專利名稱：一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)摩擦阻力的試驗裝置。尤其適用于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(shù)：
目前可應(yīng)用于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(fā)展起到了非常重要的作用，很多重要的湍流現(xiàn)象都是首先在試驗條件下得到的。隨著減阻技術(shù)的快速發(fā)展，如何設(shè)計一個能夠評估流體對不同表面結(jié)構(gòu)摩擦阻力的試驗裝置顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的流體動力學(xué)研究中主要采用水洞(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?zāi)Ｐ蛷?fù)雜?，F(xiàn)有的小型流體力學(xué)試驗設(shè)備，如小型自循環(huán)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、以及文丘里流量計標定等，但因其結(jié)構(gòu)多采用封閉式圓管結(jié)構(gòu)，大大限制了試驗裝置的測試應(yīng)用領(lǐng)域，同時也不適合在管路中安放不同試驗?zāi)Ｐ?，及無法進行射流表面減阻試驗。我國現(xiàn)有水池數(shù)量有限，建設(shè)設(shè)備齊全的水池費用昂貴，日常維護難度大，試驗成本高?，F(xiàn)有拖曳試驗裝置試驗速度范圍小，只局限于水池試驗，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(yīng)用提供可靠的依據(jù)，仍然存在諸多問題。以上介紹試驗裝置對于實用教學(xué)或研究非光滑表面減阻結(jié)構(gòu)較為適用，但由于成本高，限制因素多，無法廣泛應(yīng)用，且無法對射流表面減阻進行試驗研究。因此，研究、制造一種先進的能夠?qū)α黧w摩擦阻力測試的試驗裝置是一項十分重要的任務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)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(xiàn)的包括電機1、第一聯(lián)軸器2、第二聯(lián)軸器4、扭矩信號耦合器3、負載5，電機1通過第一聯(lián)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(lián)軸器4連接負載5 ；所述負載5主要包括與第二聯(lián)軸器4連接的軸12，安裝在軸12上的端蓋密封環(huán)節(jié)部分II和試驗樣件環(huán)節(jié)部分III ；所述端蓋密封環(huán)節(jié)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(zhuǎn)件，與大端蓋23端面相互接觸；所述試驗樣件環(huán)節(jié)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(yīng)軸頸處與軸一同旋轉(zhuǎn)，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(cè)。[0007]本實用新型還可以包括1、還包括配水環(huán)節(jié)部分I，所述配水環(huán)節(jié)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(nèi)并與連接筒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(lián)通孔。2、在密封端蓋M處設(shè)置第一螺管25。3、在兩個密封端蓋9處設(shè)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?qū)崿F(xiàn)對非光滑表面結(jié)構(gòu)減阻效果進行評估，還能夠?qū)崿F(xiàn)對射流表面結(jié)構(gòu)減阻效果進行評估。該試驗裝置工作時，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集在不同試驗樣件情況下的扭矩信號值，進行數(shù)據(jù)比對，研究非光滑表面結(jié)構(gòu)和射流表面結(jié)構(gòu)的減阻特性。本實用新型具有如下優(yōu)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的減阻效果；試驗樣件表面可根據(jù)需要加工出不同的非光滑表面結(jié)構(gòu)(如V型、凹坑等)，或開有不同孔徑、不同射流角度、不同數(shù)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后，只需更該試驗樣件即可，更換過程簡單、操作容易、節(jié)約時間、降低使用成本；射流試驗時，配水環(huán)節(jié)中的流體為常壓狀態(tài)，試驗樣件支撐架內(nèi)腔體中流體靠自身在旋轉(zhuǎn)過程中離心力的作用將配水環(huán)節(jié)中的流體吸入腔體內(nèi)，由于內(nèi)腔壓強大于外腔體壓強，內(nèi)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(jié)構(gòu)圖；[0015]圖2是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖；[0016]圖3是負載部分結(jié)構(gòu)圖；[0017]圖4是配水環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)剖視圖；[0021]圖8a是開有射流孔的試驗樣件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖[0026]圖IOb 是圖IOa的左視圖；[0027]圖11是端蓋密封環(huán)節(jié)處結(jié)構(gòu)圖；[0028]圖12是射流裝置原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細的描述結(jié)合圖1、2和3，本實用新型主要由電機1、聯(lián)軸器24、扭矩信號耦合器3、負載5 組成。電機1通過聯(lián)軸器2帶到扭矩信號耦合器3，扭矩信號耦合器3通過聯(lián)軸器4帶動負載5運行。負載5主要包括三個部分，配水環(huán)節(jié)部分I、端蓋密封環(huán)節(jié)部分II、試驗樣件環(huán)節(jié)部分III。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對試驗裝置中數(shù)據(jù)進行采集存儲。電機通過變頻器進行速度調(diào)節(jié)。扭矩信號耦合器將信號依次通過變送器、采集卡、至計算機中，通過LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進行讀取并存儲。