CN101201291A - 频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置 - Google Patents

Abstract

一种频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，包括：平台、A型支撑、夹具－轴组合装置、曲柄连杆机构、减速电机、行程控制机构、交流变频调速器、底板，平台为四边形，其中两条对边的中间各设一个A型支撑，夹具－轴组合装置连接平台和A型支撑，平台另两边的其中一边中间连接曲柄连杆机构，曲柄连杆机构安装在减速电机上，减速电机前接一交流变频调速器，A型支撑、减速电机及交流变频调速器都固定在底板上，底板上焊接一套由两个可旋转行程开关组成的行程控制机构，行程控制机构的位置在曲柄连杆机构连接减速电机的相反侧。本发明通过机械方式驱动平台摆动来代替水池模拟方法，并且该平台的摆动角度、频率可调，调节方式简单、迅速。

Description

频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置。

背景技术

海洋平台是海洋资源开发的基础设施，随着海洋资源勘探向更深的海域发展，浮式海洋平台成为海上资源开发的新形式。海洋浮式平台通常采用单点转塔系泊的方式固定在海床上，它与固定式海洋平台最大的区别就是一直处于运动状态，平台受到海洋环境的影响而呈现复杂、多自由度的摆动，其工作状态下运动的特点是低转速、小幅度。因此，对浮式海洋平台的研究都要在平台运动的前提下进行，目前研究浮式平台的实验都是选择在人造水池中通过造波机等设备模拟海洋平台的运动状态，这种方法虽然能较为接近的模拟实际情况，但场地要求高、设备众多，投资高等特点给浮式海洋平台研究者带来了很大的阻碍；并且要完全模拟海洋环境几乎是不可能的，海上的风向、风速、波高、海流向等等复杂的因素造成了平台的运动，水池实验也只能较为简单的模拟个别几个环境条件。

海洋平台技术领域迫切需要一种简单、直接、低成本的方式模拟平台运动，采用机械运动装置模拟海洋平台运动是一个很好的解决方式。机械设备和控制技术的发展也使得机械运动装置能较为便捷有效的模拟各种运动形式。变频调速技术在计算机科技和自动控制理论等的促进下快速发展，交流电动机的变频技术也日渐成熟。减速电机的转速通过交流变频调速器的面板输入来直接调节，频率调节范围大，精度高，操作简单，可将普通电机的转速(如1440转/分)减小到很低的范围(如海洋平台0-20转/分)。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利CN1614376A中提出了一种“三自由度机械式振动环境试验平台”，可以实现三自由度任意振动。但是此专利需要三台伺服电机驱动，且适用于小型试验主要用于机电产品、元件进行耐振强度和稳定性试验，不适于模拟海洋平台这种大型运动装置。检索中还发现，中国专利CN2518096Y提出了一种“节能振动平台”，此专利采用偏心轮肘杆机构推动平台，能够满足高负荷、小振幅的要求。它通过两套偏心轮和连杆推动肘杆再驱动平台，平台支撑由平台大小的机架、导向柱销等组成，驱动和平台支撑的结构过于复杂，而且该专利对平台角度调节可操控性低，不能迅速实现变角度振动。

发明内容

本发明的目的就是针对浮式海洋平台实验装置复杂、投资大的缺点，提出一种频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，使其将所有环境因素简化合成为浮式平台的周期性摆动，通过机械方式驱动平台摆动来代替水池模拟方法，并且该平台的摆动角度、频率可调，调节方式简单、迅速。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：平台、A型支撑、夹具-轴组合装置、曲柄连杆机构、减速电机、行程控制机构、交流变频调速器以及底板。平台为四边形，其中两条对边的中点各设一个A型支撑，夹具-轴组合装置连接平台和A型支撑。平台另两边的其中一边中间位置连接曲柄连杆机构，曲柄连杆机构安装在减速电机上驱动平台，减速电机前接一交流变频调速器。A型支撑、减速电机及交流变频调速器都固定在底板上，底板用底脚膨胀螺丝固定于地面，使整个装置一体化，并避免平台摆动角度过大时发生倾倒。底板上焊接一套由两个可旋转行程开关组成的行程控制机构，行程控制机构的位置在曲柄连杆机构连接减速电机的相反侧。

