一种用于极地船舶螺旋桨模型冰水混合载荷测量装置的制作方法

本发明涉及螺旋桨动力测量设备技术领域，尤其是一种用于极地船舶螺旋桨模型冰水混合载荷测量装置。

背景技术

极地船舶在冰区航行时，推进系统螺旋桨工作于冰水混合环境，螺旋桨抽吸作用的存在使得冰块与螺旋桨之间发生流场堵塞、冰桨碰撞铣削等冰桨流作用，一方面冰块的冲击碰撞对螺旋桨结构强度提出更高要求，另一方面冰块的扰动作用对螺旋桨水动力、空泡和振动等性能产生影响，因此极地船舶螺旋桨设计需要综合评估其在冰水混合环境下的水动力和结构性能。由于冰介质的特殊性和冰桨运动的随机性，现多采用模型试验手段进行此类复杂力学作用问题的研究。

与无冰水域相比，冰水混合环境中冰介质的阻塞扰动作用导致螺旋桨的空泡性能恶化、水动力性能的非定常特性加剧，常规螺旋桨水动力测量装置的频响特性不足，难以满足冰介质干扰下的螺旋桨模型水动力性能测试采集要求。由于极地船舶螺旋桨还需要获取冰桨流作用下的桨叶冰水混合载荷特性作为其强度性能评估和结构设计优化的有效输入，所以除了测试螺旋桨模型的整体水动力性能外，还需要测量冰桨流作用过程中螺旋桨模型单片桨叶的多分力载荷，目前无现有设备可满足该测量需求。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于极地船舶螺旋桨模型冰水混合载荷测量装置，从而可以有效的实现天平的测量功能，满足试验测试要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于极地船舶螺旋桨模型冰水混合载荷测量装置，包括支柱包，所述支柱包的底部通过紧固件连接齿轮箱，所述支柱包和齿轮箱的同一轴线位置开有安装孔，所述安装孔内装入输入轴，所述输入轴通过一组面对面安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱内，末端通过调心球轴承支撑在支柱包内；所述输入轴底部通过锥齿轮机构连接有输出轴，所述输出轴与输入轴在空间位置垂直，所述输出轴通过一组背对背安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱内的内，末端通过收缩段内的轴承装置支撑，在轴承装置之后为整体推扭力测量元件，所述齿轮箱的末端通过紧固件安装有导流罩，收缩段通过紧固件与齿轮箱固定连接；所述输出轴的头部固定有空心桨毂，所述空心桨毂上固定有单叶片测力传感器，所述单叶片测力传感器上固定单片桨叶，导线密封装置固定在空心桨毂上，单叶片测力传感器的信号线穿过导线密封装置后，与整体推扭力测量元件信号线合并，经输出轴中间孔穿出后与滑环动环触点连接；所述输出轴的末端还安装有滑环，所述滑环所在空间完全水密，输出线通过穿线孔与动力仪外部信号处理装置连接，整体推扭力测量元件所在空间完全水密，并与大气连通。

其进一步技术方案在于：

所述输入轴通过径向密封套与齿轮箱连接。

所述径向密封套成空心圆柱体结构，并在其内上半部形成有第一骨架密封圈，其外端中部延伸有径向端盖，径向端盖下部设置有凹槽，所述凹槽内安装与齿轮箱配合的第一o型圈。

所述输出轴通过轴向密封套与齿轮箱连接。

所述齿轮箱的结构为：成中空结构，上半部分为与支柱包匹配的翼型柱体，下半部分为圆环柱体；内部开有齿轮箱通气孔和齿轮箱穿线孔，与支柱包配合端面开有密封圈槽，在其下方开有操作窗口，并通过盖板盖住。

支柱包横截面为翼型，并开有支柱包通气孔和支柱包穿线孔。

输出轴上包含整体推扭力测力元件，分别为扭矩测量元件和推力测量元件，扭矩测量元件采用四柱梁形式，推力测量元件采用支撑片加剪切梁形式，并安装有筋板，除测力元件以外，轴中心处开有转轴穿线孔，在靠近推力元件一侧，开有贯穿转轴侧边穿线孔。

收缩段的结构为：主体为纵剖面为等腰梯形的锥台，通过螺纹和齿轮箱固定连接，在螺纹后端装有第三o型圈，实现静密封；在出轴处采用含油轴承进行支撑，含油轴承镶嵌在上表面为弧形的轴承套内；在含油轴承两侧装有刀口向外的第二骨架密封圈，实现轴的动密封。

