CN103234557B - 隅点运动模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
为解决现有隅点运动模拟试验设备体积大，控制过程复杂，制造成本高且维护不便的问题，本发明提出一种隅点运动模拟试验台，该隅点运动模拟试验台包括支架和曲柄-连杆-滑块机构；支架分为与水平面平行的两层，底层设置有电动机及与电动机相连的减速机构；顶层设置有曲柄-连杆-滑块机构，曲柄-连杆-滑块机构中曲柄结构的一端与减速机构输出轴固定连接，滑块结构通过连杆结构与曲柄结构相连，曲柄结构与连杆结构的有效杆长相同，滑块结构包括设备安装台及直线轴承，直线轴承与滑轨相配合。使用该隅点运动模拟试验台，可以为船用陀螺罗经的隅点运动试验提供较为精准的试验条件，且设备的制造成本及维护成本不高，实用性及准确性都较为明显。
Description
技术领域
本发明涉及船舶行业里船舶指北仪的运动型试验，尤其涉及陀螺罗经进行型式认可试验中隅点运动试验的试验设备。
背景技术
根据海事规定，每条海船都必须配备陀螺罗经。作为航海电子系统之一，陀螺罗经可以为船舶提供真艏向信息。陀螺罗经应用于航海领域，故其试验应符合“SOLAS公约”、《IEC60945》、《ISO8728》、《IMOA.694》等国际规范的要求。其中，《ISO8728》规范作为船用陀螺罗经产品型式认可试验的依据，更是硬性的规定了船用陀螺罗经必须进行隅点运动试验并达到要求。
隅点运动代表船舶的真实运动，因此进行隅点运动试验的目的是动态模拟船舶的真实运动，并在模拟中对陀螺罗经进行误差试验。船用陀螺罗经若要通过船级社的型式认可，必须进行隅点运动试验。因此，需要一个可以提供船用陀螺罗经隅点运动试验条件的试验设备-隅点运动试验设备。现阶段大多数国家采用一种水平加速器，利用单摆运动中摆角小于5°时的运动可近似看作简谐运动的原理，来模拟一种简谐运动环境来对陀螺罗经进行误差性试验。但该设备体积较大，占地面积较大，且该设备在运转过程中控制过程复杂，导致制造成本过高且不易维护。
随着新型陀螺技术的广泛应用及新陀螺罗经产品的不断推出，迫切需要一种结构简单、控制方便、成本较低且容易维护的设备，来模拟船舶隅点运动，为型式认可试验中的隅点运动试验提供试验条件。
发明内容
为解决现有隅点运动模拟试验设备体积较大，控制过程复杂，制造成本过高且维护不易的问题，本发明提出一种隅点运动模拟试验台，该隅点运动模拟试验台包括支架和曲柄-连杆-滑块机构；所述支架分为与水平面平行的两层，底层用以设置电动机以及与所述电动机相连的减速机构；所述支架的顶层上设置有所述曲柄-连杆-滑块机构，所述曲柄-连杆-滑块机构中的曲柄结构的一端与所述减速机构的输出轴固定连接，滑块结构通过连杆结构与所述曲柄结构相连，且所述曲柄结构与所述连杆结构的有效杆长相同，所述滑块结构包括设备安装台以及直线轴承，所述直线轴承与滑轨相配合。使用该隅点运动模拟试验台，可以为试验仪器提供较为精准的试验环境，且设备的制造成本及维护成本不高，实用性及准确性都较为明显。
设所述曲柄结构与所述连杆结构的有效杆长均为L，所述减速机构能够提供的转速为ω，所述曲柄结构的转动角度为α，所述连杆结构的转动角度为β，则所述滑块结构的位移S为：
S＝L·cos(α)+L·cos(β)＝L·cos(ω·t)+L·cos(ω·t)＝2·L·cos(ω·t)。
由上式可知，所述滑块结构的运动为简谐运动，其运动方程为：
S＝2·L·cos(ω·t)，
故所述滑块结构的加速度为：
a＝-2·L·ω2·cos(ω·t)，
所述滑块结构的运动周期为：
T＝(2·π)/ω。
因此，当所述曲柄结构与所述连杆结构的有效杆长相同时，可保证安装在所述设备安装台上的陀螺罗经，能够随该隅点运动模拟试验台的运转而进行简谐运动，即使得安装在所述设备安装台上的船用陀螺罗经进行隅点运动。
