張?zhí)烀? 朱麗青

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一種新型魚雷衡重設(shè)備及測(cè)量方法

張?zhí)烀?, 朱麗青2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所 昆明分部, 云南 昆明, 650118; 2.云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 云南 昆明, 650203)

為了解決魚雷現(xiàn)有衡重設(shè)備測(cè)量時(shí)存在的不足, 提高對(duì)魚雷重、浮心等衡重參數(shù)的測(cè)量精度, 介紹了一種新型魚雷衡重設(shè)備, 及其對(duì)各衡重參數(shù)的測(cè)量方法, 分析并獲得了系統(tǒng)誤差對(duì)各種衡重參數(shù)測(cè)量誤差的影響。該衡重設(shè)備改進(jìn)了現(xiàn)有設(shè)備的不足, 方便了魚雷研制和生產(chǎn)中各衡重參數(shù)的測(cè)量, 且當(dāng)各衡重參數(shù)量程一致時(shí), 能顯著提高測(cè)量精度。該方法還適用于其他形狀不規(guī)則物體的重、浮心測(cè)量。

魚雷; 衡重設(shè)備; 重心; 浮心

0 引言

魚雷質(zhì)量、重心、浮力、浮心和重浮心間距等衡重參數(shù)直接影響到魚雷的靜動(dòng)力平衡、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和操縱性。魚雷浮心與重心的不重合程度, 將影響魚雷發(fā)射的姿態(tài)和其在水中的彈道[1]。高效率高精度魚雷衡重檢測(cè)設(shè)備的使用可為魚雷研制和生產(chǎn)提供便利, 可為魚雷發(fā)射安全性和運(yùn)行可控性提供技術(shù)支持。

魚雷衡重設(shè)備一般由重心檢測(cè)設(shè)備[2-4]和浮心檢測(cè)設(shè)備組成?，F(xiàn)有的重心檢測(cè)設(shè)備測(cè)量重心軸向位置X, 浮心檢測(cè)設(shè)備測(cè)量重心偏心位置(即下移量Y與側(cè)移量Z)和浮心軸向位置X?，F(xiàn)有衡重設(shè)備測(cè)量時(shí)主要存在以下4個(gè)方面問題。

1) 測(cè)量時(shí), 魚雷懸浮姿態(tài)不易調(diào)平, 靜傾位置純靠肉眼觀測(cè), 且需4～5人參與測(cè)量, 效率不高且浪費(fèi)人力;

2) 測(cè)量X時(shí), 雷頭、雷尾均須安裝測(cè)量工裝, 對(duì)無法安裝工裝的魚雷只能采用與雷頭、雷尾重心和浮心一致的假雷頭、雷尾代替測(cè)量, 累積誤差大且測(cè)量繁瑣;

3) 測(cè)量時(shí), 雷頭、雷尾及側(cè)邊的鋼絲繩無法做到理論上要求的垂直于靜止的水面, 導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有較大誤差;

4) 測(cè)量時(shí), 鋼絲繩兩點(diǎn)拉力作用下的魚雷姿態(tài)并不穩(wěn)定, 砝碼吊重過多, 容易造成鋼絲繩拉斷等安全事故。

鑒于原有設(shè)備存在的不足, 本文提出一種新型魚雷衡重檢測(cè)設(shè)備, 該設(shè)備分開測(cè)量重心和浮心, 選用高精度大量程的傳感器搭建檢測(cè)設(shè)備, 綜合考慮測(cè)量準(zhǔn)確度、效率和安全性, 最后對(duì)設(shè)備作出誤差評(píng)估。

1 新衡重設(shè)備及測(cè)量原理

1.1 概述

新型魚雷衡重設(shè)備由重心檢測(cè)裝置和浮心檢測(cè)裝置組成, 重浮心檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)為能測(cè)量載重3 000 kg, 長(zhǎng)度為8 m的魚雷。重心坐標(biāo)系規(guī)定為: 原點(diǎn)為魚雷尾部端面,1為雷體軸向,1為雷體重心反方向,1為1,1軸方向右手定則確定方向。規(guī)定浮心坐標(biāo)系與重心坐標(biāo)系重合, 且設(shè)定具有對(duì)稱外形的魚雷浮心偏心為零。

1.2 重心檢測(cè)裝置和測(cè)量方法

重心檢測(cè)裝置采用兩點(diǎn)測(cè)量法, 其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示, 兩點(diǎn)水平度靠衡重工作臺(tái)平面度和液壓升降臺(tái)同步升降控制, 高度差控制在0.1 mm以內(nèi), 每個(gè)稱重裝置上選用1個(gè)量程為2 000 kg的稱重傳感器[5]。當(dāng)把魚雷放在稱重裝置上后, 通過電子傾斜儀調(diào)平前后稱重裝置, 重心軸向位置測(cè)量方法如圖2所示, 由靜力、力矩平衡原理[2, 6]可得式(1)和式(3), 由幾何關(guān)系可得式(2), 由此可測(cè)得雷體質(zhì)量、雷長(zhǎng)和重心軸向X。

