CN111947824A - 一种水下推进器系桩推力测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种水下推进器系桩推力测试系统，待测试的水下推进器安装于试验框架内部，一侧的试验框架上安装有驱动器舱，另一侧的试验框架上安装有防止测试系统起吊后试验框架发生偏转的配平压载；吊装钢丝绳的下端与试验框架的顶部相连，上端与防水拉力计的下端连接，防水拉力计的上端与吊带相连，作为测试系统的起吊点；连接电缆包括水密电缆及推进器供电电缆，驱动器舱通过水密电缆与待测试的水下推进器相连，驱动器舱通过推进器供电电缆和水面控制与监测系统连接，防水拉力计和水面控制与监测系统连接。本发明为水下推进器系桩推力测试提供了通用解决方案，具有测试结果准确，操作方便，易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种水下推进器系桩推力测试系统。
背景技术
水下推进器在水下机器人领域有着广泛的应用，是水下机器人系统中至关重要的设备。水下推进器系桩推力是指将水下推进器固定于岸桩上，当桨叶运转时水下推进器产生的推力大小。系桩推力大小是研究水下推进器性能的一个重要指标。
在现有的水下推进器系桩推力测试中，通常将被测水下推进器系于系桩，控制水下推进器运转使其在导轨上滑动，通过测量作用于系桩上的拉力来测量水下推进器产生的推力大小。另外，还有一些测试使用测力杠杆间接测试水下推进器的推力大小。现有的测试中忽略了由于导轨或杠杆而产生的摩擦力。而且，现有的水下推进器测试时，被测的水下推进器所处水深有局限性，由于工装结构的限制使水下推进器只能沉于水底部或处于水面附近的位置，试验深度不可调节；而水池底面或水深较浅均会对水下推进器周围流场造成很大影响，使测得的推力值远离真实值。
发明内容
为了解决现有水下推进器系桩推力测试存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种水下推进器系桩推力测试系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括试验框架、驱动器舱、防水拉力计、配平压载、吊装钢丝绳、连接电缆、吊带及水面控制与监测系统，其中待测试的水下推进器安装于所述试验框架内部，该待测试的水下推进器一侧的试验框架上安装有驱动器舱，另一侧的试验框架上安装有防止测试系统起吊后试验框架发生偏转的配平压载；所述吊装钢丝绳的下端与试验框架的顶部相连，上端与所述防水拉力计的下端连接，该防水拉力计的上端与吊带相连，作为测试系统的起吊点；所述连接电缆包括水密电缆及推进器供电电缆，所述驱动器舱通过水密电缆与待测试的水下推进器相连，该驱动器舱通过推进器供电电缆和所述水面控制与监测系统连接，所述防水拉力计和水面控制与监测系统连接。
其中：所述试验框架顶部一侧安装有保持测试系统稳定的防扭转机构，该防扭转机构包括加长梁及防扭转杆，所述加长梁高度可调地安装于试验框架上，所述防扭转杆的一端固接于加长梁的顶部，另一端延伸至试验水域岸边供手持。
所述防扭转杆的一端由加长梁顶部开设的孔穿过，并通过所述加长梁顶部设置的防扭转杆固定销与加长梁固定；所述加长梁安装于试验框架的加长梁安装立梁上，该加长梁的高度方向及加长梁安装立梁的高度方向均预留有多个安装孔，所述加长梁通过安装于不同高度的安装孔实现安装高度调整。
所述防扭转杆的长度方向中心线与加长梁的高度方向中心线垂直。
所述待测试的水下推进器通过推进器转接板及固定卡箍安装于试验框架内部的中心，该水下推进器的轴向中心线保持竖直，并与所述防水拉力计的轴向中心线共线。
所述推进器转接板的一端与固定在试验框架上的推进器安装横梁固接，另一端设有固定卡箍，待测试的水下推进器正向或反向地安装于所述固定卡箍上。
所述固定卡箍分为形状相同的两部分，每部分均为端面呈“C”形的弧形板，其中一块弧形板设置在所述推进器转接板的另一端，水下推进器被夹于两块弧形板之间，两块弧形板通过螺栓固接。
所述待测试的水下推进器一侧的试验框架上固接有驱动器横梁，所述驱动器舱通过驱动器舱安装座安装于驱动横梁上，所述待测试的水下推进器另一侧的试验框架上固接有压载横梁，所述配平压载安装于压载横梁上、并与所述驱动器舱的位置对称，该配平压载的重量与所述驱动器舱和驱动器舱安装座的总重量相等。
