CN108254156B - 一种智能船舵测控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能船舵测控装置，包括刚性支撑架、设置在刚性支撑架上端的步进调速电机、动力传递机构，动力传递机构的下端设置有四分力测力天平，四分力测力天平下端设置有液压伸缩连接杆，所述动力传递机构包括设置在刚性支撑架上的安装壳、法兰盘、摆锤、摆锤杆、上下布置的两个圆形轴承转盘、两个固定支撑架，所述上下布置的两个圆形轴承转盘位于安装壳内，两个固定支撑架对称设置在两个圆形轴承转盘之间，摆锤设置在两个固定支撑架之间，法兰盘上设置有两个安装孔，摆杆的一端与摆锤铰接、另一端通过一个安装孔与法兰盘固连，步进调速电机的输出轴通过另一个安装孔与法兰盘固连。本发明结构合理、操作简便、成本低廉，测量实验结果准确。

Description

一种智能船舵测控装置
技术领域
本发明涉及一种智能船舵测控装置，是一种对现有船舵测量设备改进升级的适用性更加广泛(如船模拖曳水池、循环水槽、湖泊、水库、大海等)的新型船舵水动力性能测量装置。
背景技术
舵是船舶航行中非常重要的设备。它是驾驶人员用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备，当水流以某冲角冲至舵叶上时便产生了流体动力,该作用力通过舵杆传递到船体，迫使船舶转向，实现调整航向的目的。充分研究了解船舵的各项水动力性能，对于降低船舶能耗、船舵减摇技术、保护生态环境、减少航运成本等问题有重大意义，为船舶节能技术，发展绿色船舶提供有力支持。
在传统的船模水动力性能实验，通常人为的将船舵安装成零舵角状态，即认为船舵对船舶航行性能不产生任何影响。在这样情况下，进行船模水动力性能实验，会存在很大影响及误差。在真实环境下航行的船舶，驾驶员需要不断的调整船舵以保证船舶按照既定的航线行驶，船舵并不是在零舵角下航行性能最佳，也不是船舶在行驶过程保持零舵角状态时间最长。船舶需要不断的操舵以保证其安全航行，在不同海情、不同作业下合理使用船舵，对于缩少航运成本、降低船舶能耗、减少主机负荷、保护生态环境具有重大意义。这一目标的实现对于船舵的深入研究和了解是必不可少的。
在水池里开展船舶水动力性能试验，即使考虑到船舵角度对船舶性能影响，通常也是人为设定一系列角度，人为进行调整。这种方法存在很多不确定因素，如人为操作精度难以保证，实验人为误差较大；实际船舶航行船舵是不断变化，此方法导致船舵始终保持一个角度，不具备普适性。考虑到在船舶水池进行该类相关实验的局限和不确定因素，本专利发明了一种对现有船舵测量设备改进升级的、可依据实际环境随时改变船舵角度的适用性更加广泛的新型船舵水动力性能测量装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构合理、操作简便、成本低廉，测量实验结果准确，弥补传统船模水动力性能实验中因忽视船舵角度变化对船舶性能影响，导致测量数据误差问题的智能船舵测控装置。
本发明的目的是这样实现的：包括刚性支撑架、设置在刚性支撑架上端的步进调速电机、动力传递机构，动力传递机构的下端设置有四分力测力天平，四分力测力天平下端设置有液压伸缩连接杆，液压伸缩连接杆的下端设置有船模，所述动力传递机构包括设置在刚性支撑架上的安装壳、法兰盘、摆锤、摆锤杆、上下布置的两个圆形轴承转盘、两个固定支撑架，所述上下布置的两个圆形轴承转盘位于安装壳内，两个固定支撑架对称设置在两个圆形轴承转盘之间，摆锤设置在两个固定支撑架之间，法兰盘上设置有两个安装孔，摆杆的一端与摆锤铰接、另一端通过一个安装孔与法兰盘固连，步进调速电机的输出轴通过另一个安装孔与法兰盘固连。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.动力传递机构的下端设置有四分力测力天平是指：四分力测力天平的上端与下方的圆形轴承转盘的下端面连接，且连接处位于圆形轴承转盘的中心。
