Разработка устройства имитации морского волнения

УДК: 532.59

А. С. РАСКИН, А. И. СОКОЛОВ

( «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР», Санкт-Петербург)

Разработка устройства имитации морского волнения

В докладе рассматриваются преимущества устройства имитации морского волнения, создающего обстановку волнения на водной поверхности в мини-бассейне с заданными параметрами. Уникальность устройства обусловлена гибкостью настройки параметров волнения. Устройство предназначено для испытания измерителя волнения в рамках НИР «Волнение».

Введение

Волнение существенно влияет на скорость движения и безопасность плавания судов, а также на безопасность обеспечения посадки на морскую поверхность гидросамолетов и экранопланов. При этом даже для крупнотоннажных судов в условиях сильного волнения складываются опасные ситуации, могут наблюдаться уменьшение устойчивости, чрезмерные ускорения, периодические оголения лопастей гребного винта, повышенная вибрация, дополнительные напряжения в конструкциях корпуса.

Поэтому с целью безопасности судовождения водоизмещающих судов и управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, в частности на подводных крыльях, необходимо постоянно определять параметры волнения. Оперативный учет характеристик волнения позволяет экономить топливо, оптимально выбирать нагрузку двигателя судна и производить учет воздействия на судно гидрометеорологических факторов, меняющихся в течение рейса, что имеет существенное значение при выборе наивыгоднейшего пути следования [1].

При разработке устройства, анализирующего волнение (в рамках НИР «Волнение»), требуется разработка испытательного стенда, создающего обстановку на водной поверхности с заданными параметрами. Это устройство и рассматривается в рамках доклада.

Предполагается, что общая картина волнения на поверхности представляет собой суперпозицию волн с разными частотами, генеральными направлениями и амплитудами (см. рис. 1). Таким образом, задача устройства имитации морского волнения состоит в создании волн с различными характеристиками для формирования конкретной ситуации волнения, заложенной в системе управления устройством.

Рис. 1. Суперпозиция морских волн

Устройство имитации морского волнения

Аналоги устройства имитации морского волнения

В настоящее время на рынке представлены аналоги опытовых бассейнов, имитирующих морское волнение, которые обладают высокой стоимостью и используются преимущественно для испытаний моделей кораблей (их характеристики приведены в табл. 1).

Т а б л и ц а 1

Аналоги устройства имитации морского волнения

Название испытательного бассейна	Тип волнопродуктора	Д x Ш x В бассейна	Возможности
Кавитационный бассейн ЦНИИ им. ак. КРЫЛОВА (г. Санкт-Петербург)	Пластинчатый	60 x 6x 3.5 м	Самоходные испытания моделей судов с гpебными винтами, испытания моделей подводных кpыльев
Гидродинамический опытовый бассейн КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре)	Пластинчатый	45 х 4,1 х 3,25 м	Испытания по регулярному волновому воздействию на морские установки и береговые сооружения
Опытовый бассейн «Вымпел» (г. Нижний Новгород)	Пластинчатый	50 x 5 x 3 м	Исследование мореходных качеств проектируемых судов, в том числе и исследование качки
Бассейн ОАО “ЦКБ по СПК им. ” (г. Нижний Новгород)	Пневматический	74 x 4,0 x 1,2 м	Создание регулярного встречного волнения различной интенсивности

Структура устройства имитации морского волнения

Устройство имитации морского волнения состоит из нескольких частей:

1.  Устройства управления волнопродуктором (реализует функцию создания волнения водной поверхности);

2.  Персонального компьютера (на нем реализуется система управления устройством, в том числе используются сигналы с датчиков уровня жидкости в качестве обратной связи);

3.  Блока питания;

4.  Мини-бассейна (прямоугольной емкости, в которой реализуется возмущение водной поверхности с заданными в системе управления характеристиками).

Устройство управления волнопродуктором включает в себя микроконтроллер управления двигателем, схему согласования уровней между микроконтроллером и двигателем, двигатель волнопродуктора и механическую часть (вал и зубчатое колесо).

Мини-бассейн включает в себя сдвоенную пластину, к которой приварен зубчатый металлический брусок, имеющий механический контакт с зубчатым колесом на валу двигателя. В конце бассейна находятся волногасители (треугольные волнорезы) и 2 или более ультразвуковых датчиков уровня жидкости.

