CN111272387B - 一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法及装置，属于水利水电工程、海洋船舶工程技术领域。本发明可实现不同空化状态的调节，并可实现精确测量水域中运动物体在空化状态下的附加力矩。通过结构对称的实验装置，利用同一动力源驱动实验模型在水域、对照模型在空气中达到相同的振动运动状态；通过力矩传感器分别测量水域空化状态下实验模型所受到的综合力矩值及对照模型在空气中所受综合力矩值，通过测量值的差值可以精确得到在水域中运动的物体在不同空化状态下受到的附加作用力矩。

Description

一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法及装置，属于水利水电工程、海洋船舶工程技术领域。

背景技术

水和气体的物理性质差异悬殊，与在空气介质中运动相比，物体在水域中运动时由于工作介质密度、黏性较大，会受到不容忽视的附加作用力。尤其是当运动物体附近水域内局部压强降低到液体的饱和蒸气压时就会产生空化，在水利工程、海洋船舶和水下航行器技术领域空化是一种普遍存在的物理现象。根据水流速度、压强、和液体中含气量等的差异，水中运动物体附近流场会处于不同的空化阶段，使得运动物体附近流场形态、水动力特性参数等快速变化。处于空化流场状态下的物体会受到更加复杂的附加作用力和附加作用力矩，从而降低水下动力机械的性能，严重时甚至会使机械发生变形、表面损坏以至断裂失效。因此，了解水下运动物体尤其是运动物体在空化状态下所受的附加作用力及附加力矩的变化，对提升水利机械性能，提高水下运动物体安全性有重要意义。

目前，针对水下运动物体的研究大多是探究其综合力学性能，对由于工作介质变化而引起的附加作用力及附加作用力矩的测量及分析的研究相对较少。

发明内容

本发明的目的提供一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法及装置，可实现不同空化状态的调节，并可实现精确测量水域中运动物体在空化状态下的附加力矩。通过结构对称的实验装置，利用同一动力源驱动实验模型在水域、对照模型在空气中达到相同的振动运动状态；通过力矩传感器分别测量水域空化状态下实验模型所受到的综合力矩值及对照模型在空气中所受综合力矩值，通过测量值的差值可以精确得到在水域中运动的物体在不同空化状态下受到的附加作用力矩。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法，通过相同的驱动方式，使实验模型在水域、对照模型在空气中达到相同的运动状态，通过调节水域的来流速度、压力及通气量使模型达到目标空化阶段，分别利用力矩传感器测量得到实验模型在空化状态下所受综合力矩及对照模型在空气中相同运动状态下所受综合力矩，将两力矩值相减即可得到由于工作介质不同，水域实验模型处于空化状态下所受的附加作用力矩的精确值。

一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，所述装置采用对称结构，通过同一个动力源提供动力，能够保证实验模型在液体中和对照模型在空气中具有完全一致的动力输入。

所述测量试验装置包括：动力装置、力矩传感器、通气传动机构和支架系统；

所述动力装置固定在带法兰空心轴中间，用于提供驱动模型振动运动；实验装置轴线两端分别固定实验模型和对照模型；用于测量实验模型所受力矩的第一力矩传感器和用于测量对照模型所受力矩的第二力矩传感器以动力装置在实验装置轴线上的固定位置为中心，对称布置在实验装置轴线上。在实验模型和对照模型具有相同的振动运动工况下，两力矩值相减即可得到由于工作介质改变且实验模型处于空化状态下所受的附加作用力矩的精确值；靠近水下实验模型端的第一通气孔布置在第一带法兰空心阶梯轴上、靠近空气中对照模型端的第二通气孔布置在第二带法兰空心阶梯轴上，通气孔以动力装置在实验装置轴线上的固定位置为中心对称布置，用于向实验模型和对照模型通气，使实验模型在水域振动时可达到目标空化状态，同时保证对照模型具有相同的通气条件；

所述动力装置包括：平面连杆机构、减速器和电机；

所述平面连杆机构从动力端依次定义为传动圆盘、连杆、导杆以及托架；其中导杆一端为带螺栓连接孔的半圆形托架，半圆形尺寸与带法兰空心轴外径相同，托架内衬橡胶衬套；各机构组成元件之间通过铰链连接；

所述力矩传感器为双法兰扭矩传感器GN-3；

所述通气传动机构包括带法兰空心轴、第一带法兰空心阶梯轴、第二带法兰空心阶梯轴、第一套筒螺母、第二套筒螺母、第一套筒、第二套筒、第一轴承、第二轴承、第一通气连杆以及第二通气连杆；