在軟件界面中可以讀取系統(tǒng)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(zhuǎn)速變化瞬時值及轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線圖。結(jié)合圖4、5和6，配水環(huán)節(jié)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(nèi)，通過連接筒7內(nèi)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(chǎn)生摩擦。由于二者之間存在間隙， 在射流試驗時，進水管連接架11內(nèi)腔充滿流體，流體勢必通過間隙外泄，為避免流體泄露， 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(nèi)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，由于密封端蓋9在試驗過程中為旋轉(zhuǎn)件，因此密封端蓋端面與進水管連接架端面應(yīng)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(nèi)腔流體密封效果。通過密封端蓋9可以調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)好二者之間的緊密關(guān)系后，避免密封端蓋9 在高速旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生松動而影響試驗效果，根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)方向，將軸12軸頸最大處左側(cè)螺紋加工成右旋，右側(cè)螺紋加工成左旋，并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(zhuǎn)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(cè)安裝螺管8，防止高速旋轉(zhuǎn)過程中密封端蓋9與進水管連接架11之間產(chǎn)生松動。如在螺管8與密封端蓋9之間安裝止動墊圈，可以達到更好放松效果。配水環(huán)節(jié)主要針對進行射流試驗情況下使用。結(jié)合圖11，端蓋密封環(huán)節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)流體進行良好密封效果。結(jié)合圖7、8a、汕、9a、9b、IOa和IOb，試驗樣件環(huán)節(jié)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(yīng)軸頸處，通過鍵17連接與軸一同旋轉(zhuǎn)。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(tǒng)中流體泄露， 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 —端緊密接觸后，將試驗樣件端蓋18安裝在試驗樣件支撐架15的一側(cè)，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(jié)構(gòu)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，對于不同表面結(jié)構(gòu)的試驗樣件16，其外形安裝尺寸相同，內(nèi)徑為160mm，外徑為150mm，寬度為60mm。
以下結(jié)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(lián)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(lián)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(diào)節(jié)，調(diào)解方便，調(diào)速準確。變送器將扭矩信號耦合器3采集到的頻率信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)槟鼙挥嬎銠C存儲的數(shù)字信號，再通過由LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)采集軟件，將采集到的信號進行存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2所示。負載5部分具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。安裝時，首先安裝配水環(huán)節(jié)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，此時不需要對其松緊程度進行調(diào)節(jié)。在軸12的兩側(cè)安裝深溝球軸承622，安裝好后，將軸承6外側(cè)較短軸一側(cè)從連接筒7開口端放入，將軸承6外圈與連接筒內(nèi)腔處安裝配合好。旋轉(zhuǎn)進水管連接架11，并在軸向進行調(diào)節(jié)，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(gòu)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后，在密封端蓋9與進水管連接架11之間加注黃油，均勻涂抹后，調(diào)節(jié)二者之間松緊程度，當調(diào)節(jié)好松緊后，將兩側(cè)的螺管8擰緊，防止在高速旋轉(zhuǎn)過程中密封端蓋9與進水管連接架11之間產(chǎn)生松動，如圖6所示。將安裝好的配水環(huán)節(jié)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(cè)，從軸12上旋入密封端蓋M，并在密封端蓋M與大端蓋23接觸處加注黃油，調(diào)節(jié)二者之間緊密程度后，旋入螺管25，與密封端蓋M —側(cè)緊密連接，防止旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生松動，如圖3、圖11所示。將鍵17放入軸12右側(cè)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，最后通過沉頭螺釘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(cè)端面上，將密封筒端蓋四通過螺栓連接在密封筒28左側(cè)位置，其中密封筒觀頂端和底端開有進水孔，并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(jié)構(gòu)試驗時，將光滑表面結(jié)構(gòu)試驗樣件和所需的幾組非光滑表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)注滿流體，試驗過程中通過調(diào)節(jié)變頻器，調(diào)節(jié)電機在幾組不同轉(zhuǎn)速情況下，不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)扭矩信號耦合器3通過變送器將模擬信號輸送給采集卡， 并由采集卡輸送至計算機，將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲于計算機中。