适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台及测试方法

本发明属于试验设备技术领域，特别涉及适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台及测试方法。

背景技术：

螺旋桨作为船舶行业最为常用的推进动力装置。螺旋桨转动为船舶提供动力，电机提供相应的转速匹配所需要的扭矩和推力。螺旋桨是船舶极为核心的零件，随着中国政府对海洋资源的开发，国家对螺旋桨的性能和效率的要求也越来越高。

对螺旋桨的水动力学性能的研究极为关键，能提高其性能和效率，突破关键技术，除了对我国海军发展、国防力量的提升有着重大的意义外，更是对国家经济、百姓民生、人类健康有着极为重要的意义。

目前对于螺旋桨的水动力性能的相关研究主要是基于商业软件的数值分析。如今日益快速发展的计算机流体仿真技术，商业软件的模拟结果也越来越精准，但还是需要理论与实践相结合，使用螺旋桨测量平台来验证船用螺旋桨推力大小。而目前还没有能在垂直循环水槽下测试不同深度和不同转速所对应螺旋桨的推力大小、扭矩大小、以及进度系数大小的测试平台及其测试方法，不能很好分析、对比商业软件的正确性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了进行准确的螺旋桨水动力性能试验，与其商业软件分析作对比，提出一种垂直循环水槽下的三自由度螺旋桨测试平台及其测试方法。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

本发明适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台，包括旋转驱动机构、水平移动机构、动态扭矩测试机构、螺旋桨推力测试机构和升降控制机构。所述的水平移动机构包括上带孔支撑板、正方形支撑板、下带孔支撑板、滑块、托板、光轴、滑轮、滑轮轴和平台架；所述平台架的顶面固定有间距布置的两块托板；其中一块托板顶面固定有导轨，并在导轨上方固定光轴；所述下带孔支撑板的底部固定有阵列排布的四个滑块，一侧的两个滑块与光轴构成滑动副，另一侧的两个滑块上均固定有滑轮轴；所述的滑轮轴上铰接有滑轮；滑轮与未固定光轴的托板顶面构成滚动摩擦副；上带孔支撑板通过正方形支撑板固定在下带孔支撑板上。

所述的升降控制机构包括丝杠升降机、长方形支撑板ⅰ、长方形支撑板ⅱ、方孔支架、导杆和导向块；所述的丝杠升降机包括蜗杆、蜗轮、升降丝杠、螺母块和升降丝杠底座；所述的蜗杆水平设置，并通过滚动轴承支承在上带孔支撑板上；蜗轮固定在竖直设置的升降丝杠上，并与蜗杆啮合；所述的升降丝杠通过滚动轴承支承在升降丝杠底座上；升降丝杠穿过水平移动机构的上带孔支撑板、下带孔支撑板和平台架；螺母块与升降丝杠构成螺旋副；长方形支撑板ⅰ与螺母块固定；长方形支撑板ⅱ通过方孔支架固定在长方形支撑板ⅰ下方；长方形支撑板ⅰ和长方形支撑板ⅱ上均固定有导向块，导向块与导杆构成滑动副；所述的导杆穿过长方形支撑板ⅱ、长方形支撑板ⅰ、平台架和下带孔支撑板，顶端与上带孔支撑板固定，底端与平台底部支撑板固定。

所述的动态扭矩测试机构包括竖直轴、扭矩转速传感器和竖直支撑板；减速器的壳体固定在横板上，横板与竖直支撑板固定；减速器的输出轴穿过横板，并与扭矩转速传感器一端的输出轴通过联轴器ⅰ连接；扭矩转速传感器另一端的输出轴与竖直轴顶端通过联轴器ⅱ连接；扭矩转速传感器的壳体通过传感器支架固定在竖直支撑板上；所述的竖直轴通过滚动轴承支承在竖直支撑板上；竖直支撑板穿过水平移动机构的上带孔支撑板和下带孔支撑板，并固定在升降控制机构的长方形支撑板ⅰ上；竖直轴穿过上带孔支撑板、下带孔支撑板和长方形支撑板ⅰ，换向器的输入轴与竖直轴的底端通过联轴器ⅲ连接；换向器的壳体固定在升降控制机构的长方形支撑板ⅱ底面。所述的换向器包括相互啮合的两个锥齿轮，一个锥齿轮固定在换向器的输入轴上，另一个锥齿轮固定在换向器的输出轴上；换向器的输入轴和输出轴均与换向器的壳体构成转动副。

所述的旋转驱动机构包括垂直轴电机；所述垂直轴电机的输出轴与减速器的输入轴固定，垂直轴电机的壳体固定在减速器的壳体上。

所述的螺旋桨推力测试机构包括水平轴和测力计；所述的水平轴通过滚动轴承支承在升降控制机构的长方形支撑板ⅱ底面，并与换向器的输出轴通过联轴器ⅳ连接；所述测力计的两端分别与光轴和光轴上的一块滑块固定。

