李文鶴，薛宜童，朱　飛，陳　雷(.駐大連四二六廠軍事代表室，遼寧大連6000; .中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京53)

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海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李文鶴1，薛宜童2，朱飛2，陳雷2
(1.駐大連四二六廠軍事代表室，遼寧大連116000; 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:介紹了一種應(yīng)用于重力加速度式波浪浮標(biāo)的檢定裝置。對(duì)類似裝置在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，重點(diǎn)介紹了此裝置模擬波浪浮標(biāo)在近似正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律海浪中運(yùn)動(dòng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。該裝置波高、波周期等主要技術(shù)性能指標(biāo)大大優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞:波浪浮標(biāo);檢定裝置;波浪模擬

0　引言

隨著全世界對(duì)海洋重視度的不斷增加，各國的海洋活動(dòng)越來越頻繁。無論是對(duì)海洋資源的探索還是對(duì)海洋氣候的研究，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的精確測量變得尤為重要。要想精確測量這些海洋數(shù)據(jù)，先進(jìn)的海洋監(jiān)測技術(shù)是不可或缺的。作為現(xiàn)代化海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，波浪浮標(biāo)是一種載有各類傳感器的海水平臺(tái)。它可以在海洋上進(jìn)行定點(diǎn)或漂流的長期連續(xù)觀測，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)標(biāo)示和自動(dòng)發(fā)送。在海洋環(huán)境條件惡劣時(shí)調(diào)查船無法采集到海洋信息，而海洋波浪浮標(biāo)卻能做到這一點(diǎn)。

隨著大量波浪浮標(biāo)的投入使用，要想保證海洋數(shù)據(jù)的測量準(zhǔn)確性，必須對(duì)波浪浮標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)量檢定，以保證其質(zhì)量和使用可靠性。為此，2000年底，國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心建立了一套JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置，填補(bǔ)了我國波浪浮標(biāo)檢定領(lǐng)域的空白。然而，隨著實(shí)際中的使用，其靜態(tài)模擬海浪的機(jī)理不夠成熟、波高調(diào)節(jié)量程不能滿足要求等缺點(diǎn)逐漸暴露出來。因此，在保留該套裝置的主體框架結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。

1　海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)僅有兩臺(tái)海洋波浪浮標(biāo)檢測裝置，分別是國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心的JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所的JBA2-1型數(shù)控波浪模擬標(biāo)定裝置。相同的是兩臺(tái)設(shè)備均采用的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及波浪模擬運(yùn)動(dòng)機(jī)理;不同的是JBA2-1型數(shù)控波浪模擬標(biāo)定裝置只能檢測10 kg以下的傳感器，而JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置不僅可以對(duì)重力加速度式傳感器進(jìn)行檢定，還能為波浪浮標(biāo)整體進(jìn)行計(jì)量檢定。圖1為JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置，圖2為JBA2-1型數(shù)控波浪模擬標(biāo)定裝置。

圖1　JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置

1.2國外海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界上公認(rèn)的波浪浮標(biāo)校準(zhǔn)方法主要是旋轉(zhuǎn)式正弦模擬方法，其基本方法是將波浪浮標(biāo)或傳感器固定在校準(zhǔn)裝置上，隨著裝置的動(dòng)作，帶動(dòng)浮標(biāo)或傳感器作近似正弦曲線的垂直方向的運(yùn)動(dòng)。美國國家海洋大氣局(NOAA)的波浪浮標(biāo)校準(zhǔn)裝置采用的是懸臂梁式桁架結(jié)構(gòu);英國國家海事研究所(NMI)的波浪浮標(biāo)檢定裝置采用的是雙臂式旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu);挪威水實(shí)驗(yàn)室(NAL)的波浪浮標(biāo)檢定裝置采用的也是雙臂式旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)。

2　總體設(shè)計(jì)方案

國內(nèi)外波浪浮標(biāo)檢定裝置的結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂梁式桁架結(jié)構(gòu)、雙臂式旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)、單環(huán)式桁架結(jié)構(gòu)以及雙環(huán)式桁架結(jié)構(gòu)。根據(jù)公認(rèn)的波浪理論，可知海浪表面的水質(zhì)點(diǎn)是在其平衡位置附近作周期性振動(dòng)，在不同的時(shí)刻有不同的垂直加速度。測出此加速度，經(jīng)二次積分即可得到海浪的垂直位置即波高。雖然結(jié)構(gòu)形式各有不同，但共同點(diǎn)都是賦予被檢傳感器或浮標(biāo)以某種方式的正弦振動(dòng)或是近似正弦的垂直振動(dòng)，或是圓周運(yùn)動(dòng)。故綜合考慮結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易調(diào)整、模擬方式接近海浪理論要求等因素，本方案將基于JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置的雙環(huán)式旋轉(zhuǎn)桁架結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過研究分析同類裝置的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)向，將對(duì)原有的雙環(huán)式旋轉(zhuǎn)桁架結(jié)構(gòu)形式的檢定裝置進(jìn)行較大的創(chuàng)新與優(yōu)化改進(jìn)。關(guān)鍵技術(shù)就是使雙環(huán)式旋轉(zhuǎn)桁架式檢定裝置在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)浮標(biāo)搭載平臺(tái)正弦波運(yùn)動(dòng)規(guī)律式左右擺動(dòng)，來更逼真地模擬波浪浮標(biāo)在真實(shí)海浪中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)原理

