CN103995019A - 一种模拟海上油船晃动的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟海上油船晃动的试验装置，属于机械技术领域。它解决了现有技术中缺乏专门用于模拟海上油船晃动的试验装置的问题。本模拟海上油船晃动的试验装置包括基板，基板上竖直固定有两根支撑柱，两根支撑柱之间设有框架本体，框架本体包括呈矩形框状的底部框体，底部框体的四个边角上分别固连有立杆，框架本体其中两根立杆上设置有铰接板一，另外两根立杆上设置有铰接板二，立杆上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔，铰接板一和铰接板二上与调节孔相对开设有连接孔，调节孔和连接孔之间穿设有固定件。本发明具有运行稳定、制造成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种模拟海上油船晃动的试验装置。
背景技术
船舶海上储运石油是一种高风险的作业过程，原油储运风险主要来之货物，在整个储运生产链中始终存在油气爆炸和毒害的风险。据有关机构统计，作为舱气主要成份的VOCs(挥发性有机化合物)在海运过程中实际排放达到400万至700万吨/年，造成巨大的经济损失和环境损害风险，而更为严重的油舱爆炸事故也屡见不鲜。而储运过程中油舱内液货热质传递行为直接影响到油舱液相区的温度分布、气相区的VOCs浓度分布以及挥发出舱的VOCs浓度与速度等影响作业安全的关键物理量及其行为特征。因此控制液货气液热质传递行为对于保持原油品质、防止油气爆炸以及减少大气污染有直接影响，也关系到石油储运安全和节能减排目标的实现。相关研究表明界面湍动对气液传质存在明显影响，因此在研究海上液货舱热质传递行为时必须考虑晃荡因素。
对于海洋环境中的油船，由于液货作业和船舶摇晃等外部扰动的存在，液体晃荡现象必定出现在液货舱中，进而对气液热质传递行为产生影响。现在人们主要关注液体晃荡对船舶结构冲击破坏的液固耦合力学问题，而针对液货舱中原油这种挥发物质，晃荡因素影响其热质传递规律的研究基本没有人涉及，因此现在也没有专门模拟海上油船晃动的试验装置，来检测液货舱中原油晃动造成的热质传递规律的影响规律，造成人们对液货状态变化机理认识滞后，导致无法科学控制船舶油气储运过程中油气泄漏、爆炸和大气污染等风险。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种模拟海上油船晃动的试验装置，本装置能用于模拟海上油船晃动造成的液货舱中燃油晃动。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种模拟海上油船晃动的试验装置，包括基板，其特征在于，所述的基板上竖直固定有两根支撑柱，所述的两根支撑柱之间设有框架本体，所述框架本体包括呈矩形框状的底部框体，所述底部框体的四个边角上分别固连有立杆，所述框架本体其中两根立杆上设置有铰接板一，另外两根立杆上设置有铰接板二，所述立杆上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔，所述铰接板一和铰接板二上与调节孔相对开设有连接孔，所述调节孔和连接孔之间穿设有固定件，所述两根支撑柱上分别水平固连有转轴，两根支撑柱上的转轴同轴心，其中一根转轴转动穿设在铰接板一上，另外一根转轴转动穿设在铰接板二上，所述框架本体上还连接有能带动框架本体绕转轴摆动的摆动机构，所述底部框体内设置有用于固定试验水箱的支撑结构。
固定件采用螺栓。在进行晃动模拟试验时，试验水箱设置在底部框体内通过支撑结构固定。铰接板一和铰接板二固定在框架本体上，而铰接板一和铰接板二分别通过转轴铰接在支撑柱上，因此在摆动机构的带动下，框架本体可以绕转轴摆动，而试验水箱固定放置在框架本体内，因此框架本体在摆动的过程造成试验水箱内的液体来回晃动，从而实现模拟海上游船晃动造成的液货舱中燃油晃动的过程，以得出晃动对燃油热质传递规律的影响。由于立杆上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔，因此通过使连接孔对应不同高度位置的调节孔，可以改变铰接板一和铰接板二的高度，进而调整的框架本体晃荡中心的高低，从而根据不同的试验要求进行不同的试验。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述框架本体还包括上部框体，所述上部框体通过立杆固连在底部框体上方。