一种前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置

摘要

本发明涉及一种前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置，包括水池轨道，所述水池轨道上安装拖车本体，所述拖车本体的端部设置有拖车前端横梁，拖车前端横梁的外侧固定有前置悬臂支架，所述前置悬臂支架上安装有二自由度适航装置和滚动式导航装置，所述二自由度适航装置和滚动式导航装置，所述二自由度适航装置和滚动式导航装置与水面上的试验模型对应。本发明的试验模型安装在试验用拖车的前端，采用前置悬臂结构，拖车在高速航行试验时所关注的局部绕流场对试验模型前方的气流场影响大大减少，有效提高了高速试验数据的精准度。

说明书

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，尤其是一种前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置。

背景技术

对于水面高速船舶模型试验，目前国内外拖曳水池大多采用常规拖车拖曳方式进行试验，所谓常规拖车拖曳方式即在拖车的中央测桥上安装一个拖曳模型用的适航仪，通过适航仪的拖曳杆将模型拖曳并随拖车作直线运动，同时模型在垂向会随波浪产生周期性的垂向震荡。这种方式对于一般低速水面船舶模型试验是没有问题的，但对于高速水面船舶模型试验来讲由于拖车及中央测桥离水面的距离有限，对水面船舶模型在高速运动中产生的气流场会产生一定的干扰，直接影响了试验数据的精准度。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置，从而大大提高了试验装置的可靠性，试验精度高。

本发明所采用的技术方案如下：

一种前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置，包括水池轨道，所述水池轨道上安装拖车本体，所述拖车本体的端部设置有拖车前端横梁，拖车前端横梁的外侧固定有前置悬臂支架，所述前置悬臂支架上安装有二自由度适航装置和滚动式导航装置，所述二自由度适航装置和滚动式导航装置，所述二自由度适航装置和滚动式导航装置与水面上的试验模型对应。

其进一步技术方案在于：

所述前置悬臂支架的中间为矩形测桥，在矩形测桥的两条纵向梁的上端设有两条导轨，用于安装二自由度适航装置和滚动式导航装置的安装基准，其中滚动式导航装置在前，二自由度适航装置在后，在矩形测桥的两侧设置有工作平台，工作平台的四周设有安全栏杆，试验模型由二自由度适航装置拖曳并测量各项水动力性能，滚动式导航装置起安全保护作用。

所述二自由度适航装置安装在前置悬臂支架的矩形测桥的末端，通过适航装置锁紧机构将二自由度适航装置定位安装在矩形测桥的上表面的两根导轨上。

所述二自由度适航装置的结构为：包括适航装置基座，所述适航装置基座的四个角处分别安装有适航装置锁紧机构，适航装置锁紧机构锁紧固定在前置悬臂支架上；所述适航装置基座的中间位置安装有立柱，所述立柱一侧设有垂向位移导轨，垂向位移导轨上通过垂向位移滑块安装升沉杆，所述升沉杆沿垂向位移导轨作垂向位移；所述立柱的顶面设置有一组滑轮组，所述立柱另一侧设置有平衡导向滑座，平衡导向滑座的底部放置平衡砝码，所述平衡导向滑座上安装平衡块导向杆，平衡块导向杆顶部安装细钢丝绳，细钢丝绳绕过滑轮组后与升沉杆连接。

所述适航装置基座上还安装有垂向位移传感器，垂向位移传感器通过位移拉线与升沉杆连接。

所述升沉杆的下端连接测力传感器，在测力传感器的下端连接一个纵摇机构，纵摇机构包括纵摇角位移传感器、安装底板、固定销和纵摇小轴，固定销将纵摇机构与升沉杆连接固定，安装底板用于连接试验模型，安装底板绕纵摇小轴使模型在波浪条件下作适航运动，纵摇角位移传感器安装在纵摇小轴的一端，测量模型在波浪条件下作适航运动的纵摇角位移量。