該裝置主要由雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)、電機(jī)與制動(dòng)系統(tǒng)、控制器、終端顯示軟件4部分組成。

工作原理:控制器通過控制減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬波浪周期;減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)雙環(huán)桁架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，搭載平臺(tái)上的浮標(biāo)也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而擺動(dòng)機(jī)構(gòu)可使得浮標(biāo)在隨雙環(huán)桁架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)作正弦式左右擺動(dòng);可通過調(diào)節(jié)浮標(biāo)搭載平臺(tái)的位置來改變波高指標(biāo)。浮標(biāo)搭載平臺(tái)正弦波浪模擬擺動(dòng)由擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中的曲柄驅(qū)動(dòng)鏈輪隨動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，可保證搭載平臺(tái)隨旋轉(zhuǎn)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)作最大±45°擺動(dòng)。

剎車制動(dòng)用于旋轉(zhuǎn)風(fēng)車式檢定裝置停車制動(dòng)。

2.2關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

由上述可知，海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置都是賦予被檢浮標(biāo)或加速度計(jì)以某種方式的正弦振動(dòng)或近似正弦的垂直振動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就是如何逼真地模擬出波浪浮標(biāo)在海洋波浪中運(yùn)動(dòng)的形式狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　正弦特性波浪波高、波周期圖

在旋轉(zhuǎn)式海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置中，為更逼真地模擬出浮標(biāo)隨海面上運(yùn)動(dòng)軌跡，要求浮標(biāo)在隨旋轉(zhuǎn)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在平動(dòng)的基礎(chǔ)上作正弦規(guī)律的擺動(dòng)，且擺動(dòng)的角度可以調(diào)節(jié)。

如圖4所示，在鏈輪傳動(dòng)中，當(dāng)主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪的節(jié)距、齒數(shù)完全相同(傳動(dòng)鏈節(jié)距的變化可忽略不計(jì))，相對(duì)于任一慣性系，不論兩鏈輪空間相對(duì)位置如何變化，任一時(shí)刻兩鏈輪的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)方向均相同?？梢酝ㄟ^控制主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)，以使得從動(dòng)鏈輪做周期性的正弦規(guī)律擺動(dòng)。

圖4　旋轉(zhuǎn)式海洋波浪浮標(biāo)檢定裝置原理圖

為使主動(dòng)鏈輪實(shí)現(xiàn)周期性正弦規(guī)律擺動(dòng)及幅度可調(diào)，采用了曲柄滑塊加齒輪齒條機(jī)構(gòu)，如圖5所示。通過調(diào)節(jié)滑塊離圓心的距離來控制齒條的行程，再由齒條帶動(dòng)主動(dòng)齒輪(鏈輪A)周期規(guī)律性的擺動(dòng)。

圖5　角度調(diào)節(jié)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

本裝置上對(duì)稱設(shè)置了兩個(gè)浮標(biāo)搭載平臺(tái)，提高了波浪浮標(biāo)的檢定效率，方便了運(yùn)行過程中配重的調(diào)節(jié)。但是，要使兩個(gè)浮標(biāo)搭載平臺(tái)在隨著雙環(huán)桁架作公轉(zhuǎn)的同時(shí)作周期性正弦規(guī)律擺動(dòng)，這里就必須設(shè)置兩套曲柄滑塊加齒輪齒條機(jī)構(gòu)。筆者創(chuàng)新性巧妙地將雙環(huán)桁架的一個(gè)半軸設(shè)計(jì)成空心三層軸體，如圖6所示，外軸通過軸承座固定，用于支撐雙環(huán)桁架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);中軸和心軸分別用于傳動(dòng)兩個(gè)浮標(biāo)搭載平臺(tái)的擺動(dòng)。

