吊舱动力仪模型试验天平装置及使用方法与流程

1.本发明涉及吊舱模型试验技术领域，尤其是一种吊舱动力仪模型试验天平装置及使用方法。


背景技术：

2.吊舱推进器凭借优越的水动力性能和可靠的安装方式逐渐在全世界的多种船型上得到应用。为了不断提升吊舱推进器的综合性能，设计人员需要对包括螺旋桨、导管在内的吊舱推进器以及吊舱推进器整体的布局、外形结构进行研究优化，来不断提升其水动力性能。
3.从时间和经济角度考虑，采用数值方法研究导管装置的水动力性能是一个较好选择，但是受网格数量、湍流方法等因素影响，数值方法并不能较好地模拟吊舱推进器和导管力组合的实际情况，计算结果的可信度不高，因此通过试验获取导管装置的水动力特性，从而研究对吊舱推进器的性能影响成为一种更可靠的研究方式。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的吊舱动力仪模型试验天平装置及使用方法，从而实现了吊舱动力仪模型在流场中受力情况的测量，为吊舱推进器的布局设计提供重要的数据支撑，试验结果稳定可靠。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种吊舱动力仪模型试验天平装置，包括位于最下方的吊舱动力仪模型，吊舱动力仪模型顶部的支杆内部轴向设置有传动轴，传动轴由直流电机带动转动，传动轴带动吊舱动力仪模型端部水平设置的推力扭矩天平转动，推力扭矩天平上安装有螺旋桨；位于吊舱动力仪模型上方的支杆上悬挂安装有导管力天平，导管力天平悬臂端的底面安装有导管，导管套设于螺旋桨圆周外部。
7.作为上述技术方案的进一步改进：
8.所述吊舱动力仪模型的具体结构为：包括外壳体，外壳体侧面安装有齿轮箱；所述传动轴底端伸至齿轮箱中，传动轴通过齿轮传动机构衔接有转动轴，使得轴向水平的转动轴转动，转动轴端部固定安装有推力扭矩天平，推力扭矩天平伸出外壳体。
9.所述转动轴朝向推力扭矩天平的端部内嵌安装有无线信号发射器，推力扭矩天平朝向转动轴的侧面设置有与无线信号发射器电性连接的推力贴片和扭力贴片；所述转动轴上还套装有动滑环，齿轮箱端部安装有与动滑环电磁耦合的静滑环。
10.所述推力扭矩天平端部内嵌设置有十字座，十字座端面四臂上分别内外圈间隔安装有推力贴片，十字座四臂的侧面分别安装有扭力贴片。
11.所述导管力天平的结构为：包括与支杆外壁面固装的抱箍板，抱箍板端部安装有二分量天平，二分量天平中部前后贯穿开设有容纳孔，容纳孔中部设置有竖直布置的支梁，支梁两侧安装有纵向贴片，支梁两侧的容纳孔顶面和底面安装有水平贴片；所述二分量天
平端部的底面与导管外壁面的顶部固定安装。
12.还包括过渡板，过渡板顶面安装有回转姿态调整机构，过渡板底面安装有六分力盒式天平，六分力盒式天平底面安装有纵倾姿态调整机构；吊舱动力仪模型顶部的支杆向上依次贯穿纵倾姿态调整机构、六分力盒式天平，支杆顶端安装于回转姿态调整机构。
13.所述过渡板顶面通过电机座安装有直流电机，直流电机水平方向的输出端安装有直角传动组件，直角传动组件朝下的输出端上经联轴器安装有扭矩传感器；所述传动轴顶端向上伸出支杆、回转姿态调整机构，扭矩传感器与传动轴顶端连接；所述直角传动组件由几型座支承安装于过渡板上。
14.所述六分力盒式天平为整体式结构，具体为：包括上下布置并相互衔接的上支座和下支座，上支座和下支座之间共同设置有衔接的弹性柱，弹性柱按轴向方向分为竖直弹性柱和水平弹性柱；单个弹性柱四周壁面上均贴覆有应变片。
15.单个弹性柱上方和下方分别间隔设置有薄片，弹性柱端部与薄片之间、薄片与上支座或下支座之间均通过支柱连接；通过支柱和薄片的设置使得弹性柱保有弹性。
16.一种所述的吊舱动力仪模型试验天平装置的使用方法，包括如下步骤：
17.推力扭矩天平、六分力盒式天平和导管力天平上均贴装有贴片；
18.将纵倾姿态调整机构安装于船模艉部，吊舱动力仪模型置放于船模下方的水中；
19.纵倾姿态调整机构工作，经支杆带动吊舱动力仪模型前倾或上仰，即进行纵倾角度的调节；
20.直流电机工作，传动轴转动，推力扭矩天平转动，螺旋桨转动，螺旋桨周向外部的导管受到水动力作用；
