CN110243570B - 用于水面船模操纵性试验的平面运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，包括拖车，其上安装横荡运动机构，横荡运动机构上安装调节机构；船模上固装由横梁连接的前后对称的天平测力机构；调节机构的支杆向下与横梁固接；横荡运动机构在电机驱动下带动船模横荡运动；调节机构依靠丝母丝套配合调节船模吃水深度，并通过电缸驱动带动船模艏摇运动；通过天平测力机构调整船模的初始横倾角。本发明有效实现了船模的横荡、艏摇及其复合运动，并能设置不同的横倾角，促进了水面及近水面作周期横向振荡运动船模的流体动力试验研究，操作方便，试验效率高。

Description

用于水面船模操纵性试验的平面运动机构

技术领域

本发明涉及水面船模试验设备技术领域，尤其是一种用于水面船模操纵性试验的平面运动机构。

背景技术

船舶在航行过程中，为了防止燃料耗尽并尽快到达目的地，通常会力图使船舶以一定速度保持直线航行，则要求船舶具有良好的航向稳定性；在预定航线上发现前方有障碍物时，为避免碰撞，船舶应及时改变航向和航速，则要求船舶具有良好的回转性及转首性。综上所述，船舶保持或改变其航速、航向和位置的性能定义为船舶操纵性。船舶操纵性可通过运动方程式的分析与求解来进行评估，其运动方程包括大量流体动力系数；为了研究船舶的操纵性能，必须先获知作用在船舶上的各个流体动力系数。

作用在船舶上的流体动力系数包括速度系数、角速度系数和加速度系数。通常，在流体动力实验室通过拘束模试验来测定速度系数和角速度系数。拘束模试验是指用机械的拘束，强迫船模作规定的运动。例如，在拖曳水池或循环水槽中，使得模型在不同姿态角下以相对水做匀速直线运动可测定速度系数；在旋臂水池中，以匀角速度拖曳模型可测定角速度系数。

但是，拘束模试验都是准静态的，无法测定加速度系数。为测定加速度系数，必须使水面船模进行横向振荡试验。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，从而实现船模谐和变化的横荡和艏摇运动，便于测定并获得各项系数，操作方便，试验效率高，综合性能好。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，包括拖车，拖车下方设置有船模，所述拖车上安装有横荡运动机构，横荡运动机构上安装有调节机构；所述船模上沿前后方向固装有对称的天平测力机构，两个天平测力机构顶部之间连接有横梁；所述调节机构底部安装有支杆，支杆穿过拖车并与横梁中部固接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述横荡运动机构的结构为：包括与拖车固装的支撑架，支撑架上横向安装有对称的导轨，两个导轨上分别安装有沿其运动的滑块，位于两个导轨之间的支撑架上安装有滚珠丝杠，滚珠丝杠上安装有螺旋副，两个滑块与螺旋副共同固装有连接板，连接板上安装有L型板，L型板与调节机构连接；位于滚珠丝杠端部的支撑架上安装有电机，电机驱动滚珠丝杠旋转进而通过螺旋副带动连接板和L型板随滑块沿着导轨横向运动。

所述导轨为直线导轨。

所述调节机构的结构为：包括轴承，轴承内圈与横荡运动机构固接，轴承外圈顶部安装有筒形座；筒形座顶部安装有盖板，筒形座内部安装有丝套，丝套内部安装有丝母，丝套向下伸出筒形座并穿过轴承，在端头安装有支杆；所述丝母中心固装有转轴一，转轴一向上贯穿盖板并在端部安装有摇杆；所述筒形座与丝套之间安装有止旋螺钉；还包括基座一，其上转动安装有电动缸，所述筒形座外侧壁上固装有拐臂，电动缸输出端与拐臂之间通过插销连接；所述电动缸通过插销带动拐臂以筒形座中心为圆心转动，进而带动筒形座、丝套和支杆转动。

所述丝套外壁上开有容纳止旋螺钉的竖槽，丝套与丝母配合相对于筒形座上下运动时，止旋螺钉在竖槽内运动进而防止丝套随丝母跟转。

所述轴承为回转支承轴承。

所述天平测力机构的结构为：包括与横梁固接的基座二，基座二端部安装有俯仰轴；俯仰轴中部与基座二转动连接，俯仰轴一端安装有天平，俯仰轴另一端安装有配重；所述天平底部固装有基座三，基座三端部转动安装有转轴二，转轴二两端部共同安装有基座四，基座四与船模固装。

