一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置的製作方法
2023-05-28 11:37:21 2
專利名稱：一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種實驗裝置。具體地說是一種能夠測試流體對不同表面結構摩擦阻力的試驗裝置。尤其適用於對非光滑表面減阻效果測試，及對射流表面減阻效果測試。
背景技術：
目前可應用於對流體摩擦阻力測試的試驗裝置主要有水洞(風洞)裝置與水池裝置。試驗方法作為研究流體減阻的重要手段，對推進流體減阻理論的發展起到了非常重要的作用，很多重要的湍流現象都是首先在試驗條件下得到的。隨著減阻技術的快速發展，如何設計一個能夠評估流體對不同表面結構摩擦阻力的試驗裝置顯得尤為重要。在傳統的流體動力學研究中主要採用水洞(風洞)和水槽等試驗裝置，但其造價高、耗資大、體積大、試驗條件控制困難和試驗模型複雜。現有的小型流體力學試驗設備，如小型自循環實驗裝置，可以完成對管路局部損失試驗、沿程損失試驗、雷諾試驗、伯努利方程試驗、以及文丘裡流量計標定等，但因其結構多採用封閉式圓管結構，大大限制了試驗裝置的測試應用領域，同時也不適合在管路中安放不同試驗模型，及無法進行射流表面減阻試驗。我國現有水池數量有限，建設設備齊全的水池費用昂貴，日常維護難度大，試驗成本高。現有拖曳試驗裝置試驗速度範圍小，只局限於水池試驗，受水池長度限制，試驗費用昂貴。因此，如何用簡單、可靠的試驗裝置，評估不同表面的減阻效果，為實際應用提供可靠的依據，仍然存在諸多問題。以上介紹試驗裝置對於實用教學或研究非光滑表面減阻結構較為適用，但由於成本高，限制因素多，無法廣泛應用，且無法對射流表面減阻進行試驗研究。因此，研究、製造一種先進的能夠對流體摩擦阻力測試的試驗裝置是一項十分重要的任務。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種結構簡單，操作容易，測試準確的對流體摩擦阻力測試的試驗裝置。本實用新型的目的是這樣實現的包括電機1、第一聯軸器2、第二聯軸器4、扭矩信號耦合器3、負載5，電機1通過第一聯軸器2連接扭矩信號耦合器3，扭矩信號耦合器3通過第二聯軸器4連接負載5 ；所述負載5主要包括與第二聯軸器4連接的軸12，安裝在軸12上的端蓋密封環節部分II和試驗樣件環節部分III ；所述端蓋密封環節部分II主要由大端蓋23、密封端蓋對、密封筒觀組成，大端蓋23為固定件、安裝在密封筒28上，密封端蓋M為旋轉件，與大端蓋23端面相互接觸；所述試驗樣件環節部分III主要由試驗樣件支撐架15、試驗樣件16、試驗樣件端蓋 18、軸端端蓋21組成，試驗樣件支撐架15安裝在軸12相應軸頸處與軸一同旋轉，軸12端處通過軸端端蓋21對試驗樣件支撐架15進行軸向固定，試驗樣件16安裝在試驗樣件支撐架15上，試驗樣件端蓋18安裝在試驗樣件支撐架15的一側。[0007]本實用新型還可以包括1、還包括配水環節部分I，所述配水環節部分I由主要由連接筒7、密封端蓋9、進水管連接架11、進水管路14組成，進水管連接架11安裝在連接筒7內並與連接筒7連接， 進水管連接架11與軸12之間留有間隙，在進水管連接架11兩測各安裝一個密封端蓋9，進水管路14與進水管連接架11連接，所述軸12為空心軸，軸12的空心與進水管連接架11 和試驗樣件支撐架15之間有聯通孔。2、在密封端蓋M處設置第一螺管25。3、在兩個密封端蓋9處設置第二螺管8。4、在第二螺管8與密封端蓋9之間安裝止動墊圈。