21.推力扭矩天平受到螺旋桨转动的作用力，由推力扭矩天平上的贴片测得对应的电压值，两次测量的电压值的差值为有效电压值，有效电压值结合解算系数，并经过多次迭代后获得对应的力值或扭矩；
22.导管受到的水动力传递至导管力天平，由导管力天平上的贴片测得对应的电压值，并通过上述相同的解算转换为力值；
23.水流对螺旋桨和吊舱动力仪模型的作用力传递至六分力盒式天平，由六分力盒式天平上的贴片测得对应的电压值，并通过上述相同的解算转换为力值。
24.本发明的有益效果如下：
25.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过推力扭矩天平获得螺旋桨上的受力情况，通过导管力天平获得导管在流场中的受力情况，从而实现了吊舱动力仪在流场中受力情况的试验和测量，并且装置整体布局紧凑，测量准确，极大地助力于吊舱推进器的布局设计，为其提供了重要的数据支撑；
26.本发明还包括如下优点：
27.推力扭矩天平直接与螺旋桨连接，消除了由密封圈、齿轮和传动轴等部件的振动和机械损耗引起的对推力和扭矩等物理量的干扰，测量信号直接反应吊舱推进器的水动力特性，有效保证了测量结果的准确性；
28.采用整体加工而成的六分力盒式天平具有极好的刚度，各测量元件之间的相互抗干扰能力较好，有利于提升六分力盒式天平的测试精度；并且完全避免了组装式天平的装配流程，消除了由装配间隙引入的测量误差。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图。
30.图2为本发明吊舱动力仪模型的结构示意图。
31.图3为本发明推力扭矩天平的结构示意图。
32.图4为本发明抱箍板的结构示意图。
33.图5为本发明二分量天平的结构示意图。
34.图6为本发明六分力盒式天平的结构示意图。
35.图7为图6中a部的局部放大图。
36.图8为本发明回转姿态调整机构的结构示意图。
37.图9为本发明纵倾姿态调整机构的结构示意图。
38.其中：1、吊舱动力仪模型；2、纵倾姿态调整机构；3、六分力盒式天平；4、过渡板；5、直流电机；6、扭矩传感器；7、回转姿态调整机构；8、导管力天平；9、导管；
39.10、齿轮箱；11、支杆；111、套筒；12、传动轴；13、齿轮传动机构；14、静滑环；15、动滑环；16、转动轴；17、无线信号发射器；18、外壳体；19、推力扭矩天平；191、十字座；192、推力贴片；193、扭力贴片
40.21、固定座；22、移动座；23、移动块；24、连杆；25、支承板；26、侧板；
41.31、上支座；32、下支座；33、竖直弹性柱；34、水平弹性柱；35、支柱；36、薄片；
42.51、电机座；52、直角传动组件；53、几型座；
43.71、回转电机；72、转盘；73、法兰；
44.81、抱箍板；82、二分量天平；83、纵向贴片；84、水平贴片；811、左半环；812、右半环；821、连接部；822、检测部；823、悬臂部；824、长孔；825、竖向槽；826、支梁；827、容纳孔。
具体实施方式
45.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
46.如图1所示，本实施例的吊舱动力仪模型试验天平装置，包括位于最下方的吊舱动力仪模型1，吊舱动力仪模型1顶部的支杆11内部轴向设置有传动轴12，传动轴12由直流电机5带动转动，传动轴12带动吊舱动力仪模型1端部水平设置的推力扭矩天平19转动，推力扭矩天平19上安装有螺旋桨；位于吊舱动力仪模型1上方的支杆11上悬挂安装有导管力天平8，导管力天平8悬臂端的底面安装有导管9，导管9套设于螺旋桨圆周外部。
47.通过推力扭矩天平19获得螺旋桨上的受力情况，通过导管力天平8获得导管9在流场中的受力情况，从而实现了吊舱动力仪在流场中受力情况的试验和测量，并且装置整体布局紧凑。
48.如图2所示，吊舱动力仪模型1的具体结构为：包括外壳体18，外壳体18侧面安装有齿轮箱10；传动轴12底端伸至齿轮箱10中，传动轴12通过齿轮传动机构13衔接有转动轴16，使得轴向水平的转动轴16转动，转动轴16端部固定安装有推力扭矩天平19，推力扭矩天平19伸出外壳体18。
