CN110282076B - 一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种新型碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，包括：实验水池、碎冰发射机构、结构物固定机构、碎冰收集机构、碎冰传送机构和水循环机构。碎冰发射机构安装在实验水池的左端，用来发射碎冰块，并控制碎冰块的运动初速度。结构物固定机构安装在实验水池的中部，用来约束海洋结构物的运动。碎冰收集机构安装在实验水池的右端，通过滚轮的旋转运动，把碎冰块回收至碎冰传送机构上。碎冰传送机构安装在实验水池一侧，连接着实验水池的左端和右端。用来把碎冰收集机构收集的碎冰块回运至碎冰发射机构中，循环往复。水循环机构连接着实验水池的左右两端，通过泵的工作，实现水的循环流动。

Description

一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置

技术领域

本发明涉及浮冰与海洋结构物碰撞水池实验装置及方法，属于船舶制造技术领域。

背景技术

近年来，随着全球气候变暖，北极地区海冰覆盖面积和厚度不断减少，使得极地资源的开发利用逐渐成为现实可能。目前，人类对极地资源的开发正在不断深入，极地也已经成为了重要的战略要地。据公开资料表明，北极拥有着极其丰富的自然资源（13%的未探明石油储量、30%未开发的天燃气储量和9%的世界煤炭资源）。与丰富的矿产资源相比，北极航道的开辟更加诱人。对我国而言，开辟北极航道有着明显的距离优势，和传统航线相比，最多可以缩短50%的距离，从而可以快速地促进我国航运的发展。

随着北极地区自然资源和航道资源的开发，浮冰与海洋结构物碰撞问题日益凸显。由于海洋结构物与碎冰碰撞作用过程，尤其是连续碰撞过程，十分复杂，当前的理论公式和数值模拟方法很难给出合理的分析结果，而实船实验费用又非常昂贵，且环境变量难以控制。因此，开展相关的水池模型实验显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，具体技术方案如下：

所述的一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，包括：实验水池、碎冰发射机构、结构物固定机构、碎冰收集机构、碎冰传送机构和水循环机构；碎冰发射机构安装在实验水池的左上端，用来发射冰块，并控制冰块的运动初速度；结构物固定机构安装在实验水池的中部，用来约束海洋结构物的运动；碎冰收集机构安装在实验水池的右上端，通过滚轮的旋转，把碎冰块回收至碎冰传送机构上；碎冰传送机构安装在实验水池侧面，用来把碎冰收集机构收集的碎冰块回运到碎冰发射机构中，循环往复；水循环机构安装在实验水池的另一个侧面，通过泵的工作，实现水的循环流动及控制实验水池内水的流速。实验水池内水流从左向右匀速运动，冰块的初速度与水流速度相同。

优选的，所述的实验水池还包括池体、漏斗形导冰板和方形导冰板，池体设置于实验水池的中部；漏斗形导冰板设置于池体的左上端，并且设置有向上的倾角；方形导冰板设置于池体的右上端，并且设置有向下的倾角；池体的左上端及右上端的侧壁内侧上分别对称设置有阶梯孔。

优选的，所述的碎冰发射机构还包括：中心轴、滚筒、传送带、角接触球轴承和电机装配体；两个中心轴前后平行设置，分别与两个滚筒套接，两个滚筒设置在传送带的内侧；中心轴的左右两端分别设置有角接触球轴承，并一并安装在池体左上端的阶梯孔内；其中一个中心轴的左右两端分别设置有电机装配体；所述中心轴两端为阶梯状。通过中心轴的转动，带动滚筒旋转，从而带动传送带传动。

优选的，所述电机装配体还包括：电机、平行键、小齿轮和大齿轮；所述小齿轮与大齿轮上均设置有键槽；小齿轮通过平行键固定在电机上，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮通过平行键固定在中心轴上，通过电机的旋转、齿轮的啮合实现中心轴的旋转。

