动波壁圆筒实验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种动波壁圆筒实验装置，包括圆筒、动力机构、传动机构和波动机构，动力机构设置在圆筒上端，传动机构垂直设置在圆筒内，动力机构输出端与传动机构上端衔接；与传动机构同轴设置的波动机构设置在圆筒内，包括两个上波动轮、两个下波动轮、上传动轴、下传动轴、多根顶杆、多根波动杆和弹性蒙皮，上传动轴和下传动轴垂直设置在圆筒内，上波动轮或下波动轮的外轮廓线均为连续的波浪形波峰波谷组成的封闭环形曲线，多根顶杆分别穿过圆筒壁上对应的顶杆导孔，多根波动杆与弹性蒙皮内侧面固定连接。本发明通过简单的传动机构达到模拟出波浪运动的目的，成本较低，运行稳定可靠。
【专利说明】动波壁圆筒实验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于研究动波浪壁圆柱绕流的实验装置，以获得波浪壁对涡激振动及阻力的抑制效果，属于内河及海洋工程模拟实验【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在内河及海洋工程中，有众多水下圆柱型结构，如海洋平台支柱、码头基柱、桥墩等，这些水下立柱所承受的环境载荷主要有风、浪、流、冰及地震载荷等，其中，波浪和水流是最重要的载荷，在一定的流速下会使得立柱尾迹产生周期性的漩涡脱落，尤其当立柱的固有频率与漩涡脱落的频率接近时，就产生了涡激共振现象，从而导致立柱的疲劳损害，严重影响立柱的使用寿命及工作性能，甚至带来严重的工程和环境事故。
[0003]目前对于运动波浪壁圆柱对涡激振动及阻力的影响还处于理论研究阶段，还没有实验验证，需要一种能准确的模拟出波浪运动，并能调节不同参数，验证数值模拟结果的动波壁圆筒实验装置，为实际工程应用提供指导及依据。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种模拟准确、便于制造、成本较低、安装方便、适应性强的主动抑制涡激振动及减阻的动波壁圆筒实验装置，实现对动波壁圆柱绕流的实验研究。
[0005]本发明通过以下技术方案予以实现:
一种动波壁圆筒实验装置，包括圆筒、动力机构、传动机构和波动机构，所述动力机构设置在圆筒上端，所述传动机构垂直设置在圆筒内，动力机构输出端与传动机构上端衔接；与传动机构同轴设置的波动机构设置在圆筒内，包括圆筒上盖、圆筒下盖、两个上波动轮、两个下波动轮、上传动轴、下传动轴、多根顶杆、多根波动杆、多个回复弹簧和包容部分圆筒的弹性蒙皮，圆筒上盖、圆筒下盖固定在圆筒的上端和下端，上传动轴和下传动轴同轴心地垂直设置在圆筒内，上传动轴上端、下传动轴下端分别通过上轴承、下轴承支撑在圆筒上盖和圆筒下盖中；上波动轮外轮廓线、下波动轮外轮廓线均为连续的波浪形封闭环形曲线，两个上波动轮固定在上传动轴下部，两个下波动轮固定在下传动轴中部，且两个上波动轮或两个下波动轮的波峰波谷同相位对应；在圆筒壁与两个上波动轮、两个下波动轮的外轮廓线对应处，上下均布分别与上波动轮、下波动轮对应的数排周向成90°扇形分布的多个顶杆导孔；其中，在圆筒壁分别与两个上波动轮外轮廓或两个下波动轮外轮廓对应处，多根顶杆分别穿过圆筒壁上对应的顶杆导孔，顶杆一端抵靠在上波动轮外轮廓或下波动轮外轮廓上，顶杆另一端与波动杆垂直固定连接，多根波动杆与弹性蒙皮内侧面固定连接，位于圆筒壁内的回复弹簧套在顶杆上。
[0006]本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
[0007]前述的动波壁圆筒实验装置，其中与两个上波动轮外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群的上相位角α与两个下波动轮外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群的下相位角β之和为180°。[0008]前述的动波壁圆筒实验装置，其中所述顶杆弯成由两段水平杆和一段垂直杆连接成的槽形，所述两段水平杆分别穿过上下两排对应顶杆导孔并与波动杆垂直固定连接；所述回复弹簧套在水平杆上。
[0009]前述的动波壁圆筒实验装置，其中所述动力机构包括驱动电机、电机固定座和固定架及抱箍，驱动电机一端固定在电机固定座上，主动小圆锥齿轮垂直固定在驱动电机轴上；所述固定架由两根平行设置的角钢组成，电机固定座下端固定在一根角钢上；抱箍两端分别固定在固定架内侧，并通过紧固件固定在圆筒上端；固定架两端分别通过固定座固定在实验水槽上侧。
[0010]前述的动波壁圆筒实验装置,其中所述传动机构包括主动小圆锥齿轮、从动大圆锥齿轮、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、两个过桥传动圆锥齿轮和横轴，主动小圆锥齿轮垂直固定在驱动电机轴上，从动大圆锥齿轮固定在上传动轴上端，第一圆锥齿轮固定在上传动轴下端，位于两个上波动轮之下；第二圆锥齿轮固定在下传动轴上端，位于两个下波动轮之上，两个过桥传动圆锥齿轮端面相对地分别通过轴承支承在横轴中部，所述横轴两端分别嵌装在圆筒壁内侧的两相对轴向腰槽上。
前述的动波壁圆筒实验装置，其中所述传动机构的传动链如下:主动小圆锥齿轮一从动大圆锥齿轮一第一圆锥齿轮一两个过桥传动圆锥齿轮一第二圆锥齿轮顺次啮合，其中，第一圆锥齿轮、两个过桥传动圆锥齿轮和第二圆锥齿轮啮合搭接成矩形。
[0011]前述的动波壁圆筒实验装置，其中覆盖了所有波动杆的弹性蒙皮周向包覆了半个圆筒，弹性蒙皮上下侧分别固定在圆筒上。
[0012]本发明的有益效果如下:
1、本发明很好的模拟了运动波浪壁圆柱，可以实现运动波浪壁圆柱的实验研究。
[0013]2、本发明只需控制电机转速即可改变波浪壁波动速度，以适应不同的来流速度，得到各个参数下的实验数据，可以更全面地研究波浪壁对圆柱绕流的影响，给工程应用提供指导及依据。
[0014]3、本发明的上波动轮或下波动轮的外轮廓均为连续的波浪形封闭环形曲线，上波动轮或下波动轮旋转时，抵靠在波动轮的波峰上升处的数根顶杆依次推动相应的波动杆逐渐外移，使得弹性蒙皮逐渐外张。反之，随着通过回复弹簧复位而缩回在波动轮波谷处的数根顶杆，渐次拉动波动杆内移使得弹性蒙皮逐渐内凹，在多根顶杆和多根波动杆的组合运动下，弹性蒙皮绕着半个圆筒外周面呈波浪形运动，并且由于第一圆锥齿轮和第二圆锥齿轮转向相反，波形自圆筒两侧向后驻点运动，形成对称运动波浪壁面。本发明通过简单的传动机构达到模拟出波浪运动的目的，成本较低，运行稳定可靠。
[0015]本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的立体结构示意图；
图2为图1的A向放大视图；
图3为图1的B向放大视图；
图4为圆筒的主视图； 图5为图4的A-A剖视图；
图6为图4的B-B剖视图；
图7为图2的C-C放大剖视图；
图8为图2的D-D放大剖视图；
图9为图3中E-E旋转放大剖视图；
图10为图3中F-F旋转放大剖视图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例作进一步说明。
[0018]如图1?图10所示，本发明包括圆筒1、动力机构2、传动机构3和波动机构4，动力机构2设置在圆筒I上端，传动机构3垂直设置在圆筒I内，与传动机构3同轴设置的波动机构4设置在圆筒I内，包括圆筒上盖11、圆筒下盖12、两个上波动轮41、两个下波动轮42、上传动轴43、下传动轴44、多根顶杆45、多根波动杆46、回复弹簧47和包容部分圆筒的弹性蒙皮48，圆筒上盖11、圆筒下盖12通过螺纹连接分别固定在圆筒I的上、下端，上传动轴43和下传动轴44同轴心地垂直设置在圆筒I内，上传动轴43上端、下传动轴44下端分别通过上轴承49、下轴承410支撑在圆筒上盖11和圆筒下盖12中。两个上波动轮41、两个下波动轮42均通过过盈配合方式与对应的上传动轴43下部、下传动轴44中部固定连接。上波动轮41外轮廓线、下波动轮42外轮廓均为连续的波峰波谷组成的封闭环形曲线，且两个上波动轮41或两个下波动轮42的波峰波谷对应。