ДИНАМОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ НА МОДЕЛЬ СУДНА

Полезная модель относится к экспериментальной гидромеханике корабля и касается конструирования динамометров для испытаний моделей надводных и подводных судов в гидролотке.
Анализ известных технических решений показывает, что все они построены на основе упругих элементов, деформация которых пропорциональна измеряемым силам и преобразуется в аналоговый электрический сигнал с помощью тензометрических или индуктивных датчиков. Аналоговый сигнал проходит через усилитель и подается на аналогово-цифровой преобразователь, после чего записывается на магнитный носитель ЭЦВМ. Это обеспечивает применение современного программного обеспечения для обработки и анализа экспериментальных данных. Общим признаком является и то, что в публикациях описываются динамометры для испытания моделей надводных плавучих сооружений. Отличия заключаются в конструкции упругих элементов и способах их соединения с элементами динамометра. Способ соединения упругих элементов и положение относительно модели определяет систему координат, в которой проводятся измерения (неподвижная, связанная с моделью, полусвязанная и др.), и степень взаимовлияния измеряемых составляющих главного вектора и главного момента.
В качестве прототипа выбран динамометр буксировочной тележки (патент РФ №2104206, В63В 9/02, G01M 10/00, G01L 3/00, опубл. 10.02.1998). Динамометр буксировочной тележки содержит установленное на ней устройство с чувствительным элементом, связывающим модель судна с буксировочной тележкой, и выполнен с установленным на буксировочной тележке грузом, связанным с моделью и имеющим возможность перемещения относительно буксировочной тележки в сторону, противоположную возможному перемещению модели относительно этой тележки, причем величина массы груза выбрана из условия: m=i(М+ΔМ-К), где m - масса груза, М - масса модели, ΔM - присоединенная масса воды, К - постоянная величина, устанавливаемая опытным путем для конкретного динамометра, i - передаточное отношение связи между моделью и массой. Использование: экспериментальная гидромеханика корабля, касается конструирования динамометров для буксировочных испытаний моделей судов и для самоходных их испытаний в жесткой запряжке.
По отношению к определению гидродинамических сил и моментов данный прибор (прототип) имеет следующие недостатки:
1. Выполняется измерение одного компонента главного вектора внешних сил Rx - силы сопротивления;
2. Динамометр - прототип представляет собой сложную механическую систему с большим числом степеней свободы, что приводит к колебаниям элементов динамометра, в том числе упругих элементов. Это проявляется в высоком уровне шумов в записи измеряемой силы.
Решаемая задача - расширение технических возможностей динамометра для проведения испытаний моделей надводных и подводных судов в гидролотке.
Техническим результатом изобретения является:
1. Одновременное определение пяти компонентов главного вектора и главного момента в связанной с моделью системе координат;
2. Конструкция динамометра обеспечивает разгрузку упругих элементов от воздействия не измеряемых сил и моментов, что уменьшает погрешность измерений;
3. Динамометр неподвижен, что исключает воздействие сил инерции на упругие элементы;
4. Упругие элементы для преобразования момента в продольной вертикальной плоскости располагаются так, чтобы их оси были параллельны оси GY связанной с моделью системой координат;
5. Упругие элементы для преобразования составляющих главного момента расположены так, что их оси проходят близко к началу связанной с моделью системой координат;
Этот технический результат достигается тем, что в динамометре для измерения воздействия потока жидкости на модель судна, содержащем устройство с чувствительными элементами, связывающими модель судна с основанием, устройство с чувствительными элементами выполнено из пяти измерительных блоков с упругими чувствительными элементами, связывающими модель судна с неподвижным фундаментом, блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости, расположенный в центре тяжести модели, связан трубчатой штангой с верхней частью устройства, где расположены блок измерения момента в горизонтальной плоскости и три блока измерения сил: продольной, поперечной и вертикальной, а блоки соединены между собой одноподвижными кинематическими парами с избыточными связями на основе роликовых опор для разгрузки упругих элементов от не измеряемых сил и моментов.
