的第二段和第四段均通过轴承（33）与所述轴承套筒（25）内壁固定连接，以对传动轴（24）进行定位与固定；传动轴（24）的第三段与轴承套筒（25）内壁之间设置有第一密封环（34），以对试验筒筒体（9）进行密封。

4.如权利要求1所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于还包括第二实验平台（18）和供水系统，所述供水系统包括设于第二实验平台（18）下方的水槽（19）及放置在水槽（19）内的潜水泵（20），水槽（19）内盛有水；所述试验筒筒体（9）底部通过固定腔座（23）固定安装在第二实验平台（18）上，所述出水管（22）设于试验筒筒体（9）底部，且出水管（22）下端从固定腔座（23）和第二实验平台（18）穿出并伸入到水槽（19）内的水中，出水管（22）上设置有控制阀（21）；所述进水管（8）设于试验筒筒体（9）顶部，且进水管（8）的进水端伸入水槽（19）内并与潜水泵（20）的出水端连通。

5.如权利要求4所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述压紧面支撑单元包括固定安装在承载面（30）右侧面的外接套筒（31）、滑动轴承和套筒支座（11），套筒支座（11）上设有轴承套孔，外接套筒（31）外部与所述滑动轴承套合，滑动轴承与套筒支座（11）的轴承套孔套合；在套筒支座（11）对外接套筒（31）的支撑作用下，当推动承载面（30）和压紧面（29）一并向试验样件（28）施加压紧力时，承载面（30）和压紧面（29）能够顺畅地在水平向左移动。

6.如权利要求5所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述压紧驱动机构包括位置调整装置及安装在位置调整装置上的施力电机（13）和弹簧缓冲器（12），所述施力电机（13）的动力输出端与弹簧缓冲器（12）的一端固定连接，弹簧缓冲器（12）的另一端穿过所述外接套筒（31）并与承载面（30）固定连接，施力电机（13）能够通过位置调整装置进行左右移动，且弹簧缓冲器（12）能够将施力电机（13）输出的压紧力传输至承载面（30）右侧面上。

7.如权利要求6所述的一种基于水下测量的非光滑壁面摩擦阻力测试装置，其特征在于所述位置调整装置包括底部设有滚轮（15）的承载平台（14）和带有凹槽型导轨的工作平台（17），承载平台（14）底部的滚轮（15）配合设置在工作平台（17）的凹槽型导轨上，以便承载平台（14）能够在工作平台（17）的凹槽型导轨上左右移动；所述承载平台（14）底部还设有用于锁定位置的定位销（16），以便通过定位销（16）将承载平台（14）锁定在工作平台（17）上；所述承载平台（14）上端设有承载板，所述施力电机（13）固定安装在承载平台（14）上端的承载板上。