在圆筒壁101与两个上波动轮41、两个下波动轮42的外轮廓线对应处，上下均布分别与两个上波动轮41、两个下波动轮42对应的四排周向成90°扇形分布的多个顶杆导孔102 ;其中上两排或下两排多个顶杆导孔102垂直等距离设置，多根顶杆45分别穿过圆筒壁101上对应的顶杆导孔102，顶杆45 —端抵靠在上波动轮41外轮廓或下波动轮42外轮廓上，另一端与波动杆46垂直固定连接，多根波动杆46外侧粘在弹性蒙皮48内侧面上；位于圆筒壁101内的回复弹簧47套在顶杆45上。顶杆45弯成由两段水平杆451和一段垂直杆452连接成的槽形，两段水平杆451分别穿过上下两排多个顶杆导孔102与波动杆46垂直固定连接。回复弹簧47套在水平杆451上，其一端抵靠在圆筒壁101内侧面上，另一端抵靠在水平杆451和垂直杆452的交接处，回复弹簧47复位力推动顶杆45后退到波动轮的波谷。
[0019]如图5和图6所示，两个上波动轮41外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群102的上相位角α与两个下波动轮42外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群102的下相位角β之和为180°。覆盖了所有波动杆46的弹性蒙皮48周向包覆了半个圆筒1，弹性蒙皮48上下侧分别固定在圆筒I上。
[0020]如图1?图3所示，动力机构2包括驱动电机21、电机固定座22、固定架23和抱箍24，驱动电机21采用可调速的步进电机，驱动电机21端面固定在电机固定座22上，固定架23由两根平行设置的角钢231组成，每根角钢231两端分别开有滑槽232，电机固定座22下端通过紧固件固定在一根角钢231上。抱箍24的两半箍体241两端分别固定在固定架23内侧，并通过拉紧螺杆25拉紧固定在圆筒I上端；固定架23两端分别通过固定座26固定在实验水槽5上侧。滑槽232起到可以调节圆筒I在实验水槽5中横向位置并适应不同宽度水槽的作用。[0021]如图1、图9和图10所示，传动机构3包括主动小圆锥齿轮31、从动大圆锥齿轮32、第一圆锥齿轮33、第二圆锥齿轮34、两个过桥传动圆锥齿轮35和横轴36，主动小圆锥齿轮31垂直固定在驱动电机轴211上，从动大圆锥齿轮32固定在上传动轴43上端，第一圆锥齿轮33固定在上传动轴43下端，位于两个上波动轮41之下；第二圆锥齿轮34固定在下传动轴44上端，位于两个下波动轮42之上。两个过桥传动圆锥齿轮35端面相对地分别通过轴承37支承在横轴36中部，横轴36两端分别嵌装在圆筒壁101内侧的两相对轴向腰槽103上。传动机构3的传动链如下:主动小圆锥齿轮31——从动大圆锥齿轮32——第一圆锥齿轮33——两个过桥传动圆锥齿轮35——第二圆锥齿轮34顺次啮合，其中，第一圆锥齿轮33、两个过桥传动圆锥齿轮35和第二圆锥齿轮34啮合搭接成矩形，第一圆锥齿轮33和第二圆锥齿轮34转向相反。
[0022]驱动电机21带动主动小圆锥齿轮31旋转，通过与从动大圆锥齿轮32的啮合，带动过桥传动圆锥齿轮35、第二圆锥齿轮34随之旋转，从而驱动上传动轴43、下传动轴44各自带着两个上波动轮41、两个下波动轮42旋转，两个下波动轮42与两个上波动轮41转向相反。两个上波动轮41与两个下波动轮42旋转时,通过转动的波动轮推动多根顶杆45顺着波动轮波峰波谷推动顶杆45周期性的外顶内缩，固定在波动杆46上的弹性蒙皮48随之运动。在多根顶杆45和波动杆46的组合运动下，弹性蒙皮48呈波浪形起伏，并且由于上传动轴43、下传动轴44的正、反向旋转作用，波形自圆筒I两侧向后驻点运动，形成对称运动波浪壁面。只需改变驱动电机21的转速即可改变波浪壁面的运动速度，也可以改变两个上波动轮41、两个下波动轮42的波数(波长)、波幅来设置更多的实验参数，得到更理想的实验结果，给实际工程应用提供指导及依据。
