CN102241269B - 一种耐高压水下实验测量辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高压水下实验测量辅助系统，主要用于船舶模型及零件的测试，其包括旋转升降和水平移动子系统，其电气控制子系统的驱动单元包括控制升降装置的升降杆升降的升降驱动件、控制旋转装置带动升降装置旋转的旋转驱动件和控制水平移动子系统带动测试装置作直线运动的各水平移动驱动件；升降装置的升降杆穿过水下动密封子系统伸入高压密封水舱内；各水平移动驱动件的运动部穿过水下动密封子系统伸入高压密封水舱内。通过本发明的系统，可使被测试件在高压密封水舱内旋转、升降，使测量设备在高压密封水舱内水平移动，进而自动完成船舶模型及零件在筒内的吊装和转动等，并可获得高精度的数据采集。

Description

一种耐高压水下实验测量辅助系统

技术领域

本发明涉及一种耐高压水下试验测量辅助系统，尤其是使被测试件在高压密封水舱内旋转、升降，使测量设备在高压密封水舱内水平移动的测量辅助系统。

背景技术

当前，中国船舶工业正面临良好的发展机遇，随着中国经济和对外贸易的快速发展，国内船舶需求呈现持续增长趋势。船舶工业的快速发展，对船舶性能提出更高要求。通过在高压密封水舱内模拟所需的静水压力、温度环境，对船舶模型及零件进行结构测试是必不可少的。现有的压力环境试验中，船舶模型及零件在筒内的吊装和转动等均是手动完成的，这样极大地降低了试验的精度和效率。同时，为了实现高精度的数据采集，密封舱内的测量设备需要通过移动进行数据采集。因此，设计一套使用方便，控制精度高的自动试验测量辅助装置，可以节约试验成本，大大缩短从实验到实际运用时间，为船舶设计提供重要依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使被测试件在高压密封水舱内旋转、升降，使测量设备在高压密封水舱内水平移动的耐高压水下实验测量辅助系统。

本发明采用的技术方案为：一种耐高压水下实验测量辅助系统，包括：

旋转升降子系统，其包括升降装置、旋转装置和用于安装该被测试件的试件安装法兰，所述试件安装法兰安装于升降装置的升降杆上；所述升降杆穿过与其对应配置的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内；

水平移动子系统；

电气控制子系统，其驱动单元包括控制升降装置的升降杆升降的升降驱动件、控制旋转装置带动升降装置整体旋转的旋转驱动件和控制所述水平移动子系统带动测试装置在水平方向上作直线运动的各水平移动驱动件；以及，

各水平移动驱动件的运动部穿过与各自一一对应配置的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内。

优选地，所述水下动密封子系统包括密封套筒、轴向密封件和端向密封件，所述密封套筒的内壁在末段从上至下设置有多条密封道，每条密封道内均安装有所述轴向密封件；所述密封套筒安装于高压密封水舱内的与各自相对应的安装架体中，并通过其安装顶板支撑于安装架体上，所述安装顶板与安装架体固连在一起，所述安装顶板的底面上设置有端面密封道，所述端面密封件安装于端面密封道中，以实现安装顶板与安装架体间的密封。

优选地，所述水平移动子系统包括用于安装测试装置的车架和带动车架在水平方向上直线运动的传动装置，所述车架与传动装置一一对应配置；各水平移动驱动件的运动部均通过万向联轴器和与各自相对应的传动装置相连接。

优选地，所述水平移动驱动件通过弹性联轴器与减速机连为一体，所述减速机的活动部通过与各水平移动驱动件相对应的水下动密封子系统向外伸出后通过所述万向联轴器与传动装置连接。

优选地，所述旋转装置包括旋转装置箱体、蜗轮和蜗杆传动副，以及中空的回转轴，所述回转轴通过轴承安装于旋转装置箱体中，蜗轮以限制其相对转动的方式连接于回转轴上，所述旋转驱动件安装于旋转装置箱体上，并与蜗杆连接；所述回转轴的上端面上固连有安装法兰，所述升降装置固装在所述安装法兰上，所述升降装置的升降杆穿过回转轴进入与其相对应的水下动密封子系统中。