所述滚动式导航装置的结构为：包括导航装置基座，所述导航装置基座的四个角处分别安装导航装置锁紧机构，导航装置锁紧机构锁紧固定在前置悬臂支架上；导航装置基座的中部安装有升降导向套，升降导向套内部安装升降杆，升降杆在升降导向套内垂向运动，驱动方式由升降电机带动升降丝杠旋转，从而带动升降螺母移动，使升降杆作垂向位移，升降杆的下端连接导航杆轴承座，导航杆轴承座内设有导航杆轴承，导航杆轴承内圈连接导航杆，导航杆自由滚动；所述试验模型的艏部安装导航板，导航板包括导航板滚柱、导航板轴承和导航板底板，导航板底板与试验模型连接固定，导航板底板两端设有两组轴承，在轴承内圈安装两根导航板滚柱，试验时将导航杆插入两根导航板滚柱的中间。

所述导航装置锁紧机构上安装升降开关，升降开关控制升降电机动作。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的试验模型安装位置与以前的试验不同，以前试验模型一般安装在拖车的中间位置，在高速航行试验时拖车前部横梁等结构件对试验模型前方的气流场存在一定的影响，从而影响试验数据的精准度。而本发明的试验模型安装在试验用拖车的前端，采用前置悬臂结构，拖车在高速航行试验时所关注的局部绕流场对试验模型前方的气流场影响大大减少，有效提高了高速试验数据的精准度；

(2)本发明的试验测试设备采用了二自由度适航装置，它的最大特点是它既可以在静水中使用，也可以在波浪条件下使用，当模型在波浪的作用下作垂向运动时二自由度适航装置的拖曳杆随模型作垂向往复运动。同时，模型在波浪的作用下作纵摇运动时二自由度适航装置的纵摇机构作纵摇往复运动。由于二自由度适航装置在垂向振荡和纵向摇摆两个自由度方向均采用了随动式运动装置，它的适航性能好。

(3)本发明设计了可以预设一个船舶模型横摇角度的功能，同时设置了横摇锁紧机构可以对横摇运动进行锁紧，以满足不同的需求。

(4)本发明通过设置在装置上的各种传感器可直接获得船舶模型的水动力参数有模型阻力(Fx)、模型升沉位移(△Z)及模型纵摇变化(α)的时间历程等数据。

(5)本发明主要适用于水面高速船舶模型试验的水动力性能测量，属于试验与测试技术开发领域。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明前置悬臂支架的主视图。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明二自由度适航装置的主视图。

图6为图5中的局部视图。

图7为本发明滚动式导航装置的主视图。

图8为图7的局部视图。

其中：1、前置悬臂支架；2、二自由度适航装置；3、滚动式导航装置；4、矩形测桥；5、导轨；6、安全栏杆；7、工作平台；8、适航装置锁紧机构；9、适航装置基座；10、垂向位移传感器；11、细钢丝绳；12、滑轮组；13、升沉杆；14、位移拉线；15、平衡块导向杆；16、平衡导向滑座；17、平衡砝码；18、立柱；19、垂向位移滑块；20、测力传感器；21、纵摇角位移传感器；22、安装底板；23、固定销；24、纵摇小轴；25、垂向位移导轨；26、导航装置锁紧机构；27、升降开关；28、导航装置基座；29、升降电机；30、升降丝杠；31、升降螺母；32、升降导向套；33、升降杆；34、导航杆轴承座；35、导航杆轴承；36、导航杆；37、导航板滚柱；38、轴承；39、导航板底板；40、试验模型；41、拖车前端横梁；42、拖车本体；43、水池轨道；44、水面。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图8所示，本实施例的前置悬臂式高速艇水动力性能试验装置，包括水池轨道43，水池轨道43上安装拖车本体42，拖车本体42的端部设置有拖车前端横梁41，拖车前端横梁41的外侧固定有前置悬臂支架1，前置悬臂支架1上安装有二自由度适航装置2和滚动式导航装置3，二自由度适航装置2和滚动式导航装置3，二自由度适航装置2和滚动式导航装置3与水面44上的试验模型40对应。

前置悬臂支架1的中间为矩形测桥4，在矩形测桥4的两条纵向梁的上端设有两条导轨5，用于安装二自由度适航装置2和滚动式导航装置3的安装基准，其中滚动式导航装置3在前，二自由度适航装置2在后，在矩形测桥4的两侧设置有工作平台7，工作平台7的四周设有安全栏杆6，试验模型40由二自由度适航装置2拖曳并测量各项水动力性能，滚动式导航装置3起安全保护作用。