所述基座四为“└┘”型结构，其两侧壁之间安装转轴二，位于两侧壁内部的转轴二上安装有法兰；所述基座四的侧壁上开有多个孔，多个孔位于与转轴二轴线同心的圆上；所述法兰与其中一个孔间安装有销轴，进而设置船模的初始横倾角。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过横荡运动机构能够实现船模的横向往复运动，通过调节机构可调节船模的吃水深度并实现其偏航往复运动，通过天平测力机构可调整船模的初始横倾角；将该机构整体安装于拖曳水池或循环水槽中，可强迫船模进行谐和变化的横荡和艏摇运动，从而实现直接测定水面船模速度系数、角速度系数和加速度系数等数据，进而方便地求取作用于船模上的各项力和力矩的线性速度导数和线性加速度导数，试验效率高，具有综合性能好、经济性好等优点，大大促进了水面及近水面作周期横向振荡运动船模的流体动力试验研究。

本发明还包括如下优点：

在电机驱动下，通过滚珠丝杆配合螺旋副，带动连接板随滑块沿着导轨运动，进而实现船模的横向运动；利用直线导轨作为横向往复运动的导向，其同时可承受运动过程中的附加力及产生的力矩；

转动摇杆，转轴一带动丝母旋转，通过丝母与丝套间的螺旋传动，将丝母的旋转运动转为丝套的上下运动，进而实现船模吃水深度的调节；

驱动电动缸，电动缸伸缩轴通过拐臂带动筒形座绕其轴线作周向往复转动，从而实现船模的艏摇运动；

俯仰轴端部的配重用于平衡另一端的天平，以避免因船模初始俯仰力矩过载而引起天平失衡损坏；

基座四侧壁上开有不同角度的多个孔，销轴将法兰与其中一个孔连接，以获得船模的不同初始横倾角。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明横荡运动机构的主视图。

图3为图2的侧视图。

图4为本发明调节机构的主视图。

图5为图4的俯视图。

图6为本发明天平测力机构的主视图。

图7为本发明转轴二、销轴和基座四的安装示意图。

其中：1、拖车；2、横荡运动机构；21、电机；22、导轨；23、滑块；24、支撑架；25、螺旋副；26、滚珠丝杠；27、连接板；28、L型板；3、调节机构；31、摇杆；32、盖板；33、转轴一；34、丝母；35、止旋螺钉；36、筒形座；37、丝套；38、轴承；39、支杆；310、基座一；311、电动缸；312、拐臂；313、插销；4、天平测力机构；41、基座二；42、天平；43、俯仰轴；44、基座三；45、转轴二；46、销轴；47、基座四；48、配重；49、法兰；5、横梁；6、轨道；7、船模；8、水面。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，包括拖车1，拖车1在自身动力下沿着轨道6运动，拖车1下方设置有船模7，船模7放置于水面8上，拖车1上安装有横荡运动机构2，横荡运动机构2上安装有调节机构3；船模7上沿前后方向固装有对称的天平测力机构4，两个天平测力机构4顶部之间连接有横梁5；调节机构3底部安装有支杆39，支杆39穿过拖车1并与横梁5中部固接。

横荡运动机构2的结构为：包括与拖车1固装的支撑架24，支撑架24上横向安装有对称的导轨22，两个导轨22上分别安装有沿其运动的滑块23，位于两个导轨22之间的支撑架24上安装有滚珠丝杠26，滚珠丝杠26上安装有螺旋副25，两个滑块23与螺旋副25共同固装有连接板27，连接板27上安装有L型板28，L型板28与调节机构3连接；位于滚珠丝杠26端部的支撑架24上安装有电机21，电机21驱动滚珠丝杠26旋转进而通过螺旋副25带动连接板27和L型板28随滑块23沿着导轨22横向运动。