所述试验框架顶部设有吊耳，所述防水拉力计的上下两端均连接有卸扣，该防水拉力计上端卸扣与所述吊带相连，所述防水拉力计下端卸扣通过所述吊装钢丝绳连接至试验框架顶部的吊耳。
所述水面控制与监测系统包括控制电路板、直流电源、拉力计终端及计算机，该控制电路板及直接电源通过所述推进器供电电缆与驱动舱相连，所述拉力计终端通过防水拉力计信号电缆与防水拉力计相连，接收该防水拉力计的信号，所述拉力计终端的输出端通过数据线与计算机相连。
本发明的优点与积极效果为：
1.测试结果准确：本发明的试验框架为开放式框架，测试过程中试验框架悬浮于水中，最大限度地减少了试验框架本身以及测试水域底面对水下推进器周围流场的影响，使用防水拉力计，对起吊设备的要求较低，可将试验框架放至任意深度测试，测试结果准确。
2.易于实现：本发明的试验框架、水面控制与监测系统有着结构简单，便于搭建的特点。
3.操作方便：本发明的推进器转接板和固定卡箍的结构形式可以实现将水下推进器正、反安装，即可实现水下推进器两个方向的推力测试，拉力计终端可以实时监测推进器推力，其数值即为推进器所产生的推力大小，无需进行其他冗余计算，操作方便。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的结构主视图；
图3为本发明的结构左视图；
图4为本发明的结构俯视图；
图5为本发明防扭转杆安装处的局部放大图；
图6为本发明水下推进器安装处的局部放大图；
图7为本发明水面控制与监测系统的框图；
其中：1为试验框架，2为水下推进器，3为驱动器舱，4为固定卡箍，5为推进器转接板，6为驱动器舱安装座，7为防水拉力计，8为加长梁，9为防扭转杆，10为配平压载，11为吊耳，12为吊装钢丝绳，13为卸扣，14为水密电缆，15为驱动器横梁，16为压载横梁，17为吊带，18为推进器供电电缆，19为控制电路板，20为直流电源，21为拉力计终端，22为计算机，23为加长梁安装立梁，24为推进器安装横梁，25为防扭转杆固定销，26为防水拉力计信号电缆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～7所示，本发明包括试验框架1、驱动器舱3、防水拉力计7、配平压载10、吊装钢丝绳12、连接电缆、吊带17及水面控制与监测系统，其中待测试的水下推进器2安装于试验框架1内部，该待测试的水下推进器2一侧的试验框架1上安装有驱动器舱3，另一侧的试验框架1上安装有防止测试系统起吊后试验框架1发生偏转的配平压载10。吊装钢丝绳12的下端与试验框架1的顶部相连，上端与防水拉力计7的下端连接，该防水拉力计7的上端与吊带17相连，作为测试系统的起吊点。连接电缆包括水密电缆14及推进器供电电缆18，驱动器舱3通过水密电缆14与待测试的水下推进器2相连，水密电缆14内部充油，驱动器舱3通过推进器供电电缆18和水面控制与监测系统连接，防水拉力计7和水面控制与监测系统连接。
本实施例的试验框架1为开放式框架结构，其主体由八根横梁、四根立梁构成，呈长方体形状。待测试的水下推进器2通过推进器转接板5及固定卡箍4安装于试验框架1内部的中心，该水下推进器2的轴向中心线保持竖直，并与防水拉力计7的轴向中心线共线。本实施例的推进器转接板5的一端与固定在试验框架1上的推进器安装横梁24固接，另一端设有固定卡箍4。本实施例的固定卡箍4分为形状相同的两部分，每部分均为端面呈“C”形的弧形板，其中一块弧形板设置在推进器转接板5的另一端，水下推进器2被夹于两块弧形板之间，两块弧形板通过螺栓固接。推进器转接板5及固定卡箍4的“C”字形结构可以实现水下推进器2的正、反向安装。
本实施例在待测试的水下推进器2一侧的试验框架1上固接有驱动器横梁15，驱动器舱3用卡箍固定在驱动器安装座6上，驱动器舱安装座6固接于驱动器横梁15上；待测试的水下推进器2另一侧的试验框架1上固接有压载横梁16，压载横梁16与驱动器横梁15相对设置，配平压载10安装于压载横梁16上、并与驱动器舱3的位置对称，该配平压载10的重量与驱动器舱3和驱动器舱安装座6的总重量相等。
