一种无人艇用减振机柜及其减振方法与流程

本发明涉及一种无人艇用减振机柜及其减振方法，属于机柜减振技术领域。

背景技术

无人艇上存在周期振动和随机振动，周期振动是由螺旋桨叶片的扰动和螺旋桨轴系的不平衡力引起的，而随机振动则由无人艇航速，航向，各种操纵和海情等的变化所引起的。无人艇在水上长时间无人航行时，受上述振动的影响，电子设备的使用寿命降低，可靠性降低，使无人艇失控的风险大大增加。因此，机柜作为无人艇上所有电子设备的载体，其减振方式和减振效率的提高成为当今减振技术研究和发展的一个重要方向。

目前船用机柜减振器的安装平面和机柜底面重合，存在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的耦合振动问题，造成机柜的减振困难，减振效率低。针对上述问题，有技术人员采用增加背部减振器的方式减小机柜的振动，但此方法对机柜的安装位置要求高，需要有合适的位置安装背部减振器，同时也增加了减振器的使用数量，增加了成本。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，本发明针对上述问题，对原有机柜的结构进行了改进，使机柜减振器的安装平面和机柜高度方向上重心所在的平面重合，这样可以实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，在不增加减振器使用数量的前提下，提高了减振效率，降低了减振成本，增加了机柜内电子设备的使用寿命和可靠性，降低了无人艇失控的风险。

本发明解决的技术方案为：一种无人艇用减振机柜及其减振方法，包括：机柜(1)、机柜外立柱(2)、减振器高度调节杆(3)、减振器(4)、减振器安装座(5)、底座(6)；；

机柜(1)，包括，机柜外立柱(2)；

底座(6)底部有螺钉孔，通过螺钉和无人艇甲板固定安装或焊接；底座(6) 顶部有螺钉孔，通过螺钉和减振器安装座(5)固定连接；每个减振器安装座(5) 顶部有两个减振器(4)的安装位置，每个减振器(4)通过其底部的螺钉孔和减振器安装座(5)固定连接；减振器(4)顶部连接减振器高度调节杆(3)；减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)通过螺钉安装，起到调节机柜(1) 相对无人艇甲板的高度的作用。

所述机柜(1)包括机柜内框架(12)，机箱(13)等机柜标准化结构，所述机柜外立柱(2)和机柜外框架(11)焊接，。机柜外框架(11)上共焊接有四根垂直的机柜外立柱(2)，分别位于机柜外框架(11)的四个角边上，起到支撑机柜的作用。

所述机柜外立柱(2)上加工有螺钉安装孔，所述减振器高度调节杆(3) 的两端也加工了和机柜外立柱(2)上相同大小的螺钉安装孔，两者可以通过螺钉连接在一起。减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)上不同的螺钉孔配合，减振器高度调节杆(3)就可以调节安装高度。减振器高度调节杆(3)对称安装在机柜(1)的两侧，减振器高度调节杆(3)与机柜外立柱(2)垂直。

所述减振器高度调节杆(3)的中间部分，焊接有两个减振器(4)的安装平面，安装平面的下表面和减振器(4)的上表面贴合在一起，安装平面的面积不小于减振器(4)的上表面面积；减振器高度调节杆(3)的每个安装平面上加工有螺钉安装孔用于安装减振器(4)，螺钉安装孔的大小应与减振器(4)上表面的螺柱大小相配合。减振器(4)的结构由上表面(包含安装螺柱)、中间减振装置、下表面(包含螺钉安装孔)组成。

所述减振器(4)的下表面有若干个螺钉安装孔，所述减振器安装座(5) 的上表面有与所述减振器(4)的下表面大小和数量相同的螺钉安装孔，两者通过螺钉连接。减振器安装座(5)共有两个，对称安装在机柜(1)的两侧。

所述减振器安装座(5)的下表面有若干个螺钉安装孔，所述底座(6)的上表面有与所述减振器安装座(5)的下表面大小和数量相同的螺钉安装孔，两者通过螺钉连接。底座(6)共有两个，对称安装在机柜(1)的两侧。

所述机柜(1)内部需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件装配完成之后，可以根据机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的质量及其分布位置，计算出机柜(1)的重心在高度方向上的位置，之后通过所述减振器高度调节杆(3)调节所述减振器(4)上平面与机柜(1)重心所在的水平平面重合，从而实现机柜(1)在水平自由度和转动自由度的振动解耦，提高减振效率。

当所述机柜(1)的重心高度发生变化时，可以根据变化后的重心位置重新调节所述减振器(4)上平面位置，以达到与机柜(1)重心所在平面重合的目的。一般情况下，机柜(1)的重心位置位于形心以下。