而所述设备安装台底部固定有直线轴承，所述滑轨穿过所述直线轴承并与所述直线轴承相配合。由于直线轴承的承载球与轴点接触，故使用载荷小，钢球以极小的摩擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动，保证了运动的稳定性，因此，采用直线轴承与所述滑轨相配合，能够确保所述设备安装台的运动精度与运动稳定性。
优选地，在所述支架的底部安装有可以进行水平调整的万向轮，用以调整设备方向、调整设备安装台的水平及方便该隅点运动模拟试验台的转移。
优选地，在所述支架的顶层上设置有挡块，所述挡块位于所述滑块结构沿所述滑轨运动时所能达到的两处最远点处。所述挡块用以防止所述滑块结构在运动过程中，由于非正常原因导致脱轨的情况，有效地保证了该隅点运动模拟试验台的安全性及可靠性。
优选地，所述曲柄结构与所述连杆结构的下方设置有传动机构。所述传动机构包括三个依次啮合的齿轮，其中大齿轮固定安装在所述支架的顶层，且齿轮轴线与所述曲柄结构的转动轴线相重合，从动齿轮与所述连杆结构固定连接，且从动齿轮的转动轴线与所述连杆结构相对于所述曲柄结构转动的转动轴线相重合，所述大齿轮与所述从动齿轮之间设置有主动齿轮，主动齿轮安装在所述曲柄结构上的远离所述曲柄结构转动中心的一端，且所述大齿轮与所述从动齿轮的齿数比为2∶1。所述传动机构的存在，消除了该隅点运动模拟试验台的曲柄-连杆-滑块机构在运动到所述曲柄结构与所述连杆结构的重合位置时，所述设备安装台无动力输入的情形，有效防止所述设备安装台的运动状态发生改变。进一步地，所述主动齿轮通过轴承安装在所述曲柄结构上，从而保证当所述曲柄绕其转动中心转动时，所述主动齿轮可以绕所述大齿轮转动，并带动所述从动齿轮转动，同时确保了齿轮与轴的相对运动性。
优选地，在该隅点运动模拟试验台上设置有控制系统，该控制系统用以设置并调节所述电机的转速，使得所述设备安装台的运动满足《ISO8728》规范中的要求。
优选地，在该隅点运动模拟试验台上设置有测量显示系统。该测量显示系统包括周期测量分系统以及加速度测量分系统，周期测量分系统用以测量隅点运动的周期，加速度测量分系统用于测量隅点运动的实时加速度。通过该测量显示系统，使得技术人员能够实时掌握该隅点运动模拟试验台的运转情况，确保陀螺罗经的试验环境能够维持在国际试验标准要求的最大加速度为(1.0±0.1)m/s2，运动周期不小于3s的条件。
使用本发明隅点运动模拟试验台对陀螺罗经进行隅点运动模拟试验，可以确保试验设备模拟隅点运动的准确性，同时还能克服现有隅点运动模拟试验设备体积较大，控制过程复杂，导致制造成本过高且维护不易的问题。
附图说明
图1为本发明隅点运动模拟试验台的立体图；
图2为本发明隅点运动模拟试验台的立体图，且该隅点运动模拟试验台的设备安装台被剖开；
图3为本发明隅点运动模拟试验台的传动机构部分沿曲柄结构的两个端点进行纵剖的剖面图；
图4为本发明隅点运动模拟试验台的曲柄-连杆-滑块机构处的运动原理图。
具体实施方式
本发明提出一种隅点运动模拟试验台，如图1所示，该隅点运动模拟试验台包括支架1和曲柄-连杆-滑块机构2。
如图2所示，支架1分为两层，底层11用以设置电动机111以及与电动机111相连的减速机构112。支架1的顶层12上设置有曲柄-连杆-滑块机构2，其中曲柄结构21与连杆结构23的有效杆长相同，曲柄结构21的一端与减速机构112的输出轴1121固定连接，滑块结构22通过连杆结构23与曲柄结构21相连，滑块结构22包括设备安装台221以及直线轴承222，直线轴承222与设备安装台221固定连接，滑轨24穿过直线轴承222。
优选地，在支架1的底部安装可以进行水平调整的万向轮13，用以调整设备方向、调整设备安装台的水平及方便该隅点运动模拟试验台的转移。
