一种极地冰区物体出入水模型实验装置

摘要

本发明公开了一种用于冰区物体出入水实验的物体发射机构及其实验装置，该装置包括冷却机构、物体发射机构、水池机构、监测系统和控制系统。冷却机构用于降低水池温度，制造冰层；物体发射机构用于发射物体和改变物体发射角度，模拟物体出入水的过程；水池机构用于安装模型实验的各个机构；监测系统用于监测水池温度、冰厚和物体发射速度，以及记录物体破冰出入水的过程和海冰断裂破坏形式；控制系统用于接收监测系统采集的信息，并根据信息控制结冰速度、结冰形式、以及物体发射速度和发射角度。本发明所述实验装置可以实现物体破冰出入水过程中的受力和运动姿态物理模型试验研究，并能够根据实际需求灵活地调整冰况和物体发射状态。

权利要求

1.一种极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：包括水池机构(1)、冷却机构、物体发射机构、监测系统和控制系统；所述水池机构(1)包括两组嵌套设置的水池；所述冷却机构通过设置冷凝设备降低水池机构(1)内的液体温度形成冰层；所述物体发射机构包括两组发射机构，用于发射物体和控制发射物体入水的角度和速度；所述监测系统用于监测水池机构(1)内的温度、冰厚、物体发射速度和记录物体运动过程影像；所述控制系统获取监测系统的信息并向冷却机构和物体发射机构(3)传输控制指令。

2.根据权利要求1所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述水池机构(1)包括内层水池(12)和外层水池(11)，为嵌套设置，所述内层水池(12)为透明材质，所述外层水池(11)设有观察窗。

3.根据权利要求2所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述水池机构(1)为嵌套的矩形结构，所述内层水池(12)的后壁面设有刻度尺，所述外层水池(11)的观察窗视角范围包括刻度尺及内层水池(12)的全部视域范围。

4.根据权利要求2所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述的冷却机构包括冷凝管(22)和压缩机(21)，所述冷凝管(22)呈“U”形，并设置一组及其以上，排列在水池机构中内层水池(12)的周围。

5.根据权利要求1所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述物体发射机构包括水池机构(1)顶部和底部分别设有两组以上发射机构，所述发射机构的发射弹簧(317)前端与活塞(314)连接，后端安装在发射底座上。

6.根据权利要求1所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述监测系统包括传感器和高速摄像机(43)，所述传感器包括速度传感器、温度传感器(41)和冰厚传感器(42)，高速摄像机(43)设置在水池机构(1)观察窗的对面一侧，记录实验图像数据。

7.根据权利要求1所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述控制系统包括信号接收器、CPU和信号发射器，所述信号接收器接收监测系统采集的信息，并将信息传输给CPU，所述CPU将控制指令通过信号发射器发送给冷却机构和物体发射机构，控制海冰形态和物体发射方式。

8.根据权利要求1所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述物体发射机构包括物体(311)、固定挡板(312)、固定弹簧(313)、活塞(314)、电机装配体(315)、齿条(316)、发射弹簧(317)、发射外壳(318)和气缸装配体(319)，所述的发射外壳(318)上端留有安装孔，用于安装物体(311)，所述物体(311)的两侧安装有固定挡板(312)和固定弹簧(313)，所述固定弹簧(313)连接着固定挡板(312)和发射外壳(318)上端的内壁，所述发射弹簧(317)上端连接着活塞(314)，下端固定在发射外壳(318)下端的底板上，所述发射弹簧(317)的两侧安装有齿条(316)，所述电机装配体(315)安装在发射外壳(318)下端底板的支架上，所述电机装配体(315)中的半齿轮(3158)与齿条(316)啮合，所述发射外壳(318)的底端还设有气缸装配体(319)，所述气缸装配体(319)控制物体(311)发射角度。

9.根据权利要求8所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述物体发射机构通过电机装配体(315)的运转，压缩发射弹簧(317)，当齿轮啮合到半齿轮(3158)无齿区时，发射弹簧(317)被释放，从而发射物体(311)。

10.根据权利要求8所述的极地冰区物体出入水模型实验装置，其特征在于：所述半齿轮(3158)留有键槽，通过平行键(3152)安装在中心转轴(3154)上，所述中心转轴(3154)为阶梯轴，大齿轮(3157)位于中心转轴(3154)的轴肩处，且与小齿轮(3153)啮合，小齿轮(3153)通过平行键(3152)安装在电机(3151)输出轴上。

说明书

一种极地冰区物体出入水模型实验装置

技术领域

[0001] 本发明属于船舶制造技术，涉及极地冰区下的船舶制造模拟实验装置，具体涉及一种极地冰区物体出入水模型实验装置。

背景技术

[0002] 随着全球气候变暖，阻碍货船通行的北极冰层厚度和覆盖面积逐渐缩小，使得船只经由北极地区航行逐渐成为现实可能。据观测，由于极地地区海冰的消退，船舶甚至全年
都可以在白令海峡和摩尔曼斯克之间航行。此外，在北极地区也探明了新的碳氢化合物矿
区，其中石油蕴藏量多达900亿桶，天然气蕴藏量超过47万亿立方米。同时，不排除随着北极
地区冰况的改善，还将发现适于开采的新矿产资源。

[0003] 鉴于可能通行的航道资源和蕴藏的丰富碳氢化合物，北极地区的形式也在逐步发生变化，其战略地位也越来越重要。近年来，北极地区周边各国，特别是一些近北极国家，都
在加强北极地区的战略部署，域外一些国家也对北极表现出了浓厚的兴趣。与此同时，我国
也把北方海上航路列入了“新丝绸之路”全球经济计划。不论是对极地航道和矿产资源的开
发，还是进行战略防御，都离不开适用于极地复杂海洋环境的工程装备研发，而物体破冰出
入水过程中的受力规律，便是其中的一个重要基础科学问题。

[0004] 物体在出入水的过程中，涉及到周围介质的突变，即从空气跨越至水，或从水跨越至空气，介质的突变使得物体受力变化非常剧烈，而极地海冰的存在，令该问题的理论分析
变得十分复杂，迫切需要开展相关的物理模型实验研究，以理清其中的力学特性，为物体出
入过程中的姿态控制提供技术支撑。

发明内容

[0005] 发明目的：针对现有装置对于冰区研究实验技术中存在的不足问题，本发明的目的是提供一种极地冰区物体出入水模型实验装置，能够根据实际需求灵活地调整冰况和物
体发射状态。

[0006] 技术方案：本发明包括水池机构、冷却机构、物体发射机构、监测系统和控制系统；所述水池机构包括两组嵌套设置的水池；所述冷却机构通过降低水池机构内的液体温度形
成冰层；所述物体发射机构包括两组发射机构，用于发射物体和控制发射物体入水的角度
和速度；所述监测系统用于监测水池机构内液体的温度、冰厚、物体发射速度和记录物体运
动过程影像；所述的控制系统获取监测系统的信息并向冷却机构和物体发射机构传输控制
指令。

[0007] 进一步的，所述水池机构包括内层水池和外层水池，并且嵌套设置，所述内层水池为透明材质，所述外层水池设有观察窗。

[0008] 所述水池机构为嵌套的矩形结构，所述内层水池的后壁面设有刻度尺，所述外层水池的观察窗视角范围包括刻度尺及内层水池的全部视域范围。

[0009] 进一步的，所述的冷却机构包括冷凝管和压缩机，所述冷凝管呈“U”形，并设置一组及其以上，排列在水池机构内层水池的周围。

[0010] 进一步的，所述物体发射机构包括水池机构顶部和底部的两组或两组以上的发射机构，所述发射机构的发射弹簧前端与活塞连接，后端安装在发射底座上。

[0011] 进一步的，所述监测系统包括传感器和高速摄像机，所述传感器包括速度传感器、温度传感器和冰厚传感器，高速摄像机设置在水池机构观察窗的对面一侧，记录实验图像
数据。

[0012] 进一步的，所述控制系统包括信号接收器、CPU和信号发射器，所述信号接收器接收监测系统采集的信息，并将信息传输给CPU，所述CPU将控制指令通过信号发射器发送给
冷却机构和物体发射机构，控制海冰形态和物体发射方式。

[0013] 进一步的，所述物体发射机构，包括物体、固定挡板、固定弹簧、活塞、电机装配体、齿条、发射弹簧、发射外壳和气缸装配体，所述的发射外壳上端留有安装孔，用于安装物体，
所述物体的两侧安装有固定挡板和固定弹簧，所述固定弹簧连接着固定挡板和发射外壳上
端的内壁，所述发射弹簧上端连接着活塞，下端固定在发射外壳下端的底板上，所述发射弹
簧的两侧安装有齿条，所述电机装配体安装在发射外壳下端底板的支架上。同时，电机装配
体中的半齿轮与齿条啮合，所述发射外壳的底端还设有气缸装配体，所述气缸装配体控制
物体发射角度。

[0014] 进一步的，所述的发射机构通过电机装配体的运转，压缩发射弹簧，当齿轮啮合到半齿轮无齿区时，发射弹簧被释放，从而发射物体。

[0015] 所述半齿轮留有键槽，通过平行键安装在中心转轴上，所述中心转轴为阶梯轴，大齿轮位于中心转轴的轴肩处，且与小齿轮啮合，小齿轮通过平行键安装在电机输出轴上。

[0016] 有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的物体发射机构具有角度调整功能，并且可以模拟多种物体出入水的运动路径，通过电机与弹簧还能控制物体的运行速度，最大
化再现实际冰区的各种物体运动情形；本发明所提供的实验装置通过两层水池等结构，以
及和物体发射机构的结合，以实现物体破冰出入水过程中的受力和运动姿态物理模型实验
研究，并能够根据实际需求灵活地调整冰况和物体发射状态，同时为冰区的破冰设备、冰区
作业等研究提供支撑。

附图说明

[0017] 图1为本发明所述实验装置结构示意图；

[0018] 图2为本发明所述实验装置的内部示意图；

[0019] 图3为本发明所述水池机构前视图；

[0020] 图4为本发明所述水池机构内部结构示意图；

[0021] 图5为本发明所述冷却机构结构示意图；

[0022] 图6为本发明所述物体发射机构结构示意图；

[0023] 图7为本发明所述物体发射机构的俯视图；

[0024] 图8为本发明所述物体发射机构爆炸图；

[0025] 图9为本发明所述物体发射机构原理简图；

[0026] 图10为本发明所述电机装配体示意图；

[0027] 图11为本发明所述电机装配体爆炸图；

[0028] 图12为本发明所述气缸装配体示意图；

[0029] 图13为本发明所述物体发射机构安装位置图；

[0030] 图14为本发明所述传感器和摄像机示意图；

[0031] 图15为本发明所述实验装置的工作流程图。

具体实施方式

[0032] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0033] 本发明提供的是一种极地冰区物体出入水模型实验装置，如图1和图2所示。该装置包括：水池机构1、冷却机构、物体发射机构、监测系统和控制系统。水池机构1由两个嵌套
的矩形水池组成，用于安装模型实验的各个机构。冷却机构由压缩机21和冷凝管22组成，用
于降低水池温度，制造冰层。物体发射机构由顶部和底部两部分发射机构组成，分别安装在
水池机构1的顶部和底部，用于发射物体和改变物体发射角度，模拟物体出入水的过程。监
测系统由高清摄像机和传感器组成，用于监测水池的温度、冰厚和物体发射速度。以及通过
外部高速摄像机记录物体破冰出入水的过程和海冰断裂破坏形式。控制系统用于接收监测
系统4采集的信息，并根据采集的信息，控制结冰速度、结冰形式、以及物体发射速度和发射
角度。

[0034] 如图3和图4所示，水池机构1包括：外层水池11、内层水池12和水池盖13。内层水池12嵌套在外水池11的内部，水池盖13安装在外水池11的顶部，用于密封水池。内层水池12由
有机玻璃构成，呈透明状，后壁面上设有刻度尺。外水池11的正面留有矩形的观察窗，便于
观察和记录物体破冰出入水的过程。

[0035] 如图5所示，冷却机构包括：压缩机21和冷凝管22。冷凝管22呈“U”形，并分布在内层水池12的四周，压缩机21安装在外水池11的侧面，并与冷凝管22连接。

