畢業(yè)論文-淺析減搖水艙的工作原理及其在“育鯤”輪上的改造應(yīng)用

1、PAGE 大連海事大學(xué)裝.裝.訂線二一二 年 五 月淺析減搖水艙的工作原理及其在“育鯤”輪上的改造應(yīng)用專業(yè)班級(jí)： 輪機(jī)08-15班姓 名： 指導(dǎo)教師： 輪機(jī)工程學(xué)院內(nèi)容摘要摘要：減搖水艙是世界上成功應(yīng)用的減搖裝置之一，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于維修等特點(diǎn)，在零航速下能正常工作。本文首先對(duì)現(xiàn)有的減搖裝置進(jìn)行了分析比較，簡(jiǎn)單的介紹了“育鯤”輪所用的減搖，進(jìn)而詳細(xì)描述了該減搖水艙工作原理，主要介紹可控被動(dòng)式減搖水艙。在文章的最后對(duì)可控被動(dòng)式減搖水艙控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),提出船舶綜合平衡系統(tǒng)船舶減搖鰭和減搖水艙綜合減搖的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：減搖水艙 工作原理 綜合平衡 控制系統(tǒng) ABSTRACT: The

2、 anti-rolling tank is one of the widely used stabilizers in the world, and it fits for ships working at zero speed or low speed, whose characters are simple structure, low cost and easy to maintain. Firstly，the passage compared and analyzed the stabilizers, simply talked about the ship fin stabilize

3、r which used in “yukun” ship，and then particularly described working principle of anti-rolling tank ，the controlled passively anti-rolling tank is primary described. At last，the control system of controlled passively anti-rolling tank is designed, brought up the superiority of the integrated anti-ro

4、lling method, combined with fin stabilizer and anti-rolling tank.Keywords：anti-rolling tank working principle integrated balance control system 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263963018 前言 PAGEREF _Toc263963018 h 1 HYPERLINK l _Toc263963019 1減搖裝置的分析比較 PAGEREF _Toc263963019 h 1 1.1船舶橫搖概述1.1.1船舶橫搖

5、危害1.1.2船舶橫搖標(biāo)準(zhǔn)1.1.3船舶減小橫搖途徑 1.2常見(jiàn)的減搖裝置 1.3減搖裝置的性能比較 1.4減搖裝置的選擇 1.5“育鯤”輪現(xiàn)有減搖裝置簡(jiǎn)介1.5.1“育鯤”輪減搖鰭的參數(shù)1.5.2“育鯤”輪減搖鰭的特點(diǎn)2減搖水艙的工作原理 2.1減搖水艙概述2.1.1被動(dòng)式減搖水艙2.1.2主動(dòng)式減搖水艙2.1.3可控被動(dòng)式減搖水艙 2.2減搖水艙的控制2.2.1減搖水艙的氣閥控制2.2.2減搖水艙的控制輸入 2.3減搖水艙內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)分析3減搖水艙在“育鯤”輪上的改造應(yīng)用 3.1“育鯤”輪壓載水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 3.2針對(duì)三號(hào)壓載水艙的改造4減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1減搖水艙的控制系統(tǒng) 4.2電

6、磁閥的選擇 4.3氣源處理設(shè)備 4.4傳感器 4.5工控機(jī)5綜合平衡的優(yōu)勢(shì)6總結(jié)附圖：圖1減搖裝置分類示意圖圖2 被動(dòng)式水艙減搖原理圖圖3被動(dòng)式水艙減搖原理相位圖圖4可控被動(dòng)式減搖水艙工作原理圖圖5減搖水艙可控系統(tǒng)原理圖6氣閥關(guān)閉時(shí)刻艙內(nèi)水的流動(dòng) 氣閥關(guān)閉后艙內(nèi)水的流動(dòng)圖7“育鯤”輪壓載水系統(tǒng)圖8“育鯤”輪三號(hào)壓載艙在船體分布俯視圖圖9改造后的三號(hào)壓載艙概念圖圖10減搖水艙控制系統(tǒng)流程圖圖11氣動(dòng)系統(tǒng)基本線路表一 減搖裝置分類表表二 各種減搖裝置特性的比較表三“育鯤”輪各壓載水艙的基本數(shù)據(jù)PAGE 14淺析減搖水艙的工作原理及其在“育鯤”輪上的改造應(yīng)用前言在海上航行的船舶由于受到海浪、海風(fēng)及海