优选地，所述升降丝杠上的滚动轴承通过端盖和升降丝杠上的轴肩定位；所述的端盖与升降丝杠底座固定。

优选地，所述的导向块和导杆设有四组。

该适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台的测试方法，具体如下：

步骤一、将待测量的螺旋桨固定在水平轴上，平台架固定在水槽顶部，在水槽内注入水；然后，启动垂直轴电机，垂直轴电机的动力经减速器、联轴器ⅰ、扭矩转速传感器和联轴器ⅱ传给竖直轴；扭矩转速传感器将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器；竖直轴的动力经联轴器ⅲ和换向器传给水平轴，水平轴带动螺旋桨在水中旋转，产生推力作用在水平移动机构上，水平移动机构的滑块在光轴上滑动，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器。

步骤二、通过控制器并经伺服驱动器控制垂直轴电机的转速，从而调节螺旋桨的转速，扭矩转速传感器将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器。

步骤三、重复步骤二，测得多挡垂直轴电机转速下的扭矩、转速和推力信号。

步骤四、垂直轴电机停转，旋转蜗杆，带动蜗轮和升降丝杠转动，使得螺母块带动长方形支撑板ⅰ、方孔支架、长方形支撑板ⅱ以及长方形支撑板ⅱ底面的水平轴和螺旋桨沿竖直方向移动，调节螺旋桨在水下的深度；然后，调节垂直轴电机的转速与步骤一中垂直轴电机的转速相等，扭矩转速传感器将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器；接着，重复步骤二和步骤三。

步骤五、重复步骤四，得到多挡垂直轴电机转速和多个水下深度值下的扭矩、转速和推力信号。

本发明具有的有益效果为：

1、本发明的旋转驱动机构、水平移动机构和动态扭矩测试机构均布置在水上，动力源不需要密封处理，加工和安装方便，成本低；扭矩转速传感器同时测量扭矩和转速；旋转驱动机构通过换向器来实现力的方向改变，并驱动螺旋桨推力测试机构的水平轴带动螺旋桨旋转；换向器、水平轴和螺旋桨均为纯机械结构，置于水下不受影响；而测力计也置于水上测量推力。因此，本发明能在垂直循环水槽下测试螺旋桨的推力大小、扭矩大小、以及进度系数大小。另外，升降控制机构能驱动旋转驱动机构、动态扭矩测试机构和螺旋桨推力测试机构同步升降，调节螺旋桨推力测试机构在水下的深度；因此，本发明能在垂直循环水槽下测试不同深度和不同转速所对应螺旋桨的推力大小、扭矩大小、以及进度系数大小，能很好分析、对比商业软件的正确性。

2、本发明的水平移动机构一侧采用导轨，另一侧采用滑轮滚动，这种安装方式很大程度上减小了安装难度，并且在测试过程中，也减小了摩擦力，从而提高了测力计测试螺旋桨推力的准确性；另外，平台架由若干横梁构成，中心中空，节约材料，减轻重量。

附图说明

图1是本发明适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台与水槽的装配示意图；

图2是本发明适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台的一个结构立体图；

图3是本发明适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台的另一个结构立体图；

图中：1.旋转驱动机构、2.水平移动机构、3.动态扭矩测试机构、4.螺旋桨推力测试机构、5.升降控制机构、6.垂直轴电机、7.减速器、8.横板、9.联轴器ⅰ、10.扭矩转速传感器、11.联轴器ⅱ、12.竖直轴、13.联轴器ⅲ、14.换向器、15.滚动轴承、16.换向器的输出轴、17.联轴器ⅳ、18.水平轴、19.螺旋桨、20.上带孔支撑板、21.正方形支撑板、22.下带孔支撑板、23.滑块、24.托板、25.光轴、26.滑轮、27.滑轮轴、28.平台架、29.丝杠升降机、30.升降丝杠、31.端盖、32.蜗杆、33.升降丝杠底座、34.长方形支撑板ⅰ、35.长方形支撑板ⅱ、36.方孔支架、37.导向块、38.导杆、39.平台底部支撑板、40.竖直支撑板、41.传感器支架、42.水槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1、图2和图3，适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台，包括旋转驱动机构1、水平移动机构2、动态扭矩测试机构3、螺旋桨推力测试机构4和升降控制机构5。水平移动机构2包括上带孔支撑板20、正方形支撑板21、下带孔支撑板22、滑块23、托板24、光轴25、滑轮26、滑轮轴27和平台架28；平台架28顶面固定有间距布置的两块托板24；其中一块托板24顶面固定有导轨，并在导轨上方固定光轴25；下带孔支撑板22底部固定有阵列排布的四个滑块23，一侧的两个滑块23与光轴25构成滑动副，另一侧的两个滑块23上均固定有滑轮轴27；滑轮轴27上铰接有滑轮26；滑轮26与未固定光轴25的托板24顶面构成滚动摩擦副；上带孔支撑板20通过正方形支撑板21固定在下带孔支撑板22上。

升降控制机构5包括丝杠升降机29、长方形支撑板ⅰ34、长方形支撑板ⅱ35、方孔支架36、导杆38和导向块37；丝杠升降机29包括蜗杆32、蜗轮、升降丝杠30、螺母块和升降丝杠底座33；蜗杆32水平设置，并通过滚动轴承支承在上带孔支撑板20上；蜗轮固定在竖直设置的升降丝杠30上，并与蜗杆32啮合；升降丝杠30通过滚动轴承15支承在升降丝杠底座33上；升降丝杠30穿过水平移动机构2的上带孔支撑板20、下带孔支撑板22和平台架28；螺母块与升降丝杠30构成螺旋副；长方形支撑板ⅰ34与螺母块固定；长方形支撑板ⅱ35通过方孔支架36固定在长方形支撑板ⅰ34下方；长方形支撑板ⅰ34和长方形支撑板ⅱ35上均固定有导向块37，导向块与导杆构成滑动副；导杆穿过长方形支撑板ⅱ35、长方形支撑板ⅰ34、平台架28和下带孔支撑板22，顶端与上带孔支撑板20固定，底端与平台底部支撑板39固定。

动态扭矩测试机构3包括竖直轴、扭矩转速传感器10和竖直支撑板40；减速器7的壳体固定在横板8上，横板8与竖直支撑板40固定；减速器7的输出轴穿过横板8，并与扭矩转速传感器10一端的输出轴通过联轴器ⅰ9连接；扭矩转速传感器10另一端的输出轴与竖直轴12顶端通过联轴器ⅱ11连接；扭矩转速传感器10的壳体通过传感器支架41固定在竖直支撑板40上；竖直轴12通过滚动轴承支承在竖直支撑板40上；竖直支撑板40穿过水平移动机构2的上带孔支撑板20和下带孔支撑板22，并固定在升降控制机构5的长方形支撑板ⅰ34上；竖直轴12穿过上带孔支撑板20、下带孔支撑板22和长方形支撑板ⅰ34，换向器14的输入轴与竖直轴12的底端通过联轴器ⅲ13连接；换向器14的壳体固定在升降控制机构5的长方形支撑板ⅱ35底面。换向器14包括相互啮合的两个锥齿轮，一个锥齿轮固定在换向器14的输入轴上，另一个锥齿轮固定在换向器14的输出轴上；换向器14的输入轴和输出轴均与换向器14的壳体构成转动副。

旋转驱动机构1包括垂直轴电机6；垂直轴电机6的输出轴与减速器7的输入轴固定，垂直轴电机6的壳体固定在减速器的壳体上。

螺旋桨推力测试机构4包括水平轴18和测力计；水平轴18通过滚动轴承15支承在升降控制机构5的长方形支撑板ⅱ35底面，并与换向器14的输出轴16通过联轴器ⅳ17连接；测力计的两端分别与光轴25和光轴25上的一块滑块23固定。

作为一个优选实施例，升降丝杠30上的滚动轴承通过端盖31和升降丝杠30上的轴肩定位；端盖31与升降丝杠底座33固定。

作为一个优选实施例，导向块和导杆设有四组。

该适于垂直循环水槽的三自由度螺旋桨测试平台的测试方法，具体如下：

步骤一、将待测量的螺旋桨19固定在水平轴18上，平台架28固定在水槽42顶部，在水槽42内注入水；然后，启动垂直轴电机6，垂直轴电机6的动力经减速器7、联轴器ⅰ9、扭矩转速传感器10和联轴器ⅱ11传给竖直轴12；扭矩转速传感器10将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器；竖直轴12的动力经联轴器ⅲ13和换向器14传给水平轴18，水平轴18带动螺旋桨19在水中旋转，产生推力作用在水平移动机构上，水平移动机构的滑块23在光轴25上滑动，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器。

步骤二、通过控制器并经伺服驱动器控制垂直轴电机6的转速，从而调节螺旋桨的转速，扭矩转速传感器10将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器。

步骤三、重复步骤二，测得多挡垂直轴电机6转速下的扭矩、转速和推力信号。

步骤四、垂直轴电机6停转，旋转蜗杆32，带动蜗轮和升降丝杠30转动，使得螺母块带动长方形支撑板ⅰ34、方孔支架36、长方形支撑板ⅱ35以及长方形支撑板ⅱ35底面的水平轴18和螺旋桨19沿竖直方向移动，调节螺旋桨19在水下的深度；然后，调节垂直轴电机6的转速与步骤一中垂直轴电机6的转速相等，扭矩转速传感器10将检测到的扭矩信号和转速信号经数据采集卡传给控制器，测力计将检测到的推力信号经数据采集卡传给控制器；接着，重复步骤二和步骤三。

步骤五、重复步骤四，从而得到多挡垂直轴电机6转速和多个水下深度值下的扭矩、转速和推力信号，确保了测量数据的多样性及准确性。

本发明也可以更换不同型号的螺旋桨19进行测试，更换简单、方便。

上述实施只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解发明的内容并据以实施，并不能以此限制发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。