二自由度适航装置2安装在前置悬臂支架1的矩形测桥4的末端，通过适航装置锁紧机构8将二自由度适航装置2定位安装在矩形测桥4的上表面的两根导轨5上。

二自由度适航装置2的结构为：包括适航装置基座9，适航装置基座9的四个角处分别安装有适航装置锁紧机构8，适航装置锁紧机构8锁紧固定在前置悬臂支架1上；适航装置基座9的中间位置安装有立柱18，立柱18一侧设有垂向位移导轨25，垂向位移导轨25上通过垂向位移滑块19安装升沉杆13，升沉杆13沿垂向位移导轨25作垂向位移；立柱18的顶面设置有一组滑轮组12，立柱18另一侧设置有平衡导向滑座16，平衡导向滑座16的底部放置平衡砝码17，平衡导向滑座16上安装平衡块导向杆15，平衡块导向杆15顶部安装细钢丝绳11，细钢丝绳11绕过滑轮组12后与升沉杆13连接。

适航装置基座9上还安装有垂向位移传感器10，垂向位移传感器10通过位移拉线14与升沉杆13连接。

升沉杆13的下端连接测力传感器20，在测力传感器20的下端连接一个纵摇机构，纵摇机构包括纵摇角位移传感器21、安装底板22、固定销23和纵摇小轴24，固定销23将纵摇机构与升沉杆13连接固定，安装底板22用于连接试验模型40，安装底板22绕纵摇小轴24使模型在波浪条件下作适航运动，纵摇角位移传感器21安装在纵摇小轴24的一端，测量模型在波浪条件下作适航运动的纵摇角位移量。

滚动式导航装置3的结构为：包括导航装置基座28，导航装置基座28的四个角处分别安装导航装置锁紧机构26，导航装置锁紧机构26锁紧固定在前置悬臂支架1上；导航装置基座28的中部安装有升降导向套32，升降导向套32内部安装升降杆33，升降杆33在升降导向套32内垂向运动，驱动方式由升降电机29带动升降丝杠30旋转，从而带动升降螺母31移动，使升降杆33作垂向位移，升降杆33的下端连接导航杆轴承座34，导航杆轴承座34内设有导航杆轴承35，导航杆轴承35内圈连接导航杆36，导航杆36自由滚动；试验模型40的艏部安装导航板，导航板包括导航板滚柱37、导航板轴承38和导航板底板39，导航板底板39与试验模型40连接固定，导航板底板39两端设有两组轴承38，在轴承38内圈安装两根导航板滚柱37，试验时将导航杆36插入两根导航板滚柱37的中间。

导航装置锁紧机构26上安装升降开关27，升降开关27控制升降电机29动作。

本发明的具体结构和功能如下：

如图1和图2所示，本发明主要有前置悬臂支架1、二自由度适航装置2、滚动式导航装置3三大部分组成，前置悬臂支架1安装在实验室拖车本体42的前端，具体位置是在拖车本体42的拖车前端横梁41处，二自由度适航装置2、滚动式导航装置3分别安装在前置悬臂支架1的矩形测桥4上。

如图3和图4所示，如上所述，前置悬臂支架1安装在实验室拖车本体42的拖车前端横梁41处，中间为矩形测桥4，在矩形测桥4的两条纵向梁的上端设有两条导轨5，用于安装二自由度适航装置2和滚动式导航装置3的安装基准，其中滚动式导航装置3在前，二自由度适航装置2在后。在矩形测桥4的两侧设计了用于工作人员安装设备时的工作平台7，根据安全要求在工作平台7的四周设有安全栏杆6。试验模型40由二自由度适航装置2拖曳并测量其各项水动力性能，滚动式导航装置3起安全保护作用。

如图5和图6所示，二自由度适航装置2的具体结构：

试验时，将二自由度适航装置2安装在前置悬臂支架1的矩形测桥4的末端，由适航装置锁紧机构8将二自由度适航装置2定位安装在矩形测桥4的上表面的两根导轨5上。

二自由度适航装置2主要有适航装置锁紧机构8、适航装置基座9、垂向位移传感器10、细钢丝绳11、滑轮组12、升沉杆13、位移拉线14、平衡块导向杆15、平衡导向滑座16、平衡砝码17、立柱18、垂向位移滑块19、测力传感器20、纵摇角位移传感器21、安装底板22、固定销23、纵摇小轴24、垂向位移导轨25等部件组成。