7、流因素的影響，船舶不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種搖蕩，其中橫搖在船舶的搖蕩中最為嚴(yán)重，劇烈的搖蕩對(duì)船舶的適航性、安全性、以及設(shè)備的正常工作、貨物的固定和乘員的舒適性都會(huì)有很大的影響，特備是對(duì)于“育鯤”輪這種專用遠(yuǎn)洋實(shí)習(xí)船，一定要盡可能的減小其在海浪中的搖擺。 在減搖技術(shù)中，最為常用的是減搖鰭，減搖水艙，以及舭龍骨，由于規(guī)定舭龍骨是大多數(shù)船舶必須安裝的減搖裝置，所以近年來(lái)減搖水艙和減搖鰭成了研究的重點(diǎn)。 由于減搖水艙和減搖鰭各有優(yōu)缺點(diǎn)，減搖鰭在系泊狀態(tài)和低航速下不能有效的減搖，而減搖水艙可以彌補(bǔ)這一缺陷，但是減搖水艙也有缺陷，它體積大且只能在船舶的諧搖頻率附近有較好的減搖效果，其減搖效果一般為50%，不能

8、滿足船舶的平衡指標(biāo)。故可以采用減搖水艙和減搖鰭聯(lián)合減搖的方案來(lái)提高船舶的減搖性能。1減搖裝置的分析比較1.1船舶橫搖概述1.1.1 船舶橫搖危害 自從帆船發(fā)展成機(jī)動(dòng)船后，隨著船舶由木質(zhì)船殼變?yōu)殇撝拼瑲?，橫搖阻尼更加減小，橫搖角度顯著增加，使船舶在海上航行、工作時(shí)有可能產(chǎn)生相當(dāng)大的橫搖運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一下后果：由于橫搖時(shí)船舶過(guò)分傾斜而使船舶傾覆。由于橫搖時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力的作用而使船體和船上個(gè)別建筑物損壞。由于橫搖時(shí)水阻力的增加和推進(jìn)器工作條件的惡化而使船舶航速降低。由于船舷或船端淹沒(méi)在波面下而使甲板浸水。由于橫搖時(shí)的船舶傾斜而使未固定好的貨物移動(dòng)。船舶過(guò)度橫搖時(shí)會(huì)引起船員暈船，影響其工作效率。1.1.

9、2 船舶橫搖標(biāo)準(zhǔn) 1 為使船舶在風(fēng)浪情況下能順利施放到水面，通常要求橫搖值不超過(guò)15。 2 相關(guān)專家指出，船舶人員對(duì)橫搖的忍耐程度，認(rèn)為橫搖幅值不應(yīng)超過(guò)10，相應(yīng)的，橫搖周期不應(yīng)大于5s6s。 3 為保證拖船的正常使用，相關(guān)專家認(rèn)為其船舶幅值不應(yīng)超過(guò)10. 4 為保證雷達(dá)能正常工作，英國(guó)交通部門(mén)規(guī)定要求船舶雷達(dá)天線在船舶橫搖幅值為10時(shí)任有合適的性能。1.1.3 船舶減小橫搖途徑 人們提出了各種裝置來(lái)減小船舶的橫搖，主要通過(guò)一下三種不同途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)： 1增大阻尼系數(shù) 這種做法稱為“阻尼”穩(wěn)定。由于“阻尼”的物理意義是指能量的消散，所以這種減搖方式在任何情況下都是有效的，尤其是諧搖區(qū)效果最顯著。如