优选地，所述升降装置包括升降装置箱体和均位于升降装置箱体内部的所述升降杆，以及蜗轮和蜗杆传动副；所述升降杆包括丝杠和固连于其下端的连接轴，所述连接轴和与升降装置相对应的水下动密封子系统配合，所述试件安装法兰安装于连接轴的伸入高压密封水舱内的末端上；

所述升降驱动件带动蜗杆转动，蜗轮以螺纹连接的方式套装于丝杠上；

所述丝杠的从升降装置箱体的顶面向外伸出的顶部外固装有非圆形尾罩，所述非圆形尾罩与升降装置箱体之间以限制其相对转动的方式配合连接。

优选地，所述水平移动子系统包括用于安装测试装置的车架、导轨和与车架一一对应配置的传动装置，所述传动装置在水平移动驱动件的驱动下带动车架在导轨上作直线运动；所述导轨包括两个彼此平行设置的单侧导轨，所述车架的一端与一侧的单侧导轨配合，另一端与另一侧的单侧导轨配合，相邻车架的传动装置分设于不同的单侧导轨的外侧。

优选地，所述单侧导轨包括多段导轨段，多段导轨段顺次拼接在不锈钢材质的工字钢衬块上，所述工字钢衬块固连在沿车架的运动方向分布的多个导轨支撑上。

优选地，所述车架为“T”型，其包括相互垂直设置的横跨和纵跨，所述横跨的自由端和纵跨的两端均安装一个滚动轮；所述车架通过横跨上滚动轮与一单侧导轨配合，通过纵跨上的两个滚动轮与另一单侧导轨配合；所述传动装置与车架的纵跨连接。

优选地，所述传动装置采用了不锈钢的链轮带动链条的链传动机构，所述水平移动驱动件带动作为主动轮的链轮转动，所述纵跨通过连接板与链条固连；所述链条的紧边采用托板进行过渡，所述托板上衬以塑料凹槽板，所述链条容置于塑料凹槽板的沿车架运动方向设置的凹槽内。

本发明的有益效果为：通过本发明的耐高压水下实验测量辅助系统，可使被测试件在高压密封水舱内旋转、升降，使测量设备在高压密封水舱内水平移动，进而自动完成船舶模型及零件在筒内的吊装和转动等，并可获得高精度的数据采集。本发明通过采用水下动密封子系统将驱动单元和由其驱动的位于高压密封水舱内部的水平移动子系统和旋转升降子系统进行密闭隔离，进而降低了对硬件的要求，大大降低了测试成本。

附图说明

图1为本发明所述耐高压水下实验测量辅助系统的总体结构框图；

图2为图1所示旋转升降子系统的结构示意图；

图3为图2所示升降装置的结构示意图；

图4为示出了图2所示旋转装置的剖视图；

图5为图1所示水平移动子系统的结构示意图；

图6a和6b分别为图5所示导轨的主视图和侧视图；

图7为图5所示传动装置的主视图；

图8a和8b分别为图5所示T型车架的主视图和俯视图；

图9为图1所示水下动密封子系统的结构示意图；

图10示出了图7所示传动装置与其驱动电机间的连接结构。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明的耐高压水下实验测量辅助系统包括旋转升降子系统1和水平移动子系统2，其中，如图2所示，该旋转升降子系统1包括升降装置11、旋转装置12和用于安装该被测试件的试件安装法兰13，该试件安装法兰13安装于升降装置11的升降杆上。该耐高压水下实验测量辅助系统还包括电气控制子系统4，其驱动单元包括控制升降装置11的升降杆作升降运动的升降驱动件M11、控制旋转装置12带动升降装置11整体旋转的旋转驱动件M12和控制水平移动子系统2带动测试装置在水平方向上作直线运动的各水平移动驱动件M2。

