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        二自由度艦船海況模擬搖擺臺的設(shè)計(jì)與研究

        2021-09-18 08:36:10程陽秦緒凱楊晨光
        艦船科學(xué)技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:液壓油艦船液壓

        程陽,秦緒凱,楊晨光

        (1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所,江蘇 連云港 222000;2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院,北京 100091)

        0 引言

        艦船航行過程中的搖擺姿態(tài)是一個多自由度外加振動的動態(tài)運(yùn)動體系[1],所有艦載設(shè)備均受到這一動態(tài)運(yùn)動體系的影響,尤其是艦載設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用受到艦船搖擺姿態(tài)的影響極大[2–5]。艦船海況模擬平臺是模擬實(shí)現(xiàn)艦載設(shè)備承受艦船搖擺環(huán)境后的結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)的理想設(shè)備,它能夠接近真實(shí)地再現(xiàn)艦船在不同海況下的搖擺情況,使艦載設(shè)備研制在陸基環(huán)境下接受艦載環(huán)境考核,對提升艦載設(shè)備的研制質(zhì)量具有重要意義。因此在岸基環(huán)境下,全面、真實(shí)地模擬艦船在航行狀態(tài)下的各種姿態(tài)特性,再現(xiàn)艦載設(shè)備在艦船搖擺環(huán)境下的工作環(huán)境,對艦載設(shè)備的研制、試驗(yàn)測試非常必要[6–8]。

        1 系統(tǒng)組成

        搖擺臺系統(tǒng)組成如圖 1 所示。整個系統(tǒng)由3 個部分組成。

        圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the system

        1.1 機(jī)械系統(tǒng)

        機(jī)械系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)體、外環(huán)體、十字軸系、軸承座、配重、零位鎖定及保護(hù)裝置等組成。通過液壓缸的直線運(yùn)動,驅(qū)動環(huán)體,模擬艦船搖擺。內(nèi)環(huán)體通過內(nèi)環(huán)軸安裝在外環(huán)體上,可繞橫搖軸轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)橫搖運(yùn)動。外環(huán)體通過外環(huán)軸、軸承座安裝在地基支承板上,可繞縱搖軸轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)縱搖運(yùn)動。配重塊數(shù)量可調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)臺體的平衡。

        1.2 液壓系統(tǒng)

        液壓系統(tǒng)由液壓源系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成,工作原理如圖 2 所示。

        圖2 液壓系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of hydraulic system

        通過4 個液壓缸直線運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)臺體的縱搖、橫搖運(yùn)動。伺服閥安裝組件上配有液控單向閥和電磁換向閥,作用是鎖緊油缸。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障的時候,伺服閥立即回到中位,使搖擺臺停止運(yùn)動,液控單向閥鎖住油缸,保持姿態(tài)。再利用旁路的電磁換向閥使臺體回到水平姿態(tài),然后用輔助支撐將臺體固定,進(jìn)行維修。正常試驗(yàn)結(jié)束后,利用運(yùn)動控制功能使臺體回到水平姿態(tài),鎖住油缸,停機(jī),然后用輔助支撐將臺體固定。

        1.2.1 液壓源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        液壓源系統(tǒng)由液壓源及蓄能器、分配器和管路組成,同時設(shè)有壓力傳感器、溫度傳感器、液位繼電器和壓力繼電器,用于檢測液壓源的壓力和油溫等。同時采用吸濕型空氣濾清器,防止潮濕的空氣進(jìn)入油箱污染液壓油。每臺液壓泵出口均設(shè)一個電磁溢流閥,保證每臺泵可以獨(dú)立啟動停止。

        分配器用于將系統(tǒng)液壓油進(jìn)行流量分配。分配器配有高壓蓄能器,能夠穩(wěn)定系統(tǒng)壓力并補(bǔ)充峰值流量。同時配有高精度過濾器,保證油液的清潔。

        1.2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)工作時,系統(tǒng)的功率損失都轉(zhuǎn)化為熱量而使得液壓油溫度升高,這樣會導(dǎo)致液壓油粘度降低、泄漏增加、系統(tǒng)性能和效率降低,也容易使液壓系統(tǒng)發(fā)生氣蝕和振動。因此必須設(shè)計(jì)一套合理的冷卻系統(tǒng)。

        泵站有2 臺排量為131 mL/r的恒壓變量泵,電機(jī)功率為2×75 kW。按電機(jī)功率的50%配置冷卻功率,冷卻功率為75 kW,冷卻器進(jìn)出的油溫分別為50 ℃和40 ℃。油的循環(huán)流量為:

