Имитатор морской качки

Полезная модель относится к области средств обучения, а более конкретно, к стендам для моделирования бортовой и килевой качки судна, и может быть использована при измерении характеристик и тестировании антенн судового базирования.
Известен тренажер летчиков морской авиации [1 - Патент РФ №94038, МПК G09B 9/08, B64F 1/18, опубл. от 10.05.2010 г.], содержащий автомобильный тягач; колесный прицеп, присоединяемый к тягачу, на котором размещен блок механизмов качки посадочной платформы по крену в диапазоне углов, равном ±15°, и имеющий входы для подключения питания и входы-выходы для подключения линии информационного обмена; посадочную платформу с нанесенной на ней разметкой взлетно-посадочной площадки, которая размещена на блоке механизмов качки посадочной платформы по крену таким образом, чтобы при работе блока механизмов качки посадочной платформы по крену обеспечивался поворот посадочной платформы вокруг оси, параллельной продольной оси прицепа, в диапазоне углов, равном ±15°; автомобильную дорогу для движения тягача с прицепом, которая в профиле имеет вид волны высотой ±2…4 м и со спусками и подъемами в диапазоне углов, равными ±2…6°, отличающийся тем, что в тренажер введены имитатор ангара или корабельной надстройки, которые располагаются на посадочной платформе перед разметкой взлетно-посадочной площадки; оптическая система посадки вертолетов, состоящая из индикаторов глиссады и курса, индикатора пилотажно-посадочного, указателя истинного горизонта, огней крена и др. и имеющая входы для подключения электропитания и входы-выходы для подключения линии информационного обмена и расположенная на ангаре; контурные огни, имеющие входы для подключения электропитания и входы-выходы для подключения линии информационного обмена, и расположенные по краям посадочной платформы так, чтобы их видно было при заходе вертолета на посадку; огни подсвета взлетно-посадочной площадки, имеющие входы для подключения электропитания и входы-выходы для подключения линии информационного обмена, расположенные по краям посадочной платформы так, чтобы взлетно-посадочная площадка освещалась огнями равномерно, и огни не слепили летчика; имитатор стартового командного пункта, который размещен на посадочной площадке; интегрированный пульт управления, который имеет входы для подключения электропитания и входы-выходы для подключения линии информационного обмена, который размещен в имитаторе стартового командного пункта; агрегатная, которая размещается на посадочной платформе; автономная энергоустановка, размещаемая в агрегатной и имеющая фидеры питания, которые подключены к входам питания оптической системы посадки, контурных огней, огней подсвета взлетно-посадочной площадки, пульту управления; блок управления к входам-выходам линий информационного обмена оптической системы посадки вертолета, огней подсвета взлетно-посадочной площадки, контурных огней, пульта управления, блока механизмов качки посадочной платформы; блок измерения параметров движения взлетно-посадочной площадки, таких как направление, величина и скорость вращения платформы по крену и дифференту, направления, величины и скорости вертикального перемещения взлетно-посадочной площадки, размещаемый в агрегатной и имеющий входы, которые подключены к фидерам питания автономной энергоустановки, и входы-выходы, которые подключены к входам-выходам линии информационного обмена блока управления тренажера.
Недостатками известного технического решения являются: сложность технической реализации, постоянная зависимость угла наклона килевой качки от поверхности дороги, малые углы бортовой и килевой качки, отсутствие возможности моделирования параметров качки, большая погрешность углов качки, вызванная свойствами шасси автомобильного прицепа.
Известен стенд для моделирования бортовой и килевой качки судна и его циркуляций [2 - Авторское свидетельство СССР №771500, МПК G01M 19/00; В63В 39/00, опубл. от 15.10.1980 г.], содержащий основание, на котором установлен поворотный стол с приводом, стойки, закрепленные на поворотном столе и имеющие цапфы с преобразователем угла, в которых поворотно смонтирована посредством кронштейнов платформа с приводом, фиксатор платформы и упор ограничения качания, отличающийся тем, что фиксатор платформы состоит из зубчатого сектора, закрепленного на кронштейне платформы соосно с цапфами, опорного элемента, закрепленного на стойке, двуплечего рычага, взаимодействующего с зубчатым сектором и опорным элементом, и управляющего элемента, шарнирно смонтированного на стойке и связанного с двуплечим рычагом, а упор ограничения качания содержит дополнительный зубчатый сектор, закрепленный на одном из кронштейнов платформы, зубчатое колесо, имеющее отверстие со шлицевыми канавками, поворотно смонтированное в стойке и зацепленное с дополнительным зубчатым сектором, и торсионный узел, посредством которого зубчатое колесо связано со стойкой, причем стойки выполнены с вертикальными направляющими, а цапфы имеют корпуса, установленные в вертикальных направляющих, при этом стенд снабжен предохранительными домкратами, смонтированными на платформе равномерно по окружности и взаимодействующими с основанием, а ось симметрии платформы расположена под углом 15-25° к оси цапф стоек.
Недостатком стенда является сложность технической реализации и постоянная зависимость угла наклона бортовой качки от угла наклона килевой качки и наоборот, угол наклона ограничен 20° для бортовой качки и 8° для килевой качки. Отсутствует возможность моделирования параметров качки.
Известен имитатор морской качки [3 - Патент РФ №146498, МПК G09B 9/00, опубл. от 10.10.2014 г.], содержащий основание, электродвигатели, кронштейны, отличающийся тем, что содержит верхнюю платформу, среднюю платформу, нижнюю платформу, персональный компьютер, кабельные линии связи, защитный кожух, раму для фиксации на транспортном средстве, имеющую электроразъемы, верхняя платформа содержит дополнительное поворотное основание, закрепленное двумя шариковыми подшипниками, включающее шаговый электродвигатель, муфту, винт шариковинтовой передачи, упор винта шариковинтовой передачи, рельсовый направляющий элемент, магнитную ленту линейного энкодера, жестко закрепленную на кронштейне линейного энкодера, верхняя платформа соединена со средней платформой посредством двух кронштейнов, соединенных со средней платформой упорными роликовыми подшипниками двухстороннего действия, верхняя часть средней платформы содержит стопор, программируемый логический контроллер, дополнительное поворотное основание, закрепленное двумя шариковыми подшипниками, включающее гайку шариковинтовой передачи, каретку рельсового направляющего элемента, линейный энкодер, нижняя часть средней платформы содержит стопор, два драйвера шаговых электродвигателей, дополнительное поворотное основание, закрепленное двумя шариковыми подшипниками, включающее гайку шариковинтовой передачи, каретку рельсового направляющего элемента, линейный энкодер, нижняя платформа содержит дополнительное поворотное основание, закрепленное двумя шариковыми подшипниками, включающее шаговый электродвигатель, муфту, винт шариковинтовой передачи, упор винта шариковинтовой передачи, рельсовый направляющий элемент, магнитную ленту линейного энкодера, жестко закрепленную на кронштейне линейного энкодера.
Недостатком имитатора [3] является сложность технической реализации, недостаточная жесткость конструкции и высокая погрешность определения углов отклонения платформы. Отсутствует возможность моделирования сложных параметров качки, обусловленная достаточно медленной отработкой управляющих команд с помощью винтовой системы. Отсутствует возможность моделирования отклонения курса судна при качке.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) является имитатор морской качки [4 - Патент РФ на полезную модель №202702 от 03.03.2021 г., МПК G09B 9/00], содержащий основание, платформу, электронно-вычислительную машину, отличающийся тем, что на основании закреплены гидроопоры, имеющие датчики положения штоков гидроопоры, на штоках гидроопор посредством шарнирных опор закреплена платформа, на которой закреплен шаговый двигатель с датчиком положения ротора шагового двигателя, на роторе шагового двигателя установлена площадка для крепления исследуемой антенны с датчиками углового положения площадки, гидроопоры соединены с гидронасосами, подключенными к блоку управления, шаговый двигатель подключен к блоку управления, который получает команды управления от электронно-вычислительной машины, к которой подключены датчики углового положения площадки, датчики положения штоков гидроопоры и датчик положения ротора шагового двигателя.
Недостатком прототипа является сложность технической реализации из-за излишнего количества элементов, входящих в его состав.
Технической проблемой, для решения которой предназначена предлагаемая полезная модель, является оптимизация (упрощение) конструкции устройства.
Для решения указанной технической проблемы предлагается имитатор морской качки, на основании которого закреплены гидроопоры, имеющие датчики положения штоков гидроопоры, на штоках гидроопор посредством шарнирных опор закреплена платформа, на которой закреплен шаговый двигатель с датчиком положения ротора шагового двигателя, на роторе шагового двигателя установлена площадка для крепления исследуемой антенны с датчиками углового положения площадки, гидроопоры соединены с гидронасосами, подключенными к блоку управления, шаговый двигатель подключен к блоку управления, который получает команды управления от электронно-вычислительной машины, к которой подключены датчики углового положения площадки, датчики положения штоков гидроопоры и датчик положения ротора шагового двигателя.
Согласно полезной модели, на основании закреплены одна опора и две гидроопоры, точки крепления опоры и гидроопор к основанию образуют на основании треугольник.
Технический результат - уменьшение состава элементов конструкции, упрощение технической реализации.
Проведенный сравнительный анализ заявленной полезной модели и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- для реализации прототипа минимальное количество гидроопор - три (на фигуре прототипа показан вариант с четырьмя), иначе не возможно перемещение платформы в двух плоскостях, а в заявленной полезной модели применены только две гидроопоры и одна опора;
- уменьшено количество датчиков положения штоков гидроопоры до двух;
- уменьшено количество гидронасосов до двух;
- в связи с уменьшением количества гидроопор и датчиков положения штоков гидроопоры, гидронасосов, уменьшилась нагрузка на блок управления и ЭВМ.