Измерение гидродинамических сил и моментов на модели надводного или подводного судна позволяет определить безразмерные гидродинамические коэффициенты, с помощью которых на основании теории гидродинамического подобия вычисляются гидродинамические силы и моменты для натурного судна. Полученные силы и моменты необходимы для расчета мореходных качеств и прочности судов.
На чертеже показан общий вид динамометра (фиг.1). Фиг.2 - конструкция стопора, фиг.3 - блок измерения вертикальной силы, фиг.4 - блок измерения момента в горизонтальной плоскости, фиг.5 - блок измерения продольной и поперечной сил, фиг.6 - блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости.
Пяти - компонентный динамометр включает следующие основные блоки: блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости 1, блок измерения момента в горизонтальной плоскости 2 и три блока измерения сил: продольной 3, поперечной 4 и вертикальной 5.
Возможность установки углов курса и дифферента перед проведением опыта предусмотрена конструкцией динамометра в узлах: 6 и 7 соответственно.
Трубчатая штанга 8, связывающая блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости с верхней частью динамометра, выполнена в виде вертикального цилиндра с обтекателем 9. Хорда обтекателя ориентируется вдоль потока воды. Силу сопротивления штанги легко определить и она учитывается при обработке данных измерений динамометра.
В качестве упругих чувствительных элементов используются тензобалки 10 с наклеенными на них тензорезисторами 11. Тензорезисторы 11 преобразовывают деформации тензобалок 10 в электрические сигналы. Тензорезисторы позволяют:
1. Выполнить точное измерение деформаций, в определенном месте на поверхности измеряемого объекта, в широком диапазоне температур и в неблагоприятных окружающих средах.
2. Получить быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компактной и легкой структуре.
3. Обеспечить хорошую линейность в пределах широкого диапазона деформаций.
4. Осуществлять возможность измерений на удалении для задач мониторинга.
Для механической разгрузки упругих чувствительных элементов от не измеряемых сил и моментов использованы хорошо зарекомендовавшие себя на практике одноподвижные кинематические пары с избыточными связями на основе роликовых опор 12.
При работе с моделью перед опытом, чтобы не повредить упругие чувствительные элементы, предусмотрен стопор 13. Верхняя часть динамометра крепится разъемными соединениями к неподвижному фундаменту 14 на баке гидродинамического лотка.
Размещение блока 1 измерения момента в продольной вертикальной плоскости в центре тяжести модели позволяет определить момент в продольной вертикальной плоскости в связанной с моделью центральной системе координат. Размещение блока измерения момента в продольной вертикальной плоскости выше центра тяжести модели приведет к изменению момента на величину  где  - вектор смещения оси блока измерения момента в продольной вертикальной плоскости, a  - главный вектор внешних гидродинамических сил. Величина  значительно превосходит интересующий исследователей момент в продольной вертикальной плоскости в связанной с моделью системе координат и, поэтому затрудняет обработку записей измерений. Размещение всех других измерительных блоков выше ватерлинии позволяет использовать механическую разгрузку упругих элементов от не измеряемых сил и моментов, снижает требования к герметизации датчиков и повышает надежность динамометра в целом.
Динамометр эксплуатируется следующим образом. Перед началом опытов динамометр поднят над водой и, чтобы не повредить упругие чувствительные элементы, стопор 13 фиксирует трубчатую штангу 8 относительно верхней части динамометра. Модель судна крепится к нижней части динамометра (блоку измерения момента в продольной вертикальной плоскости через узел изменения угла курса). Динамометр с моделью освобождаются и опускаются до требуемого уровня. Верхняя часть динамометра фиксируется относительно неподвижного фундамента 14 с помощью разъемных соединений. Силы воздействия потока жидкости на модель передаются через измерительные блоки динамометра на неподвижный фундамент 14. Одноподвижные кинематические пары с избыточными связями, лежащие в основе конструкции измерительных блоков, обеспечивают передачу на чувствительные упругие элементы (тензобалки 10) выделенных компонентов главного вектора и главного момента гидродинамических сил. Деформации тензобалок 10 преобразуются тензорезисторами 11 в аналоговый сигнал, который поступает на АЦП. Цифровой код записывается на магнитный носитель ЭВМ в цифровой массив для последующей автоматизированной обработки и анализа.