本发明涉及冰区螺旋桨实验，具体为一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置。
背景技术：
1、极地船舶作为保证极地安全航行的重要交通工具，在极地事业中发挥着不可替代的作用。推进系统作为船舶动力核心部分，其设计和研究需要得到更多关注。极地船舶正车破冰航行时，浸没在船体艏部或周围的碎冰沿着船体滑行与螺旋桨发生碰撞作用。当遇到厚冰或冰脊等恶劣冰况时，由于冰/雪/船体之间的干摩擦和粘性作用，会造成大量冰块堆积在船艏/船底下部位置，严重影响船舶的艏部破冰通航能力。采用艉部破冰航行，可通过吊舱推进器的“掏动”作用将冰脊冰“分化瓦解”，切削、搅拌和清理堆积在船体艉部周围的冰块，此时，有大量的冰块与螺旋桨发生碰撞作用，由于冰-螺旋桨碰撞的持续时间较短，将导致桨叶局部位置出现较大的冲击力，引起螺旋桨局部的损坏。因此，开展冰-水-螺旋桨碰撞过程中载荷特性的实验研究具有十分重要的意义。然而，在实际的冰-螺旋桨作用环境中，冰块受到重力、浮力以及螺旋桨的抽吸作用，使冰块运动的空间位置和速度具有非常大的随机性。现有冰水池开展的碎冰与螺旋桨的碰撞实验，由于无法准确获得冰块的空间位置坐标、冰桨接触位置、冰块接触数量以及螺旋桨周围冰块的运动位置和密度等信息，给实验测试结果的应用带来很大难度，无法为数值模拟研究提供支撑，也无法观察冰-水-桨三者之间的耦合作用过程，使冰-螺旋桨碰撞实验的研究意义降低，为此提供了一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，以解决上述背景技术提出的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，包括螺旋桨载荷测试装置和冰块释放装置，所述冰块释放装置位于螺旋桨载荷测试装置的侧部，所述螺旋桨载荷测试装置由螺旋桨驱动装置、导流装置以及实验水槽构成，所述导流装置位于实验水槽中；
3、所述螺旋桨驱动装置包括双头螺杆传动轴、称重传感器、单头螺杆传动轴、轴承、锥形齿轮、水平传动轴、联轴器、立式轴承座、第一伺服电机；
4、所述导流装置包括镂空框架、毂帽、导流罩、过渡段、前壳体、后壳体、第一轴承支承板、第二轴承支承板、第三轴承支承板；
5、所述实验水槽由亚克力板水槽和万向轮构成；
6、所述冰块释放装置由支撑装置、滑动装置和释放装置构成，
7、所述支撑装置包括厚壁铝管、底部支撑铝管、配重块、支撑杆、加厚方形骑马卡以及钢结构底座；
8、所述支撑装置顶部和侧部为滑动装置，所述滑动装置由第二伺服电机、卷线盘、尼龙绳、滑道轨道以及导轨滑块构成；
9、所述释放装置由u型板、铝型材、直流吸盘式电磁铁、弹簧、弹簧按压杆、l型连接板、l型铝管、锯齿形硅胶板以及激光灯构成。
10、作为本发明的一种优选技术方案，所述称重传感器两侧分别与双头螺杆传动轴和单头螺杆传动轴相连，所述单头螺杆传动轴上安装有三个轴承和一个锥形齿轮，所述双头螺杆传动轴的中下部有个突出的圆盘，圆盘上部安装有一个轴承；所述水平传动轴的一端连接有锥形齿轮，所述水平传动轴分别与联轴器、立式轴承座和第一伺服电机相连。
11、作为本发明的一种优选技术方案，所述双头螺杆传动轴和单头螺杆传动轴通过四个轴承固定在第一轴承支承板、第二轴承支承板、第三轴承支承板上，所述立式轴承座通过第一垫板固定在镂空框架上，所述第一伺服电机通过电机卡扣安装在实验水槽侧部的电机支架上，所述双头螺杆传动轴的顶部通过毂帽安装有螺旋桨。
12、作为本发明的一种优选技术方案，所述前壳体通过螺钉固定在后壳体的上端，所述过渡段通过内螺钉固定在前壳体的上端，所述导流罩套在过渡段的外侧；所述第一轴承支承板、第二轴承支承板、第三轴承支承板均通过螺钉固定在前壳体和后壳体的内部；后壳体的底部和侧部分别预留轴承安装槽、水平传动轴通孔以及与镂空框架固定的通孔，所述水平传动轴通孔上设有橡胶密封垫圈，所述水平传动轴与亚克力板水槽的连接处通过硅胶防水圈密封；第一轴承支承板的中部顶端设有金属密封垫圈。
13、作为本发明的一种优选技术方案，所述亚克力板水槽采用亚克力板材料制成，所述万向轮、镂空框架和电机支架均通过uv胶水或者亚克力无影胶安装在亚克力板水槽上。
14、作为本发明的一种优选技术方案，所述厚壁铝管通过铝质连接板固定在底部支撑铝管上端，支撑铝管的中部安装有配重块上，所述配重块的两侧均连接有支撑杆，所述支撑杆的一端连接有加厚方形骑马卡，所述支撑铝管的底部安装有钢结构底座，所述钢结构底座的一侧设有若干个配重砝码。
15、作为本发明的一种优选技术方案，所述第二伺服电机和滑道轨道分别固定在厚壁铝管的顶部和侧部上，第二伺服电机的旋转轴与卷线盘固定相连，卷线盘上连接有尼龙绳，所述尼龙绳的另一端与导轨滑块相连，所述导轨滑块安装在滑道轨道上。
16、作为本发明的一种优选技术方案，所述导轨滑块的一侧安装有u型板，所述u型板上安装有铝型材，所述铝型材的底部安装有第二垫板，所述第二垫板的侧面连接有l型连接板，所述l型连接板的侧面一端安装有直流吸盘式电磁铁，所述直流吸盘式电磁铁上安装有弹簧按压杆，弹簧按压杆上套有弹簧，所述弹簧按压杆的一端与l型铝管相连，所述l型铝管上安装有锯齿形硅胶板，所述锯齿形硅胶板上夹有冰块。
17、作为本发明的一种优选技术方案，所述u型板的顶部一侧与铝型材的顶部通过若干个尼龙绳相连，所述第二垫板的底部还安装有激光灯。
18、作为本发明的一种优选技术方案，所述第二伺服电机通过电机卡扣固定在第三垫板上，所述第三垫板安装在厚壁铝管的顶部上。
19、本发明的有益效果是：一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置实现了冰块与冰区螺旋桨的碰撞试验，可测试和捕捉螺旋桨桨叶的冰载荷、冰块破坏模式、冰-水-桨三者之间的耦合作用过程，实现了从无到有。整套实验测试装置对冰-桨、冰-水、水-桨以及冰-水-桨相互作用之间的干扰影响较小，使三者之间的相互作用过程更加真实。冰-螺旋桨碰撞实验测试装置中螺旋桨驱动装置的设计保证了螺旋桨的低速旋转，使冰与螺旋桨的碰撞过程与实际情况更加符合，与冰块运动与静止板的碰撞试验相比，技术更加进步。螺旋桨驱动装置中伺服电机位于亚克力板水槽外部，可有效避免电机进水的问题，也避免了因电机安装在导流罩内部，造成实验过程中加大螺旋桨模型和导流装置模型的问题，有效地降低了实验成本，同时，安装和操作过程也更加简单。螺旋桨驱动装置内部使用称重传感器，而非拉扭复合传感器，主要原因是称重传感器更有利于直接测试冰-桨的碰撞载荷，使其测试精度更高，同时，称重传感器的价格也更低。导流装置由导流罩、过渡段、前壳体、后壳体、轴承支承板以及镂空框架等构成，导流罩、过渡段、前壳体以及后壳体形状的设计和安装方式使整套装置更加稳定、使用范围更广、螺旋桨尾流对实验结果影响更小等优点，特别是导流罩和过渡段可满足多种不同直径螺旋桨的实验需求。同时，导流装置内部轴承支承板的使用使螺旋桨驱动装置的旋转轴旋转更加稳定，对实验测试结果的影响更小。而镂空框架的使用及时消除了螺旋桨尾涡和实验水槽内部水流的流动，减少了尾涡对螺旋桨和冰块流场的影响。
20、冰块释放装置中释放装置的直流吸盘式电磁铁、弹簧、弹簧按压杆以及l型铝管的运用可电动控制锯齿形硅胶板的闭合，快速实现了冰块的自由落体运动，与通过圆管和人为控制冰块自由落体运动相比，冰块的释放效率更高、冰块的释放高度更高、释放速度更大、冰块的倾斜度也更小。而四块锯齿形硅胶板的使用保证了实验所用的冰块尺寸范围更大，也起到了冰块定位的参考作用，使冰桨碰撞的接触位置更加精确，同时，硅胶板的使用也减少了冰块的热传递，防止冰块粘结到结构物上，导致冰块释放的延迟。滑动装置中伺服电机、卷线盘、尼龙绳、滑道轨道以及导轨滑块的使用可快速提高冰块的高度，同时，导轨滑块底部尼龙绳的长度也为冰块运动的高度提供参考，冰块释放后导轨滑块底部的尼龙绳也可拉动导轨滑块向下运动，使冰块释放的效率显著提高，冰块释放的距离也更加精确。此外，支撑装置中厚壁铝管底部由三块铝质连接板构成，上端留有螺纹孔，此设计可快速安装在底部支撑铝管顶部，提高安装效率，稳定性也更好。同时，根据冰块释放高度可不断增加厚壁铝管的数量，从而增加了冰块的运动速度，使整套装置的使用范围更广。
1.一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，包括螺旋桨载荷测试装置和冰块释放装置，其特征在于：所述冰块释放装置位于螺旋桨载荷测试装置的侧部，所述螺旋桨载荷测试装置由螺旋桨驱动装置、导流装置以及实验水槽构成，所述导流装置位于实验水槽中；