空心桨毂周向均匀角度位置开有三个深度相同第一圆形凹槽和一个深度较大的第二圆形凹槽，第一圆形凹槽内安装单片桨叶，第二圆形凹槽内安装单叶片测力传感器；在与输出轴接触面装有密封装置，实现静密封，单片桨叶根部底面开有凹槽，装有配重块，所述单叶片测力传感器通过法兰面分别于空心桨毂和单片桨叶螺钉固定连接，传感器采用横截面为八边形单柱梁进行多分力测量，直边用于应变片粘贴，曲边用于共桥接点粘贴，同时位于底部的法兰上开有法兰穿线孔和法兰引线槽。

导线密封装置与空心桨毂接触表面装有密封圈，实现结合面的静密封，中间部分开有数个小直径的导线穿线孔，导线穿过密封装置后填料孔内会填满环氧树脂，固化后可实现穿线孔的密封。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过动力装置带动输入轴和输出轴转动，从而带动单片桨叶转动，由于单叶片测力传感器的作用，单叶片测力传感器的信号线经导线密封装置穿出后，与整体推扭力测量元件信号线合并，经输出轴中间孔穿出后与滑环动环触点连接，滑环输出线通过齿轮箱和支柱包的穿线孔后与动力仪外部信号处理装置连接，这样在检测过程中，即可方便的检测出每一片桨叶的分力载荷以及测量元件的整体水动力性能。

本发明使用了桨模整体推扭力和单片桨叶多分力测量天平，可实现冰水混合环境下螺旋桨模型整体水动力和桨叶冰水混合载荷特性的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(全剖视图)。

图2为本发明径向密封套的机构示意图。

图3为本发明齿轮箱的结构示意图(全剖视图)。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明输出轴的结构示意图。

图6为本发明收缩段的结构示意图。

图7为图6中i部的局部放大图。

图8为本发明空心桨毂的结构示意图。

图9为图8中沿d-d截面的全剖视图。

图10为本发明单叶片测力传感器的结构示意图。

图11为图10中沿f-f的全剖视图。

图12为本发明导线密封装置的结构示意图。

其中：1、支柱包；2、输入轴；3、径向密封套；301、径向端盖；302、第一o型圈；303、第一骨架密封圈；4、齿轮箱；401、齿轮箱通气孔；402、齿轮箱穿线孔；403、盖板；404、圆环柱体；405、翼型柱体；406、密封圈槽；5、输出轴；501、转轴穿线孔；502、扭矩测量元件；503、推力测量元件；504、筋板；505、转轴侧边穿线孔；6、导流罩；7、滑环；8、轴向密封套；9、收缩段；901、锥台；902、第二骨架密封圈；903、轴承套；904、含油轴承；905、第三o型圈；10、空心桨毂；1001、密封元件；1002、第二圆形凹槽；1003、第一圆形凹槽；11、单片桨叶；12、单叶片测力传感器；1201、八边形单柱梁；1202、法兰穿线孔；1203、法兰引线槽；13、导线密封装置；1301、导线穿线孔；1302、填料孔。

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所示，本实施例的用于极地船舶螺旋桨模型冰水混合载荷测量装置，包括支柱包1，支柱包1的底部通过紧固件连接齿轮箱4，支柱包1和齿轮箱4的同一轴线位置开有安装孔，安装孔内装入输入轴2，输入轴2通过一组面对面安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱4内，末端通过调心球轴承支撑在支柱包1内；输入轴2底部通过锥齿轮机构与输出轴5进行动力传递，输出轴5与输入轴2在空间位置垂直，输出轴5通过一组背对背安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱内4的内，末端通过收缩段9内的轴承装置支撑，在圆锥滚子轴承之后为整体推扭力测量元件，齿轮箱4的末端通过紧固件安装有导流罩6，收缩段9通过紧固件与齿轮箱4固定连接；输出轴5的头部固定有空心桨毂10，空心桨毂10上固定有单叶片测力传感器12，单叶片测力传感器12上固定单片桨叶11，导线密封装置13固定在空心桨毂10上，单叶片测力传感器12的信号线穿过导线密封装置13后，与整体推扭力测量元件信号线合并，经输出轴5中间孔穿出后与滑环7动环触点连接；输出轴5的末端还安装有滑环7，滑环7所在空间完全水密，输出线通过穿线孔与动力仪外部信号处理装置连接，整体推扭力测量元件所在空间完全水密，并与大气连通。