雙環(huán)桁架勻速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)固定在外軸上的兩個(gè)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)鏈輪分別帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副帶動(dòng)中軸和心軸上另一端的主動(dòng)鏈輪作正反轉(zhuǎn)擺動(dòng)，從而經(jīng)鏈條傳動(dòng)至浮標(biāo)搭載平臺(tái)。

圖6　空心三層軸機(jī)構(gòu)

2.3總體結(jié)構(gòu)形式

2.3.1雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)

本裝置采用南北雙環(huán)桁架、兩半軸體結(jié)構(gòu)。雙環(huán)桁架每環(huán)均由槽鋼和扇形板組成射狀結(jié)構(gòu);南環(huán)半軸為實(shí)心軸，直接與軸承座、制動(dòng)器、離合器、減速器電機(jī)相連;北環(huán)軸為空心軸，內(nèi)套兩層軸分別控制兩個(gè)搭載平臺(tái)的擺動(dòng)，其外軸通過軸承套固定;兩環(huán)之間用十字桿交叉連接以提高強(qiáng)度，傳遞扭力矩。兩個(gè)浮標(biāo)(傳感器)搭載平臺(tái)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)風(fēng)車對(duì)稱的方向。雙環(huán)桁架結(jié)構(gòu)圖見圖7和圖8所示。

圖7　結(jié)構(gòu)組成圖

圖8　雙環(huán)桁架

2.3.2搭載平臺(tái)擺動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)

浮標(biāo)搭載平臺(tái)用于安裝被測波浪浮標(biāo)(傳感器)或配重，平臺(tái)安裝在旋轉(zhuǎn)風(fēng)車主骨架上的活動(dòng)導(dǎo)軌上。為實(shí)現(xiàn)搭載平臺(tái)在大旋轉(zhuǎn)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同步可作最大± 45°擺動(dòng)，采用了圖9所示的曲柄驅(qū)動(dòng)鏈輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。為保證整個(gè)裝置在旋轉(zhuǎn)過程中搭載平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定(固定擺幅的往返擺動(dòng))，大旋轉(zhuǎn)風(fēng)車只有一個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)風(fēng)車主軸分為三層軸，并在中心的兩個(gè)軸上安裝鏈輪，通過鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由曲柄機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒條作上下移動(dòng)，嚙合齒輪從而達(dá)到擺動(dòng)的效果。在曲柄機(jī)構(gòu)上通過把手旋轉(zhuǎn)絲桿推動(dòng)滑塊來調(diào)節(jié)擺動(dòng)角度。

圖9　曲柄連桿機(jī)構(gòu)

在大旋轉(zhuǎn)風(fēng)車的槽鋼中心頂端安裝可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的小鏈輪(相對(duì)中心軸鏈輪直徑小40%)，與中心軸聯(lián)成一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在載荷平臺(tái)上安裝與中心軸同樣尺寸參數(shù)的鏈輪，與載荷平臺(tái)固定，使載荷平臺(tái)隨旋轉(zhuǎn)風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)±45°的擺動(dòng)。

3　結(jié)束語

本文主要針對(duì)JBY1-1型波浪浮標(biāo)檢定裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)。創(chuàng)新性地將雙環(huán)桁架軸體更改為三層空心軸體，并增加了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使得浮標(biāo)在搭載平臺(tái)上隨雙環(huán)桁架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)作左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而不在是一直處于水平狀態(tài)。這可使浮標(biāo)在檢定的靜態(tài)模擬測試設(shè)備上更逼真地作正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行波浪浮標(biāo)的波高和波周期的檢定，進(jìn)一步提高了檢測精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design and implementation of an ocean wave buoy calibrating device

LI Wen-he1，XUE Yi-tong2，ZHU Fei2，CHEN Lei2
(1.Military Representatives Office of No.426 Factory in Dalian，Dalian 116000，China; 2.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:A calibrating device used in the gravity acceleration wave buoy is introduced.The status quo and characteristics of the similar devices at home and abroad are summarized，and the technical ways of using the device to simulate the motion of the wave buoy in the waves with approximate sine motion law are discussed emphatically.The main technical performances and indexes of this device such as the wave height and period are greatly superior to the similar products at home and abroad.Keywords: wave buoy; calibrating device; wave simulation

作者簡介:李文鶴(1986-)，男，助理工程師，研究方向:船舶監(jiān)造;薛宜童(1979-)，男，高級(jí)工程師，研究方向:大氣與海洋類雷達(dá)系統(tǒng);朱飛(1989-)，男，助理工程師，研究方向:大氣與海洋類雷達(dá)系統(tǒng);陳雷(1971-)，男，工程師，研究方向:雷達(dá)總體技術(shù)。

收稿日期:2014-12-14

文章編號(hào):1009－0401(2015)02－0015－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN91