[发明专利]一种基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置及方法

说明书

本发明提供一种基于激光测距实时检测动态升力的鳍轴装置及方法，包括轴箱、通过两个轴承设置在轴箱内部的鳍轴，鳍轴的一端安装有减摇鳍，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。

技术领域

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。

发明内容

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α_D：

式中：F_D为鳍轴空腔内底部D受到的升力，I_D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I_D为：

式中：D_D为鳍轴空腔内底部D处的外径，d_D为相对应的内径；