49.推力扭矩天平19直接与螺旋桨连接，消除了由密封圈、齿轮和传动轴等部件的振动和机械损耗引起的对推力和扭矩等物理量的干扰，测量信号直接反应吊舱推进器的水动力特性，有效保证了测量结果的准确性。
50.本实施例中，吊舱动力仪模型1及推力扭矩天平19整体结构紧凑，有效优化了吊舱动力仪的舱体尺寸，舱体尺寸小至长150mm,直径50mm，多种不同外形结构的吊舱推进器均可采用该结构方式进行模型试验。
51.转动轴16朝向推力扭矩天平19的端部内嵌安装有无线信号发射器17，推力扭矩天平19朝向转动轴16的侧面设置有与无线信号发射器17电性连接的推力贴片192和扭力贴片193，如图3所示；转动轴16上还套装有动滑环15，齿轮箱10端部安装有与动滑环15电磁耦合的静滑环14；动滑环15、静滑环14之间电磁耦合，为推力扭矩天平19供电，并传输测量信号。
52.本实施例中，无线信号发射器17封装在转动轴16的腔体内，转动轴16与推力扭矩天平19对接安装并通过螺钉固定；推力扭矩天平19的电信号经无线信号发射器17、动滑环15、静滑环14向外输出；使用非接触耦合式无线传输技术保证信号传输稳定可靠，且大幅降低了装配的难度。
53.推力扭矩天平19端部内嵌设置有十字座191，十字座191端面四臂上分别内外圈间隔安装有推力贴片192，由推力贴片192构成测量推力的电桥i，十字座191四臂的侧面分别安装有扭力贴片193，由扭力贴片193构成测量扭矩的电桥ⅱ；螺旋桨在水中旋转时，十字座191的四臂受力发生完全变形，电桥i和电桥ⅱ中的应变片均产生相应的应变，全桥电量的信号产生变化并由滑环传输至下一级的信号解调器，再由外部数据采集系统采集经过信号解调器调制滤波后的电压值。
54.信号解调器负责给推力扭矩天平19提供激励电压，激励电压为交流电制式，通过线缆传递到静滑环14并转换成磁信号，磁信号被动滑环15获取并转换成电信号经由无线信号发射器17输入给推力扭矩天平19；推力扭矩天平19的输出信号经由无线信号发射器17中的放大电路放大，并被a/d转换器将模拟信号转换成二进制串行数据流，无线信号发射器17中的微处理器将二进制串行数据流转格式化为适合传输的格式，格式化后的数字数据经一个10.7mhz的振荡器调制，输出的交流电信号加载到动滑环15，由此产生的交流磁场被静滑环14捕获并转换成电信号，然后通过线缆传送到解调器，解调器将接收到的理论上为10.7mhz载波频率的输入信号与输出的ac感应电源拆分，对得到的输入信号进行滤波(滤除60mhz以上的干扰信号)，然后重新整形为标准数字信号电平并输出到dac模块，处理过后的模拟信号可直接被数据采集系统采集并处理。
55.外部数据采集系统采集滑环传输的由推力扭矩天平19产生的电气信号，推力扭矩天平19上的推力测量部分，即推力贴片192可以直接测量到螺旋桨在运动过程中产生推力的效应，扭矩测量部分，即扭力贴片193可以直接测量到螺旋桨在运动过程中产生的扭矩效应。
56.本实施例中，推力扭矩天平19采用铍青铜材质，该材料具有较好的耐腐蚀能力、较高的强度和较小的弹性模量，且对电磁信号不产生干扰。
57.本实施例中，可以在外壳体18和推力扭矩天平19之间充满水，使得动滑环15、静滑环14均浸泡于水中，使得工作部件的温度均可保持在合理范围内，减少滑环产生的磁信号受周围结构件的影响。
58.导管力天平8的结构为：包括与支杆11外壁面固装的抱箍板81，抱箍板81端部安装有二分量天平82；
59.如图4所示，抱箍板81由左半环811、右半环812拼合于支杆11外部，并通过紧固件
的锁止共同构成环形的抱箍结构；右半环812外侧向外延伸有与二分量天平82贴合安装的平板；可以通过抱箍板81相对于支杆11的旋转，来调节导管9的偏航角。
60.如图5所示，二分量天平82包括有依次衔接的连接部821、检测部822和悬臂部823，连接部821上设置有长孔824，外部紧固件通过长孔824与抱箍板81的平板锁止相连，长孔824的设置便于抱箍板81与二分量天平82之间的位置调节，以匹配不同长度的吊舱动力仪舱体；二分量天平82中部的检测部822上前后贯穿开设有容纳孔827，容纳孔827中部设置有竖直布置的支梁826，支梁826两侧安装有纵向贴片83，支梁826两侧的容纳孔827顶面和底面安装有水平贴片84；二分量天平82端部悬臂部823的底面与导管9外壁面的顶部固定安装。