當光滑表面結(jié)構(gòu)情況完成后，通過膠管27將密封筒觀內(nèi)流體排空，取出光滑試驗樣件。當試驗樣件為非光滑表面結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)變頻器使電機1在以上幾組轉(zhuǎn)速的檔次，將采集卡中數(shù)據(jù)采集出，依次存儲計算機中。當幾組試驗樣件情況依次完成后，對所有數(shù)據(jù)進行對照、分析、處理，得出結(jié)論。做非光滑表面結(jié)構(gòu)試驗時，配水環(huán)節(jié)不起作用，即可以將配水環(huán)節(jié)部分I中的進水管連接架11及兩側(cè)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(jié)構(gòu)試驗樣件和所需的幾組射流表面結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)部分I內(nèi)腔，軸12空心部分，試驗樣件16與試驗樣件支撐架15內(nèi)腔部分及密封筒觀內(nèi)充滿流體。在電機1啟動后，通過電機變頻器調(diào)節(jié)電機達到所需轉(zhuǎn)速，由于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(nèi)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(nèi)射出，同時在離心力的作用下，試驗樣件支撐架15腔體內(nèi)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。而密封筒觀中由于射流原因，筒內(nèi)流體需要外溢，通過密封筒觀上下膠管27將多余流體排出，保證密封筒觀內(nèi)始終充滿流體，并且壓力為常壓狀態(tài)。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后向密封筒觀內(nèi)注入流體；二是在射流過程中保證密封筒觀內(nèi)為始終充滿流體，并且為常壓狀態(tài)；三是在試驗結(jié)束后將腔體內(nèi)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(huán)利用，節(jié)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(tǒng)，試驗樣件通過射流孔向密封筒內(nèi)射流，密封筒內(nèi)多余流體通過射流出水管流入水槽，水槽32中流體循環(huán)供給。依次調(diào)節(jié)變頻器使電機1在所需要對照的幾組轉(zhuǎn)速的檔次，將采集卡中數(shù)據(jù)采集出，依次存儲計算機中。當幾組試驗樣件情況依次完成后，對所有數(shù)據(jù)進行對照、分析、處理，得出結(jié)論。射流試驗過程中，在射流進出管路上面分別設(shè)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(jù)射流進水管路流量計測試流量結(jié)果及射流出水管路測試流量結(jié)果，可以計算出系統(tǒng)流體的泄漏量，對密封環(huán)節(jié)處及配水環(huán)節(jié)處密封有指導(dǎo)意義。
權(quán)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(lián)軸器O)、第二聯(lián)軸器 (4)、扭矩信號耦合器( 、負載(5)，其特征是電機(1)通過第一聯(lián)軸器( 連接扭矩信號耦合器(3)，扭矩信號耦合器( 通過第二聯(lián)軸器(4)連接負載(5)；所述負載( 主要包括與第二聯(lián)軸器(4)連接的軸(12)，安裝在軸(1 上的端蓋密封環(huán)節(jié)部分(II)和試驗樣件環(huán)節(jié)部分(III)；所述端蓋密封環(huán)節(jié)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(zhuǎn)件，與大端蓋端面相互接觸；所述試驗樣件環(huán)節(jié)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(yīng)軸頸處與軸一同旋轉(zhuǎn)，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(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特征是還包括配水環(huán)節(jié)部分(I)，所述配水環(huán)節(jié)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(nèi)并與連接筒(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(lián)通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特征是在第一密封端蓋04)處設(shè)置第一螺管05)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特征是在兩個第二密封端蓋(9)處設(shè)置第二螺管(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種對流體摩擦阻力測試的試驗裝置，其特征是在第二螺管(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(lián)軸器、第二聯(lián)軸器、扭矩信號耦合器、負載。負載包括軸，端蓋密封環(huán)節(jié)部分和試驗樣件環(huán)節(jié)部分。端蓋密封環(huán)節(jié)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(zhuǎn)件。試驗樣件環(huán)節(jié)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(zhuǎn)，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。本實用新型適用于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(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2011年3月17日
發(fā)明者劉浩, 夏冬來, 徐巖, 楊立明, 舒海生, 謝志超, 谷云慶, 趙剛, 趙華琳, 韓毛毛 申請人:哈爾濱工程大學(xué)