        式中:T2-T1為液壓油溫差,取10 ℃;C為液壓油比熱;Ρ為液壓油密度。

        理論輸出流量為:

        式中:q為泵排量,取(100+88.8)mL;n為泵轉(zhuǎn)速,1 440 r/min;泵在1 MPa 工作壓力下內(nèi)泄漏量為2 L/min,則實(shí)際輸出流量為269 L/min。冷卻水流量為:

        式中:t2?t1為冷卻水溫差,取5 ℃;Cs為水的比熱;ρs為水的密度。

        1.2.3 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        a)供油管路選型計(jì)算

        管道內(nèi)徑計(jì)算:

        管道壁厚計(jì)算:

        b)回油管路選型計(jì)算

        管道內(nèi)徑計(jì)算:

        管道壁厚計(jì)算:

        c)冷卻油管路選型計(jì)算

        管道內(nèi)徑計(jì)算:

        管道壁厚計(jì)算:

        因此供油管路選擇鋼管尺寸為φ60×6,回油管路為φ68×4,冷卻油管路為φ76×4。

        1.3 控制系統(tǒng)

        整個運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

        圖3 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.3 Hardware composition of control system

        由以太網(wǎng)和RS-422/485 通信接口組成了一個基于網(wǎng)絡(luò)的分布式一體化實(shí)時控制系統(tǒng),完成搖擺臺的測量與控制[9]。

        1)任務(wù)管理計(jì)算機(jī)

        通過以太網(wǎng)與伺服單元通信,進(jìn)行運(yùn)動單元參數(shù)設(shè)置;通過RS-422/485 接口與液壓源控制單元通訊,完成啟停邏輯。

        2)伺服控制單元

        根據(jù)任務(wù)管理單元的控制參數(shù)指令,以固定周期完成搖擺臺的實(shí)時控制和狀態(tài)監(jiān)控。

        3)液壓源控制單元

        以PLC 控制器為核心的液壓源啟停邏輯控制單元,完成相關(guān)邏輯控制,并在液壓源出現(xiàn)故障時發(fā)出報(bào)警訊息。

        4)測角裝置

        將搖擺臺的角位移傳感器信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號和自整角機(jī)信號,送至用戶測試中心。

        5)急停按鈕

        遇到緊急情況時,按下急停按鈕,平臺將落回至安全位置,液壓源停止工作。

        6)LED 搖擺臺角度顯示器

        通過通信接口實(shí)時接收搖擺臺角度信息并顯示。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        搖擺試驗(yàn)臺的硬件主要有監(jiān)控單元、運(yùn)動控制單元、信號調(diào)理單元和角度控制單元4 部分組成。

        2.1 監(jiān)控單元

        監(jiān)控單元是試驗(yàn)平臺與操作人員之間的信息交互界面。監(jiān)控單元主要完成的任務(wù)如下:

        1)通過以太網(wǎng)監(jiān)測運(yùn)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運(yùn)動參數(shù);

        2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理;

        3)對上述信息進(jìn)行顯示和處理,同時接受操作人員的控制指令;

        4)對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行邏輯判斷,在出現(xiàn)異常情況時向運(yùn)動控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警指令。

        2.2 運(yùn)動控制單元

        運(yùn)動控制單元由運(yùn)動控制器以及相應(yīng)的A/D,D/A 數(shù)據(jù)采集板、數(shù)字I/O 接口板和信號調(diào)理器等組成,實(shí)現(xiàn)搖擺臺試驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)動控制。運(yùn)動控制單元結(jié)構(gòu)如圖 4 所示,其完成的主要功能為:

        圖4 運(yùn)動單元控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure of motion unit

        1)接收監(jiān)控單元的試驗(yàn)系統(tǒng)控制信號,完成搖擺臺的實(shí)時閉環(huán)運(yùn)動控制;

        2)根據(jù)系統(tǒng)的位置反饋信號和數(shù)字I/O 接口監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)信息和參數(shù),實(shí)現(xiàn)邏輯控制和故障診斷與保護(hù)。

        2.3 信號調(diào)理單元

        信號調(diào)理單元為計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備和傳感器的接口部分,分別完成與系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)的各種傳感器信號、測試信號和數(shù)字I/O 信號的調(diào)理,以及伺服閥、電磁閥的驅(qū)動等功能。實(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號的歸一化處理以及接口的轉(zhuǎn)換。