为了避免测试系统不发生偏转，保持稳定，本实施例在试验框架1顶部一侧安装有防扭转机构，该防扭转机构包括加长梁8及防扭转杆9，加长梁8高度可调地安装于试验框架1上，防扭转杆9的一端固接于加长梁8的顶部，另一端延伸至试验水域岸边供手持。本实施例的加长梁8为两根，防扭转杆9为一根，试验框架1一侧的两根立梁作为加长梁安装立梁23。防扭转杆9的一端由两根加长梁8顶部开设的孔穿过，并通过每根加长梁8顶部设置的防扭转杆固定销25与加长梁8固定。两根加长梁8分别安装于两根加长梁安装立梁23上，加长梁8的高度方向及加长梁安装立梁23的高度方向均预留有多个安装孔，加长梁8的安装高度通过安装于不同高度预留的安装孔实现调整。本实施例的防扭转杆9的长度方向中心线与加长梁8的高度方向中心线垂直，防扭转杆9具有足够的长度延伸至试验水域岸边。
本实施例在试验框架1顶部方形的四角分别设置了吊耳11，防水拉力计7的上下两端均连接有卸扣13，该防水拉力计7上端卸扣13与吊带17相连，吊带17的顶端作为整个测试系统的起吊点；防水拉力计7下端卸扣13通过吊装钢丝绳12连接至试验框架1顶部的四个吊耳11。
本实施例的水面控制与监测系统包括控制电路板19、直流电源20、拉力计终端21及计算机22，该控制电路板19及直接电源20通过推进器供电电缆18与驱动舱3相连，拉力计终端21通过防水拉力计信号电缆26与防水拉力计7相连，接收该防水拉力计7的信号，拉力计终端21的输出端通过数据线与计算机22相连。本实施例的防水拉力计7与拉力计终端21为成套的市购产品，购置于上海甘坛仪器有限公司，型号为FK-6K。
本发明的工作原理为：
水下推进器2安装于试验框架1内部的中心，调整配平压载10的重量与驱动器舱3及驱动器舱安装座6的总重量相等，使起吊后试验框架1不发生偏转，水下推进器2的轴线保持竖直，并与防水拉力计7在同一直线上。防扭转杆9具有足够的长度，并调整加长梁8的安装高度，以使水下推进器2到达试验位置深度后，防扭转杆9的末端可以到达水岸。使用起吊装置(如吊车)通过吊带17将试验框架1起吊放入试验水池，当试验框架1到达指定深度并保持静止后，通过拉力计终端21将水下拉力计7数值调零，此后控制电路板19发出指令信号使水下推进器2转动、产生一个向下的推力，防水拉力计7为受拉状态，拉力计终端21可以接收防水拉力计7发出的信号，实时显示防水拉力计7的数值大小，该数值即为水下推进器2的推力大小。调整控制电路板19指令信号的大小可以测试不同电流下推进器产生的推力大小，拉力计终端21输出端通过数据线连接至计算机22，计算机22记录水下推进器2的推力曲线。
在水下推进器2运转过程中会产生一个扭矩，因此在测试中通过手持防扭转杆9的另一端，以使试验框架1不发生偏转，保持试验框架1的稳定性。
当需要测度水下推进器2另一个方向的推力时，将水下推进器2倒装，通过控制电路板19调整控制信号，使水下推进器2的桨叶反方向旋转，使水下推进器2产生竖直向下的推力。
本发明不存在导轨及杠杆等摩擦因素影响，采用可起吊的开放式试验框架1，配合防水拉力计7，使测试深度可以灵活调整，最大化模拟水下推进器2的真实工作状态。通过拉力计终端21可直接读出水下推进器2真实推力大小，无需其他冗余计算；同时，开放式的试验框架1最大限度地减少了外界环境对水下推进器2周围流场的影响，使得本发明可以准确方便地测得水下推进器2的真实系桩推力。
Claims (10)
1.一种水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：包括试验框架(1)、驱动器舱(3)、防水拉力计(7)、配平压载(10)、吊装钢丝绳(12)、连接电缆、吊带(17)及水面控制与监测系统，其中待测试的水下推进器(2)安装于所述试验框架(1)内部，该待测试的水下推进器(2)一侧的试验框架(1)上安装有驱动器舱(3)，另一侧的试验框架(1)上安装有防止测试系统起吊后试验框架(1)发生偏转的配平压载(10)；所述吊装钢丝绳(12)的下端与试验框架(1)的顶部相连，上端与所述防水拉力计(7)的下端连接，该防水拉力计(7)的上端与吊带(17)相连，作为测试系统的起吊点；所述连接电缆包括水密电缆(14)及推进器供电电缆(18)，所述驱动器舱(3)通过水密电缆(14)与待测试的水下推进器(2)相连，该驱动器舱(3)通过推进器供电电缆(18)和所述水面控制与监测系统连接，所述防水拉力计(7)和水面控制与监测系统连接。
