CN112985760B - 一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置 - Google Patents

一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，包括水洞试验段，所述水洞试验段上设有用于固定并调节模型角度的基座，所述基座上设置有用于调整试验模型角度的运动机构，所述运动机构包括位于基座上方的俯仰运动机构和偏航运动机构以及吊挂于俯仰运动机构下端的翻转运动机构。本发明通过在水洞试验段中采用模型角度可控调节装置，实现水下航行器试验模型偏航、俯仰、翻转的运动控制，完成水下航行器模型与来流速度方向不同夹角之间的流场测量与分析；由计算机控制模型运动，能够有效的获得水下航行器模型周围的流场数据；易于附加安装和拆卸、装置对内部流场干扰较小。

Description

一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置
技术领域
本发明涉及一种调节装置，尤其涉及一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置。
背景技术
水下航行器在行驶过程中受到的阻力有压差阻力和摩擦阻力，摩擦阻力约占总阻力的70％。因此，减少水下航行器在行驶中受到的摩擦阻力可以大幅降低航行的总阻力，有效地节省能源消耗、提高航速并且延长航程。
现有使用水洞实验装置进行水下航行器的减阻研究，多是将水下航行器模型与来流方向平行放置，研究其所受到的阻力。但是在水下航行器的实际运动过程中，由于外部水流冲击和航行体自身惯性等因素，其运动过程并不是时刻与水流方向平行，因此研究航行器模型与来流方向不同夹角时所受到的阻力是非常有必要的。
现有的在水洞试验中调节试验模型的装置大多需要对原本的水洞装置进行改造，过程繁琐、造价高昂且不易还原为原本的水洞装置，因此急需一种可用于水洞装置的可简易安装和拆卸的试验模型角度可控调节装置。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种适用于水下航行器模型水洞试验的模型角度可控调节装置。
技术方案：本发明所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，包括水洞试验段，所述水洞试验段上设有用于固定并调节模型角度的基座，所述基座上设置有用于调整试验模型角度的运动机构，所述运动机构包括位于基座上方的俯仰运动机构和偏航运动机构以及吊挂于俯仰运动机构下端的翻转运动机构。
其中，所述偏航运动机构包括安装在基座上的蜗杆、蜗杆支撑架、偏航减速器、偏航减速器支撑座以及偏航运动电机，所述偏航减速器安装固定在偏航减速器支撑座上，所述蜗杆支撑架内设置有用于衬套的第一铜套，所述蜗杆从偏航减速器输出端穿过第一铜套由蜗杆支撑架支撑；所述偏航运动机构还包括设置于蜗杆上方的偏航转盘，所述偏航转盘下方设置有蜗轮，蜗轮的中间设置有蜗轮轴，所述的蜗轮由上下两个圆锥滚子轴承支撑，所述的圆锥滚子轴承设置于基座和偏航转盘的轴承座内，所述蜗轮轴与蜗轮连接并与偏航转盘固定。
所述俯仰运动机构贯穿设置于基座的上下两侧，下端位于水洞试验段的内部，所述俯仰运动机构设置于偏航转盘上；所述俯仰运动机构包括俯仰运动电机、俯仰减速器、俯仰减速器支撑座、转轴、第二铜套、支撑架以及俯仰杆，所述俯仰减速器支撑座设置在偏航转盘上，所述的第二铜套设置于支撑架内，所述转轴从俯仰减速器输出端穿过第二铜套和俯仰杆由支撑架支撑，所述的俯仰杆与转轴连接，所述俯仰杆为中空且上方开有小口，便于将控制翻转运动电机的电线与运动控制器相连接。
所述翻转运动机构位于水洞试验段的内部，所述翻转运动机构的一端与试验模型连接，所述翻转运动机构包括电机保护壳、电机保护壳端盖、翻转运动电机、翻转减速器、电机保护壳后盖、防水轴承和翻转轴；所述电机保护壳与俯仰杆的末端用螺钉固定，电机保护壳中设置有翻转运动电机和翻转减速器；所述翻转减速器与电机保护壳用螺钉固定，电机保护壳前端的轴承座内设有防水轴承，所述电机保护壳端盖通过螺钉固定在电机保护壳前端，电机保护壳端盖限制防水轴承移动。