所述夹具-轴组合装置由夹具和轴焊接而成。夹具一侧为一条平台厚度的槽，呈凹字形夹住平台，用螺栓与平台固定。夹具另一侧焊接轴，轴伸入A型支撑顶部。

所述两个A型支撑，其顶部设有半圆形卡套，半圆形卡套与两个A型支撑间安装滚动轴承。夹具-轴组合装置的轴伸入滚动轴承内。

所述曲柄连杆机构轴承盖上焊接一拨片，用于触发行程控制机构。

所述平台，其一端中间位置焊接两个耳片，两个耳片间穿过一螺栓，曲柄连杆机构的连杆连接在该螺栓上，曲柄连杆机构的曲柄则安装在减速电机上，驱动平台绕两A型支撑所在的直线转动。

所述底板上焊接有立板，立板通过螺栓和垫圈连接两长形板，两块长形板可绕螺栓转动，以调整与拨片撞击的位置。两长形板分别通过钻孔与立板固定，相应的在立板上有按照长形板转动轨迹所钻的定位孔。

所述行程控制机构中，设有两个滚轮手柄式的行程开关可旋转来对应不同的曲柄角度要求。两个滚轮手柄式行程开关分别安装在两个长形板上，当拨片撞击其中一个行程开关的滚轮，触发电路，减速电机反转使得曲柄改变方向旋转，运动到另一个行程开关处，触发滚轮，减速电机正转，曲柄再次改变运动方向。整个行程机构实现曲柄在一定角度内转动，并可改变行程开关位置改变曲柄转动的角度范围。

本发明装置的工作原理为：曲柄连杆机构驱动平台做往复摆动，以两侧A型支撑作为平台转动轴线。在此机构基础上，减速电机前连接交流变频调速器使减速电机转速降低到海洋平台晃动频率的范围内，只需调节交流变频调速器输出频率改变减速电机转速，曲柄和连杆转速即发生变化，从而调节平台转动速度、频率。曲柄转动角度行程直接对应平台的摆动角度，曲柄旋转一周平台摆动角度最大，减小曲柄旋转角度范围则平台的摆动幅度也减小，即摆角减小。因此只要调节曲柄转角幅度就可调节平台摆幅，在曲柄的旋转行程内的不同角度安装上下限位的行程开关，行程开关串联在减速电机正反转电路中，当曲柄转动撞击其行程内某角度的上限位开关则减速电机反转，曲柄反转，再撞击对称布置的下限位开关，减速电机正转，曲柄也改变原转动方向，这样，曲柄始终运动在上下限位开关之间，从而只要调整上下限位开关的位置，就可控制曲柄转动角度范围，平台的摆动角度就相应得到调节。

本发明依据需要设定交流变频调速器输出一定频率的电压给减速电机，减速电机内部经齿轮减速后，输出更低的转速给曲柄，曲柄连杆机构低转速驱动平台。曲柄撞击安装在其转动行程内某角度的上下限位开关，被控制在上下限位开关间往复转动，从而平台在对应的角度内摆动。

本发明针对海洋浮动平台大载荷、低转速、小摆幅的特点设计一结构简单、设备少、适合于高载荷的海洋平台模拟装置。装置只需要一台减速电机驱动，交流变频调速器、行程开关就可辅助平台实现转动频率、角度的模拟要求，相比现有专利技术本发明减少了传动杆件和电机的数量。该装置通过增加曲柄、连杆以及连接件的尺寸就可达到不同载荷要求。可承受大载荷的A型支撑和曲柄连杆机构的传动机构简单、效率高，例如一台2kw的减速电机、150*30*15的曲柄、300*30*15的连杆即可满足400kg的负载。本发明最大的优点是调节平台转动频率和角度采用电子控制手段取代机械手段，交流变频调速器和行程开关操作方便、控制精确、调节准确，相比机械手段通过调节传动件长度来调节角度、变速箱调节转速的方法更简便、精确。除此之外，本发明设计在曲柄行程内任何角度安装可旋转行程开关对其限位，可在开关行程内标注不同角度所需调节位置的刻度，海洋平台模拟实验中即可简便、快速的调整其摆动角度。