10、舭龍骨。 2減小船舶的固有頻率 這種減搖方式稱為“諧搖穩(wěn)定”。即減小船舶固有頻率，是船舶的固有頻率避開(kāi)波浪擾動(dòng)頻率。它只對(duì)強(qiáng)制振蕩有效，使遭遇頻率按正確的方向改變，但是，由于實(shí)際的海面上有著各種頻率的波浪，改變船舶固有頻率的做法并不總是合適的，并且制造一種裝置來(lái)改變船舶固有頻率也是不現(xiàn)實(shí)的，只能在設(shè)計(jì)船舶時(shí)考慮這點(diǎn)，使船舶的周期避開(kāi)此船服務(wù)海域發(fā)生最頻繁的波浪的周期。 3直接減小擾動(dòng)力或力矩 這種方式稱為“平衡穩(wěn)定”，在原則上它可以適用于所有的搖蕩運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，施加一個(gè)與擾動(dòng)力矩相位相反的穩(wěn)定力矩，從而使擾動(dòng)力矩減小。但在實(shí)際中，由于只有橫搖的幅值較大而擾動(dòng)力矩較下，才能有效的力矩減搖。

11、如減搖水艙。1.2常用的減搖裝置 1舭龍骨 舭龍骨是應(yīng)用最廣泛，也是最簡(jiǎn)單的減搖裝置。它沿著船長(zhǎng)方向安裝在船的舭部，在橫搖時(shí)擾動(dòng)船體周圍的流場(chǎng)，使船產(chǎn)生附加阻尼，借以增加橫搖阻尼從而達(dá)到減搖目的的被動(dòng)式減搖裝置。它在任何情況下都有效，在近似共振狀態(tài)下最明顯。唯一缺點(diǎn)是裝上舭龍骨會(huì)使船舶的阻力有所增加。由于它簡(jiǎn)單、建造成本低和對(duì)航速影響小等優(yōu)點(diǎn)，幾乎在所有海船都毫無(wú)例外的裝有舭龍骨，它已稱為海船船體的一部分。所以，在一般情況下所謂減搖裝置糸指舭龍骨以外的減搖措施和設(shè)備。 2減搖鰭 減搖鰭是減搖效果最好的主動(dòng)式減搖裝置，設(shè)計(jì)的好的減搖鰭在任何情況下都可以使橫搖幅值保持在3以內(nèi)。它是通過(guò)船體中部?jī)婶?/p>

12、伸出的一對(duì)機(jī)翼型葉片，當(dāng)船在風(fēng)浪中橫搖時(shí)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，根據(jù)橫搖的情況，不斷的改變鰭角的大小，使鰭上產(chǎn)生的升力在左右兩船舷的方向始終相反，一邊產(chǎn)生向上的升力，另一邊產(chǎn)生向下的升力，總的力矩恰好抵消風(fēng)浪的擾動(dòng)力矩，從而達(dá)到減小橫搖的目的。在減小橫搖的同時(shí)，在航速方面也可以得到好處。但是減搖鰭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，需要?jiǎng)恿涂刂葡到y(tǒng)，而且它有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是航速達(dá)到一定程度時(shí)才會(huì)在鰭上產(chǎn)生明顯的升力，隨著航速的下降，減搖效果也急劇下降。減搖鰭分為在不需要時(shí)收放在船體內(nèi)的收放式和固定在舷外的非收放式兩種。前者由于有鰭箱，需要占用一定的船內(nèi)空間，后者不占用空間，但鰭易損壞。 3減搖水艙 它

13、是裝在船體內(nèi)的一種特制水艙，當(dāng)船橫搖時(shí)，水艙內(nèi)的水，從一舷流向另一舷，從而產(chǎn)生抵抗橫搖的穩(wěn)定力矩。從水艙的工作原理來(lái)分，大體有三種形式：被動(dòng)式水艙、可控被動(dòng)式水艙和主動(dòng)式水艙。 圖一 減搖裝置分類示意圖表一 減搖裝置分類表按穩(wěn)定力的力學(xué)性質(zhì)按控制方式按工作機(jī)構(gòu)的形式按穩(wěn)定力的實(shí)施范圍按改變船對(duì)擾動(dòng)的感受性被動(dòng)式主動(dòng)或可控式重力各種不同結(jié)構(gòu)的被動(dòng)水艙和重物各種不同結(jié)構(gòu)的主動(dòng)水艙和重物液體和可移動(dòng)固體重物減少橫搖，偶爾也用于減少縱搖根據(jù)減搖裝置對(duì)阻尼，自由振蕩頻率或擾動(dòng)力起作用，相應(yīng)的分為阻尼式，頻率式和動(dòng)力平衡式流體動(dòng)力舭龍骨，鰭翼，自行整位的鰭板及舵各種不同結(jié)構(gòu)的可控鰭，噴水推進(jìn)器各種形式的附

14、體減少各種搖擺和偏航陀螺力被動(dòng)式陀螺穩(wěn)定器主動(dòng)式陀螺穩(wěn)定器陀螺減少橫搖1.3減搖裝置的性能比較 表二 各種減搖裝置特性的比較類型舭龍骨減搖鰭舵減搖被動(dòng)式減搖水艙可控式減搖水艙減搖百分?jǐn)?shù)35%8090%3055%50%3560%低航速效果有效幾乎無(wú)效幾乎無(wú)效有效有效裝置重量占排水量比例幾乎沒(méi)有1%幾乎沒(méi)有14%14%對(duì)阻力影響略有工作時(shí)略有減搖時(shí)略有無(wú)無(wú)驅(qū)動(dòng)功率無(wú)較大較大無(wú)無(wú)所占空間無(wú)一般小較大較小橫向連續(xù)空間不要不要不要要要GB的影響無(wú)無(wú)無(wú)降低降低噪聲無(wú)小小有有造價(jià)低高較高一般較高維修費(fèi)低一般較低低較低易損性易易不易不易不易有效的波浪范圍廣廣廣有限較廣1.4減搖裝置的選擇 通常在選擇減搖裝置時(shí)

15、，應(yīng)考慮下述諸因素，并且根據(jù)船的使用要求、船體結(jié)構(gòu)和布置等特點(diǎn)進(jìn)行比較分析。 1減搖效果：一般情況下減搖鰭的減搖效果最好，其次是可控被動(dòng)減搖水艙，而被動(dòng)式減搖水艙效果稍差。但是，因?yàn)轹挼纳εc船速的平方成正比，所以在低航速和無(wú)航速情況幾乎沒(méi)有減搖作用。減搖水艙由于它的減搖力矩不受船航速的影響，它在不同航速都有相近的減搖效果，因此它特別適用于低航速或是無(wú)航速船舶的減搖。 2船內(nèi)空間的占有率：減搖裝置的空間占有率是根據(jù)體積大小來(lái)判斷的。一般來(lái)說(shuō)，減搖水艙比減搖鰭占據(jù)更大的空間，而且平面水艙往往要占據(jù)相當(dāng)有用的空間。 3對(duì)航速和功率的影響：減搖水艙因?yàn)椴贾迷诖w內(nèi)部，所以不影響船體阻力，而減搖鰭由于

16、從兩舷伸入水中，且具有船體開(kāi)口，將使井水阻力增加。但是，因?yàn)闇p搖效果，使船橫搖損失的航速減少，而減搖鰭比減搖水艙有更大的優(yōu)點(diǎn)。1.5“育鯤”輪現(xiàn)有減搖裝置簡(jiǎn)介1.5.1“育鯤”輪減搖鰭參數(shù) “育鯤”使用的減搖鰭型號(hào)是Aquarius 50系列，每舷各有一個(gè)葉片，葉片面積為3.03，總重量為20.3噸,葉片伸出長(zhǎng)度2.75m，葉片長(zhǎng)寬比為2.5，工作葉片角為21.5，最大葉片角為25，葉片角減小發(fā)生在船舶航速16.7節(jié)以上?！坝H”輪減搖鰭在船舶航速為16.7節(jié)（海浪輸入為4.111）的表現(xiàn)：沒(méi)有安裝減搖鰭時(shí)橫搖角為16.5，安裝減搖鰭后的橫搖角為3.5，橫搖減少百分比為80%每個(gè)葉片上的升力為

17、160.435KN力矩臂為11.318m穩(wěn)定力矩為3671.747KN.m每個(gè)海浪輸入度的橫傾力矩為1277.22 KN.m波傾斜能力（葉片功率）為2.8431.5.2“育鯤”輪減搖鰭的特點(diǎn)Aquarius折葉式減搖鰭用緊湊的、輕量級(jí)的設(shè)計(jì)和最先進(jìn)的控制來(lái)提供高性能的橫搖阻尼，用最小尺寸、最小重量、最小數(shù)量零部件的鰭板操作機(jī)構(gòu)滿足更小船舶的需求。1 采用大升力的鰭片來(lái)提高減搖效果2 液壓、機(jī)械和控制設(shè)備安裝費(fèi)用低3 船舶的報(bào)警和監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)合容易4 鰭葉的傾斜和伸展由線性執(zhí)行器完成5 采用內(nèi)部潤(rùn)滑系統(tǒng)6 液壓系統(tǒng)采用負(fù)載感應(yīng)2減搖水艙的工作原理2.1減搖水艙概述 無(wú)論是U型減搖水艙，還是平面或槽

18、型減搖水艙，都是籍船舶橫搖時(shí)由水艙內(nèi)液體的移動(dòng)產(chǎn)生對(duì)抗力矩以減少船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)的。按水倉(cāng)是否施加控制進(jìn)行劃分，減搖水艙可分為被動(dòng)式減搖水艙、主動(dòng)式減搖水艙和可控被動(dòng)式減搖水艙。2.1.1被動(dòng)式減搖水艙 被動(dòng)式減搖水艙是根據(jù)雙共振原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這也就是使設(shè)計(jì)水艙和船舶具有相同的固有周期，這樣在共振的規(guī)則波作用于船舶時(shí)，在波浪和傳播搖擺之間，及船舶搖擺和水艙內(nèi)水柱振蕩之間形成雙重共振現(xiàn)象。此時(shí)船舶的橫搖較擾動(dòng)力矩振蕩落后相位/2，而水柱的振蕩較擾動(dòng)力矩振蕩落后相位，水柱振蕩所產(chǎn)生的力矩將與波浪的擾動(dòng)力矩符號(hào)相反，從而達(dá)到減搖。以雙共振原理設(shè)計(jì)的水艙有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即在離開(kāi)諧搖區(qū)時(shí)減搖效果明顯下降

19、，甚至增搖。圖2被動(dòng)式水艙減搖原理圖圖3 被動(dòng)式水艙減搖原理相位圖2.1.2主動(dòng)式減搖水艙 主動(dòng)式減搖水艙是由傳感器感受穿的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制水泵或葉輪，把水艙的水從一舷達(dá)到另一舷來(lái)抵消波浪擾動(dòng)力矩或橫傾力矩。由于需要在幾秒鐘內(nèi)把幾十噸重量的水從一舷打到另一舷，因此需要更大的動(dòng)力源，造價(jià)和維持費(fèi)用相當(dāng)大。主動(dòng)式水艙已提出多年，但成功的實(shí)例不多見(jiàn)。2.1.3可控被動(dòng)式減搖水艙 可控被動(dòng)式減搖水艙水流控制閥一般有兩種配置形式：一是裝于連接兩邊艙底部聯(lián)通水道中，而是裝于連接兩邊艙氣體的空氣通道中。下面主要介紹一下在水艙頂部氣道上安裝節(jié)流閥的閥控式可控被動(dòng)式減搖水艙，它是一種用少量能量改變水艙內(nèi)水流周期的高效