2.液压伸缩连接杆的下端设置有船模。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的新型智能船舵测控装置既弥补传统船模水动力性能实验中采用零舵角或是固定不变舵角导致测量数据反映船舶性能与实际船舶相差很大甚至截然相反的实验结果，同时该装置通过智能控制步进调速电机，可以最大限度的模拟船舶在实际航行过程舵角的变化状况(通常实际船舶航行时舵角保持在-350—+350)。该装置利用率极高，能够进行不同尺度、用途、类型的船舶水动力学实验，可为民用船舶(如集装箱船、油船等)的节能减排、操舵减摇、经济航行、绿色环保等方面提供有力支持；同时也为军用船舶的高速航行、船舶生存力、船舶操纵等方面提供更优良方案，分析研究船舶在不同海况下船舵的水动力参数，为船舶的经济航行、节能减排提供支持，大力推进绿色船舶发展。
附图说明
图1是本发明的智能船舵测控装置的三维示意图；
图2是本发明的智能船舵测控装置的主视图；
图3是本发明的智能船舵测控装置的侧视图；
图4是本发明的智能船舵测控装置的俯视图；
图5是本发明的智能船舵测控装置测量装置(四分力天平)示意图；
图6是本发明的智能船舵测控装置动力传递机构的三维示意图。
图中：1.步进调速电机，2.动力传递机构，3.刚性支撑架，4.四分力测力天平，5.液压伸缩连接杆，A、法兰盘，B、摆锤，C、圆形轴承转盘，D、固定支撑架E、安装孔(与步进电机输出轴固连)F、安装孔(和摆杆连接)。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合附图1至图6，，本发明包括一个步进调速电机1、一套动力传递机构2、一个四分力测量天平4和刚性支撑架3、液压伸缩杆5；动力传递机构由与电机输出轴连接的法兰盘A、两个圆形轴承转盘C、两侧的两个固定支撑架D、位于两个固定支撑架中间的摆锤B、与摆锤连接的摆杆、电机输出轴的安装孔E、摆杆的安装孔F等部分组成。
本发明包括步进调速电机、动力传递机构、测力天平等，动力传递机构和步进调速电机安装在刚性支撑架上部空心钢板，通过螺栓螺母固定；大量程四分力天平安装在动力传递机构正下方，与圆形轴承转盘同轴线；液压伸缩杆采用内嵌式螺纹连接，上端和测力天平相连，下端和船舵模型连接，采用内嵌式螺纹连接方式，以保证结构整体可靠性和强度要求。
刚性支撑架由两部分组成，底部采用铝合金桁架结构，这样既可以保证装置的整体强度要求，同时减轻装置的整体重量，容易拆卸和运输；上部是10mm厚的空心钢板，方便布置各种零部件。步进调速电机安放在刚性支撑架钢板一侧，动力传递机构安装在支撑架钢板的另一侧，二者距离钢板边缘应不小于0.15L(L表示钢板长度)。动力传递机构包括中间的摆锤、与摆锤铰接的摆杆、两侧的固定支撑架、轴承转盘及与电机相连法兰盘；摆锤内嵌于两侧支撑架，两侧支撑架和中间轴承转盘相连，法兰盘安装在摆锤末端，为保证实验安全、实验设备强度要求，所有设备采用铸造工艺加工。
测力天平与船舵通过液压伸缩连接杆连接，液压伸缩连接杆长度不应大于1.5米(即测量天平下端与船舵模型上端之间垂直距离不应大于1.5米)，避免因液压伸缩连接杆过长使得实验过程船舵晃动显著影响天平测量精度。