Сочетание отличительных признаков и свойств данного устройства из литературы не известно, поэтому оно соответствует критериям новизны. На фигуре представлена общая схема устройства.
Имитатор морской качки состоит из основания 1, на котором жестко закреплены опора 2 и две гидроопоры 3, представляющие из себя гидроцилиндры двустороннего действия, позволяющие выдержать конструкцию. Точки крепления опоры 2 и гидроопор 3 к основанию 1 образуют на основании 1 треугольник (то есть, не лежат на одной линии). На гидроопорах 3 закреплены датчики положения штоков гидроопоры 4, в качестве которых могут использоваться линейные энкодеры. Величина рабочего хода штоков 5 гидроопор 3 выбирается, исходя из задачи обеспечения предельных углов бортовой и килевой качки. Высота опоры 2 выбирается равной длине гидроопор 3 со штоками 5, установленными на середину величины рабочего хода.
На верхней части опоры 2 и штоков 5 гидроопор 3, посредством шарнирных опор 6 закреплена платформа 7 с установленным на ней шаговым двигателем (ШД) 8 и датчиком положения ротора ШД 9. В качестве датчика положения ротора ШД 9 могут использоваться оптические датчики, применяемые в промышленности. Шаговый двигатель 8 электрически связан с блоком управления (БУ) 10. На роторе ШД 11 закреплена площадка 12 для установки исследуемой антенны 13 и двумя датчиками углового положения площадки 14, расположенными ортогонально друг к другу. Ротор ШД 11 является осью вращения площадки 12. Вместо исследуемой антенны 13 на площадку 12 может быть закреплено любое оборудование, для исследования на предмет влияния качки на его параметры. Исследуемая антенна 13 выбрана для примера. В качестве датчиков углового положения площадки 14 могут использоваться точные гироскопические датчики, применяемые в промышленности. К гидроопорам 3 гидропроводами подсоединены гидронасосы (ГН) 15, подключенные к БУ 10, который управляется с помощью подключенной к нему электронно-вычислительной машины (ЭВМ) 16, получающей информацию от датчиков углового положения площадки 14, датчика положения ротора ШД 9 и датчиков положения штоков гидроопоры 4. Все устройство запитано от источника питания (на фигуре не показан).
Устройство работает следующим образом. Исследуемая антенна 13 закрепляется на площадке 12 и подсоединяется к аппаратуре для исследования ее характеристик (на фигуре не показана). ЭВМ 16 формирует команды управления на приведение устройства в исходное положение, при котором штоки 5 гидроопор 3 устанавливаются на середину величины рабочего хода по сигналам в ЭВМ 16 от датчиков положения штоков гидроопор 4, площадка 12 устанавливается в горизонтальное положение по сигналам в ЭВМ 16 от датчиков углового положения площадки 14 и в заданном направлении по сигналам в ЭВМ 16 от датчика положения ротора ШД 9. Команды управления на приведение устройства в исходное положение и далее команды управления, моделирующие морскую качку ЭВМ 16 с помощью специальной программы для ЭВМ, ЭВМ 16 подает в БУ 10. БУ 10 преобразует команды управления в управляющие напряжения и распределяет их по гидронасосам 15. Гидронасосы 15 создают давление рабочей жидкости, поступающей в гидроопоры 3. Штоки 5 гидроопор 3 перемещают через шарнирные опоры 6 платформу 7 с установленными на ней ШД 8 и датчиком положения ротора ШД 9 с закрепленной на площадке 12 исследуемой антенной 13. При этом опора 2 через шарнирную опору 6 поддерживает платформу 7. Применение гидроцилиндров двустороннего действия обеспечивает высокие динамические показатели. Сигналы с датчиков углового положения площадки 14 поступают в ЭВМ 16 и несут информацию об угловом положении площадки 12 в двух ортогональных плоскостях с закрепленной на ней исследуемой антенной 13. Одновременно БУ 10 преобразует команды управления в управляющие импульсы и подает их в ШД 8, который устанавливает площадку 12 с закрепленной на ней исследуемой антенной 13 в заданное направление и меняет это направление по специальной программе для ЭВМ. С датчика положения ротора ШД 9 информация о положении ротора ШД 11 и, соответственно, положении исследуемой антенны 13 поступает в ЭВМ 16 для исключения ошибок и коррекции команд управления. Тем самым моделируются отклонения курса судна при качке.
Высокие точностные характеристики устройства по моделированию морской качки обеспечиваются применением датчиков углового положения площадки 14 гироскопического типа и оптического датчика положения ротора ШД 9. С датчиков положения штоков гидроопоры 4 информация о положении штоков 5 поступает в ЭВМ 16 для обработки и учета при формировании команд управления. Промышленная применимость имитатора морской качки подтверждается применением типовых элементов, используемых в промышленности.