Устройство для буксировочных испытаний модели морского инженерного сооружения в опытовом бассейне

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике и касается проектирования оборудования для проведения гидродинамических и ледовых исследований моделей морских инженерных сооружений в опытовом бассейне. Устройство содержит буксировочную тележку с жестко закрепленной рамой со штангой, которая через динамометры и опорную плиту соединена с моделью. Динамометры, образующие трехопорную силоизмерительную систему, выполнены в каждой опоре в виде последовательно соединенных между собой двух упругих элементов, один из которых представляет собой пятистержневой упругий элемент с датчиками продольной и поперечной сил, расположенный между двумя фланцами. Второй упругий элемент динамометра выполнен в виде мембранного упругого элемента, мембрана которого заключена между жестким ободом и жесткой центральной частью этого элемента, которая оборудована резьбовым стержнем с упругим шарниром, установленным по вертикальной оси перпендикулярно мембране. Мембрана, обод и жесткая центральная часть с резьбовым стержнем и упругим шарниром выполнены за единое целое. Обод мембранных упругих элементов жестко соединен с одним из фланцев пятистержневого упругого элемента, причем указанное соединение осуществлено таким образом, что при этом резьбовой стержень расположен вдоль вертикальной оси опоры и через упругий шарнир соединен жестко с опорной плитой, закрепленной на модели. Мембрана оснащена тензорезисторами, соединенными в измерительный мост вертикальной силы. Второй фланец каждого пятистержневого элемента соединен с дополнительно введенной опорной плитой, закрепленной на штанге. Достигается повышение точности измерения сил и моментов. 3 ил.

 

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике и касается проектирования оборудования для проведения гидродинамических и ледовых исследований моделей морских инженерных сооружений в опытовом бассейне.

Известно устройство для буксировочных испытаний модели судна в опытовом бассейне (см. патент РФ №2113373, Бюл. №7, 1998), содержащее буксировочную тележку с жестко закрепленной рамой с тремя штангами, которая через динамометры и опорную платформу соединена с моделью судна, причем динамометры, образующие трехопорную силоизмерительную систему, выполнены в каждой опоре в виде последовательно соединенных между собой двух упругих элементов, один из которых представляет собой пятистержневой упругий элемент с датчиками продольной и поперечной сил, расположенный между двумя фланцами, а второй упругий элемент представляет собой обод со спицами и ступицей, при этом спицы оснащены тензорезисторами, образующими датчик вертикальной силы, подвижный фланец первого упругого элемента жестко соединен со ступицей второго упругого элемента, а его обод соединен с опорной платформой, неподвижные фланцы пятистержневых упругих элементов жестко соединены через штанги с рамой буксировочной тележки, принятое нами за прототип.

Однако для известного устройства характерна недостаточная точность измерения сил и моментов из-за потерь, возникающих в опорах крепления динамометров. Ошибки измерения могут достигать 10% и более. Эти ошибки обусловлены тем, что в известном устройстве отсутствуют фиксированные опорные точки в динамометрах, обеспечивающие однозначное преобразование действующих на устройство моментов в силы.

Другим недостатком известного устройства является возникновение ошибок при измерении сил и моментов при наличии продольной волнистости или просадки рельсового пути на отдельных участках, например, при появлении дефектов в башмаках, фиксирующих рельсы. В этом случае буксировочная тележка при движении по рельсовому пути может деформироваться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Это может приводить к появлению значительных внутренних сил в устройстве, если его опоры значительно разнесены на буксировочной тележке.

Кроме того, устройство может отклоняться от вертикальной оси, вызывая в динамометрах дополнительные силы, пропорциональные силе веса устройства и соответствующих углов наклона. Все это в итоге может привести к снижению достоверности и надежности измерений.

Заявленное изобретение решает задачу повышения точности измерения сил и моментов.

Для этого в устройстве второй упругий элемент выполнен в виде мембранного упругого элемента, мембрана которого заключена между жестким ободом и жесткой центральной частью этого элемента, которая оборудована резьбовым стержнем с упругим шарниром, установленным по вертикальной оси перпендикулярно мембране, причем мембрана, обод и жесткая центральная часть с резьбовым стержнем и упругим шарниром выполнены за единое целое, при этом обод мембранных упругих элементов жестко соединен с одним из фланцев пятистержневого упругого элемента, причем указанное соединение осуществлено таким образом, что при этом резьбовой стержень расположен вдоль вертикальной оси опоры и через упругий шарнир соединен жестко с опорной плитой, закрепленной на модели, мембрана оснащена тензорезисторами, соединенными в измерительный мост вертикальной силы, при этом второй фланец каждого из пятистержневого элемента соединен с дополнительно введенной опорной плитой, закрепленной на штанге.

