CN113029520A - 一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置，包括水槽，在水槽的上方安装有动力模块、传动模块；动力模块通过传动模块与一个位于水槽内的旋转杆中心位置相连，驱动旋转杆旋转；在所述旋转杆的至少一端可拆卸连接一个角度调节结构，角度调节结构底部通过夹具与水下机械臂相连；在水下机械臂上设有加速度传感器，水槽内安装有流速计；流量计以及加速度传感器与数据处理装置相连，数据处理装置与显示装置相连。

Description

一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置

技术领域

本发明属于流体力学领域，具体涉及一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置。

背景技术

涡激振动是自然界普遍存在的一种现象。从流体角度分析，所有柱状结构，在一定的流速下都会在结构两侧交替地产生脱离结构表面的旋涡。当这种漩涡的发放频率与结构自振频率接近时，就会发生频率锁定。频率锁定现象极易引起水下结构的损坏，从而造成不可挽回的环境破坏与经济损失。

水下机械臂作为典型的柱体结构，在海洋捕捞、资源探索等方面起到了不容忽视的作用。当水下机械臂受到涡激振动时，会导致水下机械臂的运动发生偏移，从而影响其水下捕捞作业的稳定性，影响工作效率。所以说，研究涡激振动对于实际生产具有重要意义，它可以为水下机械臂的设计与优化提供保障与参考。我们所研究的水下机械臂的涡激振动参数主要包括振动位移、响应幅值、模态特征等。

目前为止，研究水下结构涡激振动的方法主要有三种：数值仿真，经验模型与模型试验。数值仿真与经验模型的研究结果可以作为理论参考，与真实环境下的涡激振动相比仍在一定差距。模型试验作为一种可靠、有效的研究方法，更接近实际流场，一直受到研究者的青睐。现有的涡激振动试验测试大多在大型拖曳试验水槽中进行，场地的造流系统主要分为循环造流水泵与大型拖车。循环造流水泵可以制造不同流速、不同流向的水流。拖车可以拖动水下结构在大型试验水槽作往复运动，用水下结构与静水的相对运动模拟比较平稳的水流。此外，以往试验数据采集与分析的方法是采用光纤光栅传感器收集在某一时刻、位置的应变信息，通过振型函数叠加原理、梁理论等关系式列出方程组，求解确定各阶模态的权系数，带入叠加方程后得到振动位移，进而分析振动频率、响应幅值与模态特征，最终达到研究水下结构涡激振动的目的。然而这些试验仍然存在一些不足之处：

1.造流水泵的流速不易控制，而大型拖曳试验需要足够的空间供拖车航行，对场地要求高，建造成本较大。此外，由于需要驱动大型航车，所以也存在体积大，结构复杂的问题。

2.试验测试路线为直线式，当拖车行驶至试验水池边界时需要变换方向行驶，十分不便，同时也无法连续测试水下结构涡激振动。

3.当拖曳速度较快时，会导致测试时间短，测试结果不够准确。

4.试验测试中往往忽略了水下结构的运动姿态，就水下机械臂而言，在实际工作中是时刻运动的，这些试验装置无法测量水下结构在不同运动状态的涡激振动。

5.试验装置调速形式单一，只能通过改变拖车的速度或者调节造流水泵来达到调速目的，调速范围较小。

6.测试结构位置固定，在试验中不易改变测试结构的安装位置与水流的方向，通常只能模拟一个工况。

7.试验一般采用光纤光栅传感器，在恶劣环境中或者受外力较大时容易破坏，寿命较短。

发明内容

为了解决上述不足并得到水下机械臂准确的涡激振动参数，本发明提供了一种连续式涡激振动试验测试装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置，包括水槽，在水槽的上方安装有动力模块、传动模块；所述的动力模块通过传动模块与一个位于水槽内的旋转杆中心位置相连，驱动旋转杆旋转；在所述旋转杆的至少一端可拆卸连接一个角度调节结构，所述的角度调节结构底部通过夹具与水下机械臂相连；在所述的水下机械臂上设有加速度传感器，水槽内安装有流速计；所述的流速计以及加速度传感器与数据处理装置相连，所述的数据处理装置与显示装置相连。

作为进一步的技术方案，所述的旋转杆上设有刻度值。

作为进一步的技术方案，所述的角度调节结构包括上调节块和下调节块，上调节块和下调节块上均设有一个弧形槽和一个通孔，螺栓穿过两个弧形槽和两个通孔实现上调节块和下调节块相对位置的固定。