优选的，所述结构固定物还包括：底座、推力球轴承、转轴、固定板、销、大齿轮二、小齿轮二、平行键二和电机二；所述池体的底部有支撑架；所述底座的四个角上设置有螺纹孔，底座通过螺钉固定在池体底部的支撑架上，底座上表面设置有阶梯孔；推力球轴承安装在阶梯孔内并与转轴配合，固定板通过销固定在转轴的上端；转轴的轴肩处竖直设置有键槽，大齿轮二通过平行键二固定在转轴上，大齿轮二与小齿轮二啮合，小齿轮二通过平行键二与电机二相连，电机二竖直固定在底座的侧面。

优选的，所述的碎冰回收机构还包括：收集滚轮、中心轴二、角接触球轴承二和电机装配体二；收集滚轮是周围均匀分布有扇叶的圆柱体；中心轴二套接在收集滚轮的内部，中心轴二的左右两端分别配合有角接触球轴承二并共同安装在池体右上端的阶梯孔内；中心轴二的左右两端分别设置有电机装配体二。

优选的，所述的碎冰传送机构还包括底座、“U”型传送带、传送支架；支架固定在底座的上方，“U”型传送带固定在支架上；支架还包括转轴二、角接触球轴承三和电机-转轴装配体，支架的左右两侧均匀分布有阶梯孔，转轴二通过角接触球轴承三固定在阶梯孔内，电机-转轴装配体设置于支架的两端。

优选的，碎冰传送机构的右端设置于方形导冰板的下方，碎冰传送机构的左端设置于漏斗形导冰板的上方。

优选的，所述的水循环机构还包括泵和水管，两根水管的其中一端分别接在泵的出水口和入水口，两根水管的另一端分别连接实验水池的左端和右端。

有益效果：

本发明可以实现碎冰连续碰撞作用下海洋结构物受力和动力响应的水池模型实验研究，并可以根据实验需求，灵活地调整碎冰发射速度及其与结构物的相对碰撞位置。

附图说明

图1为本发明的机构示意图；

图2为本发明实验水池示意图；

图3为本发明碎冰发射机构示意图；

图4为本发明碎冰发射机构爆炸图；

图5为本发明电机装配体爆炸图；

图6为本发明结构物固定机构示意图；

图7为本发明结构物固定机构爆炸图；

图8为本发明碎冰收集机构示意图；

图9为本发明碎冰收集机构爆炸图；

图10为本发明碎冰传送机构示意图；

图11为本发明碎冰传送机构爆炸图；

图12为本发明碎冰传送机构局部爆炸图；

图13为本发明水循环机构示意图。

标示说明：1：碎冰发射机构；2：结构物固定机构；3：碎冰收集机构；4：碎冰传送机构；5：水循环机构；6：实验水池；1-1：中心轴；1-2：滚筒；1-3：传送带；1-4：角接触球轴承；1-5：电机装配体；1-5-1：电机；1-5-2：平行键；1-5-3：大齿轮；1-5-4：小齿轮；2-1：底座；2-2：推力球轴承；2-3：转轴；2-4：固定板；2-5：销；2-6-1：大齿轮二；2-6-2：小齿轮二；2-7：平行键二；2-8：电机二；3-1：收集滚轮；3-2：中心轴二；3-3：角接触球轴承二；3-4：电机装配体二；4-1：底座；4-2：传送支架；4-3：“U”型传送带；4-4：电机-转轴装配体；4-4-1：角接触球轴承三；4-4-2：转轴二；4-4-3：电机装配体三；5-1：泵；5-2：水管；6-1：支撑架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1及图13所示，所述的一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，包括：实验水池6、碎冰发射机构1、结构物固定机构2、碎冰收集机构3、碎冰传送机构4和水循环机构5；碎冰发射机构3安装在实验水池6的左上端，用来发射冰块，并控制冰块的运动初速度；结构物固定机构2安装在实验水池6的中部，用来约束海上结构物的运动；碎冰收集机构3安装在实验水池6的右上端，通过滚轮的旋转，把碎冰块回收至碎冰传送机构上3；碎冰传送机构3安装在实验水池6侧面，用来把碎冰收集机构4收集的碎冰块回运到碎冰发射机构1中，循环往复；水循环机构5安装在实验水池6的另一个侧面，通过泵5-1的工作，实现水的循环流动。

如图1及图2所示，所述的实验水池6还包括池体、漏斗形导冰板和方形导冰板，池体设置于实验水池的中部；漏斗形导冰板设置于池体的左上端，并且设置有向上的倾角；方形导冰板设置于池体的右上端，并且设置有向下的倾角；池体的左上端及右上端的侧壁内侧上分别对称设置有阶梯孔。

如图3及图4所示，所述的碎冰发射机构1还包括：中心轴1-1、滚筒1-2、传送带1-3、角接触球轴承1-4和电机装配体1-5；两个中心轴1-1前后平行设置，分别与两个滚筒1-2套接，两个滚筒1-2设置在传送带1-3的内侧；中心轴1-1的左右两端分别设置有角接触球轴承1-4，并一并安装在池体左上端的阶梯孔内；其中一个中心轴1-1的左右两端分别设置有电机装配体1-5；所述中心轴1-1两端为阶梯状。通过中心轴1-1的转动，带动滚筒1-2旋转，从而带动传送带1-3传动。

如图5所示，所述电机装配体1-5还包括：电机1-5-1、平行键1-5-2、小齿轮1-5-4和大齿轮1-5-3；所述小齿轮1-5-4与大齿轮1-5-3上均设置有键槽；小齿轮1-5-4通过平行键固定在电机1-5-1上，小齿轮1-5-4与大齿轮1-5-3啮合，大齿轮1-5-3通过平行键固定在中心轴1-1上，通过电机1-5-1的旋转、齿轮的啮合实现中心轴1-1的旋转。

如图6及图7所示，所述结构固定物2还包括：底座2-1、推力球轴承2-2、转轴2-3、固定板2-4、销2-5、大齿轮二2-6-1、小齿轮二2-6-2、平行键二2-7和电机二2-8；所述池体的底部有支撑架6-1；所述底座2-1的四个角上设置有螺纹孔，底座2-1通过螺钉固定在池体底部的支撑架6-1上，底座2-1上表面设置有阶梯孔；推力球轴承2-2安装在阶梯孔内并与转轴2-3配合，固定板2-4通过销2-5固定在转轴2-3的上端；转轴2-3轴肩处竖直设置有键槽，大齿轮二2-6-1通过平行键二2-7固定在转轴2-3上，大齿轮二2-6-1与小齿轮二2-6-2啮合，小齿轮二2-6-2通过平行键二2-7与电机二2-8相连，电机二2-8竖直固定在底座2-1的侧面。

如图8及图9所示，所述的碎冰回收机构4还包括：收集滚轮3-1、中心轴二3-2、角接触球轴承二3-3和电机装配体二3-4；收集滚轮3-1是周围均匀分布有扇叶的圆柱体；中心轴二3-2套接在收集滚轮3-1的内部，中心轴二3-2的左右两端分别配合有角接触球轴承二3-3并共同安装在池体右上端的阶梯孔内；中心轴二3-2的左右两端分别设置有电机装配体二3-4，电机装配体二3-4与碎冰发射机构的电机装配体1-5结构相同。

如图10、图11及图12所示，所述的碎冰传送机构4还包括底座4-1、“U”型传送带4-3、传送支架4-2；传送支架4-2固定在底座4-1的上方，“U”型传送带4-3固定在传送支架4-2上；传送支架4-2还包括转轴二4-4-2和角接触球轴承三4-4-1和电机-转轴装配体4-4，传送支架4-2的左右两侧均匀分布有阶梯孔，转轴二4-4-2通过角接触球轴承三4-4-1固定在阶梯孔内，电机-转轴装配体4-4设置于传送支架4-2的两端；碎冰传送机构4的右端设置于方形导冰板的下方，碎冰传送机构4的左端设置于漏斗形导冰板的上方。

如图13所示，所述的水循环机构5还包括泵5-1和水管5-2，两根水管5-2的其中一端分别接在泵5-1的出水口和入水口，两根水管5-2的另一端分别连接实验水池6的左端和右端。