参照附图1、2、3、4、6，连接新型智能船舵测控装置的各个构件和动力传递机构的各零件。安装过程，刚性支撑架始终处于水平，保证其所承载的步进电机和动力传递机构保持水平，提高测量结果精度和可靠性。测量设备采用四分力天平测量船舵在不同方向的分力和舵杆处的扭矩，上端与动力传递机构筒形结构相连，保证测力天平与筒形结构处于同轴心；天平下端和液压伸缩杆相连，为保证实验过程最大限度降低噪声和振动，采用嵌套式连接固定；伸缩杆下端装有测量船舵模型，为使测量实验数据更精确、可靠，船舵模型与测力天平间距离保持在0.3—0.6米范围。步进调速电机采用智能远程控制及人为操作两种方法相结合，最大限度保证实验在任何环境下的可适性；电机的功率要求主要与船舵的实验转速、尺度有关，依据船模水动力性能实验相关要求，选择合适尺度和功率的步进调速电机。
装置各部件安装完毕，由专门技术人员检验保证准确无误，启动步进调速电机，电机输出轴经E孔、摆锤支撑杆经F孔和法兰盘固连，因为电机输出轴轴线和摆锤支撑杆轴线不重合，机构做偏心运动。步进调速电机输出轴旋转，和摆锤相连接的圆形转盘以中线面为界，在安装壳内做左右对称的摆动，带动下方的整体部件做设计角度下的摇摆运动(试验所需的船舵转速和舵角变化要求由步进调速电机控制模块管理)，船舵模型做角度、转速一定的摇摆运动，其相关水动力参数(轴向分力、径向分力、舵杆处扭矩等)由上方四分力天平测量并传输至数据服务器，统一管理与分析研究。
综上，本发明提供一种新型智能船舵测控装置。它包括步进调速电机、动力传递机构、刚性支撑架、大量程测力天平、液压伸缩连接杆。测力天平和船舵之间通过刚性杆连接，其内部带有液压伸缩机构，可根据实际高度需要自动调整尺寸。步进调速电机通过自身测量控制系统，设置满足实验要求的船舵摆动速度、最大摆角等参数。测力天平是水动力实验研究常用的一类测量设备，依靠它可以测量船舵摆动时横向、纵向方向受力情况，舵杆处的扭矩等参数。进而分析研究船舵的水动力性能，为绿色船舶节能发展提供有力依据。新型智能船舵测控装置对实验环境适应性极强，既可以安装在小尺度船模，在拖曳水池中研究船舶水动力性能；又可以在循环水槽内独立研究船舵摆动时相关水动力参数；还可以与大尺度船模、中试艇等结合，在实验海域、湖泊等自然环境下更真实模拟实船条件研究其水动力性能。另外，该装置结构合理、操作简便、成本低廉，适用性极强、应用范围广，测试结果准确可靠，对分析船舵水动力性能、研究更节能操舵技术、舵减摇技术、发展绿色船舶意义远大，应用前景非常广阔。

Claims (2)

1.一种智能船舵测控装置，其特征在于：包括刚性支撑架、设置在刚性支撑架上端的步进调速电机、动力传递机构，动力传递机构的下端设置有四分力测力天平，四分力测力天平下端设置有液压伸缩连接杆，液压伸缩连接杆的下端设置有船模，所述动力传递机构包括设置在刚性支撑架上的安装壳、法兰盘、摆锤、摆锤杆、上下布置的两个圆形轴承转盘、两个固定支撑架，所述上下布置的两个圆形轴承转盘位于安装壳内，两个固定支撑架对称设置在两个圆形轴承转盘之间，摆锤设置在两个固定支撑架之间，法兰盘上设置有两个安装孔，摆锤杆的一端与摆锤铰接、另一端通过一个安装孔与法兰盘固连，步进调速电机的输出轴通过另一个安装孔与法兰盘固连；步进调速电机输出轴轴线和摆锤杆的轴线不重合，步进调速电机输出轴旋转，和摆锤相连接的圆形轴承转盘以中线面为界，在安装壳内做左右对称的摆动，带动下方的整体部件做设计角度下的摇摆运动，试验所需的船舵转速和舵角变化要求由步进调速电机控制模块管理，船模做角度、转速一定的摇摆运动。
2.根据权利要求1所述的一种智能船舵测控装置，其特征在于：动力传递机构的下端设置有四分力测力天平是指：四分力测力天平的上端与下方的圆形轴承转盘的下端面连接，且连接处位于圆形轴承转盘的中心。
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