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述摆动机构包括安装板、支撑架、液压缸和摆动板，所述安装板固连在所述立杆上，所述安装板与所述铰接板一相互垂直，所述摆动板固连在安装板上，所述支撑架包括竖直固定的立柱和水平固连在立柱上端的横杆，立柱的下端固定在上述的基板上，所述液压缸设置在所述横杆上，所述液压缸的推杆的下端滑动连接在摆动板上。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述摆动板的上板面上开设有滑槽，所述滑槽的长度方向与安装板板面垂直，所述滑槽内滑动设置有滑块，所述液压缸能在横杆上水平移动，所述液压缸的推杆竖直向下且推杆的下端铰接在所述滑块上，所述摆动板上还具有能标识滑块到安装板之间距离的刻度线。在本装置中，控制振幅的因素是液压缸的行程和滑块跟转轴之间的距离，在液压缸行程一定、框架本体尺寸一定的条件下，控制振幅的因素就是滑块与安装板之间的距离。当滑块向安装板一侧移动时，滑块与安装板之间的距离减小，此时框架本体的振幅增大；当滑块方向性移动时，滑块与安装板之间的距离减大，此时框架本体的振幅减小。由于摆动板上具有能标识滑块到安装板之间距离的刻度线，因此在将滑块滑动到相应的刻度线位置，便能知道此时框架本体的振幅大小，从而给试验带来了很大的便利性。本试验装置能够方便调节框架本体晃动时振幅的大小，因此能满足不同的试验要求，具有通用性强的有优点。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述支撑结构包括底板和挡条，所述底板呈矩形板状，底板的数量为两块，两块底板分别抵靠于底部框体相对的两侧边上，所述挡条具有两根，其中一根挡条固连在其中一块底板上，另外一根挡条固连在另外一块底板上。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述底板上开设有定位孔一，所述挡条上开设有定位孔二，所述定位孔一和定位孔二之间穿设有将挡条固定在底板上的螺栓。两根挡条相互平行，定位孔一为多个，因此挡条在底板上的位置能够调节，从而能根据试验水箱的尺寸大小改变两挡条之间的距离。在进行试验水箱的固定时，先将试验水箱放置于底板上合适的位置，然后调整两挡条之间的距离，使两根挡条将试验水箱夹紧固定。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，铰接板一和铰接板二呈矩形板状，所述铰接板一的中部和铰接板二的中部分别开设有铰接孔，所述铰接孔内设置有轴承，所述转轴的一端固连在所述支撑柱上，所述转轴的另一端穿设在所述轴承内。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，每根立杆上调节孔的数量为5～10个，相邻两调节孔之间的距离为10cm。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，本试验装置还包括用于控制液压缸运动的电子控制单元，所述电子控制单元包括单片机一、单片机二、数模转换电路一、数模转换电路二和比例换向阀，所述液压缸连接比例换向阀，所述数模转换电路一的输入端连接单片机一的输出端，数模转换电路一的输出端连接比例换向阀的输入端一，所述数模转换电路二的输入端连接单片机二的输出端，数模转换电路二的输出端连接比例换向阀的输入端二。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述单片机一和单片机二交替输出控制信号，所述数模转换电路一和模数转换电路二分别对其接收到的控制信号进行处理转换并形成半个正弦波的电压信号发送至比例换向阀。
在上述的模拟海上油船晃动的试验装置中，所述电子控制单元还包括有用于增加输出至比例换向阀的波形周期的按键一、用于减少输出至比例换向阀的波形周期的按键二、用于开启单片机一和单片机二信号输出的按键三以及用于关闭单片机一和单片机二信号输出的按键四。
与现有技术相比，本模拟海上油船晃动的试验装置具有以下优点：
1、本试验装置能用于模拟海上游船晃动造成的液货舱中燃油晃动，以得出晃动对燃油热质传递规律的影响，同时框架本体晃荡中心的高低能够够调节，因此能根据不同的试验要求进行不同的试验，具有设计合理，通用性强的优点。
2、本试验装置还具有运行稳定、结构简单、制造成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的正视结构示意图。
图3是本发明的侧视结构示意图。
图4是铰接板一的结构示意图。
图5是底板和底部框体的俯视图。
图6是挡条的立体结构示意图。
图7是本试验装置晃动过程的示意图。
图8是电子控制单元的连接结构示意图。
图中，1、基板；2、支撑柱；3、框架本体；31、底部框体；32、上部框体；33、立杆；4、铰接板一；5、铰接板二；6、调节孔；7、连接孔；8、转轴；9、安装板；10、支撑架；101、立柱；102、横杆；11、液压缸；12、摆动板；12a、滑槽；13、底板；14、挡条；15、定位孔一；16、定位孔二；17、铰接孔；18、试验水箱；19、滑块；20、刻度线。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1、图2和图3所示，本模拟海上油船晃动的试验装置包括基板1，基板1上竖直固定有两根支撑柱2，两根支撑柱2之间设有框架本体3，框架本体3包括呈矩形框状的底部框体31和上部框体32，底部框体31的四个边角上分别固连有立杆33，上部框体32通过立杆33固连在底部框体31上方。框架本体3其中两根立杆33上设置有铰接板一4，另外两根立杆33上设置有铰接板二5，立杆33上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔6，铰接板一4和铰接板二5上与调节孔6相对开设有连接孔7，调节孔6和连接孔7之间穿设有固定件，该固定件为螺栓。每根立杆33上调节孔6的数量为5～10个，作为优选，每根立杆33上调节孔6的数量为7个，相邻两调节孔6之间的距离为10cm。
如图1、图5和图6所示，底部框体31内设置有用于固定试验水箱18的支撑结构。本支撑结构包括底板13和挡条14，底板13呈矩形板状，底板13的数量为两块，两块底板13分别抵靠于底部框体31相对的两侧边上，挡条14具有两根，其中一根挡条14固连在其中一块底板13上，另外一根挡条14固连在另外一块底板13上。在底板13上开设有定位孔一15，挡条14上开设有定位孔二16，定位孔一15和定位孔二16之间穿设有将挡条14固定在底板13上的螺栓。两根挡条14相互平行，定位孔一15为多个，因此挡条14在底板13上的位置能够调节，从而能根据试验水箱18的尺寸大小改变两挡条14之间的距离。如图4所示，铰接板一4和铰接板二5呈矩形板状，铰接板一4的中部和铰接板二5的中部开设有铰接孔17，铰接孔17内设置有轴承。在两根支撑柱2上分别水平设置有转轴8，两支撑柱2上的转轴8同轴心，其中一根转轴8的一端固连在其中一根支撑柱2上，该转轴8的另一端穿设在铰接板一4上的轴承内。另一根转轴8的一端固连在另外一根支撑柱2上，该转轴8的另一端穿设在铰接板二5上的轴承内。
如图1和图3所示，框架本体3上还连接有能带动框架本体3绕转轴8摆动的摆动机构。摆动机构包括安装板9、支撑架10、液压缸11和摆动板12，安装板9固连在立杆33上，安装板9与铰接板一4相互垂直，摆动板12固连在安装板9上，支撑架10包括竖直固定的立柱101和水平固连在立柱101上端的横杆102，立柱101的下端固定在上述的基板1上。摆动板12的上板面上开设有滑槽12a，滑槽12a的长度方向与安装板9板面垂直，滑槽12a内滑动设置有滑块19，液压缸11设置在横杆102上并位于摆动板12上方，液压缸11能在横杆102上水平移动，液压缸11的推杆竖直向下且推杆的下端铰接在滑块19上，摆动板12上还具有能标识滑块19到安装板9之间距离的刻度线20。
本试验装置框架本体3的尺寸是80cm×80cm×80cm，是由12根80cm的角铁相互焊接而成的正方体框架，即底部框体31的边长、上部框体32的边长和立杆33的长度均为80cm，同时本试验装置选用行程为300mm的液压缸11。在本试验装置中，控制振幅的因素是液压缸11的行程和滑块19与转轴8之间的距离，在液压缸11行程一定、框架本体3尺寸一定的条件下，控制振幅的因素就是滑块19与安装板9之间的距离。当滑块19向安装板9一侧移动时，滑块19与安装板9之间的距离减小，此时框架本体3的振幅增大；当滑块19方向性移动时，滑块19与安装板9之间的距离减大，此时框架本体3的振幅减小。如图7所示，θ为晃荡的角度，是即晃荡的振幅，AB为液压缸11行程的一半，X为滑块19与安装板9之间的距离，OA为滑块19到转轴8的距离。由图可知，而AB＝150mm，OA＝400+Xmm，在这里我给X取7个值，如表1所示。在此计算中我们可以得出，本晃荡装置的晃荡振幅可控在9°～15°之间。由于框架本体3是做圆弧的晃荡运动，滑块19在运动过程中必然有所浮动，如图7所示在运动中，液压缸11的端部从A点运行到B点，而滑块19的位置由原A点变为A′点，根据晃荡的振幅改变，浮动的大小也会不同，根据几何关系可得，