其中立柱18安装在适航装置基座9的中间位置，在适航装置基座9的四个角设有四个适航装置锁紧机构8，用于将二自由度适航装置2锁紧固定在前置悬臂支架1的矩形测桥4上。

在立柱18的一侧设有垂向位移导轨25，升沉杆13通过垂向位移滑块19沿垂向位移导轨25作垂向位移。

在立柱18的顶部设有一滑轮组12，在立柱18的另一侧设有平衡导向滑座16，升沉杆13及下端部件的重量由平衡砝码17的重量平衡，平衡砝码17通过平衡块导向杆15、滑轮组12、细钢丝绳11等机构实现，细钢丝绳11的一端连接升沉杆13，另一端连接平衡块导向杆15。

在升沉杆13的下端连接测力传感器20用于测量模型试验时的水动力性能，在测力传感器20的下端连接一个纵摇机构，纵摇机构包括纵摇角位移传感器21、安装底板22、固定销23、纵摇小轴24等。固定销23用于将纵摇机构与升沉杆13连接固定，安装底板22用于连接模型，安装底板22可绕纵摇小轴24使模型在波浪条件下作适航运动，纵摇角位移传感器21安装在纵摇小轴24的一端，可测量模型在波浪条件下作适航运动的纵摇角位移量。

在适航装置基座9上安装一垂向位移传感器10，垂向位移传感器10的输出位移拉线14的下端连接升沉杆13下端，通过垂向位移传感器10可测量模型在波浪条件下作适航运动的垂向震荡位移量。

如图7所示，滚动式导航装置3的具体结构为：

滚动式导航装置3是针对比较大的模型在试验过程中可能由于模型加工、安装等的误差而可能产生的艏摇力矩对测量设备的一种保护。

滚动式导航装置3采用了摩擦系数小的滚动式机构，它包括导航装置锁紧机构26、升降开关27、导航装置基座28、升降电机29、升降丝杠30、升降螺母31、升降导向套32、升降杆33、导航杆轴承座34、导航杆轴承35、导航杆36、导航板滚柱37、导航板轴承38、导航板底板39等。

试验时，将滚动式导航装置3安装在前置悬臂支架1的矩形测桥4的首端，由导航装置锁紧机构26将滚动式导航装置3定位安装在矩形测桥4的上表面的两根导轨5上。

升降导向套32安装在导航装置基座28的中部，升降杆33在升降导向套32内可垂向运动，驱动方式由升降电机29带动升降丝杠30--升降螺母31使升降杆33作垂向一点，升降电机29由升降开关27控制。

升降杆33的下端连接导航杆轴承座34，导航杆轴承座34内设有导航杆轴承35，导航杆轴承35内圈连接导航杆36，导航杆36可自由滚动。

在试验模型40的艏部适当位置安装导航板，导航板由导航板滚柱37、(导航板)轴承38、导航板底板39等组成。导航板底板39等与试验模型40连接固定，导航板底板39上面两端设有两组轴承38，在轴承38内圈安装两根导航板滚柱37，试验时将导航杆36插入两根导航板滚柱37的中间，当模型在波浪条件下运动时导航杆36和导航板滚柱37之间产生相对运动，由于采用了滚动轴承结构，而滚动摩擦系数很小，不会对试验模型40的运动和试验数据产生影响。

本发明将拖曳模型的试验装置悬挂安装在拖曳水池拖车的前端，故称前置悬臂式。

拖车设计速度一般应大于12m/s，因此，需要关注拖车在高速航行时所关注的局部绕流场对试验模型40的气流场影响。

根据拖车重点关注区域简化后流场复杂程度不减弱的原则，对拖车气流场计算模型作适当简化，因此将模型置于拖车前置平台下，并布置适航仪和相应导航装置，尽可能的减少后面拖车对试验过程中气流场的影响，提高试验数据的精准度。

本发明采用的测试设备为二自由度适航装置2，即模型在该装置的拖曳下可在垂直方向和纵摇方向随波浪作上下和纵摇方向运动。

针对有些模型过大时由于模型加工误差和安装误差可能产生的艏摇力矩，本发明在模型的前端设置了一个导航装置，用于保护测试设备的正常使用，确保试验数据的可靠性和重复性，可大大提高其试验精度。

