CN110696992B

CN110696992B - 一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置

Info

Publication number: CN110696992B
Application number: CN201911030197.2A
Authority: CN
Inventors: 李志富; 祖建峰; 王志东; 朱信尧; 陈永强
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: CN110696992A

Abstract

本发明属于船舶与海洋工程装备设计制造技术领域，具体地说，一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，包括垂向振荡机构、横移机构、纵移机构、监测系统和控制系统。垂向振荡机构由四组相同的曲柄摇杆机构组成，用于产生垂向的脉动载荷；横移机构通过底部滑轮安装在纵移机构的支架上，用于带动垂向振荡机构横向移动；纵移机构安装在两侧轨道上，用于带动机构纵向移动；监测系统主要由传感器阵列构成，用于采集冰况和压力信息；控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制上述机构的运作。

Description

一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程装备设计制造技术领域，具体地说，一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置。

背景技术

随着全球气候变暖，北冰洋航线的开通在未来逐渐成为现实可能。北极航道通常分为两条航道，即：加拿大沿岸的“西北航道”和西伯利亚沿岸的“东北航道”。北极航道开通以后，中国至欧洲和北美东岸的航程可以大大缩短，这将极大地降低商业运输成本，提高营运效率。对穿梭于北冰洋航线的商业运输船舶，在船舶设计建造阶段一般考虑相应的冰区加强，以抵抗海冰的碰撞载荷。然而，当冰况较为恶劣时，通常需要破冰船的辅助引航方能同行。

气垫破冰船作为破冰船中的一种，其不仅具有破冰效率高、能源消耗低的优点，同时还能适用于浅水水域和复杂海底地形环境下的破冰作业。目前，美国、加拿大和俄罗斯等国已经将气垫破冰船投入工程应用，并取得了较为满意的效果。气垫破冰船在作业过程中，可将其视为作用于海冰表面的载荷，载荷沿冰体表面移动时，会诱导冰层产生弹性弯曲重力波，当载荷移动速度达到某一临界值时，会诱导冰层产生最大弯曲应力，当应力超过破坏极限时，冰层便会发生弯曲破坏，从而达到破冰目的。

然而，极地地区的海冰形态十分复杂，不仅其物理特性（如弹性模量等）沿水平空间非均匀分布，其厚度也会发生变化。当前，数值仿真分析还很难给出令人满意的预报精度，迫切需要开展相关的水池模型实验研究，以为气垫破冰船的设计研发和船型优化提供支撑。

发明内容

为了解决上述技术问题，针对气垫破冰船研发过程中对相关冰水池模型实验的迫切需求，本发明目的是提供一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，包括垂向振荡机构、横移机构、纵移机构、监测系统和控制系统。垂向振荡机构由四组相同的曲柄摇杆机构组成，用于产生垂向的脉动载荷；横移机构通过底部滑轮安装在纵移机构的支架上，用于带动垂向振荡机构横向移动；纵移机构安装在两侧轨道上，用于带动机构纵向移动；监测系统主要由传感器阵列构成，用于采集冰况和压力信息；控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制上述机构的运作。

作为优选，垂向振荡机构由四组相同的曲柄摇杆机构组成；曲柄摇杆机构的曲柄为伸缩杆；曲柄的两侧轴与角接触球轴承配合并一同安装在底板上。

作为优选，垂向振荡机构的底板底部安装有四组相同的滑轮机构；滑轮机构主要由四个滑轮组成，并且与横移机构中安装架的圆杆配合，用于减少垂向振荡机构横移的摩擦力。

作为优选，横移机构的两端各安装了一个绞盘；绞盘中的缆绳一端缠绕在绞盘上，一端固定在垂向振荡机构的底板上；横移机构的安装架两侧底部安装了与垂向振荡机构底板下部一样的滑轮机构。

作为优选，纵移机构的两侧圆杆支架两端设有绞盘，绞盘的驱动方式与横移机构的绞盘驱动方式相同；纵移机构前后端安装有圆杆，起到固定支架的作用。

作为优选，纵移机构的圆杆架下部安装有四根伸缩杆，用于调整实验装置运转的初始位置；纵移机构的底部设有导轨，底部滚轮安装在导轨中。

作为优选，监测系统包括拉压力传感器、冰厚传感器和信号发射器。拉压力传感器安装在垂向振荡机构中作用杆的底部；冰厚传感器安装在冰层上；信号发射器用于把监测系统收集的信息传送给控制系统。