表1：
| X cm | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 45 | 55 |
| θ° | 15.3 | 14 | 13 | 12.1 | 11.3 | 10 | 9 |
| A′Bcm | 2 | 1.85 | 1.71 | 1.59 | 1.48 | 1.31 | 1.18 |
由于摆动板12上还具有能标识滑块19到安装板9之间距离(即标识X值)的刻度线20，因此能将滑块19滑动到相应的刻度线20位置，便能知道框架本体3的振幅大小，在进行试验时能更加方便，无需再去计算框架本体3晃荡振幅的大小或另外设置装置来检测框架本体3的晃荡振幅。另外，由于本装置能够方便调节框架本体3晃动时振幅的大小，因此能满足不同的试验要求，具有通用性强的有优点。
如图8所示，本试验装置还包括用于控制液压泵运动的电子控制单元，这种控制方法有响应快、精度高、效率低的特点。电子控制单元包括单片机一、单片机二、数模转换电路一、数模转换电路二和比例换向阀，液压缸连接比例换向阀，数模转换电路一的输入端连接单片机一的输出端，数模转换电路一的输出端连接比例换向阀的输入端一，数模转换电路二的输入端连接单片机二的输出端，数模转换电路二的输出端连接比例换向阀的输入端二。
本实验设计是在单片机一和单片机二输入指令后，信号分别经过对应的数模转换电路一和数模转换电路二传给电源，从而改变电源输出的电压，进而改变伺服阀输入端一和输入端二的的输入电流，然后在阀内改变阀芯的开口大小，然后控制回路的输出流量和压力，从而控制液压缸11的运动，最终保证液压缸11的运动速度在预期值附近。
具体地，单片机一和单片机二交替输出控制信号，数模转换电路一和模数转换电路二分别对其接收到的控制信号进行处理转换并形成半个正弦波的电压信号发送至比例换向阀，这样比例换向阀的输入端一电压从0V-10V-0V的正弦变化后然后输入端二开始从0V-10V-0V开始变化，在输入端一电压变化时，输入端二电压一直为0V，这样交替变化电压信号，就能控制比例换向阀的阀芯移动以至换向，并控制比例换向阀的阀芯开度来控制气缸的运动。由于电压的变化是正弦规律，流量是与电压信号成正比的关系，所以产生的流量也是以正弦规律变换的。
为了方便在试验过程中改变晃荡的频率，本试验装置的电子控制单元还包括有用于增加输出至比例换向阀的波形周期的按键一、用于减少输出至比例换向阀的波形周期的按键二、用于开启单片机一和单片机二信号输出的按键三以及用于关闭单片机一和单片机二信号输出的按键四。按键一和二分别用来增加和减少波形图的周期，这便是改变整个晃荡运动的频率。
在进行晃动模拟试验时，先将试验水箱18设置在底部框体31内合适的底板13上，并根据试验水箱18的大小调整两根挡条14之间的位置距离，使两根挡条14夹紧固定试验水箱18。然后使液压缸11开始工作，在液压缸11推杆伸缩作用的带动下，框架本体3可以绕转轴8来回摆动，而试验水箱18固定放置在框架本体3内，因此框架本体3在摆动的过程造成试验水箱18内的液体来回晃动，从而实现模拟海上游船晃动造成的液货舱中燃油晃动的过程，分析典型扰动引起晃荡对自由液面情况下的气、液相区原油热质传递过程的影响机制，针对不同扰动分别遴选出相关度强的影响因子并总结其作用强度，最终得出晃动对燃油热质传递规律的影响。由于立杆33上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔6，因此通过使连接孔7对应不同高度位置的调节孔6，可以改变铰接板一4和铰接板二5的高度，进而调整的框架本体3晃荡中心的高低，从而根据不同的试验要求进行不同的试验。通过按键三和按键四，能改变晃荡的频率。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种模拟海上油船晃动的试验装置，包括基板(1)，其特征在于，所述的基板(1)上竖直固定有两根支撑柱(2)，所述的两根支撑柱(2)之间设有框架本体(3)，所述框架本体(3)包括呈矩形框状的底部框体(31)，所述底部框体(31)的四个边角上分别固连有立杆(33)，所述框架本体(3)其中两根立杆(33)上设置有铰接板一(4)，另外两根立杆(33)上设置有铰接板二(5)，所述立杆(33)上沿其长度方向间隔开设有若干调节孔(6)，所述铰接板一(4)和铰接板二(5)上与调节孔(6)相对开设有连接孔(7)，所述调节孔(6)和连接孔(7)之间穿设有固定件，所述两根支撑柱(2)上分别水平固连有转轴(8)，两根支撑柱(2)上的转轴(8)同轴心，其中一根转轴(8)转动穿设在铰接板一(4)上，另外一根转轴(8)转动穿设在铰接板二(5)上，所述框架本体(3)上还连接有能带动框架本体(3)绕转轴(8)摆动的摆动机构，所述底部框体(31)内设置有用于固定试验水箱(18)的支撑结构。