导轨22为直线导轨，利用直线导轨作为横向往复运动的导向，其同时可承受运动过程中的附加力及产生的力矩。

调节机构3的结构为：包括轴承38，轴承38内圈与横荡运动机构2中的L型板28固接，轴承38外圈顶部安装有筒形座36；筒形座36顶部安装有盖板32，筒形座36内部安装有丝套37，丝套37内部安装有丝母34，丝套37向下伸出筒形座36并穿过轴承38，在端头安装有支杆39；丝母34中心固装有转轴一33，转轴一33向上贯穿盖板32并在端部安装有摇杆31；筒形座36与丝套37之间安装有止旋螺钉35；还包括基座一310，基座一310固装于L型板28上，基座一310上转动安装有电动缸311，筒形座36外侧壁上固装有拐臂312，电动缸311输出端与拐臂312之间通过插销313连接；电动缸311通过插销313带动拐臂312以筒形座36中心为圆心转动，进而带动筒形座36、丝套37和支杆39转动。

丝套37外壁上开有容纳止旋螺钉35的竖槽，丝套37与丝母34配合相对于筒形座36上下运动时，止旋螺钉35在竖槽内运动进而防止丝套37随丝母34跟转。

轴承38为回转支承轴承。

转动摇杆31，转轴一33带动丝母34旋转，通过丝母34与丝套37间的螺旋传动，将丝母34的旋转运动转为丝套37的上下运动，进而实现船模7吃水深度的调节；

驱动电动缸311，电动缸311伸缩轴通过拐臂312带动筒形座36绕其轴线作周向往复转动，从而实现船模7的艏摇运动。

天平测力机构4的结构为：包括与横梁5固接的基座二41，基座二41端部安装有俯仰轴43；俯仰轴43中部与基座二41转动连接，俯仰轴43一端安装有天平42，俯仰轴43另一端安装有配重48，配重48用于平衡另一端的天平42，以避免因船模7初始俯仰力矩过载而引起天平42失衡损坏；天平42底部固装有基座三44，基座三44端部转动安装有转轴二45，转轴二45两端部共同安装有基座四47，基座四47与船模7固装。

基座四47为“└┘”型结构，其两侧壁之间安装转轴二45，位于两侧壁内部的转轴二45上安装有法兰49；基座四47的侧壁上开有多个孔，多个孔位于与转轴二45轴线同心的圆上；法兰49与其中一个孔间安装有销轴46，进而设置船模7的初始横倾角。

结合图1，在实际使用过程中本发明的工作原理为：

横荡运动机构2在电机21驱动下通过L型板28依次带动调节机构3、横梁5和天平测力机构4横向运动，进而带动船模7横荡运动，即横向往复运行；

调节机构3依靠丝母34和丝套37之间的螺旋传动，将丝母34的转动转为丝套37的上下运动，进而支杆39、横梁5和天平测力机构4随丝套37上下动作，实现船模7吃水深度的调节；

调节机构3中电动缸311的输出端伸缩动作，带动拐臂312及筒形座36以筒形座36的轴线为中心作往复运动，从而丝套37与支杆39在止旋螺钉35的作用下随筒形座36一起转动，并带动与支杆39连接的横梁5、横梁5两端的天平测力机构4转动，进而实现船模7的艏摇运动，即偏航往复运动；

旋转转轴二45，将销轴46穿过法兰49及基座四47侧壁上的孔，将转轴二45相对于基座四47的转动角度固定，此时，从拖车1、横荡运动机构2、调节机构3、横梁5直至天平测力机构4，最终传至船模7上的作用力因转轴二45的转动角度而与竖直方向呈倾角，从而实现船模7初始横倾角的调整。

关于船舶运行中的方位及运动术语，解释如下：

船舶的艏-艉(前后)方向称纵向，左-右舷(左右)方向称横向，船的上甲板-船舱底(上下)方向称垂直方向；前后方向的晃动(窜动、荡)称为纵荡，左右方向的晃动(窜动、荡)称为横荡，上下方向的晃动(窜动、荡)称为垂荡；左右方向摇摆叫横摇，前后方向摇摆叫纵摇，船艏左右摇摆叫艏摇；晃动(荡)是平移，船的各个位置移动距离是一样的；摇摆(摇)是绕着一个看不见的轴在转，船的各个位置摇摆的角度是一样的，但位移距离不同。