所述第一带法兰空心阶梯轴和第二带法兰空心阶梯轴为阶梯型中空直杆，分为直径不同的四段，以便满足安装需求；依直径从小到大的顺序依次定义为带法兰空心阶梯轴第一级、带法兰空心阶梯轴第二级、带法兰空心阶梯轴第三级和带法兰空心阶梯轴第四级；带法兰空心阶梯轴第四级侧面中部处开有一螺纹孔，与通气连杆相连，从而实现通气效果；空心阶梯轴第四级空余端焊接有与力矩传感器相同型号的法兰；

所述带法兰空心轴内外轴径与带法兰空心阶梯轴第四级内外轴径尺寸相同；空心阶梯轴两端焊接与力矩传感器相同型号的法兰；

所述第一套筒和第二套筒为中截面“凸”字形的圆环柱体，用于安装轴承、固定带法兰空心阶梯轴；

所述第一套筒螺母在水洞实验段后面板内侧与第一套筒伸出部分连接；第二套筒螺母在支撑板外侧与第二套筒伸出部分连接；

所述第一通气连杆和第二通气连杆为阶梯状圆柱形空心直杆；

所述支架系统为实验台及与实验台固定连接的支撑板；

连接关系：电机与减速器固定连接；减速器输出轴与平面连杆机构的传动圆盘中心采用平键连接，平面连杆机构的连杆与传动圆盘边缘处通过铰链联接，平面连杆机构的连杆通过铰链与平面连杆机构的导杆联接，平面连杆机构的导杆通过半圆托架卡紧在带法兰空心轴中心平面处，并通过螺栓紧固；带法兰空心轴两侧通过法兰分别与第一力矩传感器和第二力矩传感器相连，力矩传感器空余端通过法兰分别与第一空心阶梯轴第四级和第二空心阶梯轴第四级相连；

左侧靠近实验模型端的第一带法兰空心阶梯轴伸入第一套筒中，第一带法兰空心阶梯轴第一级从套筒小端伸出在外，与实验模型通过螺纹连接；第一带法兰空心阶梯轴第二级与第三级在第一套筒内部，第一带法兰空心阶梯轴第二级与第一套筒接触的位置通过密封圈密封，第一带法兰空心阶梯轴第三级通过第一轴承与套筒内壁配合装配，带法兰空心阶梯轴轴承在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用，第一带法兰空心阶梯轴第四级通过侧面螺纹孔与第一通气连杆相连；第一套筒小端穿过水洞实验段后面板伸至水洞实验段内部；第一套筒螺母在水洞实验段后面板内侧与第一套筒小端连接；第一套筒肩部与水洞实验段后面板外侧通过垫片密封。

右侧靠近空气对照模型端的第二带法兰空心阶梯轴伸入第二套筒中，第二带法兰空心阶梯轴第一级从第二套筒小端伸出在外，与对照模型通过螺纹连接；第二带法兰空心阶梯轴第二级与第三级在第二套筒内部，第二带法兰空心阶梯轴第二级与第二套筒接触的位置通过密封圈密封，第二带法兰空心阶梯轴第三级通过轴承与第二套筒内壁配合装配，轴承在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用，第二带法兰空心阶梯轴第四级通过侧面螺纹孔与第二通气连杆相连；第二套筒小端穿过支撑板，支撑板与实验台固定；第二套筒螺母在支撑板外侧与第二套筒小端连接；第二套筒肩部与支撑板外侧加装密封垫片。

工作过程：首先通过调节来流水速及压力，待水洞实验段内流动稳定后，通过通气连杆对实验模型进行通气，通过调节通气率使在水流中的实验模型所处空化状态符合实验工况要求，然后待通气稳定后，接通电源，根据电机与减速器转速比对实验所需振荡角度、振荡频率、振荡时间、启停机振荡加速度等参数进行换算，基于换算后的参数通过控制器对电机工作状态进行设置，确认无误后启动电机；最后待电机稳定后即可通过力矩传感器测量实验数据，对称布置的两力矩传感器测量值的差值可表征实验模型在水域空化状态下所受到的附加作用力矩。

有益效果

1、本发明的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法，通过调整通气量可使水域中实验模型较容易地达到目标空化状态并可精确测量实验模型所受附加作用力矩；通过同一动力源驱动水域实验模型和空域对照模型振动能够减少动力输出端干扰因素，将利用对称分布的力矩传感器测得的两侧模型所受综合力矩值相减可得到实验模型在空化状态下所受的附加力矩。

2、本发明的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，结构简单、紧凑，易于拆卸和移动，保证高效、快捷地完成实验并获取实验数据；同时通过密封圈和通气连杆的合理应用和布置，能有效解决传动装置的密封与通气问题；

3、本发明的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，节省空间，造价低廉，节约能源，适于水洞实验等小型实验研究；

4、本发明的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，通过步进电机驱动实验模型振荡运动，从而可以定量精确地控制模型的转速和振荡角度；

5、本发明的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，可以灵活更换实验模型，实现多种模型的实验研究。