61.本实施例中，导管力天平8的材料均为17-4ph，该材料衰减性能好，抗腐蚀疲劳及抗水滴性能强。
62.本实施例中，支梁826两侧分别从上至下间隔设置有两个纵向贴片83，由纵向贴片83构成测量导管阻力的桥路；位于支梁826一侧的容纳孔827顶面前后设置两个水平贴片84，位于支梁826另一侧的容纳孔827底面前后设置两个水平贴片84，构成测量导管俯仰力矩的桥路，从而测量、解算获得阻力和俯仰力矩。
63.位于容纳孔827两侧的检测部822上分别开设有多道前后贯穿的竖向槽825，两侧分别有一道竖向槽825向上或向下贯穿，从而构成了试验时检测部822处形变吸收的弹性，提升天平的灵敏性，助力于试验的可靠性。
64.本实施例中，位于支梁826两侧的容纳孔827中充满胶水，实现检测部件的密封性。
65.还包括过渡板4，过渡板4顶面安装有回转姿态调整机构7，过渡板4底面安装有六分力盒式天平3，六分力盒式天平3底面安装有纵倾姿态调整机构2；吊舱动力仪模型1顶部的支杆11向上依次贯穿纵倾姿态调整机构2、六分力盒式天平3，支杆11顶端安装于回转姿态调整机构7；通过六分力盒式天平3获得吊舱动力仪模型1整体在流场中的受力情况。
66.过渡板4顶面通过电机座51安装有直流电机5，直流电机5水平方向的输出端安装有直角传动组件52，直角传动组件52朝下的输出端上经联轴器安装有扭矩传感器6；传动轴12顶端向上伸出支杆11、回转姿态调整机构7，扭矩传感器6与传动轴12顶端连接；直角传动组件52由几型座53支承安装于过渡板4上。
67.六分力盒式天平3为整体式结构，如图6所示，具体为：包括上下布置并相互衔接的上支座31和下支座32，上支座31和下支座32之间共同设置有衔接的弹性柱，弹性柱按轴向方向分为竖直弹性柱33和水平弹性柱34；单个弹性柱四周壁面上均贴覆有应变片；单组弹性柱一端支承于上支座31，另一端支承于下支座32。
68.采用整体加工而成的六分力盒式天平3具有极好的刚度，各测量元件之间的相互抗干扰能力较好，有利于提升六分力盒式天平3的测试精度；并且完全避免了组装式天平的装配流程，消除了由装配间隙引入的测量误差。
69.六分力盒式天平3的材料为17-4ph，该材料衰减性能好，抗腐蚀疲劳及抗水滴性能强。
70.本实施例中，六分力盒式天平3中部开设的供支杆11穿过的通孔，通孔壁面与支杆11之间存在间隔，六分力盒式天平3上支座31和下支座32分别与上方的过渡板4、下方的纵倾姿态调整机构2固定安装，上支座31和下支座32之间通过弹性柱衔接。
71.如图7所示，单个弹性柱上方和下方分别间隔设置有薄片36，弹性柱端部与薄片36之间、薄片36与上支座31或下支座32之间均通过支柱35连接；通过支柱35和薄片36的设置使得弹性柱保有弹性。
72.本实施例中，竖直弹性柱33和水平弹性柱34均设置有四组，四组竖直弹性柱33分设于六分力盒式天平3两条长边的两端部，四组水平弹性柱34分设于六分力盒式天平3四周边缘的中部，单个弹性柱四周壁面上的应变片连接成一个桥路，共构成八组桥路。
73.试验时，吊舱动力仪模型1受流场作用，由吊舱动力仪模型1-支杆11-回转姿态调整机构7将受力传导到上支座31，使得上支座31和下支座32相互运动，各弹性柱上的应变片随弹性柱的形变而产生相应的应变，在激励电压的作用下各组桥路输出电压值并传送至外部数据采集系统。
74.如图8所示，回转姿态调整机构7的结构为：包括转动安装于过渡板4上的转盘72，转盘72中部中心孔的上部安装有法兰73，支杆11顶部的套筒111伸至中心孔处，套筒111与法兰73固定安装；转盘72由回转电机71经蜗轮蜗杆组件传动后带动转动，转盘72经套筒111、支杆11带动吊舱动力仪模型1在水平面内转动。
75.本实施例中，位于套筒111下方的支杆11与过渡板4之间通过无油轴承转动连接，通过无油轴承对支杆11起到支撑作用，降低吊舱动力仪模型1因受水流作用而产生的抖动。