作为优选，控制系统包括信号接收器、CPU和信号发射器。信号接收器接收监测系统采集的信息，并将信息传输给CPU分析和处理并作出判断；CPU将控制指令通过信号发射器传送给各个机构，从而调整实验装置的横向和纵向的移动速度以及垂向脉动载荷的脉动频率和幅值。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，不仅能够产生作用于冰层上的移动脉动载荷，同时可以根据实验要求灵活地调整作用于冰层上载荷的幅值、脉动频率和移动路径，从而达到在冰水池中探究移动载荷破冰机理的目的。

附图说明

图1为本发明实验装置的示意图。

图2为本发明垂向振荡机构示意图。

图3为本发明垂向振荡机构背部示意图。

图4为本发明曲柄摇杆机构爆炸图。

图5为本发明电机装配体爆炸图。

图6为本发明滑轮装配体示意图。

图7为本发明横移机构示意图。

图8为本发明横移机构背部示意图。

图9为本发明横移机构爆炸图。

图10为本发明纵移机构示意图。

图11为本发明纵移机构局部示意图。

图中：1-垂向振荡机构，2-横移机构，3-纵移机构，11-底板，12摇杆，13-曲柄，14-作用杆，15-角接触球轴承，16-电机装配体，161-电机，162-平行键，163-小齿轮，164-大齿轮，17-滑轮装配体，171-支架，172-销轴，173-滑轮，18-接触板21-安装架，22-绞盘，23-角接触球轴承，24-销轴，25-中心轴，26-滑轮装配体，27-电机装配体，31-圆杆架，32-绞盘，33-伸缩杆，34-销轴，35-滚轮。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，如图1所示。该实验装置包括：垂向振荡机构1、横移机构2、纵移机构3、监测系统和控制系统。垂向振荡机构1由四组相同的曲柄摇杆机构组成，用于产生垂向的脉动载荷；横移机构2通过底部滑轮安装在纵移机构3的支架上，用于带动垂向振荡机构1横向移动；纵移机构3安装在两侧轨道36上，用于带动机构纵向移动；监测系统主要由传感器阵列构成，用于采集冰况和压力信息；控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制上述机构的运作。

如图2-图6所示，垂向移动机构1由四组相同的曲柄摇杆机构和接触板18组成。曲柄摇杆机构包括：底板11、摇杆12、曲柄13、作用杆14、角接触球轴承15、电机装配体16和滑轮装配体17。曲柄13、摇杆12和作用杆14两两配合并一同安装在底板11的支架上。曲柄13的两侧轴与角接触球轴承15配合并与电机装配体16连接。底板11底部安装有四组滑轮装配体17，横移机构2的两侧圆杆与之配体，用于减少横移的摩擦力。四组曲柄摇杆机构的作用杆14底部通过销轴共同与接触板18连接，接触板18的形状可以根据气垫船的形状进行改变。

电机装配体16包括：电机161、平行键162、小齿轮163、大齿轮164。小齿轮163留有键槽，通过平行键162安装在电机161的输出轴上。大齿轮163安装在曲柄的两侧轴上并与小齿轮164啮合。

滑轮装配体17包括：支架171、销轴172和滑轮173。支架171成矩形边框，内侧设有安装支架。滑轮173与销轴172配合并一同安装在支架171的内侧。

如图7-图9所示，横移机构2包括：安装架21、绞盘22、角接触球轴承23、销轴24、中心轴25、滚轮装配体26和电机装配体27。安装架21主要由两根圆杆组成，两根圆杆的两侧通过板筋连接在一起。板筋的上端设有安装支架。绞盘22与中心轴25配合并通过销轴24固定。绞盘上缠绕有缆绳，缆绳的另一端固定在垂向振荡机构1中的底板11上。绞盘22的两侧分布有角接触球轴承23并一同安装在安装架的支架上。中心轴25的另一端与电机装配体27连接，电机装配体27构件与垂向振荡机构1中的电机装配体16相同。安装架21板筋的下端安装有四组相同滑轮装配体26，其构件与垂向振荡机构中的滑轮装配体17相同。