2.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述称重传感器(13)两侧分别与双头螺杆传动轴(12)和单头螺杆传动轴(14)相连，所述单头螺杆传动轴(14)上安装有三个轴承(15)和一个锥形齿轮(16)，所述双头螺杆传动轴(12)的中下部有个突出的圆盘，圆盘上部安装有一个轴承(15)；所述水平传动轴(17)的一端连接有锥形齿轮(16)，所述水平传动轴(17)分别与联轴器(18)、立式轴承座(19)和第一伺服电机(20)相连。
3.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述双头螺杆传动轴(12)和单头螺杆传动轴(14)通过四个轴承(15)固定在第一轴承支承板(24)、第二轴承支承板(25)、第三轴承支承板(26)上，所述立式轴承座(19)通过第一垫板(4)固定在镂空框架(3)上，所述第一伺服电机(20)通过电机卡扣(45)安装在实验水槽侧部的电机支架(5)上，所述双头螺杆传动轴(12)的顶部通过毂帽(6)安装有螺旋桨(7)。
4.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述前壳体(10)通过螺钉固定在后壳体(11)的上端，所述过渡段(9)通过内螺钉固定在前壳体(10)的上端，所述导流罩(8)套在过渡段(9)的外侧；所述第一轴承支承板(24)、第二轴承支承板(25)、第三轴承支承板(26)均通过螺钉固定在前壳体(10)和后壳体(11)的内部；后壳体(11)的底部和侧部分别预留轴承安装槽、水平传动轴通孔以及与镂空框架固定的通孔，所述水平传动轴通孔上设有橡胶密封垫圈(22)，所述水平传动轴(17)与亚克力板水槽(1)的连接处通过硅胶防水圈(23)密封；第一轴承支承板(24)的中部顶端设有金属密封垫圈(21)。
5.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述亚克力板水槽(1)采用亚克力板材料制成；所述万向轮(2)、镂空框架(3)和电机支架(5)均通过uv胶水或者亚克力无影胶安装在亚克力板水槽(1)上。
6.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述厚壁铝管(27)通过铝质连接板(51)固定在底部支撑铝管(28)上端，支撑铝管(28)的中部安装有配重块(29)上，所述配重块(29)的两侧均连接有支撑杆(30)，所述支撑杆(30)的一端连接有加厚方形骑马卡(52)，所述支撑铝管(28)的底部安装有钢结构底座(31)，所述钢结构底座(31)的一侧设有若干个配重砝码(32)。
7.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述第二伺服电机(46)和滑道轨道(49)分别固定在厚壁铝管(27)的顶部和侧部上，第二伺服电机(46)的旋转轴与卷线盘(47)固定相连，卷线盘(47)上连接有尼龙绳(35)，所述尼龙绳(35)的另一端与导轨滑块(50)相连，所述导轨滑块(50)安装在滑道轨道(49)上。
8.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述导轨滑块(50)的一侧安装有u型板(33)，所述u型板(33)上安装有铝型材(34)，所述铝型材(34)的底部安装有第二垫板(36)，所述第二垫板(36)的侧面连接有l型连接板(38)，所述l型连接板(38)的侧面一端安装有直流吸盘式电磁铁(44)，所述直流吸盘式电磁铁(44)上安装有弹簧按压杆(39)，弹簧按压杆(39)上套有弹簧(40)，所述弹簧按压杆(39)的一端与l型铝管(41)相连，所述l型铝管(41)上安装有锯齿形硅胶板(42)，所述锯齿形硅胶板(42)上夹有冰块(43)。
9.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述u型板(33)的顶部一侧与铝型材(34)的顶部通过若干个尼龙绳(35)相连，所述第二垫板(36)的底部还安装有激光灯(37)。
10.根据权利要求1所述的一种冰-螺旋桨碰撞实验测试装置，其特征在于：所述第二伺服电机(46)通过电机卡扣(45)固定在第三垫板(48)上，所述第三垫板(48)安装在厚壁铝管(27)的顶部上。