如图1所示，该耐高压水下实验测量辅助系统还包括与该旋转升降子系统对应配置的一套水下动密封子系统3，和与各水平移动驱动件M2一一对应配置的各套水下动密封子系统3，该升降装置11的升降杆穿过与其相对应的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内，各水平移动驱动件M2的运动部穿过与各自相对应的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内。由此，所述旋转升降子系统1的升降杆和水平移动子系统2在高压密封舱内运行时，可通过水下动密封子系统3实现密闭，使电气控制子系统4与高压水下环境相隔离，保证耐高压水下实验测量辅助系统的安装性和可靠性，另外，由于采用该种结构，电气控制子系统4的驱动单元无需采用耐高压的防水电机，部分机械结构也无需进行密封处理和采用防腐蚀材料，因此，可以大大降低设计成本。

如图1、4、9和10所示，该水下动密封子系统3包括密封套筒33、轴向密封件32和端向密封件31，该密封套筒33的内壁在末段从上至下设置有多条密封道，每条密封道内均安装有轴向密封件32，该密封套筒33安装于高压密封水舱内的与各自相对应的安装架体中，并通过其安装顶板支撑于安装架体上，该安装顶板与安装架体之间通过紧固件固定连接，该安装顶板的底面上设置有端面密封道，该端面密封件31安装于端面密封道中，其中，与为旋转升降子系统1配置的水下动密封子系统3相对应的安装架体为图4和9所示的安装架体6，与为各水平移动驱动件配置的水下动密封子系统3相对应的安装架体为图10所示的安装架体7，在此，各水平移动驱动件与安装架体7一一对应配置。该轴向密封件32和端向密封件31均采用超高硬度聚氨酯（SHPU）材料制成，具有很强的耐水特性。在本实施例中，该密封套筒33的内壁上设置有五条密封道，从上到下的第一和三道上的轴向密封件作为主密封圈322，第五道上的轴向密封件作为副密封圈323，第二和四道上的轴向密封件可作为导向元件324，其中，该导向元件324可保证升降杆或者水平移动驱动件的运动部的运动平稳性，使该升降杆或运动部在运动的过程中不会发生倾斜，即可保证升降杆或运动部的中轴线的垂直度。

另外，如图5所示，该水平移动子系统2包括用于安装测试装置的车架22和带动车架22在水平方向上直线运动的传动装置23，车架22与传动装置23一一对应配置。由于水平移动驱动件M2安装于高压密封水舱的外部，而水平移动子系统2安装于高压密封水舱的内部，因此，很难保证密封环境内外安装同心。因此，本实施例中，如图1和10所示，该各水平移动驱动件M2的运动部均通过万向联轴器5和与各自相对应的传动装置23相连接，本发明通过简单的结构有效解决了密封环境内外安装不同心的问题，降低了对安装精度的要求。

如图2和4所示，该旋转装置12包括旋转装置箱体121、蜗轮和蜗杆传动副，以及中空的回转轴128，该回转轴128通过轴承安装于旋转装置箱体121中，蜗轮125以限制其相对转动的方式，如键连接，连接于回转轴128上，该旋转驱动件M12安装于旋转装置箱体121上，并带动蜗杆129转动，进而通过蜗轮蜗杆传动副带动回转轴128旋转。该回转轴128的上端面上固连有安装法兰127，升降装置11固装在该安装法兰127上，升降装置11的升降杆穿过回转轴128进入水下动密封子系统3中。在本实施例中，该旋转装置箱体121的材质为高强度球墨铸铁，旋转驱动件M12选用步进电机即可满足精度要求。另外，该旋转装置12还可以配置一安装于旋转装置箱体121上的手轮，该手轮与蜗杆129固连，即操作者也可选择通过手轮手动调节被测试件的角度。

