物体定速出水实验装置

摘要

本发明属于领域水力学实验模型设施，具体涉及一种物体定速出水实验装置，包括龙门框架、设置于龙门框架下方的透明水箱、出水物体牵引装置以及由工控计算机控制连接的数据采集系统。出水物体牵引装置包括相互转动配合的主动轮和从动轮，主动轮和从动轮套接设置在支座的连接轴上，主动轮与电机转动连接，从动轮与连接轴端部设置的电磁铁块之间配合设置复位弹簧，用于牵引出水物体出水的牵引索与设置在龙门框架横梁上的一组滚轮绕接后与从动轮相连。实验时，由工控计算机控制预设物体出水速度，控制电机转速，从动轮与主动轮在电机的带动下同速转动，带动出水物体以相同的速度出水，从而达到出水物体以恒定速度出水的效果。

权利要求

1.物体定速出水实验装置，其特征在于包括龙门框架（1）、设置于龙门框架（1）下方的透明水箱（8）、出水物体牵引装置以及由工控计算机（14）控制连接的数据采集系统（9），所述出水物体牵引装置包括相互转动配合的主动轮（13）和从动轮（5），所述主动轮（13）和从动轮（5）套接设置在支座（12）的连接轴（11）上，所述主动轮（13）与电机（10）转动连接，所述从动轮（5）与连接轴（11）端部设置的电磁铁块（4）之间配合设置复位弹簧（15），用于牵引出水物体（7）出水的牵引索（6）与设置在龙门框架（1）横梁上的一组滚轮（3）绕接后与从动轮（5）相连。

2.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述从动轮（5）内部开设有与复位弹簧（15）相配合的空腔。

3.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述主动轮（13）包括与设置于电机（10）上的电机转头（18）啮合配合的齿轮（19）。

4.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述主动轮（13）上设置有主动轮锁定杆（16），所述从动轮（5）上设置有与主动轮锁定杆（16）相配合的从动轮锁定杆（17）。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述电磁铁块（4）和从动轮（5）相对的面均打磨为粗糙面。

6.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述滚轮（3）至少为两个。

7.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述数据采集系统（9）包括由工控计算机（14）控制连接的激光发射器、高速摄像仪和/或高速照相机。

8.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述从动轮（5）上开设有绕线凹槽。

9.根据权利要求1所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述龙门框架（1）横梁上设置有与出水物体（7）相配合的缓冲垫（2）。

10.根据权利要求9所述的物体定速出水实验装置，其特征在于所述缓冲垫（2）为倒漏型缓冲橡胶圈。

说明书

物体定速出水实验装置

技术领域

[0001] 本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种物体定速出水实验装置。

背景技术

[0002] 物体出入水问题广泛存在于军事、工程、日常生活等众多领域，如潜射导弹、反潜导弹、高速鱼雷、返回舱入水、潜艇入水、飞机水面迫降、运动员跳水等，在理论研究和实际应用方面均具有重要价值，一直以来都是船舶和海洋工程领域中十分重要的研究课题。物体出水过程虽然只是一个非常短暂的瞬态过程，但这个短暂的过程明显的特点，涉及强非线性自由面运动及破碎、湍流与漩涡、物体的运动与变形、物体与水的耦合相互作用等，使得此过程在运动体整个运动过程中占有极其重要的地位，在很大程度上决定了运动体是否能稳定的从一种介质进入到另一种介质。例如：当物体出水速度较小时，由于粘性作用的影响，物体将带动液体自由面产生严重变形。由于出入水问题涉及到的运动十分复杂，现有的理论分析方法不能很好地对此物理过程准确分析，因此目前主要采用大量实验研究数据和数值模拟技术来测量预报近似数据。而实验研究的数据常常又被用来与数值模拟结果对比以验证数值模拟技术准确性。因此物体出水实验研究对出入水问题的研究具有重要意义。1983年，Greenhow等人利用水平圆柱开展了圆柱出水、入水实验以观察圆柱体在出水、入水过程中所引起的液体自由表面变形的不同。这些现有的物体出水实验装置一般采用重物下落带动绳索牵引方式，速度往往不加控制。虽然出水物体形状及其出水速度对出水物体影响极大，但由于实验条件的限制，物体以恒定速度出水的实验尚未开展。因此目前迫切需要一种能够以恒定速度将不同形状物体稳定拉出水面的实验装置。

发明内容

[0003] 为了避免现有技术的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够以恒定速度将不同形状物体稳定拉出水面的实验装置。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明包括龙门框架、设置于龙门框架下方的透明水箱、出水物体牵引装置以及由工控计算机控制连接的数据采集系统，所述出水物体牵引装置包括相互转动配合的主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮套接设置在支座的连接轴上，所述主动轮与电机转动连接，所述从动轮与连接轴端部设置的电磁铁块之间配合设置复位弹簧，用于牵引出水物体出水的牵引索与设置在龙门框架横梁上的一组滚轮绕接后与从动轮相连。

[0005] 进一步的，所述从动轮内部开设有与复位弹簧相配合的空腔。

[0006] 进一步的，所述主动轮包括与设置于电机上的电机转头啮合配合的齿轮。

[0007] 进一步的，所述主动轮上设置有主动轮锁定杆，所述从动轮上设置有与主动轮锁定杆相配合的从动轮锁定杆。

[0008] 进一步的，所述电磁铁块和从动轮相对的面均打磨为粗糙面。

[0009] 进一步的，所述滚轮至少为两个。

[0010] 进一步的，所述数据采集系统包括由工控计算机控制连接的激光发射器、高速摄像仪和/或高速照相机。

[0011] 进一步的，所述从动轮上开设有绕线凹槽。

[0012] 进一步的，所述龙门框架横梁上设置有与出水物体相配合的缓冲垫。

[0013] 进一步的，所述缓冲垫为倒漏型缓冲橡胶圈。

[0014] 本发明的有益效果如下：1.本发明采用出水物体牵引装置来实现出水物体的以恒定速度稳定出水，其中牵引索的一端与出水物体相连，另一端绕过横梁上的滚轮后固定于绕线凹槽。由工控计算机预设电机转头转速，由电机转头带动主动轮上的齿轮转动，实验过程中，从动轮随主动轮同速转动，牵引索也以相同的速度缠绕于从动轮上的绕线凹槽内。同时，出水物体被牵引索以该速度拉出水面。由此可见，整个实验过程中，出水物体的出水速度是保持恒定的，并且通过工控计算机控制电机转头的转速而实现，因而本发明可以在恒定的出水速度下更加稳定真实地模拟物体出水情况。

[0015] 2.本发明所述主动轮上设置有主动轮锁定杆，所述从动轮上设置有与主动轮锁定杆相配合的从动轮锁定杆，可有效避免转动过程中从动轮和主动轮的分离，使得从动轮随主动轮同速转动。

[0016] 3.本发明所述从动轮内部设有与复位弹簧相配合的空腔，空腔内部与复位弹簧直接接触面为光滑面，可大大降低摩擦作用。由于从动轮正对电磁铁块的面为粗糙面，若复位弹簧与该粗糙面直接接触，会使得转动过程中复位弹簧与从动轮摩擦力过大影响从动轮的转动速度，同时易于引发部件磨损问题，影响使用寿命。

[0017] 4.本发明所述电磁铁块和从动轮相对的面均打磨为粗糙面，从动轮在粗糙面所带来的巨大摩擦力的作用下迅速降速，在短时间内停止运动。

[0018] 5.本发明所述龙门框架横梁上设置有倒漏型缓冲橡胶圈，使得出水物体在与该倒漏型缓冲橡胶圈的碰撞中柔性减速，避免其与横梁的直接碰撞。相比于其他形状的缓冲垫，倒漏型缓冲橡胶圈具有更加良好的柔性减速效果。

[0019] 6.本发明所述龙门支架横梁上同时设置至少两个滚轮，可使得第一个滚轮与出水物体之间的牵引索和第二个滚轮与绕线凹槽之间的牵引索处于竖直状态，并且保持两滚轮之间的牵引索处于水平状态，从而保证出水物体可以竖直出水，使得实验结果更加准确。同时，还可使得牵引索更加方便地缠绕于绕线凹槽上，有效减少摩擦。

附图说明

[0020] 图1为本发明结构示意图；图2为本发明出水物体牵引装置工作状态下的结构示意图；
图3为本发明出水物体牵引装置非工作状态下的结构示意图。

[0021] 其中，1是龙门框架；2是缓冲垫；3是滚轮；4是电磁铁块；5是从动轮；6是牵引索；7是出水物体；8是透明水箱；9是数据采集系统；10是电机；11是连接轴；12是支座；13是主动轮；14是工控计算机；15是复位弹簧；16是主动轮锁定杆；17是从动轮锁定杆；18是电机转头；19是齿轮。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

[0023] 如图1所示，本发明包括龙门框架1、设置于龙门框架1下方的透明水箱8、出水物体牵引装置以及由工控计算机14控制连接的数据采集系统9。龙门框架1的横梁上焊接或者螺纹固定设置有一组滚轮3，滚轮3至少为两个，其中一个滚轮3设置于透明水箱8的上方，以保证出水物体7可竖直出水。第二个滚轮3设置于工作状态中从动轮5所处位置的上方。为进一步以减少牵引索6与从动轮5之间的摩擦，在从动轮5上开设有绕线凹槽，绕线凹槽上设有牵引索连接孔，第二个滚轮3设置于工作状态中从动轮5上的绕线凹槽的牵引索连接孔所处位置的上方。牵引索6的一端固定在牵引索连接孔上，另一端依次绕过滚轮3后与出水物体7相连。为了防止出水物体7在出水速度较快时由于惯性作用与横梁产生撞击，于是在横梁内侧正对出水物体7的位置设置缓冲垫2。缓冲垫2的形状和厚度等根据需要设定，可以为立方体及其他不规则形状的缓冲垫，只要能使得出水物体7柔性降速即可，本发明中缓冲垫2优选为倒漏型缓冲橡胶圈。本发明透明水箱8对于材质无过多要求，可以为玻璃水箱或者透明塑料水箱，只要能达到所需要的观察要求即可。本发明中对于出水物体7的形状没有限制，使得本发明的应用范围更广。

[0024] 本发明数据采集系统9包括由工控计算机14控制的激光发射器、高速摄像仪和/或高速照相机。为使得实验过程中数据的采集更加方便准确，可将透明水箱8放置于支架上，激光发射器通过激光导臂将激光发射头置于透明水箱8下方。此外，需说明的是，本发明所述数据采集系统9不限于本发明所列出内容，可以根据实验目的增设或缩减数据采集设备。

[0025] 本发明出水物体牵引装置主要包括相互转动配合的主动轮13和从动轮5，主动轮13通过轴承等设置在连接轴11上靠近电机10的一侧。电机10与主动轮13之间可采用带传动或者啮合等方式来传动。本发明优选主动轮13的齿轮19与电机10的电机转头18啮合配合，由电机转头18带动齿轮19转动，可使得速度的控制更加精准，保证出水物体7定速出水。从动轮5设置于主动轮13和电磁铁块4之间，套接在连接轴11上，从动轮5与连接轴11端部设置的电磁铁块4之间配合设置复位弹簧15。主动轮13和从动轮5之间可采用多种配合方式，如摩擦配合、卡合等，只要使得从动轮5可随主动轮13同速转动即可。如图3所示，本发明中，主动轮13上设置有主动轮锁定杆16，所述从动轮5上设置有与主动轮锁定杆16相配合的从动轮锁定杆17，其中主动轮锁定杆16为纵向结构，从动轮锁定杆17为横向结构，从而使得从动轮5随主动轮13而转动。从动轮5内部开设有与复位弹簧15相配合的空腔，复位弹簧15的一部分位于从动轮5的内部空腔中，空腔内部与复位弹簧15相接触的端面为光滑平面，以减少从动轮5转动时与复位弹簧15之间的摩擦。复位弹簧15与从动轮5和连接轴11之间均不固定。为使实验即将结束时，从动轮5能够快速停止转动，将电磁铁块4和从动轮5相对的面均打磨为粗糙面。

[0026] 使用时，首先利用工控计算机14控制电磁铁块4通电，从而将出水物体牵引装置的从动轮5吸引到电磁铁块4一侧，此时复位弹簧15处于高强度压缩状态，从动轮5与主动轮13脱离。工控计算机14控制激光发射器、高速照相机和/或高速摄像仪等开始工作，待各种数据采集单元稳定工作后，实验人员根据需要在工控计算机14上输入实验需要的出水速度，工控计算机14控制电机10开始按照预定速度恒速旋转，在电机转头18的带动下，主动轮13开始按预定速度恒速转动。待主动轮13转速稳定后，工控计算机14控制电磁铁块4断电停止工作，从动轮5在复位弹簧15的作用下迅速朝向与主动轮7运动，从动轮锁定杆17与主动轮锁定杆16扣合，如图2所示。此后，主动轮13带动从动轮5迅速达到同速旋转，实验正式开始。从动轮5旋转时带动其上牵引索6迅速收拢，缠绕于从动轮5的绕线凹槽中，从而牵引出水物体7竖直向上以预定恒定速度出水。由于牵引装置动力传输极快，使出水物体7可以在很短的时间内达到预定恒定速度从而出水，达到实验要求。出水物体7出水瞬间工控计算机14控制电磁铁块4通电工作，从动轮5迅速被电磁铁块4吸附，与主动轮13脱离。从动轮5和电磁铁块4的接触面均为粗糙面，因此两者在巨大摩擦力的作用下迅速停止转动。出水物体7在重力作用下减速上行并在与倒漏斗型缓冲橡胶圈的碰撞下柔性降速，停止运动，并最终悬挂在透明水箱8上方。此时，工控计算机14控制数据采集装置停止工作，实验完成。