本實用新型即能夠實現對非光滑表面結構減阻效果進行評估，還能夠實現對射流表面結構減阻效果進行評估。該試驗裝置工作時，通過數據採集系統採集在不同試驗樣件情況下的扭矩信號值，進行數據比對，研究非光滑表面結構和射流表面結構的減阻特性。本實用新型具有如下優點數據採集系統結構簡單，操作容易，測試準確；通過對不同試驗樣件試驗過程所受摩擦扭矩的測試，進行對照分析、來量化不同表面結構的減阻效果；試驗樣件表面可根據需要加工出不同的非光滑表面結構(如V型、凹坑等)，或開有不同孔徑、不同射流角度、不同數量、不同排布方式的射流口 ；本試驗為對照試驗，當某種情況試驗樣件試驗完成後，只需更該試驗樣件即可，更換過程簡單、操作容易、節約時間、降低使用成本；射流試驗時，配水環節中的流體為常壓狀態，試驗樣件支撐架內腔體中流體靠自身在旋轉過程中離心力的作用將配水環節中的流體吸入腔體內，由於內腔壓強大於外腔體壓強，內腔體中流體通過試驗樣件表面射流口向外噴射，達到射流目的，而不需要外界提供進水壓力。
[0014]圖1是試驗裝置結構圖；[0015]圖2是數據採集系統原理圖；[0016]圖3是負載部分結構圖；[0017]圖4是配水環節剖視圖；[0018]圖5是圖4的A-A截面圖；[0019]圖6是圖4的B-B截面圖；[0020]圖7是試驗樣件環節剖視圖；[0021]圖8a是開有射流孔的試驗樣件結構圖；[0022]圖8b是圖8a的左視圖；[0023]圖9a是圖8b的B-B截面圖；[0024]圖9b是圖8b的C-C截面圖；[0025]圖IOa :是開有V型溝槽的試驗樣件結構圖[0026]圖IOb 是圖IOa的左視圖；[0027]圖11是端蓋密封環節處結構圖；[0028]圖12是射流裝置原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖舉例對本實用新型做更詳細的描述結合圖1、2和3，本實用新型主要由電機1、聯軸器24、扭矩信號耦合器3、負載5 組成。電機1通過聯軸器2帶到扭矩信號耦合器3，扭矩信號耦合器3通過聯軸器4帶動負載5運行。負載5主要包括三個部分，配水環節部分I、端蓋密封環節部分II、試驗樣件環節部分III。通過數據採集系統對試驗裝置中數據進行採集存儲。電機通過變頻器進行速度調節。扭矩信號耦合器將信號依次通過變送器、採集卡、至計算機中，通過LabVIEW軟體對數據進行讀取並存儲。在軟體界面中可以讀取系統中扭矩瞬時值及扭矩隨時間變化曲線圖， 以及電機輸入的轉速變化瞬時值及轉速隨時間變化曲線圖。結合圖4、5和6，配水環節部分I由主要由連接筒7、螺管8、密封端蓋9、定位銷10、 進水管連接架11、軸12、密封墊片13、進水管路14組成。進水管連接架11安裝在連接筒7 內，通過連接筒7內腔對其進行徑向定位，軸向通過定位銷10進行定位。進水管連接架11 在工作中為固定件，與軸12之間留有間隙，避免與軸12產生摩擦。由於二者之間存在間隙， 在射流試驗時，進水管連接架11內腔充滿流體，流體勢必通過間隙外洩，為避免流體洩露， 在進水管連接架11兩測各安裝一個密封端蓋9，密封端蓋9內孔加工有螺紋，與軸12之間通過螺紋連接，其端面與進水管連接架11相互接觸，由於密封端蓋9在試驗過程中為旋轉件，因此密封端蓋端面與進水管連接架端面應該保持接觸，以便達到密封效果，考慮到此處對密封的要求及對摩擦的要求，在二者之間加注黃油，目的是一方面減小密封端蓋9和進水管連接架11之間摩擦扭矩，另一方面提高了對內腔流體密封效果。