圖1 重心測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 軸向重心測(cè)量方法

12(1)

(2)

X=L12Δ12(3)

式中:1和2為稱重傳感器稱得的質(zhì)量, kg;,,1, Δ為光柵傳感器測(cè)得值, mm。

重心偏心因素使魚雷能在裝有滾動(dòng)軸承的塑性滾輪上自由滾動(dòng), 滾動(dòng)平衡位置為其靜傾位置, 此時(shí)力矩傳感器測(cè)量的力矩值為靜摩擦值0, 絕對(duì)式編碼器測(cè)量如圖3所示的任意旋轉(zhuǎn)角度值, 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)魚雷轉(zhuǎn)到指定角度位置后, 拆除編碼器以消除編碼器重心對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響, 此時(shí)力矩傳感器測(cè)量的相應(yīng)角度位置力矩值為M。工程中通常采用將魚雷旋轉(zhuǎn)至90°時(shí)測(cè)量Y, 旋轉(zhuǎn)至0°時(shí)測(cè)量Z, 計(jì)算公式采用式(4)。

圖3 偏重心測(cè)量方法

1.3 浮心檢測(cè)裝置和測(cè)量方法

用配重連接環(huán)把魚雷配重為負(fù)浮力魚雷后, 再進(jìn)行魚雷浮心和排水量測(cè)量, 測(cè)量時(shí)去除配重連接環(huán)對(duì)重、浮心的影響。裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。前、后對(duì)接小車和雷尾小車可沿1和1方向移動(dòng), 前、后對(duì)接小車還可沿與1平行的軸旋轉(zhuǎn)至與水箱側(cè)面壁平行的位置, 能保證魚雷快速吊裝到水箱中。前、后對(duì)接小車和雷尾小車的位置由光柵傳感器測(cè)量, 前、后對(duì)接小車上安裝的稱重傳感器分別測(cè)量魚雷和配重連接環(huán)在水中的質(zhì)量1和2, 前、后對(duì)接小車上安裝的激光測(cè)距儀用于測(cè)量水位并進(jìn)行差值比較, 當(dāng)差值滿足排水量總體公差要求時(shí), 如圖5所示的1和2測(cè)量視為有效, 根據(jù)水中測(cè)量靜力、力矩平衡原理[2, 6]可得式(9)、式(10)和式(11), 由此可測(cè)負(fù)浮力P, 排水量和浮心X衡重參數(shù)。

=-P(10)

圖4 浮心測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 浮心測(cè)量方法

2 新衡重設(shè)備誤差分析

2.1 可消除誤差

衡重設(shè)備可消除誤差主要包括以下2個(gè)方面。

1) 衡重工作臺(tái)的平面度、零部件裝調(diào)位置準(zhǔn)確度引起傳感器測(cè)量的誤差, 該誤差可采用提高平面度和安裝精度消除。

2) 在全雷浮心檢測(cè)裝置中, 激光測(cè)距儀測(cè)量的水面容易受水紋波動(dòng)的影響, 重、浮心檢測(cè)裝置中, 稱重傳感器容易受風(fēng)壓的影響而產(chǎn)生誤差, 水紋波動(dòng)和風(fēng)壓產(chǎn)生的誤差均可把衡重臺(tái)布置在遠(yuǎn)離通風(fēng)較大的場(chǎng)合消除。

2.2 系統(tǒng)誤差對(duì)衡重參數(shù)誤差的影響

2.3 新設(shè)備最大誤差示例

3) 不同質(zhì)量魚雷靜摩擦力矩0測(cè)量數(shù)據(jù)量大, 故用理論數(shù)值仿真計(jì)算, 設(shè)其滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)=0.01(實(shí)際滾動(dòng)軸承比該參數(shù)更小), 則0=0.002 672N·m;

4) 已知單個(gè)力矩傳感器最大量程、測(cè)量誤差及固有的摩擦力矩, 故取M1=M2=(0～1 000)N·m。

表1 新衡重設(shè)備測(cè)量各衡重參數(shù)最大可能誤差

如果除去安裝等外部因素對(duì)各衡重參數(shù)的影響, 各衡重參數(shù)測(cè)量誤差是各測(cè)量傳感器誤差累積的結(jié)果, 這種累積是1階線性的(上文誤差分析就是此原理), 而新設(shè)備的傳感器精度明顯高于現(xiàn)有設(shè)備, 且兩者測(cè)量原理基本一致, 若兩者測(cè)量范圍一致, 則新衡重設(shè)備對(duì)各衡重參數(shù)的測(cè)量精度肯定比現(xiàn)有設(shè)備有明顯的提高和改善。

