一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法，装置包括储水装置、控制机构、调平装置、承压装置以及测量传动装置。储水装置用于支承装置整体及暂储实验用水；控制机构用于控制支座内储存的水在箱体与支座之间流动；调平装置用于设置箱体处于水平状态；承压装置用于将静水压强转化为承压体的转动力矩；测量传动装置用于将承压装置的转动力矩转化为扭转弹簧的形变，通过扭转弹簧的形变得到其扭矩，进而得到静水压强的数值，由此得到静水压强与水深的定量关系。本发明专利技术结构简单，原理清晰，通过本发明专利技术的技术设计，可实现静水压强的精确测量、展现不同水深静水压强的规律，还可确定静水压力作用点。

An improved hydrostatic pressure testing experimental device and testing method

The invention discloses an improved hydrostatic pressure testing experimental device and a testing method, which comprises a water storage device, a control mechanism, a leveling device, a pressure bearing device and a measuring transmission device. The water storage device is used for the overall and temporary storage of experimental water for the support device; the control mechanism is used to control the flow of water stored in the support between the box and the support; the leveling device is used to set the box in a horizontal state; the pressure bearing device is used to convert the hydrostatic pressure into the rotating torque of the pressure bearing body; the measuring transmission device is used to convert the rotating torque of the pressure bearing device into the deformation of the torsion spring Through the deformation of torsion spring, the torque is obtained, and then the hydrostatic pressure value is obtained, thus the quantitative relationship between hydrostatic pressure and water depth is obtained. The invention has simple structure and clear principle. Through the technical design of the invention, the precise measurement of hydrostatic pressure can be realized, the law of hydrostatic pressure in different water depths can be displayed, and the action point of hydrostatic pressure can also be determined.

【技术实现步骤摘要】
一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法
本专利技术涉及水力学实验教学仪器及其测试方法，特别是涉及一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法。
技术介绍
现有静水压强演示实验装置测定粗糙，功能单一，其主要由水箱和杠杆测力机构组成，其原理是：在静水压强作用下，承压体发生偏转，推动与之相连的杠杆旋转，待系统稳定后，在杠杆一端施加一定质量的砝码，依据杠杆平衡原理进行静水面压强的测定。然而，由于杠杆自重及砝码精度难以控制、人眼对系统平衡的判断存在较大误差等系统或随机因素，现有装置测得的静水面压强与理论值误差较大。考察现有系统，其固有误差与操作误差不可避免。综上所述，现有装置一般只能做到对静水压强的粗略测定，且测定过程不直观、原理不明显。除此之外，现有静水压强实验装置无法体现静水压强与水深之间的关系。在水力学、流体力学教学过程中，静水压强是一个较为抽象的概念，静水压强与水深成正比，比例系数为水密度与重力加速的积。例如：原有装置只能测得单纯的力值，对于初次接触该实验的学生来说，实验原理及物理关系抽象，致使其对静水压强的认识不深，为水力学、流体力学实验教学带来了一定的干扰。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的不足，提供一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法。技术方案：一种改进的静水压强测试实验装置，包括储水装置、控制机构、调平装置、承压装置以及测量传动装置，其中：储水装置，包括支座和储水水箱，支座内部为中空结构，用于储存实验用水，储水水箱包括箱体、入水口和出水口，箱体设置于支座上方，入水口和出水口设置于箱体底部；控制机构，用于控制支座内储存的水在箱体与支座之间流动；调平装置，用于设置箱体处于水平状态；承压装置，用于将静水压强转化为承压体的转动力矩；测量传动装置，用于将承压装置的转动力矩转化为扭转弹簧的形变，通过扭转弹簧的形变得到其扭矩，进而得到静水压强与水深的定量关系，由此得到静水压强的数值。优选的，所述控制机构包括小型泵机和双向阀门，双向阀门通过软管分别与入水口和出水口连接，小型泵机控制支座内储存的水通过双向阀门与入水口进入箱体，或控制箱体内的水通过双向阀门与出水口进入支座内。优选的，调平装置包括水准仪和调平螺丝，调平螺丝有三个，用以将箱体固定在支座上，调平螺丝下端固定于支座上，上端与箱体下底板连接，箱体底板的一端延伸出一个平台，该平台上设置有水准仪，观察水准仪、并调节调平螺丝的高度，使箱体处于水平位置。优选的，承压装置包括第一承压体、第二承压体和第三承压体；各承压体共轴设置，为半径大小不同的轻质四分之一圆环状结构，每个承压体的侧面设置有圆柱形凸杆，分别为第一凸杆、第二凸杆和第三凸杆，且第三凸杆、第二凸杆和第一凸杆距离承压体下矩形表面的距离依次增大；各承压体背离凸杆的侧面刻有刻度，凸杆通过圆饼与测量传动装置连接。优选的，测量传动装置包括滑道、传动丝、仪表支座、中心轴、三联轴承、测量仪表，其中，滑道设置于箱体远离小型泵机一侧内壁附近的平板上，该平板通过箱体底部的卡槽固定，所述滑道包括第一滑道，第二滑道和第三滑道，三个滑道分别与三个承压体上的三个圆柱形凸杆配合并通过圆饼连接，圆柱形凸杆可以沿滑道移动，每个滑道允许对应圆柱形凸杆运动范围各不相同；三联轴承为三个并列放置的KONKAVE轴承，分别为第一轴承、第二轴承和第三轴承；测量仪表包括仪表盘、指针、扭转弹簧和细轴，指针设置于仪表盘正面，细轴设置于仪表盘背面，扭转弹簧缠绕于细轴上；指针包括第一指针、第二指针和第三指针，扭转弹簧包括第一扭转弹簧、第二扭转弹簧和第三扭转弹簧，细轴是一个三层套管结构，包括第一套管、第二套管和第三套管，各套管之间有滚珠，每个套管上设有对应的扭转弹簧，套管伸出仪表盘正面的部分连接有相应的指针；仪表支座有两个，分别固定在箱体靠近滑道一侧壁和相对的另一侧壁边缘，中心轴一端固定在仪表支座上，另一端穿过滑道所在平板固定在另一仪表支座上，测量仪表固定在中心轴近滑道一端，中心轴上靠近滑道一端有一凹槽，用以放置三联轴承，三联轴承与中心轴通过滚珠间接接触，传动丝有三条，并且为在力的作用下不会产生明显长度改变的刚性丝，三条传动丝分别为第一传动丝、第二传动丝和第三传动丝；各承压体与圆柱形凸杆、传动丝、细轴的相应套管、指针一一对应。优选的，所述扭转弹簧由具有良好弹性与回转性能的材料制成。本专利技术另一实施例中，一种改进的静水压强测试方法，包括：打开小型泵机与双向阀门，向箱体中抽入一定量的水待用；调节双向阀门控制箱体内水的体积，判断水是否没过全部承压体下矩形表面，若是，则用于研究静水压强矩形分布；若否，则根据用于研究静水压强三角形分布；注水后，承压体旋转的同时，承压体侧面的圆柱形凸杆随之旋转，连接在圆柱形凸杆上的传动丝绕过三联轴承中相应轴承在竖直方向产生位移，在细轴的相应套管切点拉动细轴的相应套管旋转，套管旋转带动相应的扭转弹簧发生同向旋转变形，待系统平衡后，扭转弹簧产生的角度位移通过连接在套管上的指针反映在表盘上，根据定量关系式，确定不同静水压强对应在表盘上的数值和位置，进而得到水深与静水压强的定量关系。进一步的，各承压体两侧面大小相等、弧形面所受的力均经过中心轴中心，作用于承压体上的静水压力对中心轴的矩仅由作用于矩形平面的静水压力产生，根据静水压强方向规律公式(1)、空间力系平衡原理公式(2)和(3)，基于胡克定律公式(4)，求得不同静水压力对中心轴的矩对应的不同指针角位移；公式如下：σ＝-p(1)；∑Fi＝0(2)；∑Mi＝0(3)；其中，σ为承压体表面所受的面压强，p为某点静水压强，Fi为系统中任意空间力，Mi表示系统中任意力对中心轴的矩，M为力矩，k为扭转弹簧劲度系数，为细轴旋转的角度，公式(1)中的负号表示承压面所受面压力沿其表面内法线方向。进一步的，结合静水压力合成公式(5)、静水压力作用点与形心关系公式(6)，求得不同水深位置处静水压强关系：∫pds＝P(5)；其中，P为静水压力，yD为静水压力作用点的坐标，yC为承压体矩形面形心坐标，IC为承压体对水平形心主轴的惯性矩，A为承压体矩形面面积。有益效果：与现有技术相比，本专利技术用于精确定量测定静水压强，并通过设置多个承压体展示不同水深下的静水压强分布规律，还可确定静水压力作用点。本专利技术基于流体静力学基本方程、力及力矩的平衡原理设计。利用一种扭转角度与所受力偶成正比的扭转弹簧，带动指针偏转，实现静水压强数值的精确测定。本专利技术是在现有实验设备基础上的改进。现有仪器利用杠杆原理测定压力大小，由于砝码质量不连续、人为操作存在随机性等原因，实验测得的面压强数值与理论值间误差较大。除测定静水压强的基本功能之外，本专利技术还可以直观准确地阐释静水压强与水深之间的关系。本专利技术结构简单、原理清晰，能够直观、精确的测定静水压强，并可确定静水压力作用点。有助于学生研究三角形压强分布与梯形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改进的静水压强测试实验装置，其特征在于：包括储水装置、控制机构、调平装置、承压装置以及测量传动装置，其中：/n储水装置，包括支座和储水水箱，支座内部为中空结构，用于储存实验用水，储水水箱包括箱体、入水口和出水口，箱体设置于支座上方，入水口和出水口设置于箱体底部；/n控制机构，用于控制支座内储存的水在箱体与支座之间流动；/n调平装置，用于设置箱体处于水平状态；/n承压装置，用于将静水压强转化为承压体的转动力矩；承压装置包括第一承压体、第二承压体和第三承压体；各承压体共轴设置，为半径大小不同的轻质四分之一圆环状结构，每个承压体的侧面设置有圆柱形凸杆，分别为第一凸杆、第二凸杆和第三凸杆，且第三凸杆、第二凸杆和第一凸杆距离承压体下矩形表面的距离依次增大；各承压体背离凸杆的侧面刻有刻度，凸杆通过圆饼与测量传动装置连接；/n测量传动装置，用于将承压装置的转动力矩转化为扭转弹簧的形变，通过扭转弹簧的形变得到其扭矩，进而得到静水压强与水深的定量关系，由此得到静水压强的数值；/n测量传动装置包括滑道、传动丝、仪表支座、中心轴、三联轴承、测量仪表，其中，/n滑道设置于箱体远离小型泵机一侧内壁附近的平板上，该平板通过箱体底部的卡槽固定，所述滑道包括第一滑道，第二滑道和第三滑道，三个滑道分别与三个承压体上的三个圆柱形凸杆配合并通过圆饼连接，圆柱形凸杆可以沿滑道移动，每个滑道允许对应圆柱形凸杆运动范围各不相同；/n三联轴承为三个并列放置的KONKAVE轴承，分别为第一轴承、第二轴承和第三轴承；/n测量仪表包括仪表盘、指针、扭转弹簧和细轴，指针设置于仪表盘正面，细轴设置于仪表盘背面，扭转弹簧缠绕于细轴上；指针包括第一指针、第二指针和第三指针，扭转弹簧包括第一扭转弹簧、第二扭转弹簧和第三扭转弹簧，细轴是一个三层套管结构，包括第一套管、第二套管和第三套管，各套管之间有滚珠，每个套管上设有对应的扭转弹簧，套管伸出仪表盘正面的部分连接有相应的指针；/n仪表支座有两个，分别固定在箱体靠近滑道一侧壁和相对的另一侧壁边缘，中心轴一端固定在仪表支座上，另一端穿过滑道所在平板固定在另一仪表支座上，测量仪表固定在中心轴近滑道一端，中心轴上靠近滑道一端有一凹槽，用以放置三联轴承，三联轴承与中心轴通过滚珠间接接触，传动丝有三条，并且为在力的作用下不会产生明显长度改变的刚性丝，三条传动丝分别为第一传动丝、第二传动丝和第三传动丝；各承压体与圆柱形凸杆、传动丝、细轴的相应套管、指针一一对应。/n...

【技术特征摘要】
1.一种改进的静水压强测试实验装置，其特征在于：包括储水装置、控制机构、调平装置、承压装置以及测量传动装置，其中：
储水装置，包括支座和储水水箱，支座内部为中空结构，用于储存实验用水，储水水箱包括箱体、入水口和出水口，箱体设置于支座上方，入水口和出水口设置于箱体底部；
控制机构，用于控制支座内储存的水在箱体与支座之间流动；
调平装置，用于设置箱体处于水平状态；
承压装置，用于将静水压强转化为承压体的转动力矩；承压装置包括第一承压体、第二承压体和第三承压体；各承压体共轴设置，为半径大小不同的轻质四分之一圆环状结构，每个承压体的侧面设置有圆柱形凸杆，分别为第一凸杆、第二凸杆和第三凸杆，且第三凸杆、第二凸杆和第一凸杆距离承压体下矩形表面的距离依次增大；各承压体背离凸杆的侧面刻有刻度，凸杆通过圆饼与测量传动装置连接；
测量传动装置，用于将承压装置的转动力矩转化为扭转弹簧的形变，通过扭转弹簧的形变得到其扭矩，进而得到静水压强与水深的定量关系，由此得到静水压强的数值；
测量传动装置包括滑道、传动丝、仪表支座、中心轴、三联轴承、测量仪表，其中，
滑道设置于箱体远离小型泵机一侧内壁附近的平板上，该平板通过箱体底部的卡槽固定，所述滑道包括第一滑道，第二滑道和第三滑道，三个滑道分别与三个承压体上的三个圆柱形凸杆配合并通过圆饼连接，圆柱形凸杆可以沿滑道移动，每个滑道允许对应圆柱形凸杆运动范围各不相同；
三联轴承为三个并列放置的KONKAVE轴承，分别为第一轴承、第二轴承和第三轴承；
测量仪表包括仪表盘、指针、扭转弹簧和细轴，指针设置于仪表盘正面，细轴设置于仪表盘背面，扭转弹簧缠绕于细轴上；指针包括第一指针、第二指针和第三指针，扭转弹簧包括第一扭转弹簧、第二扭转弹簧和第三扭转弹簧，细轴是一个三层套管结构，包括第一套管、第二套管和第三套管，各套管之间有滚珠，每个套管上设有对应的扭转弹簧，套管伸出仪表盘正面的部分连接有相应的指针；
仪表支座有两个，分别固定在箱体靠近滑道一侧壁和相对的另一侧壁边缘，中心轴一端固定在仪表支座上，另一端穿过滑道所在平板固定在另一仪表支座上，测量仪表固定在中心轴近滑道一端，中心轴上靠近滑道一端有一凹槽，用以放置三联轴承，三联轴承与中心轴通过滚珠间接接触，传动丝有三条，并且为在力的作用下不会产生明显长度改变的刚性丝，三条传动丝分别为第一传动丝、第二传动丝和第三传动丝；各承压体与圆柱形凸杆、传动丝、细轴的相应套管、指针一一对应。


2.根据权利要求1所述的一种改进的静水压强测试实验装置，其特征在于：所述控制机构包括小型泵机和双向阀门，双向阀门通过软管分别与入水口和出水口连接，小型泵机控制支座内储存...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊杰，焦泓程，梁英杰，王殊，王梁缘，吴乃成，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32