极地破冰装置
技术领域
本发明涉及破冰领域，特别是一种极地破冰装置。
背景技术
极区作为一块人类尚未深入探索的大陆，探索极地、研究极地、开发极地具有极其重要的战略价值、经济价值、科研价值。“工欲善其事必先利其器”，极地船舶作为极地开发的首要装备，大力发展极地船舶及其配套设备，掌握其核心技术，成为我国落实国家极区战略、维护我国在极地的权益的首要任务。在极地环境下，传统轴系螺旋桨推进系统无法满足极地船舶的推进要求，降低了极地船舶的环境适应性。高操纵性、低噪声、体积小、节能的大功率吊舱推进装置可以满足极地船舶推进性能的要求。
近几十年来，随着电力电子工业的飞速发展，新型高性能大功率器件相继出现，新型电机的发展，尤其是吊舱式(POD)电力推进装置的问世及推广应用，加快了船舶电力的发展步伐，显示出了巨大的发展潜力。吊舱桨以其机动性能好、总体布置灵活、环保性能好以及可保证柴油机工作在最佳状态等优点，已成为船舶动力装置未来的发展方向。这种电力推进装置将变频调速的马达装入流线型的壳体内，配有固定螺距螺旋桨，桨置于壳体前端，它可以在转速很低的状态下运行，吊舱可在水下360°旋转，在全部转速范围内都可以输出较高的转矩，在各种流体动力状态下，都可以使螺旋桨接近最佳状态，推进效率高于常规螺旋桨。但是在极区，由于气温低、存有厚层冰，用于极地的吊舱推进器需要进行适当改进，增加专用的极地用破冰装置，以减少极地吊舱推进器遇到的推进阻力，进一步提高推进器的推进效率，操作性能和高可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种极地破冰装置，减轻极地破冰工作的操作难度，减少了推进装置遇到的阻力，进一步提高推进装置的推进效率。
本发明的技术方案是：一种本发明所述的极地破冰装置，其中，包括固定台、往复调节组件、密封舱、发热板、活塞杆和振动体，往复调节组件设置在固定台上，密封舱位于往复调节组件的前方，发热板、活塞杆和振动体均设置在密封舱内，往复调节组件与活塞杆连接，往复调节组件通过电路与发热板连接，密封舱的前部设有振动体；
所述密封舱内设有空腔，发热板和活塞杆设置在密封舱的舱体内，发热板和活塞杆均垂直于密封舱的前进方向设置，发热板位于活塞杆的前方，发热板的上、下两端分别与密封舱舱体的上、下侧壁固定连接，密封舱舱体的上、下侧壁上分别设有活动槽，活塞杆的上、下两端分别设置在滑动槽内，活塞杆沿滑动槽往复移动，发热板和活塞杆之间的密封舱舱体上设有进水口，进水口处设有进水阀门，密封舱的前端壁设有数个出水口，出水口处设有出水阀门，发热板上设有数个通孔；
所述往复调节组件包括电机、旋转臂、第一齿条、第二齿条、咬合齿轮、杠杆、定滑轮、钢丝绳和连杆，连杆包括第一连杆和第二连杆，电机固定设置在固定台上，旋转臂呈长条环状，电机的输出轴与旋转臂沿长度方向的一端连接，旋转臂的长轴底边内侧设有第一齿条，第一齿条的上方设有第二齿条，第二齿条的一端与旋转臂转动连接，第一齿条与第二齿条之间呈平行设置，且第一齿条与第二齿条上的齿呈对应设置，咬合齿轮被固定咬合在第一齿条和第二齿条之间时，咬合齿轮通过其中心轴与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆铰接，第二连杆的另一端与活塞杆固定连接，第二齿条的齿面上设有电阻片，电阻片与发热板串联在电路中；
所述第二齿条的自由端通过钢丝绳与杠杆连接，钢丝绳缠绕在定滑轮上，定滑轮设置在长轴顶边，钢丝绳的另一端与杠杆的一端连接，杠杆的中部通过支撑杆与旋转臂连接，杠杆绕支撑杆的顶部摆动，杠杆的另一端设有滚轮，滚轮与旋转臂的弧形内壁接触。
本发明中，所述发热板与密封舱的前端壁之间的腔体内设有温度计，对密封舱内经发热板加热后的水温进行测量。
