一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置和方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

具某方向自由度的水翼在一定水速水流中会产生振动，该振动特性与水翼攻角(水翼安装方向和来流方向的夹角)、水速、水翼刚度等因素相关。研究该现象可通过数值仿真计算和实验的方法进行，但现有技术中缺少集成了精确调节水翼攻角和扭转刚度功能的水翼扭转振动测试装置。本技术领域亟需一种可以精确调节水翼攻角和扭转刚度功能的水翼扭转振动测试装置。

发明内容

本发明的目的是为解决如何获得一种可以精确调节水翼攻角和扭转刚度的水翼扭转振动测试装置的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置，包括攻角调节模块、锁紧模块和扭转刚度调节模块；水翼轴上设有攻角调节模块和锁紧模块；攻角调节模块包括带动水翼做角位移的蜗轮蜗杆，蜗轮与扭转刚度调节模块连接。

优选地，所述攻角调节模块包括调节手轮、蜗杆、蜗轮和蜗杆安装支架；蜗轮与水翼同轴；蜗杆安装支架中设有蜗杆，蜗杆的一端设有调节手轮，蜗杆的另一端与蜗轮连接。

优选地，所述蜗轮和蜗杆之间设有传动比，蜗轮和蜗杆同一时间内转过的角度不等，蜗轮转过的角度远小于蜗杆转过的角度。

优选地，所述水翼轴上设有阻止水翼轴转动的锁紧模块。

优选地，所述扭转刚度调节模块包括传感器安装调节组件、力传感器、传感器-弹簧连接件、弹簧和力臂组件；蜗轮上设有力臂组件，力臂组件沿长度方向与水翼轴沿轴向的延长线相交且垂直；力臂组件的一端依次连接弹簧、传感器-弹簧连接件、力传感器和传感器安装调节组件。

优选地，所述扭转刚度调节模块包括对称的两组组件，两组组件分别设于一穿过水翼轴且垂直于力臂组件长度方向的平面的两侧；每组组件包括弹簧、传感器-弹簧连接件、力传感器和传感器安装调节组件。

优选地，所述力臂组件的两端分别依次连接弹簧、传感器-弹簧连接件、力传感器和传感器安装调节组件。

优选地，所述两组组件中弹簧的伸缩方向平行，且与力臂组件长度方向垂直。

优选地，所述弹簧通过传感器-弹簧连接件与力传感器连接。

本发明提供一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：使用攻角调节模块调整水翼攻角；转动调节手轮，带动蜗杆随转，蜗杆带动蜗轮随转，蜗轮再带动水翼转动；通过调节手轮调整水翼攻角；

步骤2：用锁紧模块固定水翼轴；移除调节手轮和蜗杆；

步骤3：使用扭转刚度调节模块；调节力臂组件任意一端的传感器安装调节组件，使力传感器移动，高精度弹簧被拉伸，产生弹性力，该弹性力可由传感器读取；之后，调节力臂组件另一端的传感器安装调节组件，使力传感器移动，此时弹簧被拉伸，弹性力亦由传感器读取；不断调整力臂组件两端传感器安装调节组件的位置、比较两传感器读数，使力臂组件两端受力平衡；

步骤4：在传感器位置调整到位后，松开水翼轴锁紧装置；可通过更换不同参数的弹簧，实现水翼扭转刚度的调节；

步骤5：水翼攻角、弹簧和传感器调试完成后，即可通过力传感器测量并计算水翼在水流中受到的扭转力，当力传感器精度和采样频率足够高时，可分析水翼扭转振动的频率和幅值特性。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过减少水翼端攻角调整误差的方式，提高水翼攻角的调节精度，实现水翼高精度的调节；通过高精度弹簧-传感器结合的调整方法，得到一定角度范围内稳定的水翼扭转刚度值，并通过更换弹簧实现水翼扭转刚度的调节，该装置和方法具有结构紧凑，调整便利、测量精确的优点。在同一个装置中实现水翼攻角和水翼扭转刚度精确调节的功能，能直接开展水翼扭转振动的相关试验。