所述减振器(4)的参数(刚度和阻尼比)应根据机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的整体质量，外界激励频率(无人艇的振动频率)进行计算，以达到减振的目的。所述减振器安装座(5)和所述底座(6) 应具有足够大的刚度以减小对减振效率的影响。

装配时，所述底座(6)先固定好，所述减振器高度调节杆(3)固定在机柜(1)上，所述减振器(4)和减振器安装座(5)固定在一起，再将减振器(4) 固定在减振器高度调节杆(3)上，，最后再将减振器安装座(5)和底座(6) 连接。

本发明一种无人艇用减振机柜及其减振方法，步骤如下：

(1)当由于无人艇使用功能变化导致安装的电子设备发生变化时，机柜(1) 的重心高度会发生变化，计算出机柜(1)的重心在高度方向上的新的位置；

(2)松开减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)的固定螺钉，根据计算出的机柜(1)的重心在高度方向上的新的位置，调节减振器(4)的上表面与机柜(1)的重心所在水平面重合；

(3)调节完成后，拧紧减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)的固定螺钉。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对原有机柜的减振结构进行了改进，使机柜减振器的安装平面和机柜重心所在的水平面重合，这样可以实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，提高了减振效率。由于无人艇上机柜中包含通信，导航，控制等所有的电子设备，本发明减振机柜减振效率的提高，对于增加无人艇的可靠性具有重大意义。

(2)本发明通过振动解耦，去掉了原有的减振技术中设置在机柜背部的空间要求高、结构复杂的背部减振器，使机柜的安装空间更灵活，同时减少了减振器的使用数量，降低了减振成本。

(3)本发明通过设置的减振器高度调节杆，可以在机柜重心位置变化时，调节减振器的安装高度，使机柜的振动始终处于解耦状态，增加了机柜内部电子设备安装的灵活性。

(4)本发明中的减振机柜中可以并联多个机柜内框架，以增加电子设备的容纳空间。只要均匀安装各机柜内框架中电子设备的质量，保证外框架的刚度，就能达到很好的减振效果。

附图说明

图1为本发明的框架示意图；

图2为本发明节点示意图；

图3为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种无人艇用减振机柜及其减振方法，特别是一种用于无人艇的以机柜减振器的特定位置安装为特点的减振机柜及其减振方法。由于目前船用机柜减振器的安装平面和机柜底面重合，存在水平自由度和转动自由度两个主坐标上耦合振动问题，造成机柜的减振困难，减振效率低。针对上述问题，有技术人员采用增加背部减振器的方式减小机柜的振动，但此方法对机柜的安装位置要求高，需要有合适的位置安装背部减振器，同时也增加了减振器的使用数量，增加了成本。本发明针对上述问题，对原有机柜的结构进行了改进，使机柜减振器的安装平面和机柜高度方向上重心所在的平面重合，这样可以实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，在不增加减振器使用数量的前提下，提高了减振效率，降低了减振成本，增加了机柜内电子设备的使用寿命和可靠性，降低了无人艇失控的风险。

无人艇航行时，存在周期振动和随机振动的综合影响，且无人艇上空间狭小，机柜一般不具备同时安装背部减振器和底部减振器的空间。通过采用本发明的减振机柜和减振方法，可以使机柜减振器的安装平面和机柜重心所在的水平平面重合，实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，在不增加减振器使用数量的前提下，提高了减振效率，降低了减振成本，增加了机柜内电子设备的使用寿命和可靠性，降低了无人艇失控的风险。

本发明图1中的整体装配结构图省略了机柜的前面板，固定螺钉等机柜标准化结构和零部件，同时，也省略了和所述底座(6)连接的无人艇甲板。

如图1、图2、图3所示，一种无人艇用减振机柜，包括：机柜(1)、机柜外立柱(2)、减振器高度调节杆(3)、减振器(4)、减振器安装座(5)、底座 (6)；

机柜(1)，包括，机柜外立柱(2)；

底座(6)底部有螺钉孔，通过螺钉和无人艇甲板固定安装或焊接；底座(6) 顶部有螺钉孔，通过螺钉和减振器安装座(5)固定连接；每个减振器安装座(5) 顶部有两个减振器(4)的安装位置，每个减振器(4)通过其底部的螺钉孔和减振器安装座(5)固定连接；减振器(4)顶部连接减振器高度调节杆(3)；减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)通过螺钉安装，起到调节减振器(3) 相对机柜(1)的安装高度的作用。这样就可以使机柜减振器的安装平面和机柜重心所在的水平面重合，实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，提高了减振效率。