Устройство, представляющее собой трехопорную силоизмерительную систему, с тремя динамометрами сил: продольной Р_Х, поперечной Р_У и вертикальной P_Z, установленными в каждой опоре, позволяет проводить буксировочные испытания крупногабаритных плохообтекаемых моделей морских инженерных сооружений под различными углами буксировки в широком диапазоне моделирования физико-механических и геометрических характеристик ледового поля, обеспечивая при этом максимально возможную в принятых габаритах конструкции жесткость системы и устраняя низкочастотные колебания модели, характерные для одноопорной системы измерения.

Несмотря на то, что динамометры измеряют непосредственно только три составляющие сил (продольную, поперечную, вертикальную), устройство в целом обеспечивает измерение трех составляющих сил и трех моментов в ортогональных плоскостях, действующих на буксируемую модель.

Для точного преобразования изгибающих и скручивающего моментов трехопорной системой в силы и их измерение необходимо обеспечить фиксированные опорные точки в системе крепления динамометров через опорную плиту с испытуемой моделью. Этими "точками" являются упругие шарниры в резьбовых стержнях, которыми оборудованы мембранные датчики вертикальной силы. Благодаря упругим шарнирам обеспечивается однозначное (без потерь) преобразование действующих на модель моментов в силы.

Соединение устройства с рамой буксировочной тележки через одну штангу, в отличие от известного устройства с тремя разнесенными по раме штангами, позволило в значительной мере снизить ошибки при измерении сил и моментов, обусловленные продольной волнистостью или просадкой рельсового пути на отдельных участках, например при появлении дефектов в башмаках, фиксирующих рельсы. Кроме того, это позволило уменьшить углы отклонения устройства от вертикальной оси и обусловленные этим дополнительные силы, пропорциональные силе веса устройства.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства, вид сбоку; на фиг.2 - сечение устройства по линии А-А; на фиг.3 увеличенное изображение выносного элемента I.

Устройство (фиг.1) содержит жестко закрепленную на буксировочной тележке 1 раму 2 со штангой 3, которая через динамометры 4, 5, 6 и опорную платформу 7 связана с силопередающей плитой 8, закрепленной на модели инженерного сооружения 9, буксируемой в канале опытового бассейна 10, заполненного водой 11. На поверхности воды в канале опытового бассейна наморожено ледовое поле 12.

Динамометры выполнены (см. фиг.3) в виде последовательно соединенных упругих элементов 13, 14. Упругие элементы 13 представляют собой пятистержневые пружины, содержащие центральный стержень 15, четыре периферийных стержня 16 и тензорезисторные преобразователи 17, заключенные между двумя фланцами 18, 19 и выполненные за одно целое с ними. Упругие элементы 14 выполнены в виде мембранных упругих элементов, мембрана 20 которых заключена между жестким ободом 21 и жесткой центральной частью 22, оборудованной резьбовым стержнем 23 с упругим шарниром 24. Резьбовой стержень с упругим шарниром установлен по вертикальной оси перпендикулярно мембране. Мембрана 20 оснащена тензорезисторами 25, которые соединены в мостовую схему измерения вертикальной по отношению к мембране силы P_Z. Обод 21 мембранных упругих элементов жестко соединен с фланцем 19 пятистержневого упругого элемента (винты крепления на фиг.3 не показаны). Указанное соединение осуществлено таким образом, что при этом резьбовой стержень 23 расположен вдоль вертикальной оси опоры и через упругий шарнир 24 соединен жестко с опорной плитой 7. Фланцы 18 каждого из пятистержневого элемента соединены с дополнительно введенной опорной плитой 26, закрепленной на штанге 3 (винты крепления на фиг.3 не показаны). Соединение динамометров 4, 5, 6 с опорной плитой 7 осуществлено с помощью гаек 27. Для центровки динамометров на опорной плите 7 резьбовые стержни 23 снабжены буртиком 28, а плита 7 - соответствующими проточками. Мембрана 20, обод 21, жесткая центральная часть 22 с резьбовым стержнем 23, упругим шарниром 24 и буртиком 28 выполнены за единое целое.

Силопередающая плита 8 неподвижно соединена с буксируемой моделью 9 и снабжена цилиндрической втулкой 29 со шкальной сеткой, а опорная плита 7 снабжена цилиндрическим отверстием, обеспечивающим возможность поворота силопередающей плиты 8 вместе с моделью 9 относительно вертикальной оси устройства. Опорная плита 7 снабжена отверстиями 30, а силопередающая плита - соответствующими резьбовыми отверстиями, выполненными на том же диаметре и с тем же шагом, что и отверстия 30. После разворота модели 9 на заданный угол относительно вертикальной оси опорная плита 7 жестко соединяется с плитой 8 с помощью винтов (на фиг.2 винты не показаны). Канал 31 во фланце 19 служит для прокладки проводников от мембранного датчика внутрь пятистержневого упругого элемента 13.

