一種新型魚雷衡重設(shè)備及測量方法

張?zhí)烀? 朱麗青

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一種新型魚雷衡重設(shè)備及測量方法

張?zhí)烀?, 朱麗青2

(1.中國船舶重工集團(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)備測量時存在的不足, 提高對魚雷重、浮心等衡重參數(shù)的測量精度, 介紹了一種新型魚雷衡重設(shè)備, 及其對各衡重參數(shù)的測量方法, 分析并獲得了系統(tǒng)誤差對各種衡重參數(shù)測量誤差的影響。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)的測量, 且當(dāng)各衡重參數(shù)量程一致時, 能顯著提高測量精度。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力平衡、運動穩(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)備一般由重心檢測設(shè)備[2-4]和浮心檢測設(shè)備組成?，F(xiàn)有的重心檢測設(shè)備測量重心軸向位置X, 浮心檢測設(shè)備測量重心偏心位置(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)備測量時主要存在以下4個方面問題。

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

2) 測量X時, 雷頭、雷尾均須安裝測量工裝, 對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、雷尾代替測量, 累積誤差大且測量繁瑣;

3) 測量時, 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)致測量結(jié)果有較大誤差;

4) 測量時, 鋼絲繩兩點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設(shè)備, 該設(shè)備分開測量重心和浮心, 選用高精度大量程的傳感器搭建檢測設(shè)備, 綜合考慮測量準(zhǔn)確度、效率和安全性, 最后對設(shè)備作出誤差評估。

1 新衡重設(shè)備及測量原理

1.1 概述

新型魚雷衡重設(shè)備由重心檢測裝置和浮心檢測裝置組成, 重浮心檢測裝置設(shè)計為能測量載重3 000 kg, 長度為8 m的魚雷。重心坐標(biāo)系規(guī)定為: 原點為魚雷尾部端面,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)定具有對稱外形的魚雷浮心偏心為零。

1.2 重心檢測裝置和測量方法

重心檢測裝置采用兩點測量法, 其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示, 兩點水平度靠衡重工作臺平面度和液壓升降臺同步升降控制, 高度差控制在0.1 mm以內(nèi), 每個稱重裝置上選用1個量程為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), 由此可測得雷體質(zhì)量、雷長和重心軸向X。

圖1 重心測試裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 軸向重心測量方法

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為光柵傳感器測得值, mm。

重心偏心因素使魚雷能在裝有滾動軸承的塑性滾輪上自由滾動, 滾動平衡位置為其靜傾位置, 此時力矩傳感器測量的力矩值為靜摩擦值0, 絕對式編碼器測量如圖3所示的任意旋轉(zhuǎn)角度值, 當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動魚雷轉(zhuǎn)到指定角度位置后, 拆除編碼器以消除編碼器重心對測量結(jié)果的影響, 此時力矩傳感器測量的相應(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°時測量Y, 旋轉(zhuǎn)至0°時測量Z, 計算公式采用式(4)。

圖3 偏重心測量方法

1.3 浮心檢測裝置和測量方法

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量, 測量時去除配重連接環(huán)對重、浮心的影響。裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。前、后對接小車和雷尾小車可沿1和1方向移動, 前、后對接小車還可沿與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、后對接小車和雷尾小車的位置由光柵傳感器測量, 前、后對接小車上安裝的稱重傳感器分別測量魚雷和配重連接環(huán)在水中的質(zhì)量1和2, 前、后對接小車上安裝的激光測距儀用于測量水位并進(jìn)行差值比較, 當(dāng)差值滿足排水量總體公差要求時, 如圖5所示的1和2測量視為有效, 根據(jù)水中測量靜力、力矩平衡原理[2, 6]可得式(9)、式(10)和式(11), 由此可測負(fù)浮力P, 排水量和浮心X衡重參數(shù)。

=-P(10)

圖4 浮心測試裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 浮心測量方法

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個方面。

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

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

2.2 系統(tǒng)誤差對衡重參數(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測量數(shù)據(jù)量大, 故用理論數(shù)值仿真計算, 設(shè)其滾動軸承的摩擦系數(shù)=0.01(實際滾動軸承比該參數(shù)更小), 則0=0.002 672N·m;

4) 已知單個力矩傳感器最大量程、測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各衡重參數(shù)的影響, 各衡重參數(shù)測量誤差是各測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, 且兩者測量原理基本一致, 若兩者測量范圍一致, 則新衡重設(shè)備對各衡重參數(shù)的測量精度肯定比現(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

新衡重設(shè)備具備以下優(yōu)點。

1) 可直接在重心檢測裝置上完成重心測量, 減少了測量工作量。重心測量采用兩點法測量, 只需轉(zhuǎn)動魚雷2個位置即可完成重心測量, 比三點法測量[4]更為方便。

2) 新浮心檢測裝置摒棄現(xiàn)有設(shè)備鋼絲繩吊砝碼的測量方法, 配重為負(fù)浮力魚雷后用各種傳感器對浮心等參數(shù)間接測量, 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, 使得測量簡單方便, 衡重參數(shù)量程一致時能顯著提高測量精度。

3) 新設(shè)備測量范圍大, 能檢測3 000 kg載重, 長度8 m的魚雷。

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

5) 新設(shè)備只需2人即可完成測量且操作安全, 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, 就可測量其他長度不小于1.5 m柱狀產(chǎn)品的重心。同理, 其浮心檢測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), 則可測量其他長度不小于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, 則只需簡單換算即可測試任意形狀產(chǎn)品的衡重參數(shù)。

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

4 結(jié)束語

本文介紹的新型衡重設(shè)備能夠提高測量效率, 節(jié)省人力物力, 能保證測量的準(zhǔn)確度和測量的穩(wěn)定性, 測量操作過程安全方便, 且能用于測量其他形狀不規(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.

國防重點型號項目資助.

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

(責(zé)任編輯: 陳 曦)