优选方案为：如图1，图2所示，分别是本发明的整体装配结构图和机柜整体装配结构图，所述机柜(1)包括机柜外框架(11)，机柜内框架(12)，机箱(13)等机柜标准化结构，所述机柜外立柱(2)和机柜外框架(11)焊接，。机柜外框架(11)上共焊接有四根垂直的机柜外立柱(2)，分别位于机柜外框架(11)的四个角边上，起到支撑机柜的作用。

优选方案为：如图3所示，是本发明的减振器高度调节杆结构图。所述机柜外立柱(2)上加工有螺钉安装孔，所述减振器高度调节杆(3)的两端也加工了和机柜外立柱(2)上相同大小的螺钉安装孔，两者可以通过螺钉连接在一起。和机柜外立柱(2)上不同的螺钉孔配合，减振器高度调节杆(3)就可以调节减振器安装高度，这样就可以在机柜重心位置变化时，调节减振器的安装高度，使机柜的振动始终处于解耦状态，增加了机柜内部电子设备安装的灵活性。减振器高度调节杆(3)对称安装在机柜(1)的两侧，减振器高度调节杆 (3)与机柜外立柱(2)垂直。

优选方案为：如图3所示，所述减振器高度调节杆(3)的中间部分，焊接有两个减振器(4)的安装平面，安装平面的下表面和减振器(4)的上表面贴合在一起，安装平面的面积不小于减振器(4)的上表面面积；每个安装平面上加工有螺钉安装孔用于安装减振器(4)，螺钉安装孔的大小应与减振器(4)上表面的螺柱大小相配合。其中，减振器(4)的结构由上表面(包含安装螺柱)、中间减振装置、下表面(包含螺钉安装孔)组成。

优选方案为：所述减振器(4)的下表面有若干个螺钉安装孔，所述减振器安装座(5)的上表面有与所述减振器(4)的下表面大小和数量相同的螺钉安装孔，两者通过螺钉连接。如图1所示，减振器安装座(5)共有两个，对称安装在机柜(1)的两侧。

优选方案为：所述减振器安装座(5)的下表面有若干个螺钉安装孔，所述底座(6)的上表面有与所述减振器安装座(5)的下表面大小和数量相同的螺钉安装孔，两者通过螺钉连接。如图1所示，底座(6)共有两个，对称安装在机柜(1)的两侧。

优选方案为：所述机柜(1)内部需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件装配完成之后，可以根据机柜(1)、，需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的质量及其分布位置，计算出机柜(1)的重心在高度方向上的位置，之后通过所述减振器高度调节杆(3)调节所述减振器(4)上平面与机柜(1)重心所在的水平平面重合，从而实现机柜(1)在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦，提高减振效率。由于无人艇上机柜中包含通信，导航，控制等所有的电子设备，本发明减振机柜减振效率的提高，对于增加无人艇的可靠性具有重大意义。另外，通过振动解耦，去掉了原有的减振技术中设置在机柜背部的空间要求高、结构复杂的背部减振器，使机柜的安装空间更灵活，同时减少了减振器的使用数量，降低了减振成本。

优选方案为：当所述机柜(1)的重心高度发生变化时，可以根据变化后的重心位置重新调节所述减振器(4)上平面位置，以达到与机柜(1)重心所在水平面重合的目的。一般情况下，机柜(1)的重心位置位于形心以下。

优选方案为：所述减振器(4)的参数(刚度和阻尼比)应根据机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的整体质量，外界激励频率 (无人艇的振动频率)进行计算，以达到减振的目的。所述减振器安装座(5) 和所述底座(6)应具有足够大的刚度以减小对减振效率的影响。本发明中的减振机柜中可以并联多个机柜内框架，以增加电子设备的容纳空间。只要均匀安装各机柜内框架中电子设备的质量，保证外框架的刚度，合理计算和选择减振器的参数，就能达到很好的减振效果。如图1，图2所示，是两个机柜内框架并联的结构。

优选方案为：装配时，所述底座(6)先与无人艇甲板固定好，所述减振器高度调节杆(3)固定在机柜(1)上，所述减振器(4)和减振器安装座(5) 固定在一起，再将减振器(4)固定在减振器高度调节杆(3)上，最后再将减振器安装座(5)和底座(6)连接。

本发明一种无人艇用减振机柜及其减振方法，优选方案步骤如下：

(1)当由于无人艇使用功能变化导致安装的电子设备发生变化时，机柜(1) 的重心高度会发生变化，计算出机柜(1)的重心在高度方向上的新的位置；

(2)松开减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)的固定螺钉，调节减振器(4)的上表面与机柜(1)的重心所在水平面重合；