该旋转装置箱体121通过紧固件与安装架体6固连，其中，该旋转装置箱体121的底面上设置有供密封套筒33的安装顶板嵌入的安装凹槽，以使旋转装置12和水下动密封子系统3可均安装于安装架体6上。

如图2、3和4所示，该升降装置11包括升降装置箱体111和均位于升降装置箱体111内部的升降杆、蜗轮和蜗杆传动副，该升降杆包括丝杠113和固连于其下端的连接轴118，该试件安装法兰13安装于连接轴118的末端上，在此，该丝杠113的下端与连接轴118螺纹连接，并通过至少两只紧定螺钉124进行定位；该升降驱动件M11带动蜗杆转动，蜗轮以螺纹连接的方式套装于丝杠113上，进而，该升降驱动件M11可通过蜗轮和蜗杆传动副带动丝杠113上下运动。该丝杠113的从升降装置箱体111的顶面向外伸出的顶部外固装有非圆形尾罩114，一般可采用方形尾罩，该非圆形尾罩114与升降装置箱体111之间以限制其相对转动的方式配合连接，如非圆形尾罩114可配合安装于升降装置箱体111顶面上的安装孔中，该安装孔在不妨碍丝杠113上下运动的基础上限制非圆形尾罩相对升降装置箱体111转动。该升降装置箱体111的底面上可固连一安装底板112，该升降装置11通过安装底板112固装在该安装法兰127上。该丝杠113穿过回转轴128进入水下动密封子系统3中，水下动密封子系统3的轴向密封件32与连接轴118配合，实现密封。在本实施例中，该丝杠113选用梯形丝杠。该升降装置箱体111可采用高强度球墨铸铁制成。该升降驱动件M11选用步进电机即可满足精度要求。

另外，该升降装置11还可以配置一安装于升降装置箱体111上的手轮117，该手轮117与蜗杆固连，即操作者也可选择通过手轮手动调节被测试件的高度。

再者，可在非圆形尾罩114上安装上限位开关115和下限位开关116，以进行限位保护，上限位开关115和下限位开关116将丝杠113，即被测试件，的位置信号反馈至电气控制子系统4的主控器41中，主控器41可据此位置信号控制升降驱动件M11的动作，其中，主控器41可采用PLC。

在本实施例中，该升降装置11采用刚性连接，而旋转装置12采用弹性连接。

如图5所示，该水平移动子系统2包括车架22、导轨21和与车架一一对应配置的传动装置23，该传动装置23在水平移动驱动件M2的驱动下带动车架22在导轨21上作直线运动。该导轨21包括二个彼此平行设置的单侧导轨，该车架22的一端与一侧的单侧导轨配合，另一端与另一侧的单侧导轨配合，相邻车架22的传动装置23分设于不同单侧导轨的外侧，以避免产生运动干涉。该导轨21优选为采用具有高耐磨性和高强度的超高分子聚乙烯材料。本实施例中采用三个车架22共用一导轨21的结构实现测量设备的水平移动。

如图8a和8b所示，该车架22为“T”型，其包括相互垂直设置的横跨222和纵跨225，横跨222可通过连接件228与纵跨225连接在一起，在本实施例中，该横跨222为横截面为68mm×2970mm，长度为3米的矩形不锈钢，纵跨225为横截面为68mm×1650mm，长度为1米的矩形不锈钢。在车架22的三个支点上各安装一个滚动轮221，即在横跨222的自由端和纵跨225的两端均安装一个滚动轮221，车架22通过横跨222上的一滚动轮221与一单侧导轨配合，通过纵跨225上的二个滚动轮225与另一单侧导轨配合，传动装置23与车架22的纵跨225连接，因此，相邻车架22的纵跨225与不同的单侧导轨配合。该横跨222上安装有用于安装测量设备224的安装板223，纵跨225通过固装于其上连接板227与传动装置23连接。

