CN115452347B - 一种流体动量轮减摇能力验证系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流体动量轮减摇能力验证系统及方法，系统包括：流体动量轮子系统、控制箱、试验辅助台架、六自由度转台和多个拉压力传感器；试验辅助台架的一端用于固定流体动量轮子系统，另一端通过拉压力传感器固定在六自由度转台上；六自由度转台用于模拟海洋浮体的摇摆运动，并带动流体动量轮子系统的进动运动；拉力传感器用于测量流体动量轮子系统进动过程中对六自由度转台产生的拉压力；控制箱用于控制和采集流体动量轮子系统的运行状态，并根据拉力传感器测量的拉应力解算流体动量轮子系统产生的减摇力矩。本发明能实现在实验室条件下对流体动量轮减摇力矩的测量与验证。
Description
技术领域
本发明涉及减摇装置验证技术领域，更具体的说是涉及一种流体动量轮减摇能力验证系统及方法。
背景技术
流体动量轮实现减摇的原理是：通过驱动动量轮内部环路流体介质产生动量矩，结合动量轮本体进动运动从而形成减摇力矩，进而稳定搭载流体动量轮的海洋平台。相较于基于固体介质的动量轮或减摇陀螺，流体动量轮可布置在舷外，不占用舱室内空间，因此环路封闭面积可以更大，即使流体介质速度较小，也可获得较大的角动量；此外，由于流体动量轮可以布置在水下，在流体介质释放、补充及散热方面更具优势。
对流体动量轮减摇能力进行验证，不仅能够在动量轮安装在海洋平台前评估其减摇能力，还有助于进一步优化流体动量轮的总体设计，提升流体动量轮的减摇能力。在理论计算条件下，由于流体抗剪切能力弱且流体流动随机性、脉动性的特点，流体动量轮质量和速度分布无法实现刚体动量轮的均匀性和一致性，进而导致实际流体动量轮角动量与理论计算存在偏差，影响流体动量轮减摇能力准确评估。
因此，如何在实验室条件下，构造流体动量轮减摇能力验证系统并进行验证是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种流体动量轮减摇能力验证系统及方法，实现在实验室条件下对流体动量轮减摇力矩的测量与验证。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种流体动量轮减摇能力验证系统，包括：流体动量轮子系统、控制箱、试验辅助台架、六自由度转台和多个拉压力传感器；
所述试验辅助台架的一端用于固定所述流体动量轮子系统，另一端通过所述拉压力传感器固定在所述六自由度转台上；
所述六自由度转台用于模拟海洋浮体的摇摆运动，并带动所述流体动量轮子系统的进动运动；
所述拉力传感器用于测量所述流体动量轮子系统进动过程中对所述六自由度转台产生的拉压力；
所述控制箱用于控制和采集所述流体动量轮子系统的运行状态，并根据所述拉力传感器测量的拉应力解算所述流体动量轮子系统产生的减摇力矩。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统中，所述流体动量轮子系统包括：流体动量轮环形管路、无轴轮缘驱动泵、电磁流量计、进出水阀和排气阀；
所述无轴轮缘驱动泵、所述电磁流量计、所述进出水阀和所述排气阀均安装在所述流体动量轮环形管路上，且所述进出水阀靠近所述流体动量轮环形管路的低端安装，所述排气阀安装在所述流体动量轮环形管路的高端；
所述无轴轮缘驱动泵和所述电磁流量计分别与所述控制箱电性连接；所述无轴轮缘驱动泵用于在所述控制箱的控制下驱动所述流体动量轮环形管路中的流体运动；所述电磁流量计用于采集所述流体动量轮环形管路中流体状态。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统中，所述流体状态至少包括：流速、压力和温度。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统中，所述拉压力传感器沿所述流体动量轮子系统的每个进动方向分别对称设置有2n个。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统中，在所述六自由度转台的带动下，所述流体动量轮子系统产生两个方向的进动，X方向和Y方向；所述拉压力传感器相对于X方向对称设置有2n个，沿Y方向对称设置有2n个。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统中，所述控制箱包括：信号采集模块、电机控制器、串口路由器、以太网交换机、控制计算机、显示模块和电源模块；
所述信号采集模块与所述拉压力传感器电性连接；所述电机控制器与所述无轴轮缘驱动泵电性连接；所述串口路由器分别与所述信号采集模块和所述电磁流量计电性连接；
所述以太网交换机分别与所述串口路由器、所述电机控制器和所述控制计算机电性连接；
所述显示模块与所述控制计算机电性连接。
本发明还提供一种流体动量轮减摇能力验证系统的验证方法，包括以下步骤：
S1、为所述流体动量轮子系统注水后，所述流体动量轮子系统在所述控制箱的控制下驱动其内部的流体介质产生运动，并监测流体介质运动是否稳定；
S2、流体介质稳定后，通过六自由度转台驱动所述流体动量轮子系统沿指定方向以指定速度进动；
S3、读取并记录与所述流体动量轮子系统进动方向垂直对称分布的至少一对拉压力传感器所采集的拉压力数据；