[0023]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种动波壁圆筒实验装置,其特征是,包括圆筒、动力机构、传动机构和波动机构,所述动力机构设置在圆筒上端，所述传动机构垂直设置在圆筒内，动力机构输出端与传动机构上端衔接；与传动机构同轴设置的波动机构设置在圆筒内，包括圆筒上盖、圆筒下盖、两个上波动轮、两个下波动轮、上传动轴、下传动轴、多根顶杆、多根波动杆、多个回复弹簧和包容部分圆筒的弹性蒙皮，圆筒上盖、圆筒下盖分别固定在圆筒的上端和下端，上传动轴和下传动轴同轴心地垂直设置在圆筒内，上传动轴上端、下传动轴下端分别通过上轴承、下轴承支撑在圆筒上盖和圆筒下盖中；上波动轮外轮廓线、下波动轮外轮廓线均为连续的波浪形封闭环形曲线，两个上波动轮固定在上传动轴下部，两个下波动轮固定在下传动轴中部，且两个上波动轮或两个下波动轮的波峰波谷同相位对应；在圆筒壁与两个上波动轮、两个下波动轮的外轮廓线对应处，上下均布分别与上波动轮、下波动轮对应的数排周向成90°扇形分布的多个顶杆导孔；在圆筒壁分别与两个上波动轮外轮廓或两个下波动轮外轮廓对应处，多根顶杆分别穿过圆筒壁上对应的顶杆导孔，顶杆一端抵靠在上波动轮外轮廓或下波动轮外轮廓上，顶杆另一端与波动杆垂直固定连接，多根波动杆与弹性蒙皮内侧面固定连接，位于圆筒壁内的回复弹簧套在顶杆上。
2.根据权利要求1所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，与两个上波动轮外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群的上相位角α与两个下波动轮外轮廓对应的两排成90°扇形分布的多个顶杆导孔群的下相位角β之和为180°。
3.根据权利要求1所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，所述顶杆弯成由两段水平杆和一段垂直杆连接成的槽形，所述两段水平杆分别穿过上下两排多个顶杆导孔与波动杆垂直固定连接；所述回复弹簧套在水平杆上。
4.根据权利要求1所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，所述动力机构包括驱动电机、电机固定座和固定架和抱箍，驱动电机一端固定在电机固定座上，所述固定架由两根平行设置的角钢组成，电机固定座下端固定在一根角钢上；抱箍两端分别固定在固定架内侧，并通过紧固件固定在圆筒上端；固定架两端分别通过固定座固定在实验水槽上侧。
5.根据权利要求1所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，所述传动机构包括主动小圆锥齿轮、从动大圆锥齿轮、第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮、两个过桥传动圆锥齿轮和横轴，主动小圆锥齿轮垂直固定在驱动电机轴上，从动大圆锥齿轮固定在上传动轴上端，第一圆锥齿轮固定在上传动轴下端，位于两个上波动轮之下；第二圆锥齿轮固定在下传动轴上端，位于两个下波动轮之上，两个过桥传动圆锥齿轮端面相对地分别通过轴承支承在横轴中部，所述横轴两端分别嵌装在圆筒壁内侧的两相对轴向腰槽上。
6.根据权利要求5所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，所述传动机构的传动链如下:主动小圆锥齿轮一从动大圆锥齿轮一第一圆锥齿轮一两个过桥传动圆锥齿轮一第二圆锥齿轮顺次啮合，其中，第一圆锥齿轮、两个过桥传动圆锥齿轮和第二圆锥齿轮啮合搭接成矩形。
7.根据权利要求1所述的动波壁圆筒实验装置，其特征是，覆盖了所有波动杆的弹性蒙皮周向包覆了半个圆筒，弹性蒙皮上下侧分别固定在圆筒上。
【文档编号】G01M10/00GK103616158SQ201310528698
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】王志东, 刘家欢, 窦京, 陈剑文, 吕红皊, 李力军, 吴娜, 凌宏杰 申请人:江苏科技大学