优选地，在支架1的顶层12上设置有挡块121，挡块121位于滑块结构22沿滑轨24运动时所能达到的两处最远点处。挡块121用以防止滑块结构22在运动过程中，由于非正常原因导致脱轨的情形，有效地保证了该隅点运动模拟试验台的安全性及可靠性。
优选地，如图2和图3所示，曲柄结构21与连杆结构23的下方设置有传动机构3。传动机构3包括三个依次啮合的齿轮，其中大齿轮31与支架1的顶层12固定连接，且大齿轮31的齿轮轴线与曲柄结构21的转动轴线相重合，从动齿轮32与连杆结构23固定连接，且从动齿轮32的转动轴线与连杆结构23相对于曲柄结构21转动的转动轴线相重合，且大齿轮31与从动齿轮32的齿数比为2∶1，大齿轮31与从动齿轮32之间设置有主动齿轮33，主动齿轮33安装在曲柄结构21上远离曲柄结构21转动中心的一端。传动机构3的存在，消除了该隅点运动模拟试验台的曲柄-连杆-滑块机构2运动到曲柄结构21与连杆结构23重合位置，设备安装台221无动力输入的情形，防止设备安装台221的运动状态发生改变，确保了所述设备安装台的运动精度与运动稳定性。
如图3所示，主动齿轮33与曲柄结构21相连的部位设置有轴承331，从而保证当曲柄结构21绕其转动中心转动时，与大齿轮31相啮合的主动齿轮33可以绕大齿轮31转动，从而带动从动齿轮32转动，使得连杆结构23随着从动齿轮32的转动进行转动，同时确保了齿轮与轴的相对运动性。
如图4所示，滑块结构22安装在滑轨24上，滑轨24为两条在同一水平面内相互平行的轨道，曲柄结构21的一端与固定点A点(即图1所示的减速机构输出轴)连接，且曲柄结构21可以以角速度ω绕A点做逆时针转动，连杆结构23的一端与曲柄结构21的另一端铰接于B点，连杆结构23的另一端与滑块结构22的中心点铰接于C点。由曲柄-连杆-滑块机构的原理可知，当曲柄结构21绕铰接点A点以角速度ω逆时针转动时，连杆结构23因约束关系将以相等的角速度ω绕C点顺时针转动。此时有：α＝ω·t、β＝ω·t，故此时C点的位移S为：
S＝L·cos(α)+L·cos(β)＝L·cos(ω·t)+L·cos(ω·t)＝2·L·cos(ω·t)；
由上式可知，C点的运动为简谐运动，其运动方程为S＝2·L·cos(ω·t)；
故C点的加速度a为：a＝-2·L·ω2·cos(ω·t)；
C点的运动周期T为：T＝(2·π)/ω。
因此，当试验前通过计算得出杆长L及转动角速度ω的取值范围，选取合适的杆长L及其对应的转动角速度ω，便可以保证C点的运动状态为周期T不小于3s(即3秒)、最大加速度a为(1.0±0.1)m/s2的简谐运动，即满足陀螺罗经进行隅点运动模拟试验的国际试验标准要求。
优选地，在该隅点运动模拟试验台上设置有控制系统，该控制系统用以调节电机11的转速，使电机11的转速达到试验要求。
优选地，在该隅点运动模拟试验台上设置有测量显示系统。该测量显示系统包括周期测量分系统以及加速度测量分系统，周期测量分系统用以测量隅点运动的周期，加速度测量分系统用于测量隅点运动的实时加速度。通过该测量显示系统，使得技术人员能够实时掌握该隅点运动模拟试验台的运转情况，确保陀螺罗经的试验环境能够达到国际试验要求的最大加速度为(1.0±0.1)m/s2，运动周期不小于3s(即3秒)的条件，并能维持该试验环境下。