附图说明

图1是本发明一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置组装立体示意图；

图2是本发明通气传动机构装配图；

图3是本发明通气传动机构带法兰空心轴俯视图和右视图；

图4是本发明通气传动机构带法兰空心阶梯轴俯视图；

图5是本发明通气传动机构带法兰空心阶梯轴右视图；

图6是本发明通气传动机构套筒俯视图；

图7是本发明通气传动机构套筒右视图；

图8是本发明通气传动机构套筒螺母左视图。

其中，1—第一带法兰空心阶梯轴，2—第一套筒螺母，3—水洞实验段后面板，4—第一套筒，5—第一通气连杆，6—第一力矩传感器，7—托架，8—第二力矩传感器，9—第二通气连杆，10—第二带法兰空心阶梯轴，11—第二套筒，12—支撑板，13—带法兰空心轴，14—导杆，15—连杆，16—传动圆盘，17—减速器，18—电机，19—第一垫片，20—第一密封圈，21—第一轴承，22—第二轴承，23—第二密封圈，24—第二垫片，25—第二套筒螺母。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式。

实施例1

一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，包括支架系统、动力装置、测量装置、和通气传动机构，如图1所示；

所述支架系统为支撑板12；

所述动力装置包括平面连杆机构、步进电机18和减速器17；

所述平面连杆机构7、14、15和16从动力端依次定义为传动圆盘16、连杆15以及导杆14，其中导杆一端为带螺栓连接孔的半圆形托架7，半圆形尺寸与带法兰空心轴外径相同，托架7内衬橡胶衬套，各构件之间通过铰链连接；

所述通气传动机构包括第一带法兰空心阶梯轴1、第一套筒螺母2、第一套筒4、第一通气连杆5、第二通气连杆9、第二带法兰空心阶梯轴10、第二套筒11、带法兰空心轴13、第一空心阶梯轴轴承20、第二空心阶梯轴轴承21、第二套筒螺母25以及带法兰空心轴2，如图2所示；

所述带法兰空心轴13内外轴径与带法兰空心阶梯轴第四级内外轴径尺寸相同；带法兰空心轴两端焊接与力矩传感器同样型号的法兰，如图3所示；

所述第一带法兰空心阶梯轴1和第二带法兰空心阶梯轴10为圆柱型空心直杆，直径沿轴向分四级呈阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为带法兰空心阶梯轴第一级、带法兰空心阶梯轴第二级、带法兰空心阶梯轴第三级和带法兰空心阶梯轴第四级；带法兰空心阶梯轴第四级侧面中部处开有一螺纹孔，与通气连杆相连，从而实现通气效果；带法兰空心阶梯轴第四级空余端焊接与力矩传感器相同型号的法兰，如图4和图5所示；

所述第一通气连杆5和第二通气连杆9为阶梯状圆柱形空心直杆；

所述第一套筒4和第二套筒11为中截面“凸”字形的圆环柱体，如图6和图7所示；

所述第一套筒螺母2和第二套筒螺母25分别在水洞实验段内侧及支撑板外侧与套筒伸出部分连接，如图8所示；

连接关系：电源、电机18与控制器用导线连成控制回路；电源、控制器置于实验平台，位置可根据需要进行调整；电机18连接控制器，控制器连接电源，电源用于给电机和控制器供电，电机用于驱动实验装置的运动，控制器用于控制电机的输出功率及转速，其中电机18型号为LINIX 57HB76JS10，控制器型号为JJ01电机控制器；电机18通过螺钉与减速器17固定连接，用来降低转速和增大转矩，减速器17型号为LINIX 60JB20，减速器17输出轴与传动圆盘16通过平键固定连接传递动力，平面连杆机构的连杆15与传动圆盘16边缘处通过铰链联接，平面连杆机构的导杆14通过铰链与平面连杆机构的连杆15联接，平面连杆机构的导杆14通过两半圆托架7卡紧在空心轴13中心平面处，并通过螺栓紧固；带法兰空心轴两侧通过法兰分别与第一力矩传感器6和第二力矩传感器8相连，力矩传感器空余端再通过法兰分别与第一空心阶梯轴1和第二空心阶梯轴10第四级相连；

左侧第一带法兰空心阶梯轴1伸入第一套筒4中，第一带法兰空心阶梯轴第一级从第一套筒小端伸出在外，与实验模型通过螺纹连接；第一带法兰空心阶梯轴第二级与第三级在第一套筒内部，第一带法兰空心阶梯轴第二级与第一套筒接触的位置通过第一密封圈20密封，第一带法兰空心阶梯轴第三级通过第一轴承21与第一套筒内壁配合装配，轴承在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用，第一带法兰空心阶梯轴第四级通过侧面螺纹孔与第一通气连杆5相连，第一带法兰空心阶梯轴第四级通过法兰与第一力矩传感器6相联；第一套筒小端穿过水洞实验段后面板3伸至水洞实验段内部；第一套筒螺母2在水洞实验段后面板内侧与第一套筒小端通过螺纹连接；第一套筒肩部与水洞实验段后面板外侧通过第一垫片19密封。

右侧第二空心阶梯轴10伸入第二套筒11中，第二带法兰空心阶梯轴第一级从第二套筒小端伸出在外，与对照模型通过螺纹连接；第二带法兰空心阶梯轴第二级与第三级在第二套筒11内部，第二带法兰空心阶梯轴第二级与套筒接触的位置通过第二密封圈23密封，第二带法兰空心阶梯轴第三级通过第二轴承22与第二套筒内壁配合装配，轴承在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用，第二带法兰空心阶梯轴第四级通过侧面螺纹孔与第二通气连杆9相连，第二带法兰空心阶梯轴第四级通过法兰与第二力矩传感器8相联；第二套筒小端穿过支撑板12，支撑板与实验平台固定；第二套筒螺母25在支撑板外侧与第二套筒小端通过螺纹连接；第二套筒肩部与支撑板内侧通过第二垫片24密封。

工作过程：在来流最大流速可达20m/s，稳定压力可维持在0.2～1bar的水洞空化实验基础条件下，首先通过调节来流水速及压力，待水洞实验段内流动稳定后，通过第一通气连杆5和第二通气连杆9对实验模型及对照模型进行通气，通过调节通气率使得在水流中的实验模型所处的空化流场状态符合实验工况要求，然后待通气稳定后，接通电源，根据电机18与减速器17转速比对实验所需振荡角度、振荡频率、振荡时间、启停机振荡加速度等参数进行换算，基于换算后的参数通过控制器对电机工作状态进行设置，确认无误后启动电机；最后待电机稳定后即可通过第一力矩传感器6和第二力矩传感器8开始实验数据测量；第一力矩传感6器可测得水域中实验模型所受力矩，第二力矩传感器8可测得空气中对照模型所受力矩，两力矩传感器测量值的差值可表征实验模型在水域空化状态下所受到的附加作用力矩。

最后需要说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水洞实验用空化附加作用力矩测量方法，其特征在于：通过相同的驱动方式，使实验模型在水域、对照模型在空气中达到相同的运动状态，通过调节水域的来流速度、压力及通气量使模型达到目标空化阶段，分别利用力矩传感器测量得到实验模型在空化状态下所受综合力矩及对照模型在空气中相同运动状态下所受综合力矩，将两力矩值相减即可得到由于工作介质不同，水域实验模型处于空化状态下所受的附加作用力矩的精确值；

具体的测量方法为：首先通过调节来流水速及压力，待水洞实验段内流动稳定后，通过通气连杆对实验模型进行通气，通过调节通气率使得在水流中实验模型所处的空化状态符合实验工况要求，然后待通气稳定后，接通电源，根据电机与减速器转速比对实验所需振荡角度、振荡频率、振荡时间、启停机振荡加速度参数进行换算，基于换算后的参数通过控制器对电机工作状态进行设置，确认无误后启动电机；最后待电机稳定后即可通过力矩传感器开始实验数据测量，对称布置的两力矩传感器测量值的差值可表征实验模型在水域空化状态下所受到的附加作用力矩。

2.一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，其特征在于：所述测量装置包括：动力装置、通气传动机构和力矩传感器；所述动力装置固定在带法兰空心轴中间，用于提供驱动模型振动运动；通气传动装置两端分别固定实验模型和对照模型；两个力矩传感器以动力装置为中心，对称布置在空心轴上，用于测量实验模型所受力矩；在实验模型和对照模型具有相同振动运动工况下，两力矩值相减即可得到由于工作介质改变且实验模型处于空化状态下所受附加作用力矩的精确值；

所述水洞实验用空化附加作用力矩测量装置采用对称结构，通过同一个动力源提供动力，能够保证实验模型在液体中和对照模型在空气中具有完全一致的动力输入；

所述测量装置还包括通气孔，两个通气孔以动力装置为中心，对称布置在带法兰空心阶梯轴上，用于向实验模型和对照模型通气，使实验模型在水域振动时可达到目标空化状态，同时保证对照模型具有相同的通气条件；

所述动力装置包括：平面连杆机构、减速器和电机；所述平面连杆机构从动力端依次定义为传动圆盘、连杆、导杆以及托架；其中导杆一端为带螺栓连接孔的半圆形托架，半圆形尺寸与带法兰空心轴外径相同，托架内衬橡胶衬套。

3.如权利要求2所述的一种水洞实验用空化附加作用力矩测量装置，其特征在于：所述力矩传感器为双法兰扭矩传感器GN-3。

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