一种自适应水动力翼片的制作方法

本实用新型涉及水动力推进设备领域，具体涉及一种自适应水动力翼片。

背景技术：

水动力翼片主要用于波浪滑翔器，波浪滑翔器是一种利用波浪起伏将波浪能转换为前进动能的新型海上无人平台。它具有航行时间长、航行距离远、适合高海况等优点，可应用于海洋气象、海洋生物、海洋环境监测等领域。波浪滑翔器分水面艇和水下滑翔推进器两部分，中间用柔性脐带缆连接，水面艇随波浪上下起伏带动水下滑翔推进器上下运动，安装在水下滑翔推进器上的水动力翼片在上下运动时产生一定攻角。垂直水流经过有攻角的翼片时产生水平分量，水平分量的水流对翼片有水平方向的反作用力，推进器依靠水流的反作用力前进，最终拖着水面艇前进。

然而在高海况下波浪起伏速度和幅度很大，水面艇对水下滑翔推进器的拉力极大，水流高速冲击水动力翼片从而产生极大的阻力，当阻力过大时水动力翼片可能折断，连接翼片的旋转轴和限位轴容易弯曲，连接水面艇和水下滑翔推进器的脐带缆也会由于拉力过大发生断裂(李小涛在论文《波浪滑翔器动力学建模及其仿真研究》中提到：缆索是波浪滑翔器的重要组件，避免断缆是波浪滑翔器高海况下生存的必要条件)，而且现有技术中水动力翼片的限位轴通过水下滑翔推进器上开设特定形状的孔槽对限位轴的运动进行限位，在长时间航行过程中水动力翼片的限位轴由于不断和限位点发生刚性碰撞引起的冲击和振动也会降低翼片的使用寿命和强度(杜照鹏在论文《新型仿生波浪能滑翔器的设计与研究》中提到：此外水翼的设计还需考虑到满足海洋工作环境的特殊性，如在恶劣海况下，受海面浮体平台拖曳，牵引机急速上升下潜，造成水翼表面承压瞬时上升，这就要求水翼应具有足够的刚度和强度。以及波浪滑翔器工作长期处于振动工作，对其设计还有抗振性要求)。翼片限位轴和限位装置刚性碰撞引起的噪声也会对波浪滑翔器的声任务载荷造成较大干扰，对所需研究的海洋生物造成较大的惊吓，同时也使波浪滑翔器成为很大的噪声源，使其隐蔽性大大降低，影响研究活动的正常开展。

技术实现要素：

本实用新型意在提供一种自适应水动力翼片，以解决现有技术中水动力翼片的限位轴与限位点刚性撞击易造成变形损坏的问题。

为达到上述目的，本实用新型的基础技术方案如下：一种自适应水动力翼片，包括两个翼片以及连接在两个翼片之间的旋转轴和限位轴，旋转轴安装在载体上，载体上设有弧形的限位孔，限位轴穿设在限位孔中，限位孔的两端均设有弹簧自适应机构。

本方案的原理及优点是：实际应用时，翼片的大面积表面在海水中承受水流的作用力，旋转轴对翼片进行固定并提供转动自由度，翼片在水流作用下绕旋转轴的轴线转动，限位轴用于对翼片的转动进行角度限位，保证翼片形成攻角能够利用反作用力在水流中前进，载体作为旋转轴的安装支撑结构，限位孔作为载体上对限位轴的活动进行限位确保形成固定范围攻角的限制结构。弹簧自适应机构作为限位轴活动范围端点的弹性缓冲结构，对翼片受到冲击带动限位轴向限位点的刚性碰撞进行缓冲吸能，弹簧自适应机构被压缩后造成限位点上移或下移，当限位点上移时水动力翼片上翻角度增加，当限位点下移时下翻角度增加，翼片上翻或下翻的角度增加都会导致在垂直方向投影面积减少，因此翼片在垂直方向受到的水阻也减少，这时水流在垂直方向的阻力和弹簧回弹的力相等，达到平衡。这样降低了翼片、限位轴在高海况下的受力，使得水动力翼片在海中使用能够自适应不同的海况，减轻了海况变化及高海况对这些部件的损坏，减轻了限位轴与限位点刚性碰撞造成的振动、噪声等负面影响，有利于海洋研究活动的正常开展。

进一步，弹簧自适应机构包括开设在载体上的活动槽，活动槽与限位孔端部相交，活动槽内设有弹簧模组。作为优选活动槽作为弹簧模组的容纳安装结构，活动槽开设在限位孔端部外侧形成相交的容纳空间，使得弹簧模组可直接伸入到限位孔中，能够对限位孔中活动的限位轴提供更大的缓冲范围，这样的设计充分利用限位孔外侧空间，减少了外部结构的设置。