        2.4 角度測量單元

        角度測量單元采用旋轉(zhuǎn)變壓器320×fs001,實(shí)時測量平臺角位移,并反饋到運(yùn)動控制計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)測量與復(fù)現(xiàn),并作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號。

        3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 軟件結(jié)構(gòu)

        搖擺臺軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件主要完成與用戶之間的交互,控制平臺復(fù)現(xiàn)指定運(yùn)動。下位機(jī)完成搖擺臺的實(shí)時伺服控制,包含信號采集、伺服閉環(huán)、信號輸出、保障保護(hù)等任務(wù)。上、下位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信,軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 5 所示,主要具備以下功能:

        圖5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Software system structure diagram

        1)復(fù)現(xiàn)正弦、常值、三次諧波、實(shí)錄譜等參考信號;

        2)任意位置的定位與鎖定;

        3)系統(tǒng)自檢及實(shí)時故障保護(hù)功能;

        4)系統(tǒng)反饋信號的實(shí)時顯示及數(shù)據(jù)處理功能。

        3.2 故障處理保護(hù)

        為了實(shí)現(xiàn)搖擺臺穩(wěn)定運(yùn)行,防止發(fā)生意外事故,軟件系統(tǒng)設(shè)置以下保護(hù)模式:

        1)系統(tǒng)開機(jī)自檢

        控制系統(tǒng)在運(yùn)行前,控制系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢工作,包括看門狗自檢、控制回路自檢、關(guān)鍵部件自檢等,確認(rèn)平臺工作狀態(tài);

        2)輸入有效性檢測與處理

        軟件運(yùn)行過程中,通過實(shí)時判斷外界輸入數(shù)據(jù)的有效性,拒絕執(zhí)行那些不能夠?qū)崿F(xiàn)或錯誤的運(yùn)動指令,同時給出提示信息。

        3.3 人機(jī)界面交互

        控制系統(tǒng)軟件采用圖形化的集成開發(fā)環(huán)境,基于快速原型技術(shù)的開發(fā)方式,控制系統(tǒng)軟件的主操作界面如圖 6 所示。

        圖6 軟件操作界面Fig.6 Software operation interface

        操作軟件界面主要包括系統(tǒng)運(yùn)行管理、實(shí)時曲線顯示、運(yùn)行報(bào)警監(jiān)控、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理等部分。

        系統(tǒng)運(yùn)行管理主要用于系統(tǒng)的啟??刂坪妥詸z。搖擺臺系統(tǒng)啟動時,首先進(jìn)控制系統(tǒng)硬件和控制系統(tǒng)軟件的檢測,自檢正常后方可運(yùn)行系統(tǒng)。

        實(shí)時曲線顯示主要用于顯示橫搖、縱搖自由度的設(shè)定信號、反饋信號的實(shí)時曲線,以及伺服作動器的位移、壓力等信號的實(shí)時曲線。顯示功能支持歷史曲線回溯、實(shí)時曲線跟蹤及鎖定,可行曲線的自由縮放和拖動,便于用戶準(zhǔn)確、有效的駕馭試驗(yàn)過程。

        運(yùn)行報(bào)警監(jiān)控主要包括試驗(yàn)平臺運(yùn)行狀態(tài)信息顯示、各種報(bào)警監(jiān)測顯示??梢酝ㄟ^狀態(tài)顯示界面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)時,運(yùn)行信息顯示欄會不斷刷新,并自動保存這些運(yùn)行狀態(tài)信息和時間,以便試驗(yàn)后備查。

        4 仿真分析

        針對搖擺臺典型應(yīng)用工況,對上表面安裝平臺進(jìn)行軟件仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證[10],平臺上表面直徑3 100~3 300 mm 圓環(huán)加載,應(yīng)力分析結(jié)果如圖7 所示。

        由圖7 可知,在典型應(yīng)用場景下,最大應(yīng)力107.1 MPa,最大變形量0.190 9 mm,1 階頻率52.124 Hz,2 階頻率52.136 Hz,3 階頻率81.65 Hz 滿足實(shí)際使用要求。

        圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results

        5 結(jié)語

        本文介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì),并針對搖擺臺典型應(yīng)用工況,對安裝平臺上表面進(jìn)行了軟件仿真分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。有效為艦載設(shè)備提供了海況搖擺環(huán)境,對裝備的研制具有重要的意義。

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