附图说明

图1为本发明装置的主视图

图2为本发明装置的右视剖面图

图3为本发明夹具-轴组合装置示意图

图4为本发明平台与A型支撑的连接示意图

图5为本发明卡套示意图

图6为本发明行程开关对曲柄限位的主视图

图7为本发明行程开关对曲柄限位的侧视图

图8为本发明专利中行程开关控制减速电机正反转电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示为，本实施例包括平台1、两A型支撑2和3、夹具-轴组合装置4、曲柄连杆机构5、减速电机6、行程控制机构8、交流变频调速器9以及底板7。平台1为四边形，其中两条对边中间各设一个A型支撑2、3，夹具-轴组合装置4连接平台1和两A型支撑2、3。平台1另两边的其中一边中间连接曲柄连杆机构5，曲柄连杆机构5安装在减速电机6上驱动平台1，减速电机6前接一交流变频调速器9。两A型支撑2和3、减速电机6及交流变频调速器9都固定在底板7上，底板7上焊接一套由两个可旋转行程开关组成的行程控制机构8，行程控制机构8的位置在曲柄连杆机构5连接减速电机6的相反侧。

如图3、图4所示，夹具-轴组合装置4由夹具12和轴13焊接而成。夹具12一侧为一条平台厚度的槽，呈凹字形夹住平台1，用螺栓与平台1固定。夹具12另一侧焊接轴13，轴13伸入两个A型支撑2、3顶部。

所述两个A型支撑2、3，其顶部设有半圆形卡套15，半圆形卡套15与两个A型支撑2、3间安装滚动轴承14。夹具-轴组合装置4的轴13伸入滚动轴承14内。

所述平台1，其一端中点安装两个耳片10，螺栓11穿过两个耳片10间，曲柄连杆机构5的连杆连接在螺栓11上，曲柄连杆机构5的曲柄则安装在减速电机6上，驱动平台绕两A型支撑2、3所在的直线转动。

所述曲柄连杆机构5的轴承盖上焊接拨片16，拨片16与曲柄连杆机构5的曲柄同向并随曲柄旋转，撞击行程开关来实现反转。

所述交流变频调速器9安装在减速电机6前，可任意改变电源输出电压及频率从而调节减速电机6转速实现平台1摆动频率可调。

所述底板7用底脚膨胀螺丝固定于地面，使整个装置一体化，并避免平台1摆动角度过大时发生倾倒。

如图5所示为半圆形卡套示意图，卡套15两脚用螺钉固定于两个A型支撑2、3上。

如图6、图7所示，所述底板7上焊接有立板23，立板23上通过螺栓24和垫圈安装两长形板19、20，两长形板19、20可绕螺栓24转动，以调整与拨片16发生撞击的位置。两长形板19、20分别通过定位孔21、22与立板23固定，相应的在立板23上有按照长形板转动轨迹所钻的定位孔。

所述两长形板19、20，其中一个长形板19的尾部与另一长形板20的顶部有一段重叠，重叠部分中心开孔即用于穿过螺栓24，该螺栓24的轴线应与减速电机6轴中心线一致。

所述行程控制机构8中，设有两个滚轮手柄式的行程开关可旋转来对应不同的曲柄角度要求。两个滚轮手柄式行程开关17和18分别安装在两长形板19、20上，当拨片16撞击其中一个行程开关的滚轮，触发电路，减速电机6反转使得曲柄改变方向旋转，运动到另一个行程开关处，触发滚轮，减速电机正转，曲柄再次改变运动方向。整个行程机构8实现曲柄在一定角度内转动，并可改变行程开关位置改变曲柄转动的角度范围。

如图8所示，为行程开关控制减速电机正反转电路图。ST1，ST2为行程控制机构8的两个行程开关，串联在减速电机6正反转电路中。按下行程开关ST2，KM1线圈通电，KM1主触点闭合，KM1辅助触点自锁，减速电机6正转，曲柄连杆机构5正转，带动平台逆时针摆动；当拨片16随着曲柄连杆机构5的曲柄正转至上限位行程开关位置，触发上限位行程开关ST1，KM1线圈失电，通过互锁、电气联锁，KM2线圈通电，KM2主触点闭合，KM2辅助触点自锁，反转电路接通，减速电机6反转，曲柄连杆机构5反转，带动平台1顺时针摆动。曲柄连杆机构5反转到下限位行程开关的位置，触发下限位行程开关ST2，KM2线圈失电，通过互锁、电气联锁，KM1线圈通电，KM1主触点闭合，KM1辅助触点自锁，正转电路接通，减速电机6正转，曲柄连杆机构5正转，平台1也相应的改变摆动方向，变为逆时针摆动。如此循环，曲柄连杆机构5的曲柄始终在行程控制机构8的上、下限位行程开关之间往复转动，平台在一定角度内往复摆动。