20、減搖裝置。它主要考慮在水艙中安裝可調(diào)的節(jié)流閥，通過(guò)橫搖傳感裝置調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，以控制水艙內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)，使水艙中的水總是保持在船舶向上運(yùn)動(dòng)的那一側(cè)邊艙內(nèi)。只要船舶橫搖周期大于水艙固有振蕩周期，可控被動(dòng)式減搖水艙的自動(dòng)控制系統(tǒng)立即通過(guò)氣閥來(lái)調(diào)節(jié)水艙水流周期以適應(yīng)變化的橫搖周期，其工作原理如圖4所示。 圖4中相位 eq oac(,1)表明船舶開(kāi)始向左舷扶正，艙內(nèi)水以最大速度從左舷邊艙向右舷邊艙流動(dòng)。 到達(dá)相位 eq oac(,2)時(shí)，右舷邊艙達(dá)到最高水位，這時(shí)控制系統(tǒng)輸出氣閥關(guān)閉信號(hào)，船繼續(xù)向左舷橫搖，但由于閥門(mén)已關(guān)閉，水艙中的液位保持相對(duì)不動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)最大的減搖力矩Mtmax抵消船舶向左

21、舷橫搖，直到相位 eq oac(,4)。 在相位 eq oac(,4)閥門(mén)重新打開(kāi)，空氣在邊艙間能夠自由流動(dòng)，艙內(nèi)的水開(kāi)始從右舷邊艙流向左舷邊艙。 在相位 eq oac(,5)時(shí)，船舶向左舷橫搖到最大值并開(kāi)始向右舷扶正，水艙中的水以最大速度流向左舷邊艙。 圖4 可控被動(dòng)式減搖水艙工作原理圖 在相位 eq oac(,6)時(shí)，左舷邊艙水位達(dá)到最高，這時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，從而使左舷邊艙最高水位保持到相位 eq oac(,8)，這時(shí)產(chǎn)生的最大減搖力矩Mtmax 是抵消船向右舷橫搖的。在相位 eq oac(,8)閥門(mén)再次開(kāi)啟，水艙中的水從左邊艙流向右舷邊艙，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。經(jīng)過(guò)上述反復(fù)控制，使艙內(nèi)的水產(chǎn)生的

22、力矩始終與波浪干擾力矩的符號(hào)相反，在任何時(shí)刻都起到減搖作用。 可控被動(dòng)式減搖水艙中閥門(mén)的控制作用相當(dāng)于自動(dòng)延長(zhǎng)了水艙內(nèi)水流的振蕩周期，也就是說(shuō)，只有在船舶橫搖周期大于艙內(nèi)液體固有振蕩周期時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)才能發(fā)揮作用。 這種水艙克服了被動(dòng)式水艙的固有缺點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)改變水艙內(nèi)水流的振蕩頻率，從而能夠適應(yīng)經(jīng)常發(fā)生變化的波浪頻率或者變化的船舶橫搖固有頻率，使水艙在更寬的頻率范圍內(nèi)都能有效的減搖。2.2減搖水艙的控制2.2.1減搖水艙的氣閥控制 圖5概要的表示了減搖水艙的可控操作概念。如圖所示，水艙控制器根據(jù)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生控制氣閥啟閉的信號(hào)，控制氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)

23、現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)相位的控制。當(dāng)波浪干擾周期與船舶橫搖固有周期、水艙固有周期相等時(shí)，控制信號(hào)使氣閥常開(kāi)，這時(shí)水艙采用被動(dòng)操作方式，作為被動(dòng)式水艙運(yùn)行。否則，水艙控制器投入運(yùn)行，根據(jù)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)狀況控制氣閥反復(fù)關(guān)閉和開(kāi)啟，使水艙在更寬的周期內(nèi)都可以有效減搖。 圖5減搖水艙可控系統(tǒng)原理2.2.2減搖水艙的控制輸入 在減搖水艙采用可控操作方式時(shí)，可以用水艙液位、船舶橫搖角和橫搖角速度作為水艙控制輸入，也可以水艙底部連通道中水的流動(dòng)方向作為控制輸入。無(wú)論采用哪種控制輸入，其目的均在于適時(shí)的控制氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，使減搖水艙發(fā)揮最大的減搖作用。從定性分析來(lái)看，在離開(kāi)船舶諧搖區(qū)域時(shí)，采用這些控制輸入，與沒(méi)有施

