技术领域
[0001] 本
发明属于船舶测试技术领域，尤其涉及一种对船模在波浪中的升沉、纵摇、阻
力、纵荡及横摇进行测试而对船舶适航性能进行测试的系统。
背景技术
[0002] 随着航运技术的不断发展创新，提高船舶性能预报的准确性是船型开发的重要手段，而模型试验的
精度直接影响船舶性能预报的准确性，船舶在
风浪中运动、增阻、
失速及推进性能等的测试技术直接影响到模型试验的精度，是船舶性能预报重要依据。
[0003] 目前船模在波浪中的模型试验主要有两种，一种是限制纵荡式的，测试中反映的不是真实的波浪运动，另一种是通过两端
弹簧的拉伸来提供船模及测量杆的受力，能够实现一定程度上的自由纵荡，但弹簧存在弹性阻尼，影响振动
频率，不能反映真实运动，对阻力测量有一定的影响，并且该测试方法在起停过程中需要人为去控制船模。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能够真实反映船模波浪运动性能、船模波浪试验测试精度高的船舶适航测试仪，以克服
现有技术存在的不足。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一种船舶适航测试仪，其特征在于：包括一对立柱架，设于一对立柱架之间的横梁架，以及位于所述横梁架上的适航测试装置和跟随
刹车装置；
[0007] 所述适航测试装置包括设于横梁架上的第一直线
电机、位移第一直线电机上的第一滑座、竖直活动穿设在第一滑座内的第一活动柱以及连接在第一活动柱下端的测试头；所述第一滑座上设有检测第一活动柱升降高度的升降位移
传感器；所述测试头包括依次连接在第一活动柱下端的阻力传感器、纵摇传感器和横摇传感器；所述第一直线电机上设有第一电机位移传感器；
[0008] 所述跟随刹车装置包括设于横梁架上的第二直线电机、位于第二直线电机上的第二滑座，竖直活动穿设在第二滑座内的第二活动柱、驱动第二活动柱升降的升降驱动机构以及连接第二活动柱下端的夹头；所述第二直线电机上设有第二电机位移传感器，所述第二直线电机上具有刹车机构；
[0009] 还包括有测试控制组件，所述升降位移传感器、所述阻力传感器、所述纵摇传感器、所述横摇传感器、所述第一电机位移传感器以及所述第二电机位移传感器均与所述测试控制组件相连接；所述测试控制组件还连接所述第一直线电机的第一电机
驱动器、所述第二直线电机的第二电机驱动器、所述刹车机构的电磁
阀和所述夹头的
电磁阀。
[0010] 所述升降驱动机构由设于第二活动柱顶端的
驱动电机、设有第二活动柱侧的
丝杆以及固定在第二滑座上的
螺母构成；所述丝杆穿设在所述螺母中，顶端连接所述驱动电机。
[0011] 所述夹头为
气动夹头，包括连接在第二活动柱下端的固定座、被
气缸驱动且位于固定座下方的活动
块以及位于活动块下方的一对
夹板；所述活动块上具有一对对称且呈“Y”型布置的导向穿孔；所述固定座的前、后端面还分别安装有竖向滑槽，在活动块的前、后端面还分别安装有竖向
导轨，所述竖向导轨位于所述竖向滑槽内；每块夹板的背部由一对
支撑板连接支撑，一对支撑板向上延伸至所述固定座的左、右端面，所述支撑板的上端连接有导向滑座，所述固定座的左、右端面安装有横向导轨，所述导向滑座安装在横向滑轨上，一对支撑板之间位于夹板的上方
位置连接有刹车轴，所述刹车轴位于所述导向穿孔中。
[0012] 所述导向穿孔由竖向长孔和斜向长孔连接构成，所述斜向长孔的下端连接所述竖向长孔的上端，所述斜向长孔的上端位于竖向长孔的外侧的斜上方。
[0013] 所述第二活动柱下端的左、右侧面上还分别加装有加强板，所述加强板下部具有一对直
角切口，所述直角切口正好与所述支撑板的内侧上端的直角顶角适配。
[0014] 所述横梁架包括第一横梁架和第二横梁架，所述适航测试装置位于所述第一横梁架上，所述跟随刹车装置位于所述第二横梁架上。
[0015] 所述第一活动柱的侧面设有竖向光栅尺，所述第一横梁架外侧具有第一横向光栅尺，所述第二横梁架外侧具有第二横向光栅尺；所述升降位移传感器、所述第一电机位移传感器以及第二电机位移传感器均为光栅尺读头。
[0016] 所述第一活动柱和所述第二活动柱侧面均具有竖向导轨，所述第一滑座和所述第二滑座均具有导向槽，所述竖向导轨配合在所述导向槽内。
[0017] 所述测试头还包括有
固定板和连接板，所述阻力传感器一端连接所述第一活动柱的下端，另一端连接所述固定板，所述纵摇传感器和所述横摇传感器依次连接在所述固定板和所述连接板之间。
[0018] 采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0019] 1、利用磁悬浮原理的直线电机作为船模控制及测量装置，实现非
接触式加载及测量，阻尼系数超低，不限
制模型运动，且
定位精准，控制及测量精度高。
[0020] 2、跟随刹车装置，实现刹车与测量装置同步运动，且不影响测量段的振荡，解决波浪中船模运动过大，无法使用刹车的问题。
[0021] 2、实现了刹车与测量一体化，采集与控制一体化，减小设备体积，便于设备的吊装及使用，同时实现
加速及减速段由跟随刹车装置提供拖带力，测量时由适航测试装置提供拖带力，减小传感器量程，提高试验精度。
[0022] 4、设备具有气动机械刹车，掉电自
锁功能，设备瞬时起动拖带能力能达到1.5吨。
[0023] 5、测量中设置了程序控制保护及防冲撞机械限位保护等连锁保护装置，能更好地保护该设备。
[0024] 6、运动状态由高精度光栅尺实现非接触式精准测量。
[0025] 综上所述，本发明实现了船模在模拟波浪中适航状态的精确测量。
附图说明
[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
[0027] 图1为本发明的第一视角立体结构示意图；
[0028] 图2为本发明的第二视角立体结构示意图；
[0029] 图3为测试头的结构示意图；
[0030] 图4为夹头的结构示意图；
[0031] 图5为活动块的结构示意图；
[0032] 图6为加装加强板的夹头结构示意图；
[0033] 图7为测试控制部分的连接示意图；
[0034] 图8为本发明应用于船舶适航测试系统中的俯视图；
[0035] 图9为本发明应用于船舶适航测试系统中的正视图；
[0036] 图10为本发明应用于船舶适航测试系统中的侧视图；
具体实施方式
[0037] 如图1和图2所示，船舶适航测试仪300包括一对立柱架310、第一横梁架320、第二横梁架330、适航测试装置340和跟随刹车装置350。
[0038] 其中，一对立柱架310分列两侧，第一横梁架320和第二横梁架330安装在一对立柱架310上部之间，第一横梁架320位于第二横梁架330的下方，第一横梁架320和第二横梁架330均由一对平行间隔的横梁801构成。
[0039] 适航测试装置340包括第一直线电机3410、第一滑座3420、第一活动柱3430以及测试头3440。
[0040] 第一直线电机3410安装在第一横梁架320上，第一滑座3420又安装在第一直线电机3410上。第一滑座3420在第一直线电机3410驱动下能够沿着第一横梁架320进行平移运动。第一滑座3420上设有中间带有通孔的第一导向座3421，通孔的两侧内壁具有导向槽。第一活动柱3430两侧外壁设有竖向导轨3431。该第一活动柱3430竖直地位于第一导向座3421的通孔中，其下端从第一横梁架320的下方穿出，上端向上延伸。第一活动柱3430的竖向导轨3431配合在通孔的导向槽内，该第一活动柱3430在导向槽和竖向导轨3431的约束下能够上下运动。在第一活动柱3430另一侧面上还设有竖向光栅尺3432。在第一导向座3421上对应竖向光栅尺的位置设有升降位移传感器,该升降位移传感器为光栅尺读头。
[0041] 第一直线电机3410由两根初级和位于两根初级上的四个次级组成，两根初级兼做第一滑轨3411分别安装在第一横梁架320的两根横梁上，四个次级分别位于第一滑座3420底部的四个顶角兼做在初级上的第一滑脚3412。当然，也可以是次级兼作滑轨，初级兼作滑脚。
[0042] 另外，第一横梁架320的横梁外侧还设有第一横向光栅尺3413，第一滑座3420侧边对应第一横向光栅尺3413的位置安装有第一电机位移传感器3422，第一电机位移传感器也是光栅尺读头。
[0043] 结合图3所示，测试头3440连接在第一活动柱3430的下端，包括固定板3441、连接板3442、阻力传感器3443，横摇传感器3444和纵摇传感器3445。其中，阻力传感器3443的上端与第一活动柱3430下的传感器固定板3433连接，阻力传感器3443的下端与固定板3441连接，纵摇传感器3444和横摇传感器3445依次连接在固定板3441和连接板3442之间。
[0044] 具体地，阻力传感器3443是常规的单分力传感器，安装在第一活动柱3430下的传感器固定板3433和固定板3441之间，是专用于测量船模X方向力(即前进方向力)的测力传感器。纵摇传感器3444和横摇传感器3444均为数字电位器，通过弹性
联轴器连接至位于固定板3441和连接板3442之间的十字轴上，通过测量十字轴中的两个轴的摇摆获得纵横摇角度
信号。
[0045] 再如图1和图2所示，跟随刹车装置350包括第二直线电机3510，第二滑座3520、第二活动柱3530以及夹头3540。
[0046] 其中，第二直线电机3510安装在第二横梁架330上，第二滑座3520又安装在第二直线电机3510上。第二滑座3520在第二直线电机3510驱动下能够沿着第二横梁架330进行平移运动。第二滑座3520上设有中间带孔的第二导向座3521，通孔的两侧内壁具有导向槽。第二活动柱3530的两侧外壁设有竖向导轨3531。该第二活动柱3530竖直地位于第一导向座3521的通孔中，竖向导轨3531与导向槽配合。第二活动柱3530的下端从第二横梁架330、第一横梁架320的间隙中穿出，与夹头3540连接，上端向上延伸。第二活动柱3530的上端安装有一个驱动电机3550。在第一活动柱3530的一侧设有一个丝杆3551，该丝杆3551上端与驱动电机3550连接。第二滑座3530上还具有螺母3524，丝杆3551穿过螺母3524，与螺母3524
啮合。在驱动电机3550的驱动下以及通过丝杆螺母机构的传动，第二活动柱3530会带动夹头
3540进行上升或下降，从而对应不同大小体积的船模使得夹头3540调整到适合的高度。
[0047] 第二直线电机3510也由两根初级和位于两根初级上的四个次级组成，两根初级兼做第二滑轨3511分别安装在第二横梁架330的两根横梁上，四个次级分别安装在第二滑座3520底部的四个顶角兼做在初级上的第二滑脚3512。同样，也可以是次级兼作滑轨，初级兼作滑脚。
[0048] 另外，第二横梁架330的横梁外侧也还设有第二横向光栅尺3513，第二滑座3520侧边安装刹车机构和第二电机位移传感器3523，刹车机构为对应安装在第二滑轨3511的位置，第二电机位移传感器对应安装在第二横向光栅尺3513的位置。
[0049] 如图4所示，夹头3540包括固定座601、活动块602、一对夹板603、四块支撑板604、两块加强块以及气缸。
[0050] 其中，固定座601连接在第二活动柱3530的下端，活动块602位于固定座601的下方，气缸隐藏安装在第二活动柱3530内部，其
活塞杆从固定座601向下伸出，与活动块602连接。在气缸606的驱动下，活动块602可以上下运动。为保证活动块602上下运动平稳，在固定座601的前、后端面还分别安装有竖向滑槽607，在活动块602的前、后端面还分别安装有竖向导轨608，竖向导轨608位于竖向滑槽607内。
[0051] 在活动块602的左、右侧面上开设有一对对称且呈“Y”型布置的导向穿孔620。具体地，如图5所示，该导向穿孔620包括竖向长孔621和斜向长孔622连接构成，该斜向长孔622的下端连接竖向长孔621的上端，斜向长孔622的上端位于竖向长孔621的外侧的斜上方。
[0052] 再图4所示，一对夹板603位于活动块602的下方。四块支撑板604分成两对，每块夹板603的背部由一对三角形的支撑板604进行支撑，支撑板604向上延伸至固定座601的左、右端面，其上端连接有导向滑座609，在固定座601的左右端面上还安装有横向导轨610，导向滑座609安装在横向滑轨610上。在一对支撑板604之间位于夹板603的上位置设有刹车轴611，该刹车轴611位于导向穿孔620中。
[0053] 该夹头3540的工作方式为：当刹车轴611位于竖向长孔621中时，一对夹板603之间的距离最小，夹头处于夹紧状态。当气缸驱动活动块602向下运动，其上的导向穿孔620也会向下运动，当运动到斜向长孔622与刹车轴611接触后，斜向长孔622会迫使刹车轴611向斜上方运动，直至运动到斜向长孔622的上端，这样刹车轴611就带动支撑板604，支撑板604进而带动夹板603向外侧方向运动，使得一对夹板603张开。反之，当气缸603驱动活动块602向上运动时，能够驱使一对夹板603做夹紧动作。
[0054] 另外，如图6所示，两块加强板605加装在第二活动柱3530下端的左、右侧面上，该加强板605下部具有一对直角切口651，该直角切口651正好与支撑板604的内侧上端直角顶角641的适配。这样，当夹头夹紧时，支撑板604的内侧上端的直角顶角641正好位于加强板605的直角切口651中，被直角切口651所卡固，起到对支撑板604进一步支撑作用，提高夹头的夹紧力。
[0055] 再如图1和图2所示，第一横梁架320的两端、第二横梁架330的两端、第一活动柱3430的上端、第二活动柱3530的上端还分别设有防撞限位器802。
[0056] 结合图7所示，本发明的船舶适航测试系统，还包括有测试控制部分，该测试控制部分包括由计算机901、信号采集处理设备902以及
控制器903组成的测试控制组件900，阻力传感器3443，纵摇传感器3444和横摇传感器3445分别连接到信号采集处理设备902。第一直线电机3410和第一电机位移传感器905分别连接第一电机驱动器907，第二直线电机3510和第二电机位移传感器905分别连接第二电机驱动器908。升降位移传感器904、第一电机驱动器907、第二电机驱动器908再分别连接控制器903；信号采集处理设备902和控制器903均再与计算机901进行连接。控制器903还还分别与气缸和轨道钳制器的电磁阀相连接。
[0057] 测试时，计算机901通过信号采集处理设备902分别获得船模的在波浪中的阻力信号、纵摇信号以及横摇信号并进而处理获得波浪阻力数据、纵摇数据和横摇信号。计算机901还可以通过控制器903获得升降位移数据、第一电机位移数据以及第二电机位移数据，并且可以通过控制器903、第一电机驱动器907和第二电机驱动器908控制第一直线电机
3410和第二直线电机3510工作，控制器也通过电磁阀来控制轨道钳制器和气缸的工作。
[0058] 第一直线电机3410和第二直线电机310均具有两种带电工作状态，一种为自由状态，一种为使能状态。自由状态是指直线电机的次级
悬停在初级上，初级和次级之间既没有摩擦阻力，也没有驱动力驱动初级在次级上移动，使得次级位于初级上处于
水平方向不受力的状态；使能状态是指驱动次级在初级上水平运动。
[0059] 如图8-10所示，本发明的船舶适测试仪300应用在船舶适航测试系统中，船舶适航测试系统还包括水池100，设于水池两侧的主轨道200，设于主轨道200上的拖车400。船舶适航测试仪300安装在拖车400上。拖车400用于牵引船舶适航测试仪300沿着主轨道200运动。
[0060] 在测试时，船模10连接在船舶适航测试仪300的下方，通过拖车400的拖动，由船舶适航测试仪300带动船模10在水池100的模拟有波浪的水面101航行。
[0061] 为方便调整船舶适航测试仪300在拖车400上的位置，以适应连接不同型号的船模，拖车400上还具有拖车轨道401。当船舶适航测试仪300在拖车轨道401上调整好位置后，用锁定机构402进行锁定。
[0062] 本发明的船舶适航测试仪的测试方式如下：
[0063] 船模10安装在既定位置与船舶适航测试仪300相连接(即测试头3440中的连接板3442与船模10连接)，适航测试装置340的第一直线电机3410处于自由状态。而跟随刹车装置350的夹头3540夹紧船模，并且跟随刹车装置250中的轨道钳制器3522夹紧第二滑轨
3511，使得跟随刹车装置350在第二横梁330上处于静止固定状态，适航测试装置340处于自由状态，船舶适航测试仪300通过拖车拖带船模加速。
[0064] 当拖车速度稳定后，控制跟随刹车装置350的夹头3540打开，松开船模10，并控制跟随刹车装置350为跟随状态(跟随状态指跟随刹车装置350在使能状态下跟随适航测试装置340运动,具体地工作方式为控制器903会根据获得的第一直线电机3410的位移数据来控制第第二直线电机3510进行相应的跟随位移)，适航测试装置340置为预阻力测量状态(预阻力测量状态是指拖车启动运行稳定后,预测量船模在波浪中的阻力,为后期自适应调整进行预采数据)，船模及适航测试装置340随波浪运动，这时控制适航测试装置340为自适应状态(自适应状态是指控制器根据前面预阻力测量的阻力进行分析后,第一直线电机3410自动适应地驱动船模的运动,从而能够更准确地测量船模在波浪中的各项数据)，第二直线电机3510还是保持跟随状态不变，第一直线电机3410将根据船模阻力变化情况自适应调整，直至船模运动稳定，等稳定后测量和记录升沉、纵荡、纵摇、横摇及阻力数据。
[0065]
采样完成后，控制跟随刹车装置350中的夹头3540夹紧船模，同时将第二直线电机3510由跟随状态变为自由状态，延迟1s控制第一直线电机3410由“自适应状态”变为“自由状态”。然后，控制跟随刹车装置250中轨道钳制器3522夹紧第二滑轨3511。最后，再控制拖车慢慢降低速度，最终使得船模停止运行，完成测试。
[0066] 本发明的适航测试装置340通过磁悬浮原理的直线电机作为控制及测量方式，在超低阻尼的情况下，测量除艏摇及横荡外无其他约束的条件下的船模在波浪中的运动
姿态及增阻情况。
[0067] 本发明的跟随刹车装置350，利用直线电机的跟随原理，通过气动缸运动转换为机械夹紧，并通过轨道钳制器夹紧与松开轨道达到船模在波浪中的起停控制。
[0068] 可见，本发明的船舶适航测试系统是利用磁悬浮原理的直线电机为控制方式，测量船模在波浪中的阻力及运动姿态变化，利用机械气动原理的跟随刹车装置解决船模起停控制，并利用直线电机跟随原理控制刹车与测量装置之间的距离。
[0069] 其优点在于：
[0070] 1、利用磁悬浮原理的直线电机作为船模控制及测量装置，实现非接触式加载及测量，阻尼系数超低，不限制模型运动，且定位精准，控制及测量精度高；
[0071] 2、跟随刹车装置，实现刹车与测量装置同步运动，且不影响测量段的振荡，解决波浪中船模运动过大，无法使用刹车的问题。
[0072] 3、刹车系统与测量系统一体化，采集与控制一体化，减小设备体积，便于设备的吊装及使用，同时实现加速及减速段由刹车系统提供拖带力，测量段由测量系统提供拖带力，减小传感器量程，提高试验精度。
[0073] 4、设备具有气动机械刹车，掉电自锁功能。气缸通过电磁阀控制，当控制器使得电磁阀得电时，夹头松开船模，轨道钳制器松开轨道；当控制器使得电磁阀失电时，夹头夹紧船模，轨道钳制器夹紧轨道。设备瞬时起动拖带能力能达到1.5吨。
[0074] 5、测量中设置了程序控制保护，电磁限位保护及防冲撞机械限位保护等连锁保护装置，能更好地保护该设备。程序控制保护为：当试验运行过程中，如果测试中出现直线电机运动行程过大，程序中设置一定量程的范围，当超过运动最大限度时，控制器控制直线电机停止运行和电磁阀失电，使得夹头夹紧船模、轨道钳制器夹紧轨道。电磁限位保护为：当试验运行过程中，如果测试中出现运动行程过大，直线电机运动超过光栅尺上的最大位置，控制器控制电机停止运行和电磁阀失电，使得刹车夹紧船模，轨道钳制器夹紧轨道。
[0075] 6、运动状态由高精度光栅尺实现非接触式精准测量。
[0076] 以上所述，仅是本发明的较佳
实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提出的
权利要求的保护范围内，利用本发明所揭示的技术内容所作出的局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属本发明技术特征的范围内。