本实施例最大的优点就在于行程开关和交流变频调速器的使用，简便的实现平台可按照任意调节的摆角和速度转动。我国海域年平均波周期约6s左右，对应平台的晃动频率在10转左右，这么低的转速采用电机驱动的话必须配合高速比的减速器和交流变频调速器才能实现，本发明采用90∶1速比的减速机配合2-200hz的变频器可达到1-20转的稳定转速调节范围。海洋浮动平台通常安全作业的极限波高为6m，而平台一般有300m长，50m宽，按照两个方向分别计算平台在长度方向的摆动角不超过3度，宽度方向的摆动角不超过15度。本发明装置以平台转动15度为基准确定曲柄连杆机构的尺寸，曲柄的旋转行程范围确定后可计算平台不同转动角度对应的曲柄行程角度，将行程开关安装在曲柄行程中即可实现平台角度在0-15度可调的目的。

本实施例第二个特点在于采用两长形板和立板配合而成的行程开旋转定位装置，解决了曲柄改变转动角度需重新拆装行程开关的问题。行程开关设计为可旋转式，且其转动轴与曲柄转动轴共线。当要求改变平台转动角度，只需要按照相应的曲柄极限角度的位置来旋转行程开关，无需拆除后重新安装。

本实施例第三个特点在于采用拨片取代曲柄直接撞击行程开关，解决了曲柄位于减速电机侧难以触发行程开关的问题。并且，采用拨片间接触发开关提高了装置安全性，扩展了行程控制机构的安装范围。

Claims (9)

1.一种频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，包括：平台、A型支撑、夹具-轴组合装置、曲柄连杆机构、减速电机，其特征在于，还包括行程控制机构、交流变频调速器以及底板，平台为四边形，其中两条对边中间各设一个A型支撑，夹具-轴组合装置连接平台和A型支撑，平台另两边的其中一边中间连接曲柄连杆机构，曲柄连杆机构安装在减速电机上，减速电机前接一交流变频调速器，A型支撑、减速电机及交流变频调速器都固定在底板上，底板上焊接一套由两个可旋转行程开关组成的行程控制机构，行程控制机构的位置在曲柄连杆机构连接减速电机的相反侧。

2.根据权利要求1所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述夹具-轴组合装置由夹具和轴焊接而成，夹具一侧为一条平台厚度的槽，呈凹字形夹住平台，用螺栓与平台固定，夹具另一侧焊接轴，轴伸入A型支撑顶部。

3.根据权利要求1或2所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述两个A型支撑，其顶部设有半圆形卡套，半圆形卡套与两个A型支撑间安装滚动轴承，夹具-轴组合装置的轴伸入滚动轴承内。

4.根据权利要求1所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述曲柄连杆机构轴承盖上焊接一拨片，用于触发行程控制机构。

5.根据权利要求1所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述平台，其一端中点安装两个耳片，两耳片间穿过一螺栓，曲柄连杆机构的连杆连接在该螺栓上，曲柄连杆机构的曲柄则安装在减速电机上，驱动平台绕两A型支撑所在的直线转动。

6.根据权利要求1所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述底板上焊接有立板，立板通过螺栓和垫圈连接两长形板，两长形板可绕螺栓转动，以调整与拨片撞击的位置，两长形板分别通过钻孔与立板固定的，相应的在立板上有按照长形板转动轨迹所钻的定位孔。

7.根据权利要求6所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述两长形板，其中一长形板的尾部与另一长形板的顶部有一段重叠，重叠部分中心开孔即用于穿过螺栓，该螺栓的轴线与减速电机轴中心线一致。

8.根据权利要求1或6所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述两个可旋转行程开关为两个滚轮手柄式行程开关，它们分别安装在立板上的两长形板上。

9.根据权利要求1或6所述的频率、角度可调的海洋浮动平台仿真装置，其特征是，所述底板用底脚膨胀螺丝固定于地面。

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