[0036] 图6‑图14所示的是物体发射机构的结构，由底部发射机构31和顶部发射机构32构成。底部发射机构31包括：物体311、固定挡板312、固定弹簧313、活塞314、电机装配体315、
齿条316、发射弹簧317、发射外壳318和气缸装配体319。发射外壳318上端呈圆形，下部呈方
形。发射外壳318上端留有安装孔，用于安装物体311。物体311的两侧安装有固定挡板312和
固定弹簧313，固定弹簧313连接着固定挡板312和发射外壳318上端的内壁。用于固定物体
311，防止物体311脱落。发射弹簧317上端连接着活塞314，下端固定在发射外壳318下端的
底板上。发射弹簧317的两侧安装有齿条316，电机装配体315安装在发射外壳318下端底板
的支架上。同时，电机装配体315中的半齿轮3158与齿条316啮合。通过电机装配体315的运
转，压缩发射弹簧317，当齿轮啮合到半齿轮3158无齿区时，发射弹簧317被释放，从而发射
物体311，模拟物体311出入水的过程。发射外壳318的底端安装了4组相同的气缸装配体
319，气缸装配体319协同工作，从而改变物体311发射角度。

[0037] 电机装配体315包括：电机3151、平行键3152、小齿轮3153、中心转轴3154、轴承盖3155、角接触球轴承3156、大齿轮3157和半齿轮3158。小齿轮3153留有键槽，通过平行键
3152安装在电机3151的输出轴上，并且与大齿轮3157啮合，大齿轮3157安装在中心转轴
3154的轴肩处。中心转轴3154是阶梯轴，角接触球轴承3156安装在中心转轴3154的两端，并
与轴承盖3155配合。半齿轮3158通过平行键3152固定在中心转轴3154上，并与物体发射机
构3中的齿条316啮合。

[0038] 气缸装配体319包括：销轴3191、液压气缸3192和螺钉3193。液压气缸3192前端与销轴3191配合并一同安装在发射外壳318的底部。液压气缸3192的底部通过螺钉3193安装
在水池机构1内层水池12的底部。

[0039] 顶部发射机构32的发射机构与底部发射机构31完全相同，顶部发射机构32安装在支架33上，支架33的另一端固定在外水池11侧面内壁上。

[0040] 监测系统包括：温度传感器41、冰厚传感器42、高速摄像机43、速度传感器和信号发射器。温度传感器41呈圆柱状安装在内外水池的夹层中，用于监测水池的温度；冰厚传感
器42安装在水池盖13的内侧，用于监测冰层的厚度；速度传感器安装在物体发射机构固定
挡板的内壁上，用于监测物体311的发射速度；高速摄像机43摆放在水池机构1外水池11的
观察窗对面一侧，用于记录下物体311破冰出入水的过程和海冰断裂破坏形式。信号发射器
用于把所收集的信息传送给控制系统5。

[0041] 控制系统包括：信号接收器、CPU和信号发射器。信号接收器接收监测系统4采集的信息，交与CPU进行数值处理和分析并作出判断。然后信号发射器发出命令，控制结冰速度、
结冰形式、以及物体发射速度和发射角度。

[0042] 本发明的一种极地冰区物体出入水模型实验装置，工作过程如图15所示。冷却机构的压缩机21开始工作，在冷凝管22的作用下，水池机构1的水池温度开始降低，监测机构
的温度传感器41感知水池的温度，以此来确定压缩机21的工作时长。当降到一定温度时，水
面开始结冰并形成冰层，安装在水池顶部的冰厚传感器42测量冰层的厚度。当达到实验要
求的冰厚时，物体发射机构开始运转。电机装配体315的电机3151开始通电运转，齿轮啮合，
中心转轴3154旋转带动半齿轮3158旋转。半齿轮3158和齿条316啮合从而压缩发射弹簧
317，当半齿轮3158旋转到无齿区的时候，发射弹簧317被释放，从而物体311被发射。速度传
感器安装在物体发射机构的固定挡板312的内壁上，用来测量物体311发射的速度。安装在
水池观察窗一侧的高速摄像机43记录下物体311出入水的过程和海冰断裂破坏形式，便于
后续处理。

[0043] 根据上述实施例，本发明所提供的实验装置在开展极地冰区物体出入水模型实验时，能够根据实验目的设置不同的实验环境，能够得到更加全面的数据，有助于开展冰区的
各项实验研究，并且该装置操作控制简单，可以直观的观测实验动态。