如图6a和6b所示，为了增强导轨21的刚性，该单侧导轨包括多段导轨段，多段导轨段顺次拼接在不锈钢材质的工字钢衬块24上，该工字钢衬块24通过紧固件固定在沿车架的运动方向分布的多个导轨支撑25上，所述传动装置23也安装于该导轨支撑25上。在本实施例中，位于最外侧的两个导轨支撑25的与工字钢衬块24相接触的底部上设置有六角螺栓26，通过六角螺栓26调整两单侧导轨的平面度和直线度，调整后可在导轨支撑25的底部与工字钢衬块24间的缝隙内增加若干垫片或锲块，并在紧固件的作用下压实。该滚动轮221的滚动体支撑于单侧导轨上，滚动轮221的用于安装滚动体的架体位于单侧导轨的两侧，以防止滚动轮221脱离单侧导轨。

考虑到在水下运行的稳定和可靠性，如图7所示，该传动装置23采用了不锈钢的链轮231带动链条232的链传动机构，水平移动驱动件M2带动作为主动轮的链轮231转动，该纵跨225通过连接板227与链条232固连。

另外，由于本发明中的链传动机构中的两个链轮231间的跨距可能较大，因此，可在链条232的紧边采用托板233进行过渡，在松边安装张紧轮235进行张紧，这样可防止链条232因自重而下垂。该托板233也安装于导轨支撑25上，该托板233上衬以塑料凹槽板，链条232容置于该塑料凹槽板的沿车架运动方向设置的凹槽内，这样既减少对链条232的磨损，又起到导向作用。为了有效张紧链条232，可在链条232的松边下方安装若干辅助导向轮和弹簧张紧器，弹簧张紧器可以根据链条232的张紧力自动调整上下位置。

各纵跨225上可安装限位开关感应片226，与各纵跨225相对应的单侧导轨的导轨支撑架的侧面上沿车架运动方向安装两个限位开关，通过限位开关感应片226和与其相对应的两个限位开关间的相互作用确保车架22的有效行程，限位开关将车架的位置信号传输至主控器41中，主控器41据此控制各水平移动驱动件M2的动作。

如图10所示，该水平移动驱动件M2通过弹性联轴器43与减速机42连为一体，该减速机42的活动部通过水下动密封子系统3向外伸出后通过万向联轴器5与传动装置23连接，具体为与传动装置23的作为主动轮的链轮231连接。另外，可在各水平移动驱动件M2的电机支架上安装接近开关45，在弹性联轴器42上安装了两片感应片44，以向主控器41实时反馈各水平移动驱动件M2的运行是否正常。

该电气控制子系统4可设置与主控器41通讯连接的触摸屏，以实现人机对话，实时显示各子系统的工作情况，并显示相应系统参数及测量数据。

另外，升降驱动件M11、旋转驱动件M12和各水平移动驱动件M2均配置有与主控器41通讯连接的编码器，以实时检测被测试件的高度和角度，以及测试装置的位置。

本发明的旋转升降子系统1可以实现被测试件在高压密封水舱内的旋转调节和小范围的升降调节，通常，其设计指标可为最大载重2000Kg，升降速率为100mm/min，行程为±150mm，旋转角度范围为0～360度，控制精度小于等于1度，旋转速率为10°/min。该水平移动子系统2位于旋转升降子系统1的下方，通常，其设计指标可为移动速度500mm/min，定位精度小于等于3mm，最大载重为120kg。本发明的耐高压水下试验辅助测量系统具有良好的水密性，可以在6MPa水压、0℃～35℃的温度正常工作。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如对机械传动结构的变更，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：包括，

旋转升降子系统，其包括升降装置、旋转装置和用于安装被测试件的试件安装法兰，所述试件安装法兰安装于升降装置的升降杆上；所述升降杆穿过与其对应配置的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内；

水平移动子系统；

电气控制子系统，其驱动单元包括控制升降装置的升降杆升降的升降驱动件、控制旋转装置带动升降装置整体旋转的旋转驱动件和控制所述水平移动子系统带动测试装置在水平方向上作直线运动的各水平移动驱动件；以及，

各水平移动驱动件的运动部穿过与各自一一对应配置的水下动密封子系统伸入高压密封水舱内。

2.根据权利要求1所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述水下动密封子系统包括密封套筒、轴向密封件和端向密封件，所述密封套筒的内壁在末段从上至下设置有多条密封道，每条密封道内均安装有所述轴向密封件；所述密封套筒安装于高压密封水舱内的与各自相对应的安装架体中，并通过其安装顶板支撑于安装架体上，所述安装顶板与安装架体固连在一起，所述安装顶板的底面上设置有端面密封道，所述端面密封件安装于端面密封道中，以实现安装顶板与安装架体间的密封。

3.根据权利要求1或2所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述水平移动子系统包括用于安装测试装置的车架和带动车架在水平方向上直线运动的传动装置，所述车架与传动装置一一对应配置；各水平移动驱动件的运动部均通过万向联轴器和与各自相对应的传动装置相连接。

4.根据权利要求3所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述水平移动驱动件通过弹性联轴器与减速机连为一体，所述减速机的活动部通过与各水平移动驱动件相对应的水下动密封子系统向外伸出后通过所述万向联轴器与传动装置连接。

5.根据权利要求1或2所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述旋转装置包括旋转装置箱体、蜗轮和蜗杆传动副，以及中空的回转轴，所述回转轴通过轴承安装于旋转装置箱体中，蜗轮以限制其相对转动的方式连接于回转轴上，所述旋转驱动件安装于旋转装置箱体上，并与蜗杆连接；所述回转轴的上端面上固连有安装法兰，所述升降装置固装在所述安装法兰上，所述升降装置的升降杆穿过回转轴进入与其相对应的水下动密封子系统中。

6.根据权利要求1或2所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述升降装置包括升降装置箱体和均位于升降装置箱体内部的所述升降杆，以及蜗轮和蜗杆传动副；所述升降杆包括丝杠和固连于其下端的连接轴，所述连接轴和与升降装置相对应的水下动密封子系统配合，所述试件安装法兰安装于连接轴的伸入高压密封水舱内的末端上；

所述升降驱动件带动蜗杆转动，蜗轮以螺纹连接的方式套装于丝杠上；

所述丝杠的从升降装置箱体的顶面向外伸出的顶部外固装有非圆形尾罩，所述非圆形尾罩与升降装置箱体之间以限制其相对转动的方式配合连接。

7.根据权利要求1或2所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述水平移动子系统包括用于安装测试装置的车架、导轨和与车架一一对应配置的传动装置，所述传动装置在水平移动驱动件的驱动下带动车架在导轨上作直线运动；所述导轨包括两个彼此平行设置的单侧导轨，所述车架的一端与一侧的单侧导轨配合，另一端与另一侧的单侧导轨配合，相邻车架的传动装置分设于不同的单侧导轨的外侧。

8.根据权利要求7所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述单侧导轨包括多段导轨段，多段导轨段顺次拼接在不锈钢材质的工字钢衬块上，所述工字钢衬块固连在沿车架的运动方向分布的多个导轨支撑上。

9.根据权利要求7所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述车架为“T”型，其包括相互垂直设置的横跨和纵跨，所述横跨的自由端和纵跨的两端均安装一个滚动轮；所述车架通过横跨上滚动轮与一单侧导轨配合，通过纵跨上的两个滚动轮与另一单侧导轨配合；所述传动装置与车架的纵跨连接。

10.根据权利要求9所述的耐高压水下实验测量辅助系统，其特征在于：所述传动装置采用了不锈钢的链轮带动链条的链传动机构，所述水平移动驱动件带动作为主动轮的链轮转动，所述纵跨通过连接板与链条固连；所述链条的紧边采用托板进行过渡，所述托板上衬以塑料凹槽板，所述链条容置于塑料凹槽板的沿车架运动方向设置的凹槽内。

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