通過密封端蓋9可以調節與進水管連接架11之間接觸緊密程度，既不能過緊，過緊對旋轉過程摩擦扭矩影響較大；又不能過松，過松密封效果不理想；當調節好二者之間的緊密關係後，避免密封端蓋9 在高速旋轉過程中發生鬆動而影響試驗效果，根據電機旋轉方向，將軸12軸頸最大處左側螺紋加工成右旋，右側螺紋加工成左旋，並且將配對安裝的密封端蓋加工成與軸相同旋向， 目的是防止軸12高速旋轉過程中，密封端蓋9與進水管連接架11之間連接過緊，避免摩擦扭矩加大。同時在兩端密封端蓋外側安裝螺管8，防止高速旋轉過程中密封端蓋9與進水管連接架11之間產生鬆動。如在螺管8與密封端蓋9之間安裝止動墊圈，可以達到更好放鬆效果。配水環節主要針對進行射流試驗情況下使用。結合圖11，端蓋密封環節部分II主要由軸12、大端蓋23、密封端蓋M、螺管25、密封筒28組成。試驗過程中，大端蓋23為固定件，安裝在密封筒28上，密封端蓋M為旋轉件，與大端蓋23端面相互接觸，在二者之間加注黃油潤滑，目的是在旋轉過程中降低大端蓋23與密封端蓋M之間動摩擦扭矩及對密封筒觀內流體進行良好密封效果。結合圖7、8a、汕、9a、9b、IOa和IOb，試驗樣件環節部分III主要由試驗樣件支撐架 15、試驗樣件16、試驗樣件端蓋18、密封墊片20、軸端端蓋21、軸12等組成。試驗時，將試驗樣件支撐架15安裝在軸12相應軸頸處，通過鍵17連接與軸一同旋轉。軸端處，通過軸端端蓋21對試驗樣件支撐架15進行軸向固定，為了防止射流過程中供水系統中流體洩露， 在軸12與軸端蓋21之間安放密封墊片20，軸端端蓋21與軸12通過螺紋緊密連接。試驗樣件16安裝在試驗樣件支撐架15上，與試驗樣件支撐架15 —端緊密接觸後，將試驗樣件端蓋18安裝在試驗樣件支撐架15的一側，通過螺釘19連接，試驗樣件被緊固在試驗樣件支撐架15之上。當做不同表面結構試驗時，只需將螺釘19擰下，取下試驗樣件端蓋18，更換試驗樣件16，再通過螺釘連接使試驗樣件端蓋壓緊試驗樣件。在加工中，對於不同表面結構的試驗樣件16，其外形安裝尺寸相同，內徑為160mm，外徑為150mm，寬度為60mm。
以下結合附圖說明本實用新型的裝配過程。將電機1與扭矩信號耦合器3輸入端通過聯軸器2連接起來，扭矩信號耦合器3 輸出端與軸12輸入端通過聯軸器4連接，把整個軸上部分作為負載5，如圖1所示。電機1 通過變頻器進行速度調節，調解方便，調速準確。變送器將扭矩信號耦合器3採集到的頻率信號轉化為電壓信號，經過數據採集模塊的模數轉換變為能被計算機存儲的數位訊號，再通過由LabVIEW編寫的數據採集軟體，將採集到的信號進行存儲。數據採集系統原理圖如圖2所示。負載5部分具體結構如圖3所示。安裝時，首先安裝配水環節部分I，將進水管連接架11套在軸12上開有四個孔徑位置處，在進水管連接架11軸頸兩測依次安裝密封端蓋 9和螺管8，此時不需要對其鬆緊程度進行調節。在軸12的兩側安裝深溝球軸承622，安裝好後，將軸承6外側較短軸一側從連接筒7開口端放入，將軸承6外圈與連接筒內腔處安裝配合好。旋轉進水管連接架11，並在軸向進行調節，直至進水管連接架11頂端開孔與連接筒7頂端開孔對心時，通過銷10對二構件進行連接，達到對進水管連接架11的定位，如圖4、圖5所示。當進水管連接架定位11後，在密封端蓋9與進水管連接架11之間加注黃油，均勻塗抹後，調節二者之間鬆緊程度，當調節好鬆緊後，將兩側的螺管8擰緊，防止在高速旋轉過程中密封端蓋9與進水管連接架11之間產生鬆動，如圖6所示。將安裝好的配水環節部分I安裝在大端蓋23上，連接筒7與大端蓋23通過螺栓緊密連接，在大端蓋23另一側，從軸12上旋入密封端蓋M，並在密封端蓋M與大端蓋23接觸處加注黃油，調節二者之間緊密程度後，旋入螺管25，與密封端蓋M —側緊密連接，防止旋轉過程中產生鬆動，如圖3、圖11所示。