(3)调节完成后，拧紧减振器高度调节杆(3)和机柜外立柱(2)的固定螺钉。

优选方案为：本发明中减振器的个数优选用四个，与大多数减振机柜的减振器的使用数量相同；由于该减振机柜在无人艇上使用，故减振器的类型应选择船用减振器或海用减振器，以满足在水面环境中的使用要求。本发明中机柜，底座等除去减振器的其他结构，应使用316不锈钢材质焊接或表面进行防腐蚀喷涂，以免被海面盐雾环境腐蚀。

优选方案为：本发明中机柜质量、机柜转动惯量、机柜重心距机柜底部的高度、减振器的竖直方向刚度、减振器水平方向刚度，暂不考虑减振器的阻尼 (因为减振器的阻尼只影响机柜共振时的振动峰值，不影响该发明中平动和转动两个主坐标上的振动解耦)，上述参数之间的关系以及本发明中的振动解耦原理可参照下述公式进行分析和设计：

优选方案为：假设机柜为刚体，是根据现有减振机柜绘制的减振原理图，以左右方向为x轴，前后方向为y轴，竖直方向为z轴，不失一般性，仅以机柜在xoz平面的运动进行分析。以机柜x轴方向的位移和绕y轴的转角为主坐标，机柜在xoz平面的自由振动关系优选如下：

式中，m—机柜整体质量，Jy—机柜关于y轴的转动惯量，x—机柜沿x轴方向的位移，—机柜绕y轴的转角，—机柜沿x轴方向运动的加速度，—机柜沿y轴转动的加速度，kx—减振器在x轴方向的刚度，kz—减振器在z轴方向的刚度，h—机柜重心距离机柜低面的距离，a—机柜重心和减振器的中心轴在x方向的水平距离。

由上式可得，刚度矩阵存在耦合项4kxh，所以引起机柜振动耦合的原因是 h不等于零，即机柜的重心所在的水平面和减振器的安装平面不重合。

优选方案为：所以本发明的机柜优选工作方式为：本发明改变原有机柜的结构，使机柜的重心所在的水平面和减振器的安装平面重合，使h等于零，这样可以实现机柜在水平自由度和转动自由度两个主坐标上的振动解耦。同时，设置相应的高度调节结构—减振器高度调节杆，当机柜重心位置变化时，可以调节减振器的安装高度，使减振器的安装平面始终和机柜重心所在的平面重合。本发明提高了减振效率，降低了减振成本，增加了机柜内电子设备的使用寿命和可靠性，降低了无人艇失控的风险。

优选方案为：优选方案为：减振器(4)的结构由上表面(包含安装螺柱)、中间减振装置、下表面(包含螺钉安装孔)组成。

本发明实现减振效果提高的方案：所述减振器(4)的参数(包括刚度和阻尼比)应根据机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的整体质量，外界激励频率(无人艇的振动频率)进行计算，以达到减振的目的，具体方案如下：设机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的整体质量为m，外界激励频率为ω，则减振器刚度k的设计优选满足下述关系式，

其中，α为的取值范围为0.5～0.7，满足该优选约束条件，可以实现减振效率的进一步提高，值越小，减振效果越好。

本发明实现减振稳定性提高的进一步优选方案：所述减振器安装座(5)和所述底座(6)应具有足够大的刚度以减小对减振效率的影响，具体方案如下：减震器安装座(5)的折弯结构设计有加强筋，底座(6)的桁架结构设计有加强筋，以防止应力集中和结构变形，设减振器安装座(5)和底座(6)安装完成后的整体刚度为k1，则k1的设计优选满足下述关系式，

mg/2＜0.001βk1

其中，β为减震器安装座(5)上表面的最大变形量，单位为毫米，取值范围1～2。g为重力加速度，m为机柜(1)、需要安装的所有电子设备和所有电子设备的安装件的整体质量。满足上述优选约束条件，可以实现减振稳定性的进一步提高，值越小，减振效果越好。

将本发明的减振机柜，安装到无人艇上进行实际测试(也可以使用振动模拟装置进行测试)，在机柜外框架(11)上，安装垂直方向和水平方向的振动变送器，以测量测试过程中机柜的垂直振幅和水平振幅，按照本发明的减振方法调整减振机柜，测试完成后比较本发明减振方案减振后设备的振幅与传统减振方案减振后设备的振幅。由于本发明减振方案中减振器与机柜重心所在的水平面重合，故和传统减振方案相比，将减少机柜水平方向的振幅，且机柜的重心越高，减振效果越明显，因此，增加了机柜内电子设备的可靠性。