本发明的碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，碎冰块通过实验水池6左端滑到碎冰发射机构1上，碎冰发射机构1通过电机1-5-1的旋转，带动传送带1-3转动，从而控制碎冰块发射的初速度。碎冰块在水流的作用下往前运动，并与实验目标发生碰撞。实验目标被放置在结构物固定机构2上，通过电机2-8的旋转，可以改变碎冰块的撞击位置。同时，实验目标上安装有传感器，用来检测实验目标的姿态，便于后处理。撞击过的碎冰块继续前进，被碎冰收集机构3收集，回收到碎冰传送机构4的传送带4-3上。电机旋转，带动传送带运动。碎冰块被传送到实验水池6的左端，然后在重力的作用下，滑到碎冰发射机构1中，循环往复。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围。

Claims (7)

1.一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，包括：实验水池、碎冰发射机构、结构物固定机构、碎冰收集机构、碎冰传送机构和水循环机构；碎冰发射机构安装在实验水池的左上端，结构物固定机构安装在实验水池的中部，碎冰收集机构安装在实验水池的右上端，碎冰传送机构安装在实验水池侧面，水循环机构安装在实验水池的另一个侧面；所述的碎冰发射机构还包括：中心轴、滚筒、传送带、角接触球轴承和电机装配体；两个中心轴前后平行设置，分别与两个滚筒套接，两个滚筒设置在传送带的内侧；中心轴的左右两端分别设置有角接触球轴承，并一并安装在池体左上端的阶梯孔内；其中一个中心轴的左右两端分别设置有电机装配体；所述中心轴两端为阶梯状所述的碎冰传送机构还包括底座、“U”型传送带、传送支架；传送支架固定在底座的上方，“U”型传送带固定在传送支架上；传送支架还包括转轴二、角接触球轴承三和电机-转轴装配体，传送支架的左右两侧均匀分布有阶梯孔，转轴通过角接触球轴承固定在阶梯孔内，电机-转轴装配体设置于支架的两端。

2.根据权利要求1所述的一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，所述的实验水池还包括池体、漏斗形导冰板和方形导冰板，池体设置于实验水池的中部；漏斗形导冰板设置于池体的左上端，并且设置有向上的倾角；方形导冰板设置于池体的右上端，并且设置有向下的倾角；池体的左上端及右上端的侧壁上分别对称设置有阶梯孔。

3.如权利要求1所述的一种碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，所述电机装配体还包括：电机、平行键、小齿轮和大齿轮；所述小齿轮与大齿轮上均设置有键槽；小齿轮通过平行键固定在电机上，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮通过平行键固定在中心轴上。

4.如权利要求1所述的碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，所述结构固定物还包括：底座、推力球轴承、转轴、固定板、销、大齿轮二、小齿轮二、平行键二和电机二；所述池体的底部有支撑架；所述底座的四个角上设置有螺纹孔，底座通过螺钉固定在池体底部的支撑架上，底座上表面设置有阶梯孔；推力球轴承安装在阶梯孔内并与转轴配合，固定板通过销固定在转轴的上端；转轴的轴肩处竖直设置有键槽，大齿轮二通过平行键二固定在转轴上，大齿轮二与小齿轮二啮合，小齿轮二通过平行键二与电机二相连，电机二竖直固定在底座的侧面。

5.如权利要求1所述的碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，所述的碎冰回收机构还包括：收集滚轮、中心轴二、角接触球轴承二和电机装配体二；收集滚轮是周围均匀分布有扇叶的圆柱体；中心轴二套接在收集滚轮的内部，中心轴二的左右两端分别配合有角接触球轴承二并共同安装在池体右上端的阶梯孔内；中心轴二的左右两端分别设置有电机装配体二。

6.如权利要求1所述的碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，碎冰传送机构的右端设置于方形导冰板的下方，碎冰传送机构的左端设置于漏斗形导冰板的上方。

7.如权利要求1所述的碎冰与海洋结构物连续碰撞水池实验装置，其特征在于，所述的水循环机构还包括泵和水管，两根水管的其中一端分别接在泵的出水口和入水口，两根水管的另一端分别连接实验水池的左端和右端。

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