本发明中，所述基座通过支架固定于水洞试验段上，所述支架为合拢式支架。
所述俯仰运动机构、偏航运动机构和翻转运动机构与带动试验模型运动的运动控制器连接，控制俯仰运动机构带动试验模型在垂直方向上绕X轴转动，控制偏航运动机构带动试验模型在水平方向上绕试验模型坐标轴Z轴转动，控制翻转运动机构带动试验模型绕自身中心轴即Y轴转动。
其中，所述电机保护壳后盖、翻转减速器以及输出轴上设置有用于防止漏水的橡胶密封垫；所述翻转减速器橡胶密封垫位于翻转减速器和电机保护壳内部之间，用于二次防止进水；所述输出轴橡胶密封圈套在翻转轴外部和防水轴承内圈处，和防水轴承一起防止翻转轴缝隙进水；所述电机保护壳后盖与橡胶密封垫一起对电机保护壳的后部进行密封。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明通过在水洞试验段中采用试验模型角度可控调节装置，实现水下航行器模型在偏航角、俯仰角、绕模型自身轴线翻转角共三个自由度上的单独或者连续的运动控制。水洞试验时，根据试验者的需求，给予控制计算机模型转动变化的指令，通过运动控制器控制试验模型在三个自由度上的运动，从而获得试验模型与来流速度方向之间不同夹角的流场数据；(2)本发明提出的装置易安装和拆卸，可在现有的水洞装置上直接附加安装而不需要改装原有的水洞装置，拆卸后对原本的水洞装置没有影响。整个装置体积较小、重量较轻，易于附加安装和拆卸；(3)本发明提出的装置对水洞试验段内流场的干扰较小，仅有俯仰杆和翻转运动机构位于流场内部，且翻转运动机构体积小，使得整个装置对试验模型的测量干扰较小，能够有效获得水下航行器模型在水洞试验中准确的流场数据。
附图说明
图1为本发明的安装示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中偏航运动机构的结构示意图；
图4为本发明中偏航运动机构的内部结构示意图；
图5为本发明中俯仰运动机构的结构示意图；
图6为本发明中翻转运动机构的结构示意图；
图7为本发明中翻转运动机构的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7对本发明的技术方案作进一步说明。
如图所示的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，包括水洞试验段3，所述水洞试验段3上设有用于固定并调节模型角度的基座4，所述基座4上设置有用于调整试验模型6角度的运动机构，所述运动机构包括位于基座4上方的俯仰运动机构7和偏航运动机构8以及吊挂于俯仰运动机构7下端的翻转运动机构9。
所述的偏航运动机构8带动俯仰运动机构7、翻转运动机构9和试验模型6一起，整体做偏航角方向运动，所述俯仰运动机构7带动翻转运动机构9和试验模型6一起，整体做俯仰角方向运动，所述翻转运动机构9带动试验模型6，做绕模型自身中心轴的翻转角方向运动。
所述偏航运动机构8包括安装在基座4上的蜗杆12、蜗杆支撑架10、偏航减速器13、偏航减速器支撑座14以及偏航运动电机15，所述偏航减速器13安装固定在偏航减速器支撑座14上，所述蜗杆支撑架10内设置有用于衬套的第一铜套11，所述蜗杆12从偏航减速器13输出端穿过第一铜套11由蜗杆支撑架10支撑；所述偏航运动机构8还包括设置于蜗杆12上方的偏航转盘17，所述偏航转盘17下方设置有蜗轮18，蜗轮18的中间设置有蜗轮轴16，所述的蜗轮18由上下两个圆锥滚子轴承19支撑，所述的圆锥滚子轴承19设置于基座4和偏航转盘17的轴承座内，所述蜗轮轴16与蜗轮18连接并与偏航转盘17固定。
偏航运动电机15输出的可控转动经偏航减速器13、蜗杆12和蜗轮18构成的传动副、键、蜗轮轴16将转动传递到偏航转盘17上，带动偏航转盘17转动；在所述的偏航转盘17上安装俯仰运动机构7，转动的偏航转盘17带动俯仰运动机构7、翻转运动机构9以及试验模型6一起做偏航方向的运动。