作为进一步的技术方案，所述的上调节块包括矩形块、一个圆盘和半圆块，矩形块垂直固定在圆盘的顶部，半圆块固定在圆盘底部，矩形块上设有一个通孔，该通孔供旋转杆穿过，在矩形块的侧壁上设有紧固件，紧固件用于固定矩形块与旋转杆的相对位置；在半圆块上设有弧形槽和通孔。

作为进一步的技术方案，下调节块包括一个圆盘和半圆块，半圆块垂直固定在圆盘的顶部，在该半圆块上也设有一个弧形槽和一个通孔。圆盘上有螺栓孔，用来固定夹具。

作为进一步的技术方案，所述水槽放置在支撑架内。

作为进一步的技术方案，所述的动力模块、传动模块固定在支撑板上，所述支撑板固定在支撑架顶部。

作为进一步的技术方案，当仅在旋转杆一端设置角度调节结构和水下机械臂时，另一端设置一个配重。

作为进一步的技术方案，所述的水下机械臂包括两个臂段，两个臂段的夹角可调整。

本发明有益效果是：

1.本装置与大型拖车相比较而言结构简单，模块化设计使得装置容易拆装，整体装置占地面积小。

2.试验测试路线为圆周运动，可以连续测试水下机械臂的涡激振动，测试时间长，结果较准确。

3.调整水下机械臂的姿态或者角度调节结构可以改变水下机械臂的倾斜角度，以上两种方法均可模拟水下机械臂不同的抓取运动姿态，更加符合真实情况。

4.本装置中的夹具拆卸方便，通过更改夹具可以更换不同尺寸、形状的水下结构，从而应对更多类型水下机械臂。

5.本装置调速方式有两种，一是改变电机的转速，二是通过改变角度调节结构与旋转杆的相对位置，两种调速方式相辅相成，调速范围大，可以满足更多不同场合的流速测试需求。

6.当水下机械臂垂直放入水中运动，可以模拟均匀流的水流形式；当水下机械臂倾斜某些角度在水中运动时，可以模拟复杂的水流形式。

7.采用加速度传感器采集水下机械臂的加速度，通过计算得到其速度与位移，数据分析方便，同时加速度传感器使用寿命长，抗干扰能力强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的轴测图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明的试验台示意图。

图6为本发明的旋转杆示意图。

图7为本发明的支撑架示意图。

图8为本发明的滑环示意图。

图9为本发明的角度调节结构示意图。

图10为本发明的角度调节结构的正视图。

图11为本发明的角度调节结构的侧视图。

图12为本发明的角度调节结构的俯视图。

图中：1伺服电机，2支撑板，3第一连轴器，4减速器，5传动杆，6第二联轴器，7第二法兰盘,8轴承座，9深沟球轴承，10滑环，11机械臂，12显示器，13第一法兰盘，14旋转杆，15夹具，16角度调节结构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术部分所描述的，现有的涡激振动试验测试存在一些问题，例如：造流水泵的流速不易控制，而大型拖曳试验需要足够的空间供拖车航行，对场地要求高，建造成本较大。此外，由于需要驱动大型航车，所以也存在体积大，结构复杂的问题。试验测试路线为直线式，当拖车行驶至试验水池边界时需要变换方向行驶，十分不便，无法连续测试水下结构涡激振动。当拖曳速度较快时，会导致测试时间短，测试结果不够准确。试验测试中往往忽略了水下结构的运动姿态，就水下机械臂而言，在实际工作中是时刻运动的，这些试验装置无法测量水下结构在不同运动状态的涡激振动，等等。

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种易于拆装、使用简单，能够连续测试不同尺寸、不同形状的水下机械臂在不同流速、不同水流形式的涡激振动的试验装置。

具体的，本实施例提出的一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置，整体上包括动力模块、传动模块、装夹模块、水下机械臂、测量模块、支撑模块。动力模块为整个装置提供所需的动力，传动模块与动力模块相连，实现动力的传动；装夹模块与传动模块相连，用于实现水下机械臂的装夹，测量模块安装在水下机械上，支撑模块用于支撑整个装置。

进一步的，结合附图，本实施例中对上述各个模块的具体结构进行进一步的说明：

其中动力模块包括伺服电机1与转速调节系统，所述的转速调节系统未在附图中给出，转速调节系统用于调节伺服电机1的转速；

传动模块包括传动杆5、第一联轴器3、减速器4、第二联轴器6、轴承座8、深沟球轴承9、第一法兰盘13、第二法兰盘7；支撑模块包括支撑板2、支撑架；装夹模块包括旋转杆14、角度调节结构16、夹具15，机械臂包括水下机械臂；测量模块包括滑环10、导线、加速度传感器、流速计、显示器12等。

