海洋波浪浮標檢定裝置的設計與實現

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; .中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京53)

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海洋波浪浮標檢定裝置的設計與實現

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.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:介紹了一種應用于重力加速度式波浪浮標的檢定裝置。對類似裝置在國內外的發展現狀和特點進行了歸納總結，重點介紹了此裝置模擬波浪浮標在近似正弦運動規律海浪中運動的技術實現手段。該裝置波高、波周期等主要技術性能指標大大優于國內外同類產品。

關鍵詞:波浪浮標;檢定裝置;波浪模擬

0　引言

隨著全世界對海洋重視度的不斷增加，各國的海洋活動越來越頻繁。無論是對海洋資源的探索還是對海洋氣候的研究，海洋環境數據的精確測量變得尤為重要。要想精確測量這些海洋數據，先進的海洋監測技術是不可或缺的。作為現代化海洋立體監測系統中的一項重要技術，波浪浮標是一種載有各類傳感器的海水平臺。它可以在海洋上進行定點或漂流的長期連續觀測，實現數據的自動采集、自動標示和自動發送。在海洋環境條件惡劣時調查船無法采集到海洋信息，而海洋波浪浮標卻能做到這一點。

隨著大量波浪浮標的投入使用，要想保證海洋數據的測量準確性，必須對波浪浮標進行相應的計量檢定，以保證其質量和使用可靠性。為此，2000年底，國家海洋標準計量中心建立了一套JBY1-1型波浪浮標檢定裝置，填補了我國波浪浮標檢定領域的空白。然而，隨著實際中的使用，其靜態模擬海浪的機理不夠成熟、波高調節量程不能滿足要求等缺點逐漸暴露出來。因此，在保留該套裝置的主體框架結構形式的基礎上，對其進行機械結構優化設計顯得十分重要。

1　海洋波浪浮標檢定裝置國內外發展現狀

1.1國內海洋波浪浮標檢定裝置發展現狀

目前，國內僅有兩臺海洋波浪浮標檢測裝置，分別是國家海洋標準計量中心的JBY1-1型波浪浮標檢定裝置和山東省科學院海洋儀器儀表研究所的JBA2-1型數控波浪模擬標定裝置。相同的是兩臺設備均采用的桁架結構設計以及波浪模擬運動機理;不同的是JBA2-1型數控波浪模擬標定裝置只能檢測10 kg以下的傳感器，而JBY1-1型波浪浮標檢定裝置不僅可以對重力加速度式傳感器進行檢定，還能為波浪浮標整體進行計量檢定。圖1為JBY1-1型波浪浮標檢定裝置，圖2為JBA2-1型數控波浪模擬標定裝置。

圖1　JBY1-1型波浪浮標檢定裝置

1.2國外海洋波浪浮標檢定裝置發展現狀

目前，世界上公認的波浪浮標校準方法主要是旋轉式正弦模擬方法，其基本方法是將波浪浮標或傳感器固定在校準裝置上，隨著裝置的動作，帶動浮標或傳感器作近似正弦曲線的垂直方向的運動。美國國家海洋大氣局(NOAA)的波浪浮標校準裝置采用的是懸臂梁式桁架結構;英國國家海事研究所(NMI)的波浪浮標檢定裝置采用的是雙臂式旋轉架結構;挪威水實驗室(NAL)的波浪浮標檢定裝置采用的也是雙臂式旋轉架結構。

2　總體設計方案

國內外波浪浮標檢定裝置的結構形式主要有懸臂梁式桁架結構、雙臂式旋轉架結構、單環式桁架結構以及雙環式桁架結構。根據公認的波浪理論，可知海浪表面的水質點是在其平衡位置附近作周期性振動，在不同的時刻有不同的垂直加速度。測出此加速度，經二次積分即可得到海浪的垂直位置即波高。雖然結構形式各有不同，但共同點都是賦予被檢傳感器或浮標以某種方式的正弦振動或是近似正弦的垂直振動，或是圓周運動。故綜合考慮結構簡單、參數易調整、模擬方式接近海浪理論要求等因素，本方案將基于JBY1-1型波浪浮標檢定裝置的雙環式旋轉桁架結構形式，對其進行結構優化設計。

通過研究分析同類裝置的優缺點及發展動向，將對原有的雙環式旋轉桁架結構形式的檢定裝置進行較大的創新與優化改進。關鍵技術就是使雙環式旋轉桁架式檢定裝置在作旋轉運動的同時帶動浮標搭載平臺正弦波運動規律式左右擺動，來更逼真地模擬波浪浮標在真實海浪中的運動規律。

2.1系統組成及結構原理

該裝置主要由雙環桁架結構、電機與制動系統、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的轉速來模擬波浪周期;減速電機轉動帶動雙環桁架作旋轉運動，搭載平臺上的浮標也隨之作旋轉運動，而擺動機構可使得浮標在隨雙環桁架旋轉運動的同時作正弦式左右擺動;可通過調節浮標搭載平臺的位置來改變波高指標。浮標搭載平臺正弦波浪模擬擺動由擺動機構中的曲柄驅動鏈輪隨動方式實現，可保證搭載平臺隨旋轉風車轉動作最大±45°擺動。

剎車制動用于旋轉風車式檢定裝置停車制動。

2.2關鍵技術的實現

由上述可知，海洋波浪浮標檢定裝置都是賦予被檢浮標或加速度計以某種方式的正弦振動或近似正弦的垂直振動或圓周運動。旋轉式海洋波浪浮標檢定裝置的關鍵技術點就是如何逼真地模擬出波浪浮標在海洋波浪中運動的形式狀態，如圖3所示。

圖3　正弦特性波浪波高、波周期圖

在旋轉式海洋波浪浮標檢定裝置中，為更逼真地模擬出浮標隨海面上運動軌跡，要求浮標在隨旋轉風車轉動時在平動的基礎上作正弦規律的擺動，且擺動的角度可以調節。

如圖4所示，在鏈輪傳動中，當主動鏈輪和從動鏈輪的節距、齒數完全相同(傳動鏈節距的變化可忽略不計)，相對于任一慣性系，不論兩鏈輪空間相對位置如何變化，任一時刻兩鏈輪的旋轉速度，旋轉方向均相同。可以通過控制主動鏈輪的運動，以使得從動鏈輪做周期性的正弦規律擺動。

圖4　旋轉式海洋波浪浮標檢定裝置原理圖

為使主動鏈輪實現周期性正弦規律擺動及幅度可調，采用了曲柄滑塊加齒輪齒條機構，如圖5所示。通過調節滑塊離圓心的距離來控制齒條的行程，再由齒條帶動主動齒輪(鏈輪A)周期規律性的擺動。

圖5　角度調節擺動機構

本裝置上對稱設置了兩個浮標搭載平臺，提高了波浪浮標的檢定效率，方便了運行過程中配重的調節。但是，要使兩個浮標搭載平臺在隨著雙環桁架作公轉的同時作周期性正弦規律擺動，這里就必須設置兩套曲柄滑塊加齒輪齒條機構。筆者創新性巧妙地將雙環桁架的一個半軸設計成空心三層軸體，如圖6所示，外軸通過軸承座固定，用于支撐雙環桁架作旋轉運動;中軸和心軸分別用于傳動兩個浮標搭載平臺的擺動。

雙環桁架勻速旋轉帶動固定在外軸上的兩個鏈輪轉動。兩個鏈輪分別帶動曲柄滑塊機構，將旋轉運動轉變為齒條的上下往復運動，經過齒輪齒條運動副帶動中軸和心軸上另一端的主動鏈輪作正反轉擺動，從而經鏈條傳動至浮標搭載平臺。

圖6　空心三層軸機構

2.3總體結構形式

2.3.1雙環桁架結構

本裝置采用南北雙環桁架、兩半軸體結構。雙環桁架每環均由槽鋼和扇形板組成射狀結構;南環半軸為實心軸，直接與軸承座、制動器、離合器、減速器電機相連;北環軸為空心軸，內套兩層軸分別控制兩個搭載平臺的擺動，其外軸通過軸承套固定;兩環之間用十字桿交叉連接以提高強度，傳遞扭力矩。兩個浮標(傳感器)搭載平臺設置在旋轉風車對稱的方向。雙環桁架結構圖見圖7和圖8所示。

圖7　結構組成圖

圖8　雙環桁架

2.3.2搭載平臺擺動裝置機構

浮標搭載平臺用于安裝被測波浪浮標(傳感器)或配重，平臺安裝在旋轉風車主骨架上的活動導軌上。為實現搭載平臺在大旋轉風車轉動時同步可作最大± 45°擺動，采用了圖9所示的曲柄驅動鏈輪傳動方式實現。為保證整個裝置在旋轉過程中搭載平臺相對穩定(固定擺幅的往返擺動)，大旋轉風車只有一個變頻電機驅動。旋轉風車主軸分為三層軸，并在中心的兩個軸上安裝鏈輪，通過鏈條傳動帶動曲柄機構轉動，再由曲柄機構帶動齒條作上下移動，嚙合齒輪從而達到擺動的效果。在曲柄機構上通過把手旋轉絲桿推動滑塊來調節擺動角度。

圖9　曲柄連桿機構

在大旋轉風車的槽鋼中心頂端安裝可以自由轉動的小鏈輪(相對中心軸鏈輪直徑小40%)，與中心軸聯成一傳動機構，在載荷平臺上安裝與中心軸同樣尺寸參數的鏈輪，與載荷平臺固定，使載荷平臺隨旋轉風車轉動的同時，實現±45°的擺動。

3　結束語

本文主要針對JBY1-1型波浪浮標檢定裝置進行了優化設計與改進。創新性地將雙環桁架軸體更改為三層空心軸體，并增加了曲柄滑塊機構使得浮標在搭載平臺上隨雙環桁架作旋轉運動的同時作左右擺動運動，而不在是一直處于水平狀態。這可使浮標在檢定的靜態模擬測試設備上更逼真地作正弦運動規律的運動，進行波浪浮標的波高和波周期的檢定，進一步提高了檢測精度，具有一定的應用價值。

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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:船舶監造;薛宜童(1979-)，男，高級工程師，研究方向:大氣與海洋類雷達系統;朱飛(1989-)，男，助理工程師，研究方向:大氣與海洋類雷達系統;陳雷(1971-)，男，工程師，研究方向:雷達總體技術。

收稿日期:2014-12-14

文章編號:1009－0401(2015)02－0015－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN91