一种用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪

技术领域

本发明属于船舶水动力性能试验领域，更具体地，涉及一种用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪。

背景技术

船模自航仪是测量螺旋桨推进性能的装置，其测量思路为将螺旋桨发出的推力和扭矩通过桨轴传递至敞水箱内，在敞水箱内部安装自航仪器以及电机等装备，这种测量思路的好处是能够很好地将水域的螺旋桨的受力传递到敞水箱内部，避免了仪器进水受到损害，而且在实际使用过程中安装简单，能够满足工程要求。

但其弊端也很明显，桨轴进入敞水箱部分由于使用了黄油或其他水密装置，会在转动时产生一个摩擦扭矩，一般的处理方法是在实验前后分别不安装螺旋桨，测量无桨状态下不同转速下的摩擦扭矩，在有桨时将这一部分扭矩扣除，得到螺旋桨的实际扭矩。这种处理方法对螺旋桨轴系安装要求非常高，既不能出现严重的漏水情况，又不能使得零扭矩过大而造成测量数据误差过大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪，其目的在于，将传感器直接置于传动轴上，测量时无需考虑摩擦力矩的影响，可直接获取螺旋桨推力和扭矩，提高螺旋桨性能测试精度。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪，包括水平导流壳体、竖直连接剑、水平齿轮轴、水平花键轴、水平连接轴、测量端轴和信号接收器，其中：

所述竖直连接剑安装在所述水平导流壳体上，且其内安装有竖直齿轮轴，该竖直齿轮轴下端与所述水平齿轮轴咬合；所述水平齿轮轴、水平花键轴、水平连接轴和测量端轴依次相连，且均安装在所述水平导流壳体内；

所述测量端轴上粘贴有轴向和周向应变片，所述水平花键轴处设有无线节点，该无线节点用于将所述轴向和周向应变片测得的测量信号无线传输给所述信号接收器。

作为进一步优选的，所述水平连接轴和测量端轴为中空轴，其内部布置有供电与测量线路，该供电与测量线路与所述轴向和周向应变片相连。

作为进一步优选的，所述水平花键轴为中空轴，其末端设有对接花键，所述供电与测量线路通过该对接花键与所述无线节点连通。

作为进一步优选的，所述水平花键轴上固定有橡胶体，该橡胶体内固定有无线节点和专用电池，所述专用电池用于为所述无线节点和信号接收器供电。

作为进一步优选的，所述竖直连接剑下端设有竖直剑底座，其与所述水平导流壳体贴合，且贴合处布置有竖直轴轴承底座，该竖直轴轴承底座用于支撑角接触球轴承，角接触球轴承上方布置有压盖。

作为进一步优选的，所述竖直剑底座上开设有孔道，用于布置所述信号接收器。

作为进一步优选的，所述水平齿轮轴处的水平导流壳体下设有底部开孔盖板，该底部开孔盖板与所述水平导流壳体紧密贴合，且贴合处套有O型密封圈。

作为进一步优选的，所述水平导流壳体靠近水平齿轮轴一侧端部为导流锥形，所述竖直连接剑为流线型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将推力扭矩测量装置设计成螺旋桨推力轴的一部分，位置在桨模紧后方，在桨模和传感器之间没有轴承，也没有防水密封圈，因而从测力传感器直接可测出桨模发出的推力和扭矩，不会受到轴承和防水密封圈对传感器的摩擦影响；与传动螺旋桨动力仪相比，本发明桨模推力和扭矩直接从传感器测出，无需测量摩擦力及扣除工作，因此可简化测试程序，提高测试效率，同时提高测试精度。

2.本发明的结构布置大大降低了试验过程中推进轴系的安装要求，推力和扭矩的测量不受轴系的振动影响，因此特别适用于具有细长轴、多支点的高速军舰模型的试验；同时，由于不受摩擦力的影响，可以将桨轴进入敞水箱部分做的更加紧密，严格防止水从桨轴处进入敞水箱内部，保证了整个测量装置的干燥工作环境。

3.本发明通过设置中空轴内布置测量线路，可避免外部影响；同时通过无线节点和信号接收器将测量信号以无线传输的方式传输，通过无线传输完成对推力、扭矩的测量，避免了滑环在高速转动过程中造成的误差，可以适应更复杂的试验环境。

附图说明

图1为本发明实施例用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪整体结构示意图；

图2为本发明实施例无摩擦动力仪尾部结构示意图；

图3为图2中B-B面剖视图；

图4为本发明实施例无摩擦动力仪首部结构示意图；

图5为本发明实施例无摩擦动力仪使用示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-一号壳体，2、7、34、39、47-O型密封圈，3-二号壳体，4-六角圆柱头螺钉，5-轴承定位板，6-底部开孔盖板，8、14、22、25、38-角接触球轴承，9-水平齿轮轴，10-竖直剑底座，11-竖直连接剑，12-竖直轴轴承底座，13-六角圆柱头螺钉，15-竖直齿轮轴，16-定位螺母，17-竖直传动轴，18-键槽，19-压盖，20-水平齿轮轴，21-插销，23-轴承座，24、40-唇型密封圈，26-卡圈，27-信号接收器，28-三号壳体，29-无线节点，30-橡胶体，31-专用电池，32-连接法兰，33-花键套，35、42-深沟球轴承，36-四号壳体，37-水平花键轴，41-隔套，43-备用壳体，44-五号壳体，45-水平连接轴，46-测量端轴，48-滑动轴承，49-七号壳体，50-六号壳体，51-水池拖车，52-伺服电机，53-螺旋桨。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种用于螺旋桨推力和扭矩直接测量的无摩擦动力仪，如图1所示，包括水平导流壳体、竖直连接剑11、水平齿轮轴9、水平花键轴37、水平连接轴45、测量端轴46和信号接收器27，其中：

所述水平导流壳体包括依次连接的一号壳体1、二号壳体3、三号壳体28、四号壳体36、五号壳体44、六号壳体50和七号壳体49；所述竖直连接剑11为流线型，其上端与拖车固定，下端安装在所述二号壳体3上；该竖直连接剑11内安装有竖直齿轮轴15，该竖直齿轮轴15一端与伺服电机连接，一端通过齿轮与所述水平齿轮轴9咬合；所述水平齿轮轴9、水平花键轴37、水平连接轴45和测量端轴46依次相连，且均安装在所述水平导流壳体内；水平齿轮轴9通过花键槽与水平花键轴37连接，水平花键轴37通过插销与水平连接轴45连接；

所述测量端轴46上粘贴有轴向和周向应变片，且水平连接轴45和测量端轴46为中空轴，其内部布置有供电与测量线路，该供电与测量线路一端通过对接花键与水平花键轴37完成连接，另一端与轴向和周向应变片相连；所述水平花键轴37为中空轴，其末端设有对接花键，水平花键轴37上固定有橡胶体30，该橡胶体30内固定有无线节点29和专用电池31，专用电池31用于为所述无线节点29和信号接收器27供电，水平花键轴37内信号和供电线路通过轴上小孔穿出，并分别与无线节点29和专用电池31连接；无线节点29用于将所述轴向和周向应变片测得的测量信号无线传输至信号接收器27，信号接收器27与外部电脑连接可完成推力和扭矩采集及处理。

具体来说，本发明的无摩擦动力仪可分为尾部结构和首部结构，其中：

尾部结构如图2和图3所示，其包括一号壳体1、二号壳体3、三号壳体28，其中：

一号壳体1为导流锥形，其与二号壳体3通过螺纹丝口紧密固连，连接处套有O型密封圈2。二号壳体3为回转体，其下设有底部开孔盖板6，用于安装调试或维修，底部开孔盖板6通过内六角圆柱头螺钉4与二号壳体3紧密贴合，贴合处套有O型密封圈7；二号壳体3内设有轴承定位板5，轴承定位板5上安置角接触球轴承8，角接触球轴承8上安置水平齿轮轴9。二号壳体3上方为竖直剑底座10，竖直剑底座10上安置竖直剑面板11，竖直剑底座10和二号壳体3通过内六角圆柱头螺钉13贴合，贴合处布置竖直轴轴承底座12，竖直轴轴承底座12支撑角接触球轴承14，角接触球轴承14上布置竖直齿轮轴15，竖直齿轮轴15上设有定位螺母16，竖直传动轴17上设有键槽18，可与定位螺母16配合，完成竖直齿轮轴15和竖直传动轴17的定位与装配；角接触球轴承14上方布置有压盖19，其主要作用为保证二号壳体3水密；插销21贯穿竖直剑底座10和二号壳体3，便于组装时定位。水平齿轮轴20与竖直齿轮轴15咬合，可将竖直齿轮轴上的转动传递至水平齿轮轴20上。轴承座23设置在二号壳体3内部，用于支撑角接触球轴承22和角接触球轴承25，角接触球轴承22和角接触球轴承25用于支撑水平齿轮轴9，角接触球轴承22和角接触球轴承25间设有唇型密封圈24；角接触球轴承25右侧设置卡圈26用于定位。竖直剑底座10和二号壳体3贴合处开有小孔，用于设置信号接收器27，用于接收无线信号并传递至电脑用于后续处理。三号壳体28与二号壳体3通过螺纹丝口紧密固连，水平齿轮轴9在三号壳体28这一段固定有圆柱型的橡胶体30，该橡胶体30用于固定无线节点29和专用电池31。

首部结构如图4所示，包括四号壳体36、五号壳体(44)、六号壳体50和七号壳体49，其中：

四号壳体36与三号壳体28通过螺纹丝口紧密固连，连接处设有O型密封圈34，深沟球轴承35置于四号壳体36内部，为花键套33提供周向支撑，同时水平齿轮轴9上固定有连接法兰32，连接法兰32为花键套33提供轴向支撑和定位；水平花键轴37卡入花键套33内，与水平齿轮轴9连接，角接触球轴承38置于四号壳体36内部，为花键轴37提供支撑。四号壳体36和五号壳体44间设有备用壳体43用于固定，备用壳体43和五号壳体44都与四号壳体36通过螺纹丝口紧密固连，连接处设有O型密封圈39。五号壳体44内设有隔套41，隔套41两侧均设有唇型密封圈40，唇型密封圈40靠近首部一侧设有深沟球轴承42，用于支撑水平连接轴45。水平连接轴45为中空轴，其首段为测量端轴46，测量端轴46上贴有轴向和周向应变片，测量端轴46上有小孔，轴向和周向应变片连接线通过小孔穿进水平连接轴45。六号壳体50和七号壳体49依次用螺纹练连接，其内部设有O型密封圈47和滑动轴承48。

测量时，如图5所示，无摩擦动力仪需与水池拖车51配合使用，拖车51上配备伺服电机52，通过竖直连接剑11将无摩擦动力仪与水池拖车固连好，并保证伺服电机52转动轴与竖直传动轴17衔接好，无摩擦动力仪下部分浸入水中一定深度，其首部安装测量用螺旋桨53。完成安装后，伺服电机52转动进而依次通过竖直齿轮轴15、水平齿轮轴9、水平花键轴37、水平连接轴45、测量端轴46带动螺旋桨53转动，同时拖车51以一定航速前行；此时，轴向和周向应变片直接获取轴向变形和周向变形情况，即测量信号，该测量信号通过供电与测量线路传输至无线节点29，无线节点29将测量信号无线传输至信号接收器27，信号接收器27将测量信号传递给外部电脑供后续处理，通过分析轴向变形和周向变形即可分析得到螺旋桨转动时推力和扭矩。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。