所述支撑杆的顶部与杠杆的中部铰接，支撑杆的底部与旋转臂固定连接。
所述电路包括第一开关和第二开关，第一开关控制电机，第二开关控制发热板和第二齿条上的电阻片，控制电机线路与发热板和第二齿条线路并联后与电源串联连接，在发热板与第二齿条的线路上设有电流表。
本发明中，设该装置的输出恒功率为P，活塞杆的振动功率为P1，电压为U1，通过电流为I1，发热板的加热功率为P2，电压为U2，通过电流为I2，第二齿条上电阻片的电阻为R24，发热板的电阻为R4，此时
P(i)＝P1(i)+P2(i)
P2(i)＝I2(i)·(R24(i)+R4(i))
其中，i为0到t内任意时刻，cosθ是电动机功率因数；
当冰层较厚时，打开第一开关和第二开关，旋转臂开始转动，调整咬合齿轮的位置，使第一连杆位于电机的近心端，此时电阻R24接入长度小，接入的总电阻小，通过的总电流大，发热板的加热功率P2占比大，水流通过进水口进入密封舱，水流被发热板加热，经过加温的水被活塞杆挤压从出水口排出，高温的水流入海水中，将热量带到附近冰层，此时活塞活动范围小，振动频率低，机械振动功率P1占比小，此时的破冰过程以发热板加热为主，机械振动为辅；
冰层变薄，温度升高，调整咬合齿轮的位置，使第一连杆位于电机的远心端，此时电阻R24接入长度大，接入的总电阻大，通过的总电流小，发热板的加热功率P2小，此时活塞活动范围变大，振动频率变高，机械振动功率P1占比大，此时的破冰过程以机械振动为主，发热板加热为辅。
本发明的有益效果是：该装置与推进装置配合使用，通过该装置实现了对极地冰面的破冰，减少推进装置遇到的阻力，进一步提高推进装置的推进效率，操作性能和高可靠性，提高工作效率，降低运营成本，减轻极地破冰工作的操作难度，能够更好地为极地区域研究服务。
附图说明
图1是本申请的结构示意图；
图2是往复调节组件的第一结构示意图；
图3是往复调节组件的第二结构示意图；
图4是该装置内的电路示意图。
图中：1固定台；101电源；102第一开关；103第二开关；104电流表；2往复调节组件；201电机；202旋转臂；203第一齿条；204第二齿条；205咬合齿轮；206杠杆；207定滑轮；208钢丝绳；209第一连杆；210第二连杆；3密封舱；301进水口；302出水口；303活动槽；304温度计；305进水阀门；306出水阀门；4发热板；5活塞杆；6振动体。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的极地破冰装置包括固定台1、往复调节组件2、密封舱3、发热板4、活塞杆5和振动体6。往复调节组件2设置在固定台1上，密封舱3位于往复调节组件2的前方，发热板4、活塞杆5和振动体6均设置在密封舱3内，往复调节组件2与活塞杆5连接，在往复调节组件2的带动下实现活塞杆5的往复移动，活塞杆5的往复移动过程中，使密封舱3内的水产生平动和晃动，从而产生振动力和挤压力。发热板4对流入密封舱3内的水加热，被加热的水流出密封舱3后，对周围冰面起到了加热作用。往复调节组件2通过电路与发热板4连接，通过往复调节组件2调整发热板4的加热功率。密封舱3的前部设有振动体6，通过振动体6的振动，加速装置前方冰块的破碎。在振动体6、活塞杆5和发热板4的共同作用下，不断降低周围冰面的强度，减小了破冰过程中的阻力，使该装置能够持续向前运动，提高了极地破冰的效率。