本发明通过设置在二自由度适航装置2上的各种传感器可直接获得船舶模型的水动力参数有模型纵向阻力、模型升降位移量、模型纵摇角变化等数据的时间历程。

本发明主要有前置悬臂支架1、二自由度适航装置2、滚动式导航装置3等组成。前置悬臂支架1安装在实验室拖车的前端，梯形结构，中间为矩形测桥4。在测桥的中间安装一个二自由度适航试验装置，试验模型40由它拖曳并测量其各项水动力性能。对于一般较小模型来说在测桥的前端安装一个导航装置，用于对模型的导航作用(对于一般较小模型来说可以不装)。

(一)前置悬臂支架1：

前置悬臂支架1的主要功能是前置式高速艇模型试验试验设备的一个安装平台，它固定安装于试验室水池拖车的前端，梯形结构，中间为矩形测桥4。矩形测桥4由四根工字梁组成，长2000mm，宽约800mm的矩形框架。纵向梁的上表面设有两根导轨，其中一根为矩形机构，另一根为梯形结构，它的作用是作为试验用设备的二自由度适航装置2和滚动式导航装置3的安装基准。试验用设备的二自由度适航装置2和滚动式导航装置3根据不同模型的尺寸可在测桥上面纵向位置进行调整。

在矩形测桥4的两侧设有两个工作平台7，平台的长度为2000mm，宽为800mm，平台的作用是便于安装试验设备时操作人员的工作。在平台的外侧设有安全护栏，安全护栏符合国家安全规范的要求，确保工作人员的安全。

(二)二自由度适航装置2

二自由度适航装置2是试验技术的核心，它最大的特点是它既可以在静水中使用，也可以在波浪条件下使用，当模型在波浪的作用下作垂向运动时二自由度适航装置2的拖曳杆随模型作垂向往复运动。同时，模型在波浪的作用下作纵摇运动时二自由度适航装置2的纵摇机构作纵摇往复运动。

所谓二自由度即本装置在垂向振荡和纵向摇摆两个自由度方向均采用了随动式运动装置，可以随模型在波浪条件下的各种运动，也就是所谓的随波逐流。它的功能一是能确保试验模型40的运动姿态不受其他因素干扰，即它的适航性能要好；二是通过它的各种传感器能测量出试验模型40的各种水动力性能，如：模型阻力(Fx)、模型升沉位移(△Z)及模型纵摇变化(α)的时间历程等数据。

二自由度适航装置2包括基座、升降平衡运动机构、纵摇机构及测量传感器等组成。基座是支撑升降平衡运动机构、纵摇机构及测量传感器等设备的平台，在基座的四个角设有四个锁紧机构把基座锁紧在测桥上，立柱18固定在基座的中央部分。立柱18的上端设滑轮组安装底板22，左侧下部安装重量平衡导向座，中部设与基座安装固定底板，右侧垂向安装四方向等载荷直线导轨，用于升沉运动机构的垂向运动导向。

二自由度适航装置2测量用的传感器纵向阻力(Fx)采用应变片电测技术。模型的升沉位移(△Z)及模型纵摇角变化(α)均采用电位测量技术。

(三)滚动式导航装置3

滚动式导航装置3的最大特点是导航机构的导航杆36和导航板均采用了摩擦系数极小的滚动轴承结构，使导航装置的摩擦力对试验数据的影响减小到最小，确保了试验数据的可靠性。

滚动式导航装置3包括导航杆36、升降机构及导航板等组成，升降机构安装在前置悬臂支架1的矩形测桥4的前端，具体位置根据模型大小而定。升降机构的基座四角设有四个锁紧定位机构，与前置悬臂支架1的矩形测桥4的导轨定位固定。升降机构采用梯形丝杠传动，它结构简单，又具有自锁功能。驱动电机采用了交流减速电机，电机减速器一体化结构。在升降杆33的下端连接固定导航杆36，导航杆36的上部为固定轴承套座，下部为滚动圆杆，圆杆依靠滚动轴承支撑由固定轴承套座固定，当圆杆下部外表面受到切线方向的力时圆杆产生转动，减少了其摩擦力所受的影响。导航板安装在试验模型40的首部，与二自由度适航试验装置布置在同一纵轴线上。导航板由两根平行的滚动圆筒固定在一个底板上，工作时将导航杆36的滚动圆杆插入导航板的两根滚动圆筒中间。

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。