所述俯仰运动机构7贯穿设置于基座4的上下两侧，下端位于水洞试验段3的内部，所述俯仰运动机构7设置于偏航转盘17上；所述俯仰运动机构7包括俯仰运动电机21、俯仰减速器22、俯仰减速器支撑座28、转轴23、第二铜套25、支撑架26以及俯仰杆27，所述俯仰减速器支撑座28设置在偏航转盘17上，所述的第二铜套25设置于支撑架26内，所述转轴23从俯仰减速器22输出端穿过第二铜套25和俯仰杆27由支撑架26支撑，所述的俯仰杆27与转轴23连接，所述俯仰杆27为中空且上方开有小口，便于将控制翻转运动电机的电线与运动控制器2相连接。
俯仰运动电机21输出的可控转动经俯仰减速器22、转轴23、键和俯仰杆27将电机转动转为俯仰杆27的转动；通过俯仰杆27的运动带动安装在俯仰杆27末端的翻转运动机构以及试验模型6做俯仰运动。
所述翻转运动机构9位于水洞试验段3的内部，所述翻转运动机构9的一端与试验模型6连接，所述翻转运动机构9包括电机保护壳34、电机保护壳端盖30、翻转运动电机37、翻转减速器33、电机保护壳后盖36、防水轴承38和翻转轴39；所述电机保护壳34与俯仰杆27的末端用螺钉固定，电机保护壳34中设置有翻转运动电机37和翻转减速器33；所述翻转减速器33与电机保护壳34用螺钉固定，电机保护壳34前端的轴承座内设有防水轴承38，所述电机保护壳端盖30通过螺钉固定在电机保护壳34前端，电机保护壳端盖30限制防水轴承38移动。
所述的电机保护壳34与俯仰杆27末端用螺钉连接在一起，其中所述的俯仰杆27连接橡胶密封片位于俯仰杆27末端和电机保护壳34之间，用于防止外界的水进入到电机保护壳34中，所述的翻转减速器33与电机保护壳34用螺钉固定在一起，所述的橡胶密封圈用于防止安装螺钉缝隙处进水；所述的电机保护壳后盖36与后盖橡胶密封片一起对电机保护壳34后部进行密封。
翻转运动电机37的可控转动经翻转减速器33、试验模型6将电机的转动转为试验模型6绕模型自身中心轴的转动。
所述基座4通过支架5固定于水洞试验段3上，所述支架5为合拢式支架。
所述俯仰运动机构7、偏航运动机构8和翻转运动机构9与带动试验模型6运动的运动控制器2连接，控制俯仰运动机构7带动试验模型6在垂直方向上绕X轴转动，控制偏航运动机构8带动试验模型6在水平方向上绕试验模型6坐标轴Z轴转动，控制翻转运动机构9带动试验模型6绕自身中心轴即Y轴转动。通过运动控制器2的运动计算，实现试验模型6在偏航角、俯仰角、翻转角的单独或者任意组合的可控控制。
所述电机保护壳后盖36、翻转减速器33以及输出轴上设置有用于防止漏水的橡胶密封垫。
所述翻转减速器33橡胶密封垫位于翻转减速器33和电机保护壳34内部之间，用于二次防止进水。
所述输出轴橡胶密封圈套在翻转轴39外部和防水轴承38内圈处，和防水轴承38一起防止翻转轴39缝隙进水。
所述电机保护壳后盖36与橡胶密封垫一起对电机保护壳34的后部进行密封。
所述运动控制器2通过电线能同时控制偏航运动机构8带动试验模型6做偏航转动，俯仰运动机构7带动试验模型6做俯仰转动，翻转运动机构9带动试验模型6做绕模型自身轴线的转动。水洞试验时，根据试验需要，计算机将水下航行器模型6的角度参数通过电线传递给运动控制器2，运动控制器通过运动计算，分别给出运动机构偏航运动机构8、俯仰运动机构7、翻转运动机构9的三个电机的运动控制参数，驱动三个电机转动并带动相应的机构运动，实现水下航行器模型6在试验模型坐标系上绕Z轴偏航、绕X轴俯仰、绕Y轴翻转共三个自由度上的运动控制，实现试验模型6在三个自由度方向上的单独或者连续的运动变化，从而获得水下航行器模型6与来流速度方向之间不同夹角的流场数据。

Claims (6)

1.一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，包括水洞试验段(3)，其特征在于，所述水洞试验段(3)上设有用于固定并调节模型角度的基座(4)，所述基座(4)上设置有用于调整试验模型(6)角度的运动机构，所述运动机构包括位于基座(4)上方的俯仰运动机构(7)和偏航运动机构(8)以及吊挂于俯仰运动机构(7)下端的翻转运动机构(9)；
所述偏航运动机构(8)包括安装在基座(4)上的蜗杆(12)、蜗杆支撑架(10)、偏航减速器(13)、偏航减速器支撑座(14)以及偏航运动电机(15)，所述偏航减速器(13)安装固定在偏航减速器支撑座(14)上，所述蜗杆支撑架(10)内设置有用于衬套的第一铜套(11)，所述蜗杆(12)从偏航减速器(13)输出端穿过第一铜套(11)由蜗杆支撑架(10)支撑；所述偏航运动机构(8)还包括设置于蜗杆(12)上方的偏航转盘(17)，所述偏航转盘(17)下方设置有蜗轮(18)，蜗轮(18)的中间设置有蜗轮轴(16)，所述的蜗轮(18)由上下两个圆锥滚子轴承(19)支撑，所述的圆锥滚子轴承(19)设置于基座(4)和偏航转盘(17)的轴承座内，所述蜗轮轴(16)与蜗轮(18)连接并与偏航转盘(17)固定；
所述俯仰运动机构(7)贯穿设置于基座(4)的上下两侧，下端位于水洞试验段(3)的内部，所述俯仰运动机构(7)设置于偏航转盘(17)上；所述俯仰运动机构(7)包括俯仰运动电机(21)、俯仰减速器(22)、俯仰减速器支撑座(28)、转轴(23)、第二铜套(25)、支撑架(26)以及俯仰杆(27)，所述俯仰减速器支撑座(28)设置在偏航转盘(17)上，所述的第二铜套(25)设置于支撑架(26)内，所述转轴(23)从俯仰减速器(22)输出端穿过第二铜套(25)和俯仰杆(27)由支撑架(26)支撑，所述的俯仰杆(27)与转轴(23)连接，所述俯仰杆(27)为中空且上方开有小口，便于将控制翻转运动电机的电线与运动控制器(2)相连接；
所述翻转运动机构(9)位于水洞试验段(3)的内部，所述翻转运动机构(9)的一端与试验模型(6)连接，所述翻转运动机构(9)包括电机保护壳(34)、电机保护壳端盖(30)、翻转运动电机(37)、翻转减速器(33)、电机保护壳后盖(36)、防水轴承(38)和翻转轴(39)；所述电机保护壳(34)与俯仰杆(27)的末端用螺钉固定，电机保护壳(34)中设置有翻转运动电机(37)和翻转减速器(33)；所述翻转减速器(33)与电机保护壳(34)用螺钉固定，电机保护壳(34)前端的轴承座内设有防水轴承(38)，所述电机保护壳端盖(30)通过螺钉固定在电机保护壳(34)前端，电机保护壳端盖(30)限制防水轴承(38)移动；
所述俯仰运动机构(7)、偏航运动机构(8)和翻转运动机构(9)与带动试验模型(6)运动的运动控制器(2)连接，控制俯仰运动机构(7)带动试验模型(6)在垂直方向上绕X轴转动，控制偏航运动机构(8)带动试验模型(6)在水平方向上绕试验模型(6)坐标轴Z轴转动，控制翻转运动机构(9)带动试验模型(6)绕自身中心轴即Y轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，其特征在于，所述基座(4)通过支架(5)固定于水洞试验段(3)上，所述支架(5)为合拢式支架。
3.根据权利要求1所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，其特征在于，所述电机保护壳后盖(36)、翻转减速器(33)以及输出轴上设置有用于防止漏水的橡胶密封垫。
4.根据权利要求1所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，其特征在于，所述翻转减速器(33)橡胶密封垫位于翻转减速器(33)和电机保护壳(34)内部之间，用于二次防止进水。
5.根据权利要求1所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，其特征在于，所述输出轴橡胶密封圈套在翻转轴(39)外部和防水轴承(38)内圈处，和防水轴承(38)一起防止翻转轴(39)缝隙进水。
6.根据权利要求1所述的一种用于水洞试验的模型角度可控调节装置，其特征在于，所述电机保护壳后盖(36)与橡胶密封垫一起对电机保护壳(34)的后部进行密封。
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