2.根据权利要求1所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述摆动机构包括安装板(9)、支撑架(10)、液压缸(11)和摆动板(12)，所述安装板(9)固连在所述立杆(33)上，所述安装板(9)与所述铰接板一(4)相互垂直，所述摆动板(12)固连在安装板(9)上，所述支撑架(10)包括竖直固定的立柱(101)和水平固连在立柱(101)上端的横杆(102)，立柱(101)的下端固定在上述的基板(1)上，所述液压缸(11)设置在所述横杆(102)上，所述液压缸(11)的推杆的下端滑动连接在摆动板(12)上。
3.根据权利要求2所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述摆动板(12)的上板面上开设有滑槽(12a)，所述滑槽(12a)的长度与安装板(9)板面垂直，所述滑槽(12a)内滑动设置有滑块(19)，所述液压缸(11)能在横杆(102)上水平移动，所述液压缸(11)的推杆竖直向下且推杆的下端铰接在所述滑块(19)上，所述摆动板(12)上还具有能标识滑块(19)到安装板(9)之间距离的刻度线(20)。
4.根据权利要求3所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述支撑结构包括底板(13)和挡条(14)，所述底板(13)呈矩形板状，底板(13)的数量为两块，两块底板(13)分别抵靠于底部框体(31)相对的两侧边上，所述挡条(14)具有两根，其中一根挡条(14)固连在其中一块底板(13)上，另外一根挡条(14)固连在另外一块底板(13)上，所述挡条(14)的长度方向与底板(13)的长边方向平行。
5.根据权利要求4所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述底板(13)上开设有定位孔一(15)，所述挡条(14)上开设有定位孔二(16)，所述定位孔一(15)和定位孔二(16)之间穿设有将挡条(14)固定在底板(13)上的螺栓。
6.根据权利要求5所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述铰接板一(4)和铰接板二(5)呈矩形板状，所述铰接板一(4)的中部和铰接板二(5)的中部分别开设有铰接孔(17)，所述铰接孔(17)内设置有轴承，所述转轴(8)的一端固连在所述支撑柱(2)上，所述转轴(8)的另一端穿设在所述轴承内。
7.根据权利要求1到6中任意一项所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，每根立杆(33)上调节孔(6)的数量为5～10个，相邻两调节孔(6)之间的距离为10cm。
8.根据权利要求6所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，本试验装置还包括用于控制液压缸(11)运动的电子控制单元，所述电子控制单元包括单片机一、单片机二、数模转换电路一、数模转换电路二和比例换向阀，所述液压缸(11)连接比例换向阀，所述数模转换电路一的输入端连接单片机一的输出端，数模转换电路一的输出端连接比例换向阀的输入端一，所述数模转换电路二的输入端连接单片机二的输出端，数模转换电路二的输出端连接比例换向阀的输入端二。
9.根据权利要求8所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述单片机一和单片机二交替输出控制信号，所述数模转换电路一和模数转换电路二分别对其接收到的控制信号进行处理转换并形成半个正弦波的电压信号发送至比例换向阀。
10.根据权利要求9所示的模拟海上油船晃动的试验装置，其特征在于，所述电子控制单元还包括有用于增加输出至比例换向阀的波形周期的按键一、用于减少输出至比例换向阀的波形周期的按键二、用于开启单片机一和单片机二信号输出的按键三以及用于关闭单片机一和单片机二信号输出的按键四。
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