Динамометры 4, 5, 6 (см. фиг.1 и 2) образуют трехопорную силоизмерительную систему и установлены таким образом, что продольная ось динамометра 4 совпадает с продольной осью Х трехопорной силоизмерительной системы и с направлением буксировки модели (ось Х также совпадает с направлением продольной оси канала опытового бассейна). Два других динамометра 5 и 6 установлены симметрично оси X, при этом продольные оси динамометров 5 и 6 направлены параллельно оси Х системы.

Устройство работает следующим образом. При движении буксировочной тележки 1 в канале опытового бассейна 10 на модели 9 морского инженерного сооружения, буксируемой в режиме " жесткой запряжки", возникают гидродинамические со стороны воды и ледовые силы и моменты от разрушения ледового поля 12. Эти силы и моменты передаются на динамометры 4, 5, 6, деформируя измерительные стержни 15, 16 и мембраны 20. Деформация стержней и мембран преобразуются тензорезисторами 17 и 25 в электрические сигналы, пропорциональные действующим силам и моментам. Причем благодаря упругим шарнирам 24, которыми оборудованы динамометры, преобразование моментов в силы производится без потерь. Электрические сигналы от измерительных датчиков (три датчика продольной силы P_X1, P_X2, Р_Х3, три датчика поперечных сил P_Y1, P_Y2, Р_Y3 и три датчика вертикальных сил P_Z1, P_Z2, P_Z3) поступают на ЭВМ, которая вычисляет действующие на буксируемую модель силы и моменты по алгоритмам

P_Х=P_X1+P_X2+P_Х3

Р_Y=P_Y1+Р_Y2+Р_Y3

P_Z=P_Z1+P_Z2+P_Z3

,

,

где

P_X, P_Y, P_Z, M_X, M_Y, M_Z - силы и моменты, действующие на модель относительно осей X, Y, Z системы, связанной с каналом опытового бассейна;

P_xi, Р_Yi, P_Zi - составляющие продольной, поперечной и вертикальной сил, измеряемые динамометрами 4, 5, 6;

X_i, Y_i, Z_i - координаты измерительной оси соответствующего датчика 1-го динамометра относительно системы координат X, Y, Z.

Испытания модели 9 в ледовом опытовом бассейне и измерение сил и моментов проводятся на нескольких режимах движения буксировочной тележки 1 по скорости. Для проведения новой серии испытаний, например, с некоторым углом дрейфа модели, буксировочная тележка с испытуемой моделью выводится из рабочего участка бассейна. Намораживается новое ледовое поле. Разворачивают модель 9 относительно 3-опорной установки на заданный угол, предварительно отсоединив плиту 7 от силопередающей плиты 8 (вывернув винты крепления, установленные в отверстиях 30). Угол разворота модели 9 отсчитывают по шкальной сетке 29 и закрепляют силопередающую плиту 8 с опорной плитой 7 винтами по отверстиям 30. Устройство готово к новой серии испытаний.

1. Устройство для буксировочных испытаний модели морского инженерного сооружения в опытовом бассейне, содержащее буксировочную тележку с жестко закрепленной рамой со штангой, которая через динамометры и опорную плиту соединена с моделью, а динамометры, образующие трехопорную силоизмерительную систему, выполнены в каждой опоре в виде последовательно соединенных между собой двух упругих элементов, один из которых представляет собой пятистержневый упругий элемент с датчиками продольной и поперечной сил, расположенный между двумя фланцами, отличающееся тем, что второй упругий элемент динамометра выполнен в виде мембранного упругого элемента, мембрана которого заключена между жестким ободом и жесткой центральной частью этого элемента, которая оборудована резьбовым стержнем с упругим шарниром, установленным по вертикальной оси перпендикулярно мембране, причем мембрана, обод и жесткая центральная часть с резьбовым стержнем и упругим шарниром выполнены за единое целое, обод мембранных упругих элементов жестко соединен с одним из фланцев пятистержневого упругого элемента, указанное соединение осуществлено таким образом, что резьбовой стержень расположен вдоль вертикальной оси опоры и через упругий шарнир соединен жестко с опорной плитой, закрепленной на модели, мембрана оснащена тензорезисторами, соединенными в измерительный мост вертикальной силы, при этом второй фланец каждого из пятистержневого элемента соединен с дополнительно введенной опорной плитой, закрепленной на штанге.