由于新設(shè)備和現(xiàn)有設(shè)備量程和傳感器誤差不一致等因素, 繼續(xù)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析意義不大且略顯冗余。故本文略去現(xiàn)有設(shè)備各衡重參數(shù)的誤差分析。

3 新衡重設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)

新衡重設(shè)備具備以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 可直接在重心檢測(cè)裝置上完成重心測(cè)量, 減少了測(cè)量工作量。重心測(cè)量采用兩點(diǎn)法測(cè)量, 只需轉(zhuǎn)動(dòng)魚雷2個(gè)位置即可完成重心測(cè)量, 比三點(diǎn)法測(cè)量[4]更為方便。

2) 新浮心檢測(cè)裝置摒棄現(xiàn)有設(shè)備鋼絲繩吊砝碼的測(cè)量方法, 配重為負(fù)浮力魚雷后用各種傳感器對(duì)浮心等參數(shù)間接測(cè)量, 水箱中魚雷為真正懸浮姿態(tài)且姿態(tài)穩(wěn)定, 消除了肉眼判斷懸浮狀態(tài)的主觀誤差, 消除了鋼絲繩不垂直水面導(dǎo)致的誤差, 使得測(cè)量簡(jiǎn)單方便, 衡重參數(shù)量程一致時(shí)能顯著提高測(cè)量精度。

3) 新設(shè)備測(cè)量范圍大, 能檢測(cè)3 000 kg載重, 長(zhǎng)度8 m的魚雷。

4) 同等條件下新設(shè)備測(cè)量精度與三點(diǎn)法測(cè)量相當(dāng), 當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度精度由0.1°提高到0.022°時(shí),的測(cè)量誤差由0.23 mm提高到0.11 mm, 新設(shè)備只需選用14位絕對(duì)式編碼器, 即可滿足魚雷重心偏心=0.11 mm的測(cè)量要求。

5) 新設(shè)備只需2人即可完成測(cè)量且操作安全, 節(jié)省了人力, 且提高了工作效率。

6) 新重心檢測(cè)裝置只需選擇與其他柱狀產(chǎn)品直徑相適配的塑膠滾輪, 就可測(cè)量其他長(zhǎng)度不小于1.5 m柱狀產(chǎn)品的重心。同理, 其浮心檢測(cè)裝置只需選擇與其他柱狀產(chǎn)品直徑適配的配重連接環(huán), 則可測(cè)量其他長(zhǎng)度不小于1.5 m柱狀產(chǎn)品的浮心。若制作標(biāo)準(zhǔn)圓柱外殼和密封蓋, 將任意形狀的產(chǎn)品裝入標(biāo)準(zhǔn)圓柱段中, 則只需簡(jiǎn)單換算即可測(cè)試任意形狀產(chǎn)品的衡重參數(shù)。

新設(shè)備的不足之處是理論上認(rèn)為魚雷絕對(duì)對(duì)稱, 忽略了對(duì)其浮心偏心相關(guān)測(cè)量方法的探討, 而工程中魚雷由于加工誤差等因素不可能絕對(duì)對(duì)稱。且其浮心的測(cè)量誤差偏大, 這是較多間接測(cè)量參數(shù)誤差累積的結(jié)果, 欲提高其精度, 必須對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的新型衡重設(shè)備能夠提高測(cè)量效率, 節(jié)省人力物力, 能保證測(cè)量的準(zhǔn)確度和測(cè)量的穩(wěn)定性, 測(cè)量操作過程安全方便, 且能用于測(cè)量其他形狀不規(guī)則產(chǎn)品重、浮心, 具有較好的經(jīng)濟(jì)性和廣闊的應(yīng)用前景。

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A New Torpedo Weighing Equipment and Measurement Method

ZHANG Tian-mi1, ZHU Li-qing2

(1. Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China; 2. Yunnan Electromechanical Occupation Technical School, Kunming 650203, China)

In order to improve the measurement deficiency of existing weighing equipment and increase its measurement precision of weighing parameters such as barycentre and buoyancy center, this paper presents a new type of weighing equipment and its measurement method for various weighing parameters, analyzes and obtains the influence of the system error on the measurement errors of various weighing parameters. This equipment can improve the deficiency, provide convenient measurement for various weighing parameters in torpedo development and production, and significantly increase the measurement precision. In addition, the proposed measurement method is also applicable to other objects with irregular shape.

torpedo; weighing equipment; barycentre; buoyancy center

TJ630.6

A

1673-1948(2013)01-0010-05

2012-07-26;

2012-09-04.

國(guó)防重點(diǎn)型號(hào)項(xiàng)目資助.

張?zhí)烀?1980-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)