输入轴2通过径向密封套3与齿轮箱4连接。

如图2所示，径向密封套3成空心圆柱体结构，并在其内上半部形成有第一骨架密封圈303，其外端中部延伸有径向端盖301，径向端盖301下部设置有凹槽，凹槽内安装与齿轮箱4配合的第一o型圈302。

输出轴5通过轴向密封套8与齿轮箱4连接。

轴向密封套8，在与齿轮箱4配合的端面安装有密封圈，出轴端装有第三骨架密封圈、刀口向内。

如图3和图4所示，齿轮箱4的结构为：成中空结构，上半部分为与支柱包1匹配的翼型柱体405，下半部分为圆环柱体404；内部开有齿轮箱通气孔401和齿轮箱穿线孔402，与支柱包1配合端面开有密封圈槽406，在其下方开有操作窗口，并通过盖板403盖住。

支柱包1横截面为翼型，并开有支柱包通气孔和支柱包穿线孔。

如图5所示，输出轴5上包含整体推扭力测力元件，分别为扭矩测量元件502和推力测量元件503，扭矩测量元件502采用四柱梁形式，推力测量元件503采用支撑片加剪切梁形式，并安装有筋板504，除测力元件以外，轴中心处开有转轴穿线孔501，在靠近推力元件一侧，开有贯穿转轴侧边穿线孔505。

如图6和图7所示，收缩段9的结构为：主体为纵剖面为等腰梯形的锥台901，通过螺纹和齿轮箱4固定连接，在螺纹后端装有第三o型圈905，实现静密封；在出轴处采用含油轴承904进行支撑，含油轴承904镶嵌在上表面为弧形的轴承套903内；在含油轴承904两侧装有刀口向外的第二骨架密封圈902，实现轴的动密封。

如图8和图9所示，空心桨毂10周向均匀角度位置开有三个深度相同第一圆形凹槽1003和一个深度较大的第二圆形凹槽1002，第一圆形凹槽1003内安装单片桨叶11，第二圆形凹槽1002内安装单叶片测力传感器12；在与输出轴5接触面装有密封元件1001，实现静密封，单片桨叶11根部底面开有凹槽，装有配重块，单叶片测力传感器12通过法兰面分别于空心桨毂10和单片桨叶11螺钉固定连接，传感器采用横截面为八边形单柱梁1201进行多分力测量，直边用于应变片粘贴，曲边用于共桥接点粘贴，同时位于底部的法兰上开有法兰穿线孔1202和法兰引线槽1203。

本发明的具体结构为：

支柱包1和齿轮箱4通过螺栓固定连接。输入轴2通过一组面对面安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱4内，末端通过调心球轴承支撑在支柱包1内。输出轴5通过一组背对背安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱内4内，末端通过收缩段9内含油轴承904支撑，在含油轴承904之后为整体推扭力测量元件。输入轴2和输出轴5通过一对啮合的圆弧锥齿轮组进行动力传递。导流罩6和收缩段9通过螺纹与齿轮箱4固定连接。径向密封套3和轴向密封套8通过螺钉与齿轮箱4固定连接。空心桨毂10固定在输出轴5上。单片桨叶11通过螺钉与单叶片测力传感器12固定。单叶片测力传感器12通过螺钉固定在空心桨毂10内。导线密封装置13固定在空心桨毂10上，单叶片测力传感器12的信号线穿过导线密封装置13后，与整体推扭力测量元件信号线合并，经输出轴5中间孔穿出后与滑环7动环触点连接。滑环7所在空间完全水密，输出线通过穿线孔与动力仪外部信号处理装置连接。整体推扭力测量元件所在空间完全水密，并与大气连通。

实际工作过程中：

本发明是通过外部电机(带编码器)驱动输入轴2转动，通过一组弧齿锥齿轮带动输出轴5转动，从而驱动单片桨叶11转动。单片桨叶11与单叶片测力传感器12螺钉固定，用于测量单叶片多分力测量。单叶片测力传感器12及其余单片桨叶11与空心桨毂10螺钉固定。输入轴2通过一组面对面安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱4内，末端通过调心球轴承支撑在支柱包1内。齿轮箱4和支柱包1通过螺钉固定。输出轴5通过一组背对背安装圆锥滚子轴承支撑在齿轮箱4内，末端通过收缩段9内含油轴承904支撑，在含油轴承904之后为整体推扭力测量元件。收缩段9和导流罩6与齿轮箱4螺纹固定。

本发明单叶片测力传感器12的信号线经导线密封装置13穿出后，与整体推扭力测量元件信号线合并，经输出轴5中间孔穿出后与滑环7动环触点连接。滑环7输出线通过齿轮箱4和支柱包1的穿线孔后与动力仪外部信号处理装置连接。

本发明的密封空间有三部分。第一部分为齿轮箱4内油腔的密封，其中通过径向密封套3和轴向密封套8内的骨架密封圈实现出轴的动密封，通过o型圈实现接触面轴向、径向的静密封。第二部分为整体推扭力测量元件所在空间的密封，其中通过收缩段9内的骨架密封圈实现出轴的动密封，通过收缩段9螺纹端径向o型圈、空心桨毂10径向o型圈、导线密封装置13轴向o型圈实现静密封。第三部分为滑环7所在空间的密封，通过导流罩6螺纹端o型圈实现静密。

径向密封套3出轴处采用一组背对背安装第一骨架密封圈303密封，与齿轮箱4的结合面采用第一o型圈302进行密封，径向端盖301同时用来承受轴承推力。

齿轮箱4上半部分为横截面为翼型柱体405、下半部分为圆环柱体404。翼型大头朝向空心桨毂10。在翼型柱体405上开有齿轮箱通气孔401和齿轮箱穿线孔402，同时开有密封圈槽406，保证与支柱包1结合面的密封性。在圆环柱体404下方开有操作孔并装有盖板403，方便锥齿轮的安装和注油。

输出轴5中间部分为整体推扭力测量元件，分别为扭矩测量元件502和推力测量元件503。采用测量元件和输出轴5加工成一个整体的结构形式可减少机械部分的安装间隙和不同心，提高整体测量的综合精度。推力测量元件503采用剪切梁形式，在其两侧分别并联有数片相同厚度的筋板504，在提高轴向力灵敏度的同时保证整根轴的刚度，提高推力的测量频率范围。靠近推力测量元件503一侧、开有中心孔和贯穿转轴侧边穿线孔505，用于单叶片测量传感器信号线穿出。靠近扭矩测量元件502一侧开有中心转轴穿线孔501，用于全部测量信号线穿出。

导流罩6纵剖面为椭圆型，在螺纹前端设有导向圆柱段、在后端开有o型圈槽。

滑环7采用标准产品，动环与输出轴5螺钉固定，静环与齿轮箱4螺钉固定。

如图6所示，收缩段9主体为纵剖面为等腰梯形的锥台901，通过螺纹和齿轮箱4固定连接，在螺纹后端装有第三o型圈905，实现静密封。在出轴处采用含油轴承904进行支撑，含油轴承904镶嵌在上表面为弧形的轴承套903内，这种结构允许轴承有个小角度的调整，避免因不同心造成轴的磨损，提高运行稳定性。同时也可避免整体推扭力测量元件产生装配预应力，提高测量精度。在含油轴承904两侧装有刀口向外的第二骨架密封圈902，实现轴的动密封。

空心桨毂10周向均匀角度位置开有三个深度相同第一圆形凹槽1003和一个深度较大的第二圆形凹槽1002。第一圆形凹槽1003用于单片桨叶11安装，第二圆形凹槽1002用于单叶片测力传感器12安装。在与输出轴5接触面装有o型圈，实现静密封。

单片桨叶11根部底面开有圆形凹槽，装有配重块，每个桨叶根部的配重块可不相同，用于提高整个末端装置的整体动平衡性能。

如图10和图11所示，单叶片测力传感器12通过法兰面分别于空心桨毂10和单片桨叶11螺钉固定连接。传感器采用横截面为八边形单柱梁1201进行多分力测量，直边用于应变片粘贴，曲边用于共桥接点粘贴。同时下法兰上开有法兰穿线孔1202和法兰引线槽1203。

如图12所示，导线密封装置13与空心桨毂10接触表面装有密封圈，实现结合面的静密封。中间部分开有数个小直径的导线穿线孔1301，导线穿过密封装置后填料孔1302内会填满环氧树脂，固化后可实现穿线孔的密封。

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。