張振禹，陳 浩

(中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，四川 綿陽 621000)

一種安裝于某船艇雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的慣性力矩計(jì)算方法

張振禹，陳 浩

(中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，四川 綿陽 621000)

安裝于船艇的雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)通過配裝光電觀瞄設(shè)備或激光測(cè)距設(shè)備等，可實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)特定功能的需求，但由于船艇具有受到各種海況的擾動(dòng)特性，通過常規(guī)的控制方式難以滿足高性能指標(biāo)要求，因此艇載雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)需采用穩(wěn)定控制方式以提高使用性能。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)初期，需結(jié)合船艇擾動(dòng)特性和雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)初步設(shè)計(jì)方案開展各種影響因素的分析和仿真，為穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)方案提供支撐數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)介紹了諸多影響因素中慣性力矩的計(jì)算方法。

船艇；雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)；慣性力矩

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)包括有方位運(yùn)動(dòng)軸系和俯仰運(yùn)動(dòng)軸系，安裝于船艇后根據(jù)平臺(tái)的使用環(huán)境特性，雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)受到多種擾動(dòng)因素，主要包括有風(fēng)載荷、慣性力矩、摩擦力、自重、冰雪載荷、溫差載荷以及沖擊、振動(dòng)載荷等，其中慣性力矩是艇載雙軸平臺(tái)的主要影響因素[1]。

1 理論模型

船艇在海面上由于海況的擾動(dòng)，其受影響狀態(tài)可等效為艏搖、縱搖、橫搖和垂蕩四種狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 船艇受海況擾動(dòng)等效示意圖

其中：

1) 垂蕩力

船艇的垂蕩位移h與時(shí)間t的關(guān)系為：

h=hmsin(2π/Th·t).

(1)

式(1)中，hm為船艇的垂蕩振幅(單位：m)，Th為船艇垂蕩周期(單位：s)，則垂蕩力為：

F垂蕩=mhm·(2π/Th)2.

(2)

式(2)中，m為雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的質(zhì)量。

2) 搖擺慣性力

船艇的搖擺幅度Φ與時(shí)間t的關(guān)系為：

(3)

式(3)中，Φm為船艇的搖擺振幅(單位：rad)，T為船艇搖擺周期(單位：s)。在4級(jí)海況下，由于船艇體積相對(duì)于海浪波長(zhǎng)而言，可以將其視為一個(gè)錐形剛體，如圖2所示。

圖2 船艇等效剛性錐體示意圖

可以得到雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)心的切向加速度：

(4)

R為雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)到船艇搖擺中心的水平距離，D為雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)到船艇搖擺中心的垂直距離，則雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)心到船艇搖擺中心的距離H為：

(5)

利用最大切向慣性力公式：

.(6)

結(jié)合船艇縱橫搖擺幅和縱橫搖擺周期分別計(jì)算出艏艉向慣性力和舷向慣性力。

利用公式(7)分別計(jì)算出舷向慣性力和艏艉向慣性力：

(7)

2 仿真分析

2.1 慣性力對(duì)方位的影響

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心及運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，搖擺慣性力對(duì)方位總的影響為：

Tg方位=Fg艏搖·LAZ·sin(α)+Fg舷向·LAZ·cos(α).

(8)

式(8)中，LAZ為慣性力作用在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的質(zhì)點(diǎn)到雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位回轉(zhuǎn)中心的距離。

圖3 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

根據(jù)以上分析可知，船艇搖擺對(duì)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位力矩的影響如圖4所示曲線。

圖4 搖擺時(shí)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位力矩曲線圖

2.2 慣性力對(duì)俯仰的影響

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心及運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

根據(jù)圖5，可以得到雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰向的慣性力矩：

Tg俯仰=(Tg艏艉·sin(β)+F垂蕩·cos(β))·LEl·
cos(α)+{Fg艏艉·sin(β)+(F垂蕩+
Fg舷向)·cos(β)}·LEl·sin(α) .

(9)

在式(9)中，LEI為慣性力作用在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)心到俯仰回轉(zhuǎn)中心的距離。

根據(jù)以上分析可知，船艇搖擺對(duì)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰力矩的影響如圖6所示曲線。

圖6 搖擺時(shí)俯仰力矩曲線

3 計(jì)算結(jié)果

雙軸平臺(tái)在方案設(shè)計(jì)初期的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)

可計(jì)算得：

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰向慣性力矩：

Tg俯仰=206.223 7 Nm

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位向慣性力矩：

Tg方位=57.959 9 Nm

4 結(jié)束語

雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用已日趨廣泛，通過搭載各種裝置可實(shí)現(xiàn)多元化的功能需求，尤其是近些年隨著無人化船艇的迅猛發(fā)展，需求更加明確。筆者針對(duì)船艇平臺(tái)受到海況的擾動(dòng)特性，提出了一種雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)慣性力矩計(jì)算方法，用于在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)初期，通過仿真分析計(jì)算出雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)受到的慣性力矩的影響參數(shù)，以便于后期開展穩(wěn)定控制的設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品在要求的使用條件下能夠達(dá)到較好的性能指標(biāo)，并最終提升系統(tǒng)產(chǎn)品的整體性能[2,3]。實(shí)驗(yàn)證明，該計(jì)算方法具有明確的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

[1] 鄧啟文,劉書雷,沈雪石.無人裝備發(fā)展新動(dòng)向及影響研究[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào),2016,2(1):76-79.

[2] 劉立明.裝備無人化需求探究[J].國(guó)外坦克,2012(9):18-22.

[3] 郭勝偉.無人化戰(zhàn)爭(zhēng)[M].北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2001：259.

AMethodforCalculatingtheMomentofInertiaofBiaxialTurntableonaShip

Zhang Zhenyu, Chen Hao

(AutomationResearchInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation,MianyangSichuan621000,China)

The turntable by biaxial mounted on boat, with loading photoelectric sighting device or laser ranging equipment, can achieve a certain demand. But because the boat is disturbed by various sea conditions, the conventional control method is difficult to meet the requirements of high performance, so the board needs to use the two axis turntable stability control method to improve the performance. In the early stage of product conceptual design, the analysis and simulation of various influencing factors should be carried out in combination with the characteristics of ship disturbance and the preliminary design scheme of dual axis turntable, which can provide support data for the stability control design scheme. This paper mainly introduces the calculation method of inertia moment in many influencing factors.

boat; biaxial turntable; inertia moment

2017-10-23

張振禹(1981- )，男，天津市人，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：武器裝備信息化控制技術(shù)、可靠性工程。

1674- 4578(2017)06- 0038- 03

TP391.9

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