76.如图9所示，纵倾姿态调整机构2的结构为：包括固定座21，固定座21顶面通过导轨滑块组件滑动安装有开口朝上、u型结构的移动座22，移动座22两竖直壁的内侧分别安装有移动块23和侧板26，移动块23上转动安装有连杆24，连杆24端部转动安装有支承板25，支承板25端部与侧板26转动连接，通过移动块23的上下移动来调节支承板25的倾角；六分力盒式天平3安装于支承板25上。
77.本实施例的吊舱动力仪模型试验天平装置的使用方法，包括如下步骤：
78.第一步：推力扭矩天平19、六分力盒式天平3和导管力天平8上均贴装有应变贴片；
79.第二步：将纵倾姿态调整机构2的固定座21安装于船模艉部，吊舱动力仪模型1置放于船模下方的水中；
80.第三步：纵倾姿态调整机构2工作，经支杆11带动吊舱动力仪模型1前倾或上仰，即进行纵倾角度的调节；具体为：
81.施力于移动块23使其在移动座22侧壁内侧上下移动，移动块23经连杆24拉动或推动支承板25，使得支承板25相对于移动座22另一侧壁内侧发生上下偏转，支承板25带动支杆11偏转，从而使得吊舱动力仪模型1在竖直方向上发生偏转，实现纵倾角度的调节；
82.在纵倾调节之后，通过移动座22相对于固定座21的移动，来调节吊舱动力仪模型1、或者是螺旋桨重心在水平方向的位置，便于匹配试验需求；
83.第四步：直流电机5工作，传动轴12转动，推力扭矩天平19转动，螺旋桨转动，螺旋桨周向外部的导管9受到水动力作用；
84.第五步：推力扭矩天平19受到螺旋桨转动的作用力，由推力扭矩天平19上的贴片测得对应的电压值，两次测量的电压值的差值为有效电压值，有效电压值结合解算系数，并经过多次迭代后获得对应的力值或扭矩；
85.第六步：导管9受到的水动力传递至导管力天平8，由导管力天平8上的贴片测得对应的电压值，并通过上述相同的解算转换为力值；
107.进行第n次迭代：
108.xn＝x0 k
xmx
*mx
n-1
k
xxx
*x
n-1
*x
n-1
k
xmxmx
*mx
n-1
*mx1 k
xxmx
*x
n-1
*mx
n-1
109.mxn＝mx0 k
mxx
*x
n-1
k
mxxx
*x
n-1
*x
n-1
k
mxmxmx
*mx
n-1
*mx
n-1
k
mxxmx
*x
n-1
*mx
n-1
110.通常取n＝7，则获得所需物理量，为：
111.螺旋桨推力测量值为x
last
＝xn，单位：n；
112.螺旋桨扭矩测量值为m
xlast
＝mxn，单位：n
·
m。
113.由六分力盒式天平3试验获得吊舱动力仪模型1的整体受力，包括三个方向的受力x、y、z，以及对应的扭矩mx、my、mz；具体如下：
114.通过前期标定装置获得一阶、二阶情况下的解算系数，如下表所示：
115.123.力z的桥路输出为δuz＝δu1 δu2 δu3 δu4124.扭矩mx的桥路输出为δu
mx
＝δu1 δu
3-δu
2-δu4125.扭矩my的桥路输出为δu
my
＝δu1 δu
2-δu
3-δu4126.扭矩mz的桥路输出为δu
mz
＝δu5 δu
8-δu
6-δu7127.接着，结合解算系数获得初始值：
128.x0＝k
xx
*δu
x
129.y0＝k
yy
*δuy130.z0＝k
zz
*δuz131.mx0＝k
mxmx
*δu
mx
132.my0＝k
mymy
*δu
my
133.mz0＝k
mzmz
*δu
mz
134.最后采取与上方螺旋桨推力、扭矩解算中相同的方式，进行迭代，获得力值和量值。
135.有导管力天平8试验获得对应阻力和俯仰力矩的具体方式，与推力扭矩天平9获得对应力值、扭矩的方式相同，两者都是设置有两组与力值、力矩相对应的桥路，在前期获得解算系数后，试样获得有效电压值，而后经初始值、迭代后获得最终需要的量值。
136.本发明实现了吊舱动力仪在流场中受力情况的试验和测量，并且装置整体布局紧凑，测量准确，极大地助力于吊舱推进器的布局设计，为其提供了重要的数据支撑。
137.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。