进一步，弹簧模组包括弹簧和穿设在弹簧内侧的弹簧导向件，弹簧导向件为伸缩件。作为优选弹簧为缓冲吸能的弹性件，伸缩的弹簧导向件为弹簧提供同步变化的支撑和导向，确保弹簧模组能够有效对限位轴进行缓冲。

进一步，弹簧导向件包括弹簧导套和插设在弹簧导套内的弹簧导柱，弹簧导柱外径负公差于弹簧导套内径。作为优选弹簧导套和弹簧导柱均为耐磨刚性材质，弹簧导套和弹簧导柱之间能够保持稳定可靠的伸缩性，对弹簧提供稳定可靠的支撑和导向。

进一步，弹簧导套和弹簧导柱的端部均设有弹簧承受基座和弹簧导向基座，弹簧承受基座外径大于弹簧外径、小于活动槽宽度，活动槽顶部设有限位挡肩，弹簧导向基座外径与弹簧内径相同并负公差于弹簧内径。作为优选弹簧承受基座对弹簧的端部进行定位，弹簧导向基座对弹簧的端部进行导向支撑，保证弹簧的端部稳定，限位挡肩对弹簧承受基座进行限位，防止弹簧模组部件脱落。

进一步，弹簧导柱的端部设有定位圆柱，定位圆柱上设有固定螺丝，活动槽的底部设有定位孔，定位圆柱穿设在定位孔中，固定螺丝穿过定位孔连接有固定螺母。作为优选通过定位孔和定位圆柱对弹簧模组进行定位，避免弹簧模组和外侧的槽壁摩擦，保证弹簧和弹簧导向件可在活动槽内自由活动，固定螺丝和固定螺母用于对弹簧模组进行固定，保证弹簧模组可稳定工作。

进一步，固定螺丝上开设有一字槽。作为优选通过一字槽在安装固定螺母时能够起到辅助固定、防止旋转的作用。

进一步，弹簧自适应机构将限位轴在限位孔中的摆动角度范围划分为翼片缓冲上翻角度25°-30°、翼片初始上翻角度10°-15°、翼片初始下翻角度15°-25°、翼片缓冲下翻角度80°-90°。作为优选这样翼片的摆动角度范围能够匹配不同海况受力，海况较好的情况下翼片受到的垂直方向水阻较小，翼片翻转攻角也小，在初始翻转角度范围内即可产生较大的水平分量推力，翼片和限位轴受力较轻，在海况变差的情况下，翼片受到的垂直方向水阻增大，翼片的翻转攻角也增大，翼片在缓冲角度范围内变化，翼片和限位轴受到的作用力得到弹簧自适应机构的缓冲，翼片和限位轴的受力被减轻，避免了翼片和限位轴受到冲击损坏，保证水动力翼片可有效推动水下滑翔推进器前进。

进一步，载体为水下滑翔推进器的龙骨框架。作为优选这样在现有的水下滑翔推进器上也可实现翼片的自适应调节，提高水下滑翔推进器的使用寿命。

进一步，载体为可拆卸连接在水下滑翔推进器龙骨框架上的安装基座。作为优选这样采用独立连接的安装基座作为载体，便于对水动力翼片进行维护保养操作，降低了设备的使用、维护操作难度。

附图说明

图1为本实用新型实施例1水下滑翔推进器的轴测图；

图2为图1的右侧视图；

图3为图1中a处的局部放大视图；

图4为图2中b处的局部放大视图；

图5为本实用新型实施例1中载体的正视图；

图6为本实用新型实施例1中弹簧模组的正视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：翼片1、龙骨框架2、载体3、限位轴4、旋转轴5、限位孔6、弹簧模组7、定位孔8、限位挡肩9、凹槽10、固定螺母11、翼片缓冲上翻角度12、翼片初始上翻角度13、翼片初始下翻角度14、翼片缓冲下翻角度15、弹簧16、弹簧导套17、弹簧导柱18、弹簧承受基座19、弹簧导向基座20、定位圆柱21、固定螺丝22、一字槽23、活动槽24。

实施例基本如附图1、图2所示：一种自适应水动力翼片，包括两个翼片1以及螺栓连接在两个翼片1之间的旋转轴5和限位轴4，如图3、图4所示，旋转轴5通过轴承安装在载体3上，载体3为螺栓连接在水下滑翔推进器龙骨框架2上的安装基座。载体3上设有弧形的限位孔6，限位轴4穿设在限位孔6中，限位孔6的两端均设有弹簧自适应机构。