附图说明

图1为本发明一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置主视图；

附图标记：1.传感器安装调节组件；2.力传感器；3.传感器-弹簧连接件；4.弹簧；5.力臂组件；6.调节手轮；7.蜗杆；8.蜗轮；9.蜗杆安装支架。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1所示，本发明所采取的技术方案是提供一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置，包括攻角调节模块、锁紧模块和扭转刚度调节模块；水翼轴上设有攻角调节模块和锁紧模块；攻角调节模块包括随水翼转动的蜗轮8，蜗轮8与扭转刚度调节模块连接。攻角调节模块包括调节手轮6、蜗杆7、蜗轮8和蜗杆安装支架9；蜗轮8与水翼同轴；蜗杆安装支架9中设有蜗杆7，蜗杆7的一端设有调节手轮6，蜗杆7的另一端与蜗轮8连接。蜗轮8和蜗杆7之间设有传动比，蜗轮8和蜗杆7同一时间内转过的角度不等，蜗轮8转过的角度远小于蜗杆7转过的角度。水翼轴上设有阻止水翼轴转动的锁紧模块。扭转刚度调节模块包括传感器安装调节组件1、力传感器2、传感器-弹簧连接件3、弹簧4和力臂组件5；蜗轮8上设有力臂组件5，力臂组件5沿长度方向与水翼轴沿轴向的延长线相交且垂直；力臂组件5的一端依次连接弹簧4、传感器-弹簧连接件3、力传感器2和传感器安装调节组件1。扭转刚度调节模块包括对称的两组组件，两组组件分别设于一穿过水翼轴且垂直于力臂组件5长度方向的平面的两侧；每组组件包括弹簧4、传感器-弹簧连接件3、力传感器2和传感器安装调节组件1。力臂组件5的两端分别依次连接弹簧4、传感器-弹簧连接件3、力传感器2和传感器安装调节组件1。两组组件中弹簧4的伸缩方向平行，且与力臂组件5长度方向垂直。弹簧4通过传感器-弹簧连接件3与力传感器2连接。

本发明提供一种精确调节攻角和刚度的水翼扭转振动测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：使用攻角调节模块调整水翼攻角；转动调节手轮6，带动蜗杆7随转，蜗杆7带动蜗轮8随转，蜗轮8再带动水翼转动；通过调节手轮6调整水翼攻角；

步骤2：用锁紧模块固定水翼轴；移除调节手轮6和蜗杆7；

步骤3：使用扭转刚度调节模块；调节力臂组件5任意一端的传感器安装调节组件1，使力传感器2移动，高精度弹簧4被拉伸，产生弹性力，该弹性力可由传感器2读取；之后，调节力臂组件5另一端的传感器安装调节组件1，使力传感器2移动，此时弹簧4被拉伸，弹性力亦由传感器2读取；不断调整力臂组件5两端传感器安装调节组件1的位置、比较两传感器2读数，使力臂组件5两端受力平衡；

步骤4：在传感器2位置调整到位后，松开水翼轴锁紧装置；可通过更换不同参数的弹簧4，实现水翼扭转刚度的调节；

步骤5：水翼攻角、弹簧和传感器调试完成后，即可通过力传感器测量并计算水翼在水流中受到的扭转力，当力传感器精度和采样频率足够高时，可分析水翼扭转振动的频率和幅值特性。

实施例

由图1所示，本发明主要由攻角调节模块、锁紧模块和扭转刚度调节模块构成。

攻角调节模块包括调节手轮6，蜗杆7，蜗轮8和蜗杆安装支架9，该模块与水翼同轴安装，水翼随蜗轮8转动，二者在同一时间内转过的角度相等。

攻角调节模块使用：转动调节手轮6，带动蜗杆7随转，二者角运动一致；蜗杆7带动蜗轮8随转，由于蜗轮8蜗杆7存在传动比，二者同一时间内转过的角度不等，蜗轮8转过角度远小于蜗杆7，因此调节手轮6产生的角度误差在传递到水翼后大大减少。

当水翼攻角调整到位后，通过锁紧模块将水翼轴固定，并移除蜗杆7和调节手轮6，以进行下一步调节工作。

由图1所示，水翼扭转刚度调节模块包括传感器安装调节组件1、力传感器2、传感器-弹簧连接件3、高精度弹簧4和力臂组件5。其中力传感器2、传感器-弹簧连接件3、高精度弹簧4均有2件，安装在力臂组件5的两端。

扭转刚度调节模块的使用：力臂组件5安装在蜗轮8的上方，与蜗轮8连接固定，二者同一时间内转过的角度相等。力臂组件5通过高精度弹簧4、传感器-弹簧连接件3与力传感器2连接。力传感器2另一端固定在传感器安装调节组件1上。

当水翼攻角调整到位、锁紧并拆除蜗杆7和调节手轮6后，调节力臂组件5任意一端的传感器安装调节组件1，使力传感器2向左移动。相应地，由于水翼轴已经锁紧固定，高精度弹簧4被拉伸，产生弹性力，该弹性力可由传感器2读取；之后，调节力臂组件5另一端的传感器安装调节组件1，使另一个传感器2向左移动，此时另一个弹簧4被拉伸，弹性力亦由另一个传感器2读取。不断调整力臂组件两端传感器安装调节组件1的位置、比较两传感器2的读数，使力臂组件两端受力平衡。

在传感器位置调整到位后，松开水翼轴锁紧装置，力臂组件5两端受力平衡，此时如水翼轴往任意方向转过一定角度，力臂两侧受力平衡状态改变，两侧弹簧会产生相反于水翼轴转动方向的扭转力矩，该力矩大小与水翼装置扭转刚度相关，在本发明装置中，与高精度弹簧4的刚度相关，因此更换不同参数的弹簧，即可实现水翼扭转刚度的调节。

水翼攻角、弹簧和传感器等装置调试完成后，即可通过力传感器测量并计算水翼在水流中受到的扭转力，当力传感器精度和采样频率足够高时，可分析水翼扭转振动的频率和幅值等特性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。