將鍵17放入軸12右側鍵槽，在軸12上安裝試驗樣件支撐架15，在軸端處放上密封墊片20，將軸端端蓋21擰緊，對試驗樣件支撐架15進行軸向定位。依次在試驗樣件支撐架15上面安裝密封墊、試驗樣件16、密封墊，試驗樣件端蓋18，最後通過沉頭螺釘19將試驗樣件16緊固在試驗樣件支撐架15上，如圖7所示。將大端蓋23通過螺栓連接在密封筒28左側端面上，將密封筒端蓋四通過螺栓連接在密封筒28左側位置，其中密封筒觀頂端和底端開有進水孔，並在兩處進水孔處分別連接膠管27，如圖3所示。當做非光滑表面結構試驗時，將光滑表面結構試驗樣件和所需的幾組非光滑表面結構的試驗樣件分別放置試驗樣件支撐架15上面進行對照試驗。具體過程為當把光滑表面結構試驗樣件安裝在試驗樣件支撐架上15情況時，按照裝配過程，將試驗裝置一次安裝好，通過膠管27對密封筒28內注滿流體，試驗過程中通過調節變頻器，調節電機在幾組不同轉速情況下，不同轉速下對應扭矩信號耦合器3通過變送器將模擬信號輸送給採集卡， 並由採集卡輸送至計算機，將相應數據存儲於計算機中。當光滑表面結構情況完成後，通過膠管27將密封筒觀內流體排空，取出光滑試驗樣件。當試驗樣件為非光滑表面結構時，如圖10所示，按照以上相同步驟進行操作。試驗過程中，依次調節變頻器使電機1在以上幾組轉速的檔次，將採集卡中數據採集出，依次存儲計算機中。當幾組試驗樣件情況依次完成後，對所有數據進行對照、分析、處理，得出結論。做非光滑表面結構試驗時，配水環節不起作用，即可以將配水環節部分I中的進水管連接架11及兩側的密封端蓋9和螺管8去掉。[0039]當做射流試驗時，將光滑表面結構試驗樣件和所需的幾組射流表面結構的試驗樣件分別放置試驗樣件支撐架15上面進行對照試驗。在射流試驗過程中，進水管路14需要接上射流進水膠管26，射流進水膠管沈另一端放入水槽中，在電機1啟動前，先將配水環節部分I內腔，軸12空心部分，試驗樣件16與試驗樣件支撐架15內腔部分及密封筒觀內充滿流體。在電機1啟動後，通過電機變頻器調節電機達到所需轉速，由於試驗樣件表面開有射流孔，如圖8、圖9所示，試驗樣件支撐架15內腔體中流體在離心力的作用下，流體從射流孔向密封筒觀內射出，同時在離心力的作用下，試驗樣件支撐架15腔體內流體需不斷的從外界補充，故此，外界流體需從進水管路14不斷得到補充。而密封筒觀中由於射流原因，筒內流體需要外溢，通過密封筒觀上下膠管27將多餘流體排出，保證密封筒觀內始終充滿流體，並且壓力為常壓狀態。密封筒觀上下開孔處接膠管27目的一是在試驗零部件裝配好後向密封筒觀內注入流體；二是在射流過程中保證密封筒觀內為始終充滿流體，並且為常壓狀態；三是在試驗結束後將腔體內流體排空，以便拆卸。在整個射流過程中，將射流進水膠管26與密封筒上下連接的膠管27放置在同一水槽中，目的是使得在射流試驗過程中流體循環利用，節約資源，射流裝置原理圖如圖12所示。圖12中標示的箭頭方向為流體流動方向，流體從水槽中通過射流進水管進入射流裝置系統，試驗樣件通過射流孔向密封筒內射流，密封筒內多餘流體通過射流出水管流入水槽，水槽32中流體循環供給。依次調節變頻器使電機1在所需要對照的幾組轉速的檔次，將採集卡中數據採集出，依次存儲計算機中。當幾組試驗樣件情況依次完成後，對所有數據進行對照、分析、處理，得出結論。射流試驗過程中，在射流進出管路上面分別設置流量計31，通過出口管路流量計可以計算出射流表面孔徑噴射速度，繼而可以更加深入研究射流速度對射流表面減阻效果的影響。根據射流進水管路流量計測試流量結果及射流出水管路測試流量結果，可以計算出系統流體的洩漏量，對密封環節處及配水環節處密封有指導意義。