横倾是船舶自正浮位置向右舷或左舷倾斜使左右舷吃水不等的浮态；横倾角是船舶横倾后中纵剖面与正浮时的中纵剖面的交角，即船横倾后的水线面与正浮时的水线面的交角。

运用本发明进行船模试验，试验效率高、综合性能好、经济性好，其大大促进了水面及近水面作周期横向振荡运动船模的流体动力试验研究。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，包括拖车（1），拖车（1）下方设置有船模（7），其特征在于：所述拖车（1）上安装有横荡运动机构（2），横荡运动机构（2）上安装有调节机构（3）；所述船模（7）上沿前后方向固装有对称的天平测力机构（4），两个天平测力机构（4）顶部之间连接有横梁（5）；所述调节机构（3）底部安装有支杆（39），支杆（39）穿过拖车（1）并与横梁（5）中部固接；

所述调节机构（3）的结构为：包括轴承（38），轴承（38）内圈与横荡运动机构（2）固接，轴承（38）外圈顶部安装有筒形座（36）；筒形座（36）顶部安装有盖板（32），筒形座（36）内部安装有丝套（37），丝套（37）内部安装有丝母（34），丝套（37）向下伸出筒形座（36）并穿过轴承（38），在端头安装有支杆（39）；所述丝母（34）中心固装有转轴一（33），转轴一（33）向上贯穿盖板（32）并在端部安装有摇杆（31）；所述筒形座（36）与丝套（37）之间安装有止旋螺钉（35）；还包括基座一（310），其上转动安装有电动缸（311），所述筒形座（36）外侧壁上固装有拐臂（312），电动缸（311）输出端与拐臂（312）之间通过插销（313）连接；所述电动缸（311）通过插销（313）带动拐臂（312）以筒形座（36）中心为圆心转动，进而带动筒形座（36）、丝套（37）和支杆（39）转动；

所述天平测力机构（4）的结构为：包括与横梁（5）固接的基座二（41），基座二（41）端部安装有俯仰轴（43）；俯仰轴（43）中部与基座二（41）转动连接，俯仰轴（43）一端安装有天平（42），俯仰轴（43）另一端安装有配重（48）；所述天平（42）底部固装有基座三（44），基座三（44）端部转动安装有转轴二（45），转轴二（45）两端部共同安装有基座四（47），基座四（47）与船模（7）固装。

2.如权利要求1所述的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，其特征在于：所述横荡运动机构（2）的结构为：包括与拖车（1）固装的支撑架（24），支撑架（24）上横向安装有对称的导轨（22），两个导轨（22）上分别安装有沿其运动的滑块（23），位于两个导轨（22）之间的支撑架（24）上安装有滚珠丝杠（26），滚珠丝杠（26）上安装有螺旋副（25），两个滑块（23）与螺旋副（25）共同固装有连接板（27），连接板（27）上安装有L型板（28），L型板（28）与调节机构（3）连接；位于滚珠丝杠（26）端部的支撑架（24）上安装有电机（21），电机（21）驱动滚珠丝杠（26）旋转进而通过螺旋副（25）带动连接板（27）和L型板（28）随滑块（23）沿着导轨（22）横向运动。

3.如权利要求2所述的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，其特征在于：所述导轨（22）为直线导轨。

4.如权利要求1所述的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，其特征在于：所述丝套（37）外壁上开有容纳止旋螺钉（35）的竖槽，丝套（37）与丝母（34）配合相对于筒形座（36）上下运动时，止旋螺钉（35）在竖槽内运动进而防止丝套（37）随丝母（34）跟转。

5.如权利要求1所述的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，其特征在于：所述轴承（38）为回转支承轴承。

6.如权利要求1所述的用于水面船模操纵性试验的平面运动机构，其特征在于：所述基座四（47）为“└┘”型结构，其两侧壁之间安装转轴二（45），位于两侧壁内部的转轴二（45）上安装有法兰（49）；所述基座四（47）的侧壁上开有多个孔，多个孔位于与转轴二（45）轴线同心的圆上；所述法兰（49）与其中一个孔间安装有销轴（46），进而设置船模（7）的初始横倾角。

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