S4、根据所述拉压力数据解算所述流体动量轮子系统产生的减摇力矩；
S5、通过控制箱控制所述流体动量轮子系统改变流体介质流速，通过所述六自由度转台改变所述流体动量轮子系统的进动速速和方向,执行S3-S4；
S6、重复执行S5多次后，将所述六自由度转台停于水平位置，并释放所述流体动量轮子系统中的流体。
进一步的，在上述一种流体动量轮减摇能力验证系统的验证方法中，减摇力矩的计算公式为：
其中，Fi1和Fi2为第i对传感器数据，di为第i对传感器距离，n为传感器对数。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种流体动量轮减摇能力验证系统及方法，有益效果为：1、本发明能够在动量轮安装在海洋平台之前，在实验室条件下评估其减摇能力，确保正常应用时对减摇能力的准确评估；2、本发明通过在实验室条件下对流体动量轮减摇能力进行验证和评估，有助于进一步优化流体动量轮的总体设计，提升流体动量轮的减摇能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的流体动量轮减摇能力验证系统的结构示意图；
图2为本发明提供的流体动量轮子系统的结构示意图；
图3为本发明提供的流体动量轮子系统与控制箱间的连接示意图；
图4为本发明提供的拉压力传感器在六自由度转台上的安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明实施例公开了一种流体动量轮减摇能力验证系统，包括：流体动量轮子系统1、控制箱2、试验辅助台架3、六自由度转台4和多个拉压力传感器5；
试验辅助台架3的一端用于固定流体动量轮子系统1，另一端通过拉压力传感器5固定在六自由度转台4上；试验辅助台架3与六自由度转台4之间还固定有螺钉；
六自由度转台4用于模拟海洋浮体的摇摆运动，并带动流体动量轮子系统1的进动运动；六自由转台4包含六个油缸，通过六个油缸交叉伸缩可用于实现流体动量轮子系统1的进动运动，可以改变流体动量轮子系统1的进动速度以及进动方向，同时，六自由转台4的运动也模拟了海洋浮体的摇摆运动。
拉力传感器5用于测量流体动量轮子系统1进动过程中对六自由度转台4产生的拉压力；
控制箱2用于控制和采集流体动量轮子系统1的运行状态，并根据拉力传感器5测量的拉应力解算流体动量轮子系统1产生的减摇力矩。
具体的，流体动量轮子系统1包括：流体动量轮环形管路101、无轴轮缘驱动泵102、电磁流量计103、进出水阀104和排气阀105；
无轴轮缘驱动泵102、电磁流量计103、进出水阀104和排气阀105均安装在流体动量轮环形管路101上，且进出水阀104靠近流体动量轮环形管路101的低端安装，排气阀105安装在流体动量轮环形管路101的高端；
无轴轮缘驱动泵102和电磁流量计103分别与控制箱2电性连接；无轴轮缘驱动泵102用于在控制箱2的控制下驱动流体动量轮环形管路101中的流体运动；电磁流量计103用于采集流体动量轮环形管路101中流体状态。
在一个具体实施例中，如图3所示，控制箱2包括：信号采集模块201、电机控制器202、串口路由器203、以太网交换机204、控制计算机205、显示模块206和电源模块207；
信号采集模块201与拉压力传感器5电性连接；电机控制器202与无轴轮缘驱动泵102电性连接；串口路由器203分别与信号采集模块201和电磁流量计103电性连接；
以太网交换机204分别与串口路由器203、电机控制器202和控制计算机205电性连接；
显示模块206与控制计算机205电性连接。
其中，进出水阀104用于为流体动量轮环形管路101注水和排水，注水和排水过程中，排气阀105打开用于排气，注水或排水完毕，进出水阀104和排气阀105均需关闭。进出水阀104和排气阀105采用外螺纹球阀，进出水阀104一端连接流体动量轮环形管路101，一端利用高压管连接水泵，排气阀105一端连接流体动量轮环形管路101，一端与大气相连；注水后，通过电机控制器202控制管路中的无轴轮缘驱动泵102，从而驱动管路中流体；信号采集模块201获取拉压力传感器5采集的拉压力数据，管路中电磁流量计103监测环路中流体状态，包括流速、压力、温度信息，拉压力数据和流体状态数据汇聚至串口路由器203后，再通过以太网交换机204反馈至控制计算机205；电机控制器202的运行状态也通过以太网交换机204实时反馈至控制计算机205。电磁流量计103和串口路由器203之间通过RS485方式进行数据交互。显示模块206实时显示试验过程相关数据；试验结束后，通过进出水阀104释放管路中流体。
在一个实施例中，拉压力传感器5安装在六自由度转台4水平面内，位于试验辅助台架3与六自由度转台4之间，具体应于六自由度转台4水平面内与进动方向垂直的直线上对称布置2n个。
具体的，如图4所示，本发明实施例六自由度转台4可沿X方向和Y方向进动，分别在Y方向和X方向各对称布置2n个拉压力传感器5，本发明实施例在每个方向上分别对称设置2个。若六自由度转台4沿X方向进动，则记录布置在Y方向的传感器数据，台沿Y方向进动，则记录布置在X方向的传感器数据。
本发明实施例还提供一种流体动量轮减摇能力验证系统的验证方法，包括以下步骤：
S1、为流体动量轮子系统注水后，流体动量轮子系统在控制箱的控制下驱动其内部的流体介质产生运动，并监测流体介质运动是否稳定；
S2、流体介质稳定后，通过六自由度转台驱动流体动量轮子系统沿指定方向以指定速度进动；
S3、读取并记录与流体动量轮子系统进动方向垂直对称分布的至少一对拉压力传感器所采集的拉压力数据；
S4、根据拉压力数据解算流体动量轮子系统产生的减摇力矩；
S5、通过控制箱控制流体动量轮子系统改变流体介质流速，通过六自由度转台改变流体动量轮子系统的进动速速和方向,执行S3-S4；
S6、重复执行S5多次后，将六自由度转台停于水平位置，并释放流体动量轮子系统中的流体。
其中，减摇力矩的计算公式为：
其中，Fi1和Fi2为第i对传感器数据，di为第i对传感器距离，n为传感器对数。由于本发明在两个方向(即X方向和Y方向)上各安装了一对拉压力传感器，因此在设定好进动方向后，令n＝1，通过采集与动量轮进动方向垂直布置的拉压力传感器，由上式解算流体动量轮子系统产生的减摇力矩。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，包括：流体动量轮子系统、控制箱、试验辅助台架、六自由度转台和多个拉压力传感器；
所述试验辅助台架的一端用于固定所述流体动量轮子系统，另一端通过所述拉压力传感器固定在所述六自由度转台上；
所述六自由度转台用于模拟海洋浮体的摇摆运动，并带动所述流体动量轮子系统的进动运动；
所述拉压力传感器用于测量所述流体动量轮子系统进动过程中对所述六自由度转台产生的拉压力；
所述控制箱用于控制和采集所述流体动量轮子系统的运行状态，并根据所述拉压力传感器测量的拉应力解算所述流体动量轮子系统产生的减摇力矩。
2.根据权利要求1所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，所述流体动量轮子系统包括：流体动量轮环形管路、无轴轮缘驱动泵、电磁流量计、进出水阀和排气阀；
所述无轴轮缘驱动泵、所述电磁流量计、所述进出水阀和所述排气阀均安装在所述流体动量轮环形管路上，且所述进出水阀靠近所述流体动量轮环形管路的低端安装，所述排气阀安装在所述流体动量轮环形管路的高端；
所述无轴轮缘驱动泵和所述电磁流量计分别与所述控制箱电性连接；所述无轴轮缘驱动泵用于在所述控制箱的控制下驱动所述流体动量轮环形管路中的流体运动；所述电磁流量计用于采集所述流体动量轮环形管路中流体状态。
3.根据权利要求2所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，所述流体状态至少包括：流速、压力和温度。
4.根据权利要求1所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，所述拉压力传感器沿所述流体动量轮子系统的每个进动方向分别对称设置有2n个。
5.根据权利要求4所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，在所述六自由度转台的带动下，所述流体动量轮子系统产生两个方向的进动，X方向和Y方向；所述拉压力传感器相对于X方向对称设置有2n个，沿Y方向对称设置有2n个。
6.根据权利要求2所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统，其特征在于，所述控制箱包括：信号采集模块、电机控制器、串口路由器、以太网交换机、控制计算机、显示模块和电源模块；
所述信号采集模块与所述拉压力传感器电性连接；所述电机控制器与所述无轴轮缘驱动泵电性连接；所述串口路由器分别与所述信号采集模块和所述电磁流量计电性连接；
所述以太网交换机分别与所述串口路由器、所述电机控制器和所述控制计算机电性连接；
所述显示模块与所述控制计算机电性连接。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的流体动量轮减摇能力验证系统的验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、为所述流体动量轮子系统注水后，所述流体动量轮子系统在所述控制箱的控制下驱动其内部的流体介质产生运动，并监测流体介质运动是否稳定；
S2、流体介质稳定后，通过六自由度转台驱动所述流体动量轮子系统沿指定方向以指定速度进动；
S3、读取并记录与所述流体动量轮子系统进动方向垂直对称分布的至少一对拉压力传感器所采集的拉压力数据；
S4、根据所述拉压力数据解算所述流体动量轮子系统产生的减摇力矩；
S5、通过控制箱控制所述流体动量轮子系统改变流体介质流速，通过所述六自由度转台改变所述流体动量轮子系统的进动速度和方向,执行S3-S4；
S6、重复执行S5多次后，将所述六自由度转台停于水平位置，并释放所述流体动量轮子系统中的流体。
8.根据权利要求7所述的一种流体动量轮减摇能力验证系统的验证方法，其特征在于，减摇力矩的计算公式为：
其中，Fi1和Fi2为第i对传感器数据，di为第i对传感器距离，n为传感器对数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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