结合图5所示，弹簧自适应机构包括开设在载体3上的活动槽24，活动槽24与限位孔6端部外侧相交，即限位孔6从侧向贯穿活动槽24，活动槽24顶部设有限位挡肩9，活动槽24顶部即活动槽24朝向限位孔6中部的一端，活动槽24的底部设有定位孔8，活动槽24内设有弹簧模组7。结合图6所示，弹簧模组7包括弹簧16和穿设在弹簧16内侧的弹簧导向件，弹簧导向件为伸缩件。弹簧导向件包括弹簧导套17和插设在弹簧导套17内的弹簧导柱18，弹簧导柱18外径负公差于弹簧导套17内径。弹簧导套17和弹簧导柱18的端部均设有弹簧承受基座19和弹簧导向基座20，弹簧承受基座19外径大于弹簧16外径、小于活动槽24宽度，弹簧导向基座20外径与弹簧16内径相同并负公差于弹簧16内径。弹簧导柱18的端部设有定位圆柱21，定位圆柱21上设有固定螺丝22，定位圆柱21穿设在定位孔8中，固定螺丝22穿过定位孔8连接有固定螺母11，固定螺丝22上开设有一字槽23。

结合图5所示，弹簧自适应机构将限位轴4在限位孔6中的摆动角度范围划分为翼片缓冲上翻角度12、翼片初始上翻角度13、翼片初始下翻角度14和翼片缓冲下翻角度15，翼片缓冲上翻角度12为30°、翼片初始上翻角度13为15°、翼片初始下翻角度14为25°、翼片缓冲下翻角度15为85°。上翻和下翻以旋转轴5的轴线所在横向平面分界。

具体实施使用过程如下：通过在翼片1的旋转方向上加装高强度弹簧16从而使得翼片1的上翻、下翻角度可以根据不同的受力情况进行自动调节。在高海况时水下滑翔推进器急速上升或下降时水动力翼片1受到快速的垂直水流冲击，在垂直方向受到水流阻力，这时翼片1限位轴4压缩高强度弹簧16。弹簧16被压缩后造成限位点上移(翼片1上翻)或下移(翼片1下翻)，当限位点上移时水动力翼片1上翻角度增加，当限位点下移时下翻角度增加，翼片1上翻或下翻的角度增加都会导致在垂直方向投影面积减少，因此翼片1在垂直方向受到的水阻也减少，这时水流在垂直方向的阻力和弹簧16回弹的力相等，达到平衡。以翼片1下翻为例，当翼片1下翻时限位轴4开始压缩弹簧模组7，翼片初始下翻角度14为25°，也即限位轴4的下翻起始角度，翼片缓冲下翻角度15为85°，也即限位轴4下翻最大角度。对应不同的海况，翼片1的受力不同，海况越恶劣，翼片1下翻角度越大，在翼片1下翻角度达到最大角度时其垂直受力为f*cos(85゜)，其中f为翼片1水平时的垂直方向的受力。相比较没有弹簧模组7时固定角度的翼片1垂直受力f*cos(25゜)，f*cos(85゜)/f*cos(25゜)≈10％，翼片1在最大角度的受力约为固定角度的10％，受力减少90％左右。和固定角度水动力翼片1方法相比该设计降低了翼片1、连接轴、脐带缆和水面艇在高海况下的受力，减轻了高海况对这些部件的损坏。

实施例2，本实施例中翼片缓冲上翻角度12为25°、翼片初始上翻角度13为10°、翼片初始下翻角度14为15°、翼片缓冲下翻角度15为90°。

实施例3，本实施例中翼片缓冲上翻角度12为28°、翼片初始上翻角度13为12°、翼片初始下翻角度14为22°、翼片缓冲下翻角度15为80°。

实施例4，本实施例与实施例1的区别在于，载体3为水下滑翔推进器的龙骨框架2。

这样在不同海况下水动力翼片1翻转攻角可以自适应调整。在海况较好的情况下，水下滑翔推进器上下运动缓慢，翼片1受到垂直方向水阻较小，因此翼片1翻转攻角也小，小的攻角可以产生较大的水平分量推力，有利于波浪滑翔器捕获微弱的波浪能，可以使波浪滑翔器在海浪较小的情况下获得最大的前进速度。在海况变差的情况下，水下滑翔推进器上下运动速度变快，翼片1受到的垂直方向水阻增加，因此翼片1翻转攻角也增大，大的攻角可以较少翼片1在垂直方向的水阻。根据理论分析，采用传统固定攻角设计的水动力翼片1在极端海况下单个翼片1受到水阻在70kg以上，波浪滑翔器采用12个翼片1总受力将达到800kg以上。加上水下滑翔推进器上下运动时的冲击力，如此大的受力对翼片1、水面艇体、脐带缆的设计、工艺和材料都提出了很高的要求。采用自适应水动力翼片1设计，在最极端海况下翼片1攻角达到最大，相比固定攻角设计最大可以降低90％的水阻，有效地降低了翼片1、脐带缆、水面艇的受力，降低了各个部件的设计、工艺和材料方面的要求。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。