各个部件的连接关系以及对应的位置关系如下：

伺服电机1通过第一连轴器3连接减速器4的输入轴，减速器4通过螺栓固定在支撑板2上，减速器4的输出轴与传动杆5通过第二联轴器6进行连接，第二联轴器6下方为第一法兰盘13，第一法兰盘13下方为轴承座8，轴承座8通过螺栓固定在支撑板2上，且轴承座8内固定深沟球轴承9，传动杆5下方是滑环10，同时滑环的导线连接机械臂11与显示器12，滑环下方是第二法兰盘7。第二法兰盘7的目的是与旋转杆14连接，夹具15通过角度调节结构16与旋转杆14连接。

进一步的，上述的滑环10通过紧定螺丝固定在传动杆5上，滑环10定子导线连接显示器12，转子导线连接加速度传感器并固定在机械臂11上。

进一步的，旋转杆14的转速通过伺服电机1的转速调节，通过伺服电机控制旋转杆14的转速，可以实现机械臂在水槽中的转速控制，以进行不同的转速试验。

进一步的，本实施例中旋转杆14还设有刻度，以显示机械臂转动的半径大小，该刻度值可以设置成，旋转杆14的中心为0值，从中心0值开始向旋转杆14两端刻度值逐渐增大，设置成这种方式，可以很快读出机械臂转动的半径大小。

进一步的，上述的角度调节结构16与旋转杆14之间可拆卸式连接，两者之间的相对位置可调；具体的角度调节结构16上部通过紧定螺丝固定在旋转杆14上，下部通过螺栓连接夹具15。调整合适角度后使用螺栓固定，方便测量复杂水流对于水下机械臂涡激振动的影响。在本实施例中仅仅在旋转杆的一端放置角度调节结构，不难理解的，在其他实施例中，旋转杆14两端还都可放置角度调节结构16与夹具15，将机械臂完全置于水中测试涡激振动。当仅在旋转杆一端设置角度调节结构和水下机械臂时，旋转杆的另一端设置一个配重，保持旋转杆的平衡。

旋转杆上带有刻度并且两端对称，其可调节范围从50mm到750mm。用水下机械臂与静水的相对运动的模拟运动水流，根据刻度杆上不同的装夹位置来实现旋转杆不同流速的控制。具体的，在刻度杆上不同的装夹对应着不同的角速度，通过角速度与线速度的关系公式可以实现不同流速的控制。

进一步的，所述的角度调节结构16的结构如图9所示，包括上调节块16-1和下调节块16-2，上述的上调节块16-1包括矩形块、一个圆盘和半圆块，所述的矩形块垂直固定在圆盘的顶部，半圆块固定在圆盘底部，矩形块上设有一个矩形通孔，该矩形通孔供旋转杆14穿过，在矩形块的侧壁上设有紧固螺栓，紧固螺栓用于固定矩形块与旋转杆14的相对位置；在半圆块上设有弧形槽和通孔。下调节块16-2也包括一个圆盘和一个半圆块，半圆块垂直固定在圆盘的顶部，在该半圆块上也设有一个弧形槽和一个通孔，圆盘上有螺栓孔可以连接夹具。通过调节上调节块16-1和下调节块16-2之间的相对位置，然后通过螺栓固定，可以实现水下机械臂装夹角度的调整。

角度调节结构由固定在刻度杆上的上调节块与连接夹具的下调节块两部分组成。上调节块通过紧定螺钉固定在刻度杆上，下调节块通过螺栓连接夹具。角度调节结构两部分都有弧形槽与通孔。角度调节结构两部分在安装时，通孔负责定位，使用螺栓连接。弧形槽使用螺栓，利用摩擦力将两部分固定。角度调节结构在特殊位置，如30°、45°、60°角度处有标记，方便使用时快速定位并固定。弧形槽的存在使得角度调节机构可以实现自由调节，从而达到任意角度测试的目的。使用角度调节结构改变水下机械臂在水中的倾角，可以模拟更加复杂的水流形式。水下机械臂种类繁多，角度调节结构的下调节块通过螺栓可以更换不同形式的夹具，根据试验需求测试不同形状、不同尺寸水下机械臂，应对不同的工作场合。