權利要求1.一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，包括電機(1)、第一聯軸器O)、第二聯軸器 (4)、扭矩信號耦合器( 、負載(5)，其特徵是電機(1)通過第一聯軸器( 連接扭矩信號耦合器(3)，扭矩信號耦合器( 通過第二聯軸器(4)連接負載(5)；所述負載( 主要包括與第二聯軸器(4)連接的軸(12)，安裝在軸(1 上的端蓋密封環節部分(II)和試驗樣件環節部分(III)；所述端蓋密封環節部分(II)包括大端蓋(23)、第一密封端蓋(M)、密封筒(觀)，大端蓋為固定件、安裝在密封筒08)上，第一密封端蓋04)為旋轉件，與大端蓋端面相互接觸；所述試驗樣件環節部分(III)包括試驗樣件支撐架(15)、試驗樣件(16)、試驗樣件端蓋(18)、軸端端蓋(21)，試驗樣件支撐架(1 安裝在軸(1 相應軸頸處與軸一同旋轉，軸(1 端處通過軸端端蓋對試驗樣件支撐架(1 進行軸向固定，試驗樣件(16)安裝在試驗樣件支撐架(1 上，試驗樣件端蓋(18)安裝在試驗樣件支撐架(15)的一側。
2.根據權利要求1所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特徵是還包括配水環節部分(I)，所述配水環節部分(I)由主要由連接筒(7)、第二密封端蓋(9)、進水管連接架(11)、進水管路(14)組成，進水管連接架(11)安裝在連接筒(7)內並與連接筒(7)連接，進水管連接架(11)與軸(1 之間留有間隙，在進水管連接架(11)兩測各安裝一個第二密封端蓋(9)，進水管路(14)與進水管連接架(11)連接，所述軸(1 為空心軸，軸(12) 的空心與進水管連接架(11)和試驗樣件支撐架(1 之間有聯通孔。
3.根據權利要求2所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特徵是在第一密封端蓋04)處設置第一螺管05)。
4.根據權利要求3所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特徵是在兩個第二密封端蓋(9)處設置第二螺管(8)。
5.根據權利要求4所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特徵是在第二螺管(8)與第二密封端蓋(9)之間安裝止動墊圈。
專利摘要本實用新型提供的是一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置。包括電機、第一聯軸器、第二聯軸器、扭矩信號耦合器、負載。負載包括軸，端蓋密封環節部分和試驗樣件環節部分。端蓋密封環節部分包括大端蓋、第一密封端蓋、密封筒，大端蓋為固定件，密封端蓋為旋轉件。試驗樣件環節部分包括試驗樣件支撐架、試驗樣件、試驗樣件端蓋、軸端端蓋，試驗樣件支撐架與軸一同旋轉，軸端處通過軸端端蓋對試驗樣件支撐架進行軸向固定，試驗樣件安裝在試驗樣件支撐架上。本實用新型適用於對非光滑表面減阻效果測試，及對射流表面減阻效果測試，結構簡單，操作容易，測試準確。
文檔編號G01M10/00GK201974285SQ201120070969
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者劉浩, 夏冬來, 徐巖, 楊立明, 舒海生, 謝志超, 谷雲慶, 趙剛, 趙華琳, 韓毛毛 申請人:哈爾濱工程大學