如图1所示，密封舱3内设有空腔，发热板4和活塞杆5设置在密封舱3的舱体内，发热板4和活塞杆5均垂直于密封舱3的前进方向设置，发热板4位于活塞杆5的前方。发热板4的上、下两端分别与密封舱3舱体的上、下侧壁固定连接，密封舱3舱体的上、下侧壁上分别设有活动槽303，活塞杆5的上、下两端分别设置在滑动槽303内，在往复调节组件2的带动下，活塞杆5沿滑动槽303往复移动。发热板4和活塞杆5之间的密封舱舱体上设有进水口301，进水口301处设有进水阀门305，密封舱3的前端壁设有数个出水口302，出水口302处设有出水阀门306。发热板4上设有数个通孔，当水从进水口301进入密封舱3后，活塞杆5在密封舱3内依次不断的往复运动，产生振动力，对流入密封舱3内的水产生挤压力，将水从进水口301推动至出水口302，水在密封舱的流动过程中，必须要经过流经发热板4，并经过发热板4的加热。加热后的水从出水口302流出，对密封舱3外侧的冰面进行升温加热。发热板4与密封舱的前端壁之间的腔体内设有温度计304，对密封舱3内经发热板4加热后的水温进行测量。本实施例中的密封舱3由316L不锈钢材制成，具备抗海水腐蚀的功能。
如图2和图3所示，往复调节组件2包括电机201、旋转臂202、第一齿条203、第二齿条204、咬合齿轮205、杠杆206、定滑轮207、钢丝绳208和连杆，连杆包括第一连杆209和第二连杆210。本实施例中的电机201采用三相电机，电机201固定设置在固定台1上，旋转臂202呈长条环状，电机201的输出轴与旋转臂202沿长度方向的一端连接，电机201动作过程中，通过其输出轴带动旋转臂202旋转。旋转臂202的长轴底边内侧设有第一齿条203，第一齿条203的上方设有第二齿条204，第二齿条204的一端与旋转臂202转动连接，第一齿条203与第二齿条204之间呈平行设置，且第一齿条203与第二齿条204上的齿呈对应设置。咬合齿轮205位于第一齿条203和第二齿条204之间，当咬合齿轮205被咬合在第一齿条203和第二齿条204之间时，咬合齿轮205被固定在第一齿条203和第二齿条204之间。咬合齿轮205通过其中心轴与第一连杆209的一端铰接，第一连杆209的另一端与第二连杆201铰接，第二连杆201的另一端与活塞杆5固定连接。第二齿条204的齿面上设有电阻片，电阻片与发热板4串联在电路中，即咬合齿轮205在第一齿条203和第二齿条204之间的位置不同时，连入电路中的电阻片的电阻大小会发生改变，通过调整连入电路中的电阻片的电阻值大小，发热板4的加热功率相应发生变化。
第二齿条204的一端与旋转臂202转动连接，另一端即自由端通过钢丝绳208与杠杆206连接。钢丝绳208缠绕在定滑轮207上，定滑轮207设置在长轴顶边，钢丝绳208的一端与杠杆206的一端连接。杠杆206的中部通过支撑杆与旋转臂202连接：支撑杆的顶部与杠杆206的中部铰接，支撑杆206的底部与旋转臂202固定连接，杠杆206可以绕支撑杆摆动。杠杆206的另一端设有滚轮，滚轮与旋转臂202的弧形内壁接触，杠杆206在摆动过程中，通过其一端的滚轮与旋转臂202的接触，由于滚轮只能沿旋转臂202的弧形内壁滚动，对杠杆206的摆动起到了导向作用。
利用往复调节组件2实现活塞杆5往复移动的动作过程如下所述。启动电机201，电机201输出轴转动，带动旋转臂22旋转，旋转臂22转动过程中，被固定咬合在第一齿条203和第二齿条204之间的咬合齿轮205随旋转臂202转动。首先，由于咬合齿轮205、第一连杆209、第二连杆210和活塞杆5组成摇杆滑块机构，随着咬合齿轮205的旋转，在第一连杆209和第二连杆210的带动作用下，由于活塞杆5的两端被限位在滑槽303内，因此活塞杆5在滑槽303内做往复移动。在活塞杆5的循环往复移动过程中会产生平动和晃动，从而对流入密封舱的水产生振动力和挤压力，使通过发热板4的水经过加热，吸收热量，然后经出水口302排出，通过对外部冰面的加热不断降低周围冰面的强度。另外，当活塞杆5运动至滑槽303的最前端时，往复调节组件2会继续对活塞杆5施加向前的推动力，此时通过活塞杆5带动整个密封舱3向前移动，推动密封舱3持续向前运动，从而完成该装置的前进和破冰动作。
当需要对发热板4的加热功率进行调节时，将杠杆206连接有钢丝绳208的一端向下拉动，此时钢丝绳208会将第二齿条204的一端抬起，在没有其上方咬合齿条的限位作用下，咬合齿轮205可以转动，转动的同时通过咬合齿轮205与第一齿条203之间的啮合，实现了咬合齿轮205沿第一齿条203的移动。当咬合齿轮205的位置发生变化时，连入电路的电阻片的电阻大小会发生改变，通过调整连入电路的电阻片的电阻大小，对发热板4的加热功率进行调整。在咬合齿轮205移动过程中，虽然与咬合齿轮205连接的第一连杆209会发生移动，但是咬合齿轮205传递给第一连杆209的力远远不足以带动第二连杆210移动，因此咬合齿轮205移动过程中无法带动活塞杆5往复移动。当咬合齿轮205移动至需要的位置处时，撤销施加在杠杆206上的拉动力，杠杆206和与杠杆206通过钢丝绳连接的第二齿条204自动复位，咬合齿轮205再次被咬合固定在第一齿条203和第二齿条204之间。
如图4所示，在电路中，通过第一开关102控制电机201，通过第二开关103控制发热板4和第二齿条204上的电阻片，两条线路并联和与电源101串联连接，因此上述两条线路可以同时工作，可以是某一线路模块单独工作。在发热板4与第二齿条204的连接线路上设有电流表104，通过电流表104测量该线路的电路电流，工作人员可以通过该参数实时了解发热板4的发热情况和该装置的工作状态。
该装置中各部分需满足以下关系式：
该装置的输出恒功率为P，活塞杆5的振动功率为P1，电压为U1，通过电流为I1，发热板4的加热功率为P2，电压为U2，通过电流为I2，第二齿条204上电阻片的电阻为R24，发热板4的电阻为R4。
P(i)＝P1(i)+P2(i)
P2(i)＝I2(i)·(R24(i)+R4(i))
其中，i为0到t内任意时刻，cosθ是电动机功率因数。
当冰层较厚时，打开第一开关102和第二开关103，旋转臂202开始转动，调整咬合齿轮205的位置，使第一连杆209位于电机201的近心端，此时电阻R24接入长度小，接入的总电阻小，通过的总电流大，发热板4的加热功率P2占比较大，水流通过进水口301进入密封舱3，水流被发热板4加热，随后经过加温的水被活塞杆5挤压从出水口302排出，高温的水流进入海水中，将热量带到附近冰层。由于第一连杆209位于电机201的近心端，因此活塞活动范围小；同时，由于该装置的输出功率恒定，发热板支路的功率增大，则电机支路的功率会相应减小，此时通过电机带动活塞杆运动的频率减小，因此活塞的振动频率低，综上所述，此时机械振动功率P1占比较小。这种情况下，功率主要集中在发热板，破冰过程以发热板4发热为主，机械振动为辅。
冰层变薄，温度升高，调整咬合齿轮205的位置，使第一连杆209位于电机201的远心端，此时电阻R24接入长度大，接入的总电阻大，通过的总电流小，发热板4的加热功率P2占比较小。由于第一连杆209位于电机201的远心端，因此活塞活动范围大；同时，由于该装置的输出功率恒定，发热板支路的功率减小，则电机支路的功率会相应变大，此时通过电机带动活塞杆运动的频率变大，因此活塞的振动频率高，综上所述，此时机械振动功率P1占比较大。这种情况下，整个破冰过程以机械振动为主，发热板4加热为辅。
以上对本发明所提供的极地破冰装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