上述的下调节块16-2与夹具15相连，夹具15为常见的三卡爪夹具，用于夹持水下机器臂。

进一步的，水下机械臂包括两个臂段，两个臂段的夹角可调整。通过改变臂段的夹角或者调整角度调节结构来改变水下机械臂的姿态均可模拟水下机械臂不同的抓取运动状态，更加符合真实情况。

进一步的，在进行实际试验时，还需要设置一个水槽，在水槽内还设有流速计，流速计用防水胶带固定在试验水槽池壁上，用来检测水流的稳定性，待流速稳定后进行数据采集。

进一步的，水槽安装在支撑架内，在支撑架上方使用螺栓与支撑板2的底部相连，动力模块、传动模块、测量模块、支撑模块均在水槽的上方，机械臂位于水槽内。

进一步的，本实施例中，试验水槽采用PVC材料，厚度30mm，长宽2.0m×2.0m,最大水深1.5m，最大流速2m/s。支撑架长宽2.2m×2.2m，高1.8m，与水面不接触，对试验水槽中的水流没有干扰，避免水浪对于试验结果产生的影响。

试验开始前在试验水槽中注入合适深度的水，模拟水下环境。将支撑架组装并固定在试验水槽外围，动力模块与传动模块通过螺栓固定在支撑架上方。在试验过程中，调整角度调节结构得到需要测试的角度，并将水下机械臂通过夹具牢固装夹。伺服电机驱动传动杆在一定转速下运动，通过传动模块将传动杆的旋转运动传递给旋转杆。旋转杆带动水下机械臂转动，模拟水下机械臂的在水下的工作状态。

测试方法：

试验测试时，使用角度调节结构调整到需要测试的位置，将电机调节至所需的转速，带动水下机械臂进行回转运动。利用滑环与加速度传感器进行数据收集，滑环也称为旋转连接器，主要结构包括定子与转子两部分，转子部分连接运动机械臂上的加速度传感器，定子部分连接信号显示器。当测试出水下机械臂的在水中所受加速度，然后通过计算就可以得到水下机械臂的速度与位移，最终通过分析获得所需的水下机械臂的涡激振动参数。每组数据测试时，使用流速计观察流速，等待流速稳定后再进行测量。试验测量多次，取平均值减少测量误差。

综上所述，本发明属于试验设备技术领域，具体涉及的是一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置，通过调节伺服电机获得旋转杆所需转速，使用角度调节结构来模拟不同速度、方向的水流，通过加速度传感器来测试水下机械臂的涡激振动参数。本试验装置可以连续测试不同流速、不同流向的水流下，不同尺寸、不同形状的水下机械臂的涡激振动，试验装置操作简单，易于安装，测试准确。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，包括水槽，在水槽的上方安装有动力模块、传动模块；所述的动力模块通过传动模块与一个位于水槽内的旋转杆中心位置相连，驱动旋转杆旋转；在所述旋转杆的至少一端可拆卸连接一个角度调节结构，所述的角度调节结构底部通过夹具与水下机械臂相连；在所述的水下机械臂上设有加速度传感器，水槽侧壁上安装有流速计；所述的流速计以及加速度传感器与数据处理装置相连，所述的数据处理装置与显示装置相连。

2.如权利要求1所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述的旋转杆上设有刻度值。

3.如权利要求1所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述的角度调节结构包括上调节块和下调节块，上调节块和下调节块上均设有一个弧形槽和一个通孔，螺栓穿过两个弧形槽和两个通孔实现上调节块和下调节块相对位置的固定。

4.如权利要求3所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述的上调节块包括矩形块、一个圆盘和半圆块，矩形块垂直固定在圆盘的顶部，半圆块固定在圆盘底部，矩形块上设有一个通孔，该通孔供旋转杆穿过，在矩形块的侧壁上设有紧固件，紧固件用于固定矩形块与旋转杆的相对位置；在半圆块上设有弧形槽和通孔。

5.如权利要求3所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，下调节块包括一个圆盘和半圆块，半圆块垂直固定在圆盘的顶部，在该半圆块上也设有一个弧形槽和一个通孔。圆盘上有螺栓孔，用来固定夹具。

6.如权利要求1所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述水槽放置在支撑架内。

7.如权利要求6所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述的动力模块、传动模块固定在支撑板上，所述支撑板固定在支撑架顶部。

8.如权利要求1所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，当仅在旋转杆一端设置角度调节结构和水下机械臂时，另一端设置一个配重。

9.如权利要求1所述的连续式水下机械臂涡激振动测试装置，其特征在于，所述的水下机械臂包括两个臂段，两个臂段的夹角可调整。

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