2.根据权利要求1所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述试验框架(1)顶部一侧安装有保持测试系统稳定的防扭转机构，该防扭转机构包括加长梁(8)及防扭转杆(9)，所述加长梁(8)高度可调地安装于试验框架(1)上，所述防扭转杆(9)的一端固接于加长梁(8)的顶部，另一端延伸至试验水域岸边供手持。
3.根据权利要求2所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述防扭转杆(9)的一端由加长梁(8)顶部开设的孔穿过，并通过所述加长梁(8)顶部设置的防扭转杆固定销(25)与加长梁(8)固定；所述加长梁(8)安装于试验框架(1)的加长梁安装立梁(23)上，该加长梁(8)的高度方向及加长梁安装立梁(23)的高度方向均预留有多个安装孔，所述加长梁(8)通过安装于不同高度的安装孔实现安装高度调整。
4.根据权利要求2所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述防扭转杆(9)的长度方向中心线与加长梁(8)的高度方向中心线垂直。
5.根据权利要求1所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述待测试的水下推进器(2)通过推进器转接板(5)及固定卡箍(4)安装于试验框架(1)内部的中心，该水下推进器(2)的轴向中心线保持竖直，并与所述防水拉力计(7)的轴向中心线共线。
6.根据权利要求5所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述推进器转接板(5)的一端与固定在试验框架(1)上的推进器安装横梁(24)固接，另一端设有固定卡箍(4)，待测试的水下推进器(2)正向或反向地安装于所述固定卡箍(4)上。
7.根据权利要求6所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述固定卡箍(4)分为形状相同的两部分，每部分均为端面呈“C”形的弧形板，其中一块弧形板设置在所述推进器转接板(5)的另一端，水下推进器(2)被夹于两块弧形板之间，两块弧形板通过螺栓固接。
8.根据权利要求1所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述待测试的水下推进器(2)一侧的试验框架(1)上固接有驱动器横梁(15)，所述驱动器舱(3)通过驱动器舱安装座(6)安装于驱动横梁(15)上，所述待测试的水下推进器(2)另一侧的试验框架(1)上固接有压载横梁(16)，所述配平压载(10)安装于压载横梁(16)上、并与所述驱动器舱(3)的位置对称，该配平压载(10)的重量与所述驱动器舱(3)和驱动器舱安装座(6)的总重量相等。
9.根据权利要求1所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述试验框架(1)顶部设有吊耳(11)，所述防水拉力计(7)的上下两端均连接有卸扣(13)，该防水拉力计(7)上端卸扣(13)与所述吊带(17)相连，所述防水拉力计(7)下端卸扣(13)通过所述吊装钢丝绳(12)连接至试验框架(1)顶部的吊耳(11)。
10.根据权利要求1所述的水下推进器系桩推力测试系统，其特征在于：所述水面控制与监测系统包括控制电路板(19)、直流电源(20)、拉力计终端(21)及计算机(22)，该控制电路板(19)及直接电源(20)通过所述推进器供电电缆(18)与驱动舱(3)相连，所述拉力计终端(21)通过防水拉力计信号电缆(26)与防水拉力计(7)相连，接收该防水拉力计(7)的信号，所述拉力计终端(21)的输出端通过数据线与计算机(22)相连。
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