如图10和图11所示，纵移机构3包括：圆杆架31、绞盘32、销轴34、伸缩杆33、滚轮35和轨道36。圆杆架31主要由四根圆杆组成，两两圆杆的交界处上下设有支架。绞盘32与销轴34配合并一同安装在上端支架上，绞盘32上缠绕有缆绳，缆绳另一端固定在横移机构2中的安装架21上。绞盘32的驱动方式与横移机构2中的绞盘驱动方式相同。伸缩杆33与销轴34配合并一同安装在圆杆架31的下端支架上。伸缩杆33的另一端安装有滚轮35，滚轮35安装在两侧导轨36上，用于在导轨上纵向匀速移动。

监测系统包括：拉压力传感器、冰厚传感器和信号发射器。拉压力传感器安装在垂向振荡机构中作用杆的尾端，用于测量曲柄摇杆机构运转时作用在冰层上的压力以及作用杆14产生的拉力。冰厚传感器安装在冰面上，用于测量冰厚。信号发射器用于把收集的信息传送给控制系统。

控制系统包括：信号接收器、CPU和信号发射器。信号接收器接收监测系统采集的信息，交与CPU进行数值处理和分析并作出判断。然后信号发射器发出命令，控制实验装置横向和纵向的移动速度以及垂向脉动载荷的脉动频率和幅值。

本实施例的具体工作原理：监测系统利用冰厚传感器探测冰面的厚度，然后控制系统根据监测系统采集的信息下达控制指令。纵移机构3的伸缩杆33通过伸缩到达垂向振荡机构1运转的初始位置，电机装配体16开始通电工作，通过齿轮的啮合带动垂向振荡机构1的曲柄摇杆机构工作，产生垂向的脉动载荷，通过改变电机161的转速调整脉动载荷的脉动频率。由于曲柄13是伸缩杆，通过曲柄13长度的变化来改变垂向脉动载荷的幅值。横移机构2和纵移机构3通过两侧绞盘旋转带动缆绳的收缩，从而调整实验装置横向和纵向移动速度。纵移机构3的下端滚轮35始终保持匀速在导轨36上运动。拉压力传感器记录下实验装置作用于冰层的压力以及作用杆14产生的拉力，便于后处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于，包括垂向振荡机构、横移机构、纵移机构、监测系统和控制系统，所述垂向振荡机构由四组相同的曲柄摇杆机构组成，用于产生垂向的脉动载荷；所述横移机构通过底部滑轮安装在所述纵移机构的支架上，用于带动垂向振荡机构横向移动；所述纵移机构安装在两侧轨道上，用于带动机构纵向移动；所述监测系统主要由传感器阵列构成，用于采集冰况和拉压力信息；所述控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制上述垂向振荡机构、横移机构、纵移机构的运作，所述曲柄摇杆机构的曲柄为伸缩杆，所述曲柄的两侧轴与角接触球轴承配合并一同安装在底板上；所述垂向振荡机构的底板底部安装有四组相同的滑轮机构，所述滑轮机构主要由四个滑轮组成，并且与横移机构中安装架的圆杆配合，用于减少垂向振荡机构横移的摩擦力。

2.如权利要求1所述的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于，所述横移机构的两端各安装了一个绞盘，所述绞盘中的缆绳一端缠绕在绞盘上，一端固定在垂向振荡机构的底板上，所述横移机构的安装架两侧底部安装了与垂向振荡机构底板下部一样的滑轮机构。

3.如权利要求2所述的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于，所述纵移机构的圆杆支架两端设有绞盘，绞盘的驱动方式与横移机构的绞盘驱动方式相同，所述纵移机构前后端安装有圆杆，起到固定支架的作用。

4.如权利要求3所述的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于，所述纵移机构的圆杆架下部安装有四根伸缩杆，用于调整实验装置运转的初始位置，所述纵移机构的底部设有导轨，底部滚轮安装在导轨中。

5.如权利要求1所述的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于，监测系统包括拉压力传感器、冰厚传感器和信号发射器，所述拉压力传感器安装在垂向振荡机构中作用杆的底部，所述冰厚传感器安装在冰层上，所述信号发射器用于把监测系统收集的信息传送给控制系统。

6.如权利要求1所述的用于移动脉动载荷破冰研究的冰水池实验装置，其特征在于：所述控制系统包括信号接收器、CPU和信号发射器，所述信号接收器接收监测系统采集的信息，并将信息传输给CPU分析和处理并作出判断，所述CPU将控制指令通过信号发射器传送给各个机构，从而调整实验装置的横向和纵向的移动速度以及垂向脉动载荷的脉动频率和幅值。