一种基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置及方法与流程

本发明属于船用鳍、舵等主动控制水翼领域测量动态力的装置及方法，尤其涉及一种基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置及方法。

背景技术：

实际工程应用中，减摇鳍等运动水翼多采用鳍角反馈控制方式，建立在简单定常流场中静态水动力特性估算升力基础上，不能真实反映鳍在海水中受到的复杂动态水动力状况，升力估算值与实际值之间的较大偏差制约了减摇效果。因此，如何用直接检测实际升力来代替估算升力成为亟待解决的难点。

中国发明专利《具有鳍升力动态测量能力的转鳍机构》(专利号：cn201010127056.5)给出了一种检测实际升力的方法，设计了空心鳍轴和轴芯的组合结构，利用测量轴芯偏离中心线的位移换算升力。但存在以下问题。

(1)在最大升力的作用下，轴芯的理论偏离位移小于0.5mm，量程小测量不易，同时影响因素众多，干扰引起的偏差极易超过最大量程。

(2)给出的升力和位移量化关系中，涉及的结构长度均为定量，实际鳍轴的弯曲变形使其发生变化，没有考虑动态过程中的非线性和不确定性因素。

(3)轴芯与空心鳍轴加工装配难度大，加工和装配精度直接影响测量值。

(4)轴芯较长，在重力作用下，末端测量处会下垂，只有一端固定且不断弯曲变形，材质的疲劳强度要求高。

(5)轴芯是钢制材料，质量较大，当升力作用较小时，难以使轴芯末端上翘，影响升力测量的准确性。

(6)鳍轴与轴芯的交接处的截面惯性矩以环形截面计算，实际轴芯的截面惯性矩会对其产生影响。

因此，这种方法测量的升力精度不高且工程实现困难。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种测量精度高，测量速度快，解决角度估算升力偏差和滞后问题，适用常规主动水翼的基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置及方法，可实时测量舰船等水面运载器运动水翼上的动态升力。

本发明的目的是这样实现的：包括轴箱、通过两个轴承设置在轴箱内部的鳍轴，鳍轴的一端安装有鳍，所述鳍轴设置有一段空腔，在鳍轴空腔段内底上设置有激光测距仪，鳍轴空腔段的端部设置有光电转换板并将鳍轴空心段形成密闭空间，两个轴承一个是角接触滚子轴承、另一个是调心滚子轴承。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.一种基于激光测距实时检测动态升力的方法，步骤如下：

第一步：得到鳍轴空腔内底部d处的转角αd：

式中：fd为鳍轴空腔内底部d受到的升力，id为鳍轴空腔内底部d处截面惯性矩，e′为鳍轴的弹性模量，l2为两轴承之间的距离，l3为下支撑调心滚子轴承到空腔底部d处之间的距离；

第二步：得到鳍轴空腔内底部d处截面惯性矩id为：

式中：dd为鳍轴空腔内底部d处的外径，dd为相对应的内径；

第三步：通过光电转换板可以检测得到的升力方向位移是h1，根据鳍轴的受力形变结构和三角转换得：

式中：l1为上支撑角接触滚子轴承到光电转换板的动态位移；

第四步：将鳍轴端部中心位置e处的升力fe折算到转轴d处，得到：

式中：l4为鳍轴空腔内底d处到鳍轴端部中心位置e处之间的距离；

第五步：得fe与h1的定量关系：

第六步：动态升力与测量位移间的量化关系：

式中：l为激光测距仪测得到光电转换板的动态位移，且l满足l1＝l-l2-l3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.运用激光测距的方法快速准确的获得鳍上的动态升力，不需要鳍角参与运算，避免过多干扰影响，装置简单可靠，易于实现。2.相较于专利《具有鳍升力动态测量能力的转鳍机构》提供的测量方法，有以下优点：(1)测量的位移量不同，数值较大，精度较高；(2)给出的升力和位移之间的定量关系中，考虑了因轴挠度和转角带来的位移变化，运用激光测距动态测量，避免了非线性和不确定性因素产生的偏差；(3)不需要鳍轴和轴芯配合，结构简单，降低了加工装配难度；(4)去除轴芯，避免了其自身质量和疲劳强度等带来的问题；(5)没有轴芯对鳍轴的作用，其截面惯性矩变大，相应产生的挠度和转角变大，降低测量的难度。

因此，本发明提高了测量动态升力的精度，并降低了装置的复杂程度，适用于实际工程应用。

附图说明

图1a、图1b、图1c为本发明的整体结构三视图；

图2为本发明的鳍轴受力分析示意图；

图3为鳍面水动力分解图；

图4为传感器反光面板的坐标栅格图。

图中：1-光电转换板，2-角接触滚子轴承，3-轴内空腔，4-调心滚子轴承，5-轴套，6-鳍轴，7-轴箱，8-激光测距仪。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1a-图1c所示，在常规鳍轴的结构基础上，设计的空心鳍轴6通过角接触滚子轴承2、调心滚子轴承4和轴套5装配在轴箱7内，激光测距仪8安装在鳍轴6的空腔3最内端，光电转换板1固定在轴的末端，位于船舱内部，便于安装维修。轴箱7焊接在船舱舭部。鳍轴在电液伺服系统的控制下，驱动鳍体转动。由于鳍体受到动态水动力的作用，除了随轴转动外，还受到竖直方向的升力作用，因此鳍轴随之发生轻微的弯曲变形，产生挠度。

根据受力结构，本发明的鳍轴装置可简化成图2的受力示意图。其中，两处轴承的受力点分别设为a点和b点，光电转换板处设为c点，激光测距仪设为d点，鳍轴受到升力的作用点设为e点。

根据轴的结构特点可知：鳍轴为合金钢材质的刚性杆，鳍受到水动力作用时，轴承a和轴承b形成两个简支点，ab段鳍轴可近似为双支点的简支梁；鳍轴在轴承b外侧悬空尺寸较长，de段鳍轴可近似为悬臂梁。因此，鳍轴的整体结构可近似为带悬臂的双支点简支梁，其受力结构可简化成图2所示。

鳍在水中随船运动并绕轴转动，受到的动态水动力可近似看成作用于鳍压力中心的合力，轴在其作用下发生微小弯曲变形，如图2所示。

鳍轴弯曲变形时，位于鳍压力中心e处的轴变形会带动d处轴变形，其变形会使轴体空腔处产生较大挠度。由于d处轴为空心，轴截面为环形，截面惯性矩较小，所以形变量相对较大。轴体内部空腔足够大，对激光测距仪发出的光线不产生遮挡作用。激光测距仪可快速准确的测量每一时刻到光电转换板的距离及因挠度产生的位移，同时光电转换板可将挠度作用产生的升力方向变化的位移值测出。由于光电转换板c处距离激光测距仪较远，其挠度作用产生的位移较大，其测量数值较大，测量难度小，因而对最终转换的升力值的相对误差较小。

本发明的鳍轴各参数如下：αd为鳍轴空腔底部d处的转角，fd为鳍轴空腔底部d受到的升力，dd为鳍轴空腔底部d处的外径，dd为相对应的内径，id为鳍轴空腔底部d处截面惯性矩，e′为鳍轴的弹性模量，h1为鳍轴末端的光电转换板检测得到的升力方向的动态位移，l为激光测距仪测得到光电转换板的动态位移，l1为上支撑角接触滚子轴承到光电转换板的动态位移，l2为两轴承之间的距离，l3为下支撑调心滚子轴承到空腔底部d处之间的距离，l4为空腔底部d处到鳍压力中心e处之间的距离。

步骤1：

实际工程中，减摇鳍的鳍轴材质为高强度合金结构钢，硬度高，受力后轻微变形，截面的转角很小，可近似认为挠曲线上任意一点的切线斜率代表该截面的转角。则减摇鳍带悬臂的双支点简支梁挠曲线上d处转角：

步骤2：

由于鳍轴内部是中空的，则空腔d处的环形截面惯性矩id为：

步骤3：

通过光电转换板可以检测得到的升力方向位移h1，根据鳍轴的受力形变结构和三角转换近似可得转角αd和各部分结构之间的关系：

步骤4：

由于转轴各处横截面大小不一，所以各处的截面惯性矩不相同，需将鳍压力中心e处的升力fe折算到转轴d处。则d处的等效受力为：

步骤5：

综合步骤1～步骤4可得fe与h1的定量关系：

步骤6：

由于上式中l1因鳍轴的转角产生变化，难以实时动态测量。可用激光测距仪测得到光电转换板动态位移l和l2、l3换算得到，其关系如下所示。

l1＝l-l2-l3

则可得鳍上动态升力与测量位移间的量化关系：

因此，根据上式，通过测量每一时刻的位移变化，可实时检测动态升力。

综上，本发明是一种基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置，包括空心轴体、激光测距仪、光电转换板、角接触滚子轴承、调心滚子轴承和轴箱。轴箱中安装有轴承和空心轴体，轴体外端安装鳍。鳍轴底部固定激光测距仪，鳍轴末端安装光电转换板，也即利用角接触滚子轴承和调心滚子轴承将空心轴体安装于轴箱中，形成两点简支的结构。激光测距仪固定于轴体空腔底部，实时测量距离光电转换板的位移，同时光电转换板可测量激光点在升力方向的位移。鳍轴内部是空腔，空腔底部固定激光测距仪，位于船舱内的鳍轴末端安装光电转换板，将鳍轴空腔形成密闭空间，激光测距仪发出的光线照射在光电转换板上，测得动态位移，光电转换板测得竖直向上升力方向的位移。鳍轴的外轴承到鳍体部分构成悬臂梁，两个轴承和两者之间的鳍轴部分构成双支点简支梁，鳍轴整体构成带有悬臂梁的双简支梁形式的机构。本发明的优点在于运用激光测距直接获得鳍的动态升力，避免常规鳍角估算升力造成严重的非线性和不确定性，解决传统升力测量方法的干扰影响和难以工程实现问题，适用于多种水翼的动态升力测量。