在使用该隅点运动模拟试验台前，先根据公式T＝(2·π)/ω，(周期T不小于3s，即3秒)，将曲柄转速ω的取值范围计算出来，再根据加速度公式a＝-2·L·ω2·cos(ω·t)，(最大加速度a为(1.0±0.1)m/s2)，将杆长L的取值范围计算出来。选定合适的杆长L以及对应的曲柄转速ω，采用合适的减速机构112，使其输出转速与曲柄所需的转速ω相同，选取有效长度为选定值L的曲柄，将该隅点运动模拟试验台搭建起来。然后将需试验的陀螺罗经安装在设备安装台221上，再通过设置在支架1底部的万向轮13，调整安装有陀螺罗经的隅点运动模拟试验台的方向，使设置在该隅点运动模拟试验台上的陀螺罗经的运动方向为隅点方向(东北方向或者西北方向)，即使得设备安装台221的运动方向与隅点方向相同，且偏差应该在±3°之内。然后记录该陀螺罗经定义稳定后的艏向值，即取该陀螺罗经定义稳定后，连续记录的每隔20分钟读取的10个读数的平均值。
启动该隅点运动模拟试验台后，曲柄结构21以角速度ω进行逆时针转动，从而带动连杆结构23以角速度ω进行顺时针转动，使得连接在连杆结构23另一端的滑块结构22在水平方向上进行简谐运动。
当该隅点运动模拟试验台连续运转2小时之后，停止该隅点运动模拟试验台，记录陀螺罗经在该隅点运动模拟试验台停止瞬间时，设置在该隅点运动模拟试验台上的陀螺罗经的艏向。若该艏向值与运动前定义稳定时的艏向值之差应该不小于(为当地的纬度值)，则该陀螺罗经的隅点运动模拟试验成功；反之则需要对该陀螺罗经进行调整。
Claims (7)
1.一种隅点运动模拟试验台，该隅点运动模拟试验台包括支架和曲柄-连杆-滑块机构；所述支架分为与水平面平行的两层，底层用以设置电动机以及与所述电动机相连的减速机构；所述支架的顶层上设置有所述曲柄-连杆-滑块机构，所述的曲柄-连杆-滑块机构由曲柄结构，连杆结构和滑块结构组成；该曲柄结构和连杆结构的运动平面与该滑块结构的移动平面为相同的平面或相互平行的平面；所述曲柄-连杆-滑块机构中的曲柄结构的一端与所述减速机构的输出轴固定连接，滑块结构通过连杆结构与所述曲柄结构相连，且所述曲柄结构与所述连杆结构的有效杆长相同，所述滑块结构包括设备安装台以及直线轴承，所述直线轴承与滑轨相配合；所述曲柄结构与所述连杆结构的下方设置有传动机构；所述传动机构包括三个依次啮合的齿轮。
2.根据权利要求1所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于，在所述支架的底部安装可进行水平调整的万向轮。
3.根据权利要求1所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于，在所述支架的顶层上设置有挡块，所述挡块位于所述滑块结构沿所述滑轨运动时所能达到的最远点处。
4.根据权利要求1所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于所述传动机构三个依次啮合的齿轮依次位置顺序为大齿轮，主动齿轮和从动齿轮；其中大齿轮固定安装在所述支架的顶层，且齿轮轴线与所述曲柄结构的转动轴线相重合，从动齿轮与所述连杆结构固定连接，且从动齿轮的转动轴线与所述连杆结构相对于所述曲柄结构转动的转动轴线相重合，所述大齿轮与所述从动齿轮之间设置有主动齿轮，主动齿轮安装在所述曲柄结构下方，且所述大齿轮与所述从动齿轮的齿数比为2：1。
5.根据权利要求4所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于，在所述主动齿轮与所述曲柄结构相连的部位设置有轴承。
6.根据权利要求1所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于，在该隅点运动模拟试验台上设置有用以设置并调节所述电动机转速的控制系统。
7.根据权利要求6所述的隅点运动模拟试验台，其特征在于，在该隅点运动模拟试验台上设置有测量显示系统；该测量显示系统包括周期测量分系统以及加速度测量分系统，周期测量分系统用以测量隅点运动的周期，加速度测量分系统用于测量隅点运动的实时加速度。
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