Рис. 2. Структурная схема устройства имитации морского волнения

В таблице 2 представлены габаритные размеры мини-бассейна.

Т а б л и ц а 2

Габаритные размеры мини-бассейна
Длина мини-бассейна	5.0 м
Ширина мини-бассейна	0.7 м
Высота мини-бассейна	1.2 м

На рисунке 3 представлена схема с габаритными размерами устройства, а также указаны основные составляющие устройства имитации морского волнения.

Рис. 3. Трехмерная модель устройства имитации морского волнения

В отличие от аналогов, устройство имитации морского волнения отличается относительной компактностью, низкой стоимостью микроконтроллера, относительно высокой точностью амплитуды генерируемых волнопродуктором волн (благодаря обратной связи), а также наличием волногасителей (волнорезов), предотвращающих возможность суперпозиции отраженных от стенки мини-бассейна волн с волнами, генерируемыми волнообразующей пластиной.

Принцип работы устройства

При пояснении принципов работы устройства, целесообразно выделить следующие этапы:

1.  На персональном компьютере реализуется система управления устройством в пакете Matlab;

2.  Данные управляющих воздействий из системы управления подаются на микроконтроллер;

3.  Микроконтроллер подает сигнал заданной частоты на устройство управления двигателем (через схему согласования);

4.  После прохождения через устройство управления сигнал определенной скважности подаётся на двигатель;

5.  Двигатель приводит в движение шестерню и через зубчатую передачу осуществляет линейное перемещение волнообразующей пластины;

6.  Волнообразующая пластина создает волнение на водной поверхности в мини-бассейне за счет линейного перемещения в мини-бассейне;

7.  В конце мини-бассейна находятся 2 или более ультразвуковых датчиков уровня жидкости, сигналы которых подаются в обратную связь в микроконтроллер через схему согласования (таким образом, реализуется обратная связь для улучшения качества системы управления волнением);

8.  С микроконтроллера преобразованные данные с ультразвуковых датчиков подаются на персональный компьютер в систему управления;

9.  Волнорезы в конце мини-бассейна позволяют гасить создаваемые волны для того, чтобы предотвратить суперпозицию волн, которая может повлиять на обстановку на водной поверхности в мини-бассейне;

10.  Волнорезы в начале бассейна позволяют предотвращать обратное воздействие при возврате пластины в начальное положение.

Система управления устройством имитации морского волнения

Для создания волнения на водной поверхности используется замкнутая системы управления (рис. 4), которая позволяет улучшить характеристики получаемого волнения. Модель волнения выбирается в пакете Matlab в среде Simulink на персональном компьютере. Далее сигнал от модели усиливается и входит в замкнутый контур управления двигателем, в котором сигнал обратной связи поступает от датчиков уровня жидкости и дифференцируется. Таким образом, высота волны в мини-бассейне в точке нахождения каждого датчика преобразуется в частоту, а затем в скорость движения волны и подается в обратную связь, что способствует увеличению точности амплитуды волн.

Рис. 4. Схема управления устройством имитации морского волнения

В таблице 3 представлены технические характеристики волнопродуктора устройства имитации морского волнения.

Т а б л и ц а 3

Технические характеристики волнопродуктора
Макс. Высота генерируемой волны	0.5 м
Макс. Длина генерируемой волны	4.0 м

Датчики уровня жидкости для реализации обратной связи

В качестве датчиков для обратной связи были выбраны датчики UP30 фирмы SICK AG (рис.5). Преимуществами датчиков являются бесконтактное детектирование уровня жидкости и разрешение 0,18 мм, напряжение питания от 9 до 30 вольт, рабочая частота 320 кГц, рабочий диапазон от 3 до 50 см.

Рис. 5. Ультразвуковые датчики уровня жидкости UP30 фирмы SICK AG.

Заключение

В работе приведены результаты разработки устройства имитации морского волнения, основанного на механическом типе генерации волн (с помощью линейных перемещений пластины в мини-бассейне). Разработана структурная схема устройства. Проведено сравнение характеристик устройства имитации морского волнения с аналогами. Разработана схема управления устройством с обратной связью.

Литература

1.  Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. Часть 1. Линейные скорости и ускорения качки корабля. Л.: ЦНИИ «Румб», 1980 г., 113 с.

2.  , А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 19с.

3.  , Методика расчета качки корабля на нерегулярном волнении // Труды ЦНИИ им. акад. . – 1956. Вып. 103.