24、加控制時(shí)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)幅值相比，都能在一定程度上提高水艙的減搖效果。 對(duì)于減搖水艙的可控操作，無(wú)論采用哪種控制輸入，關(guān)鍵問(wèn)題是要準(zhǔn)確幾個(gè)控制參數(shù)，即氣閥開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，以及氣閥開(kāi)啟時(shí)刻和關(guān)閉時(shí)刻。從上述可控操作的分析不難看出，減搖水艙艙內(nèi)水流振動(dòng)的固有周期和船舶橫搖周期是決定氣閥開(kāi)啟時(shí)間和氣閥關(guān)閉時(shí)間的主要依據(jù)。如果Tt代表減搖水艙固有周期，T代表船舶橫搖周期，其閥開(kāi)啟時(shí)間Topen和氣閥關(guān)閉時(shí)間Tclose可計(jì)算如下： Tclose=1/2(TTt) Topen=1/2Tt由于減搖水艙固有周期可以作為一個(gè)已知參數(shù)，所以氣閥開(kāi)啟時(shí)間是一個(gè)確定的時(shí)間常數(shù)。只要控制系統(tǒng)檢測(cè)出船舶橫搖運(yùn)動(dòng)周期就可

25、以技術(shù)暗處氣閥關(guān)閉時(shí)間。這樣，不論減搖水艙選擇哪種控制輸入，都能夠準(zhǔn)確控制氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。 例如，選擇以橫搖角作為控制輸入，也就是根據(jù)船舶橫搖角的變化控制氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶橫搖角，并且以橫搖叫的過(guò)零點(diǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。這樣，控制系統(tǒng)檢測(cè)出船舶橫搖運(yùn)動(dòng)周期，不但可以計(jì)算出氣閥開(kāi)啟時(shí)間和氣閥關(guān)閉時(shí)間，同時(shí)還可以確定氣閥開(kāi)啟時(shí)刻和氣閥關(guān)閉時(shí)刻。2.3減搖水艙內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)分析 當(dāng)減搖水艙采用可控操作方式時(shí)，由于控制系統(tǒng)對(duì)氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)行控制，使得水艙內(nèi)水的運(yùn)動(dòng)受到了限制，下面簡(jiǎn)要分析氣閥對(duì)水艙內(nèi)水的運(yùn)動(dòng)的影響。圖6給出了“閉式水艙”氣閥關(guān)閉時(shí)刻和氣閥關(guān)閉后艙內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由圖可知

26、，由于氣閥關(guān)閉，左邊艙的氣體不能繼續(xù)向右邊艙自由流動(dòng)，于是由右邊艙流向左邊艙的液體的運(yùn)動(dòng)受到限制，但由于慣性作用，艙內(nèi)液體要繼續(xù)向左邊艙振蕩，從而引起左邊艙氣體受壓縮，右邊艙氣體膨脹。艙內(nèi)氣體壓縮和膨脹過(guò)程反過(guò)來(lái)阻止艙內(nèi)液體從右邊艙向左邊艙的進(jìn)一步流動(dòng)。相反方向的流動(dòng)過(guò)程可進(jìn)行類似分析。圖6氣閥關(guān)閉時(shí)刻艙內(nèi)水的流動(dòng) 氣閥關(guān)閉后艙內(nèi)水的流動(dòng)3減搖水艙在“育鯤”輪上的改造應(yīng)用3.1“育鯤”輪壓載水系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 壓載水系統(tǒng)主要由壓載水泵，壓載水管路，壓載艙及有關(guān)閥件或閥箱組成。一般船上可用首尖艙、尾尖艙、雙層底艙、邊艙、深艙等作為壓載水艙。 貨船的壓載水量一般占船舶載貨量的50%70%；油船的貨油艙可

27、兼做壓載水艙，有的還設(shè)專用壓載水艙。 “育鯤”輪壓載水系統(tǒng)如圖7所示 “育鯤”輪在輔機(jī)艙內(nèi)設(shè)置有壓載泵和艙底壓載泵各一臺(tái)，前者主用，后者備用。全船分布有15個(gè)壓載水艙，它們分別是1號(hào)左（右）壓載艙、2號(hào)號(hào)左（右）壓載艙、3號(hào)左（右）壓載艙、4號(hào)左（右）壓載艙、5號(hào)壓載艙6號(hào)左（右）壓載艙、7號(hào)左（右）壓載艙、首尖艙、尾尖艙。 表格三列出了各個(gè)壓載水艙的基本數(shù)據(jù)：第一列為艙名、依次各列為艙的起訖肋位、艙容（立方米）、重量（噸）、重心距尾垂線（米）、重心距中心線（米）、重心距基線高（米）。圖7“育鯤”輪壓載水系統(tǒng) 表3“育鯤”輪各壓載水艙的基本數(shù)據(jù)3.2針對(duì)“育鯤”輪三號(hào)壓載水艙的改造 通過(guò)對(duì)“育

28、鯤”輪壓載系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和與大副胡榮強(qiáng)老師的交流，我了解到通常在航行之前大副會(huì)將別的壓載水艙打滿壓載水以免其產(chǎn)生自由液面，在航行中影響船舶穩(wěn)性，由于三號(hào)壓載水艙是兩個(gè)邊艙（如圖8所示），由于其位置和其它一些因素的特殊性，為了不影響穩(wěn)性，通常不往三號(hào)壓載水艙打壓載水，航行期間它是空著的。三號(hào)壓載艙相當(dāng)于一個(gè)U型水艙，說(shuō)以我想將其改造成可控被動(dòng)型減搖水艙。由于“育鯤”輪具有狹窄的甲板且居住艙位于三號(hào)壓載水艙的上面?？梢詫⑵涓脑诔伞伴]式水艙系統(tǒng)”，沿船長(zhǎng)方向在兩邊艙頂部分別設(shè)置四對(duì)八個(gè)法蘭盤(pán)連接孔，每對(duì)中的兩個(gè)法蘭盤(pán)接孔，一個(gè)用于安裝液位變送器，另一個(gè)用于安裝空氣聯(lián)通管，液位變送器安裝孔徑由安裝變送器的

29、鋼管套直徑確定，空氣聯(lián)通管的直徑可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。在空氣管道中需要安裝雙向控制氣閥，為了避免在系統(tǒng)斷電或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下使水艙內(nèi)流體振蕩引起船舶增搖現(xiàn)象發(fā)生，雙向閥通常選用常閉氣閥。 圖8 “育鯤”輪三號(hào)壓載艙在船體分布俯視圖圖9 改造后的三號(hào)壓載艙概念圖4減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1減搖水艙的控制系統(tǒng) 減搖水艙的控制系統(tǒng)流程圖如圖10所示，控制裝置是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要完成控制算法的計(jì)算。一方面對(duì)從傳感器送來(lái)的各種信號(hào)進(jìn)行存貯、記錄和顯示，同時(shí)將所搜集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一定的控制方法處理，得到一個(gè)控制電磁閥的信號(hào)，控制閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。圖10 減搖水艙控制系統(tǒng)流程圖4.2電磁閥的選擇 可控被動(dòng)

30、式減搖水艙是根據(jù)電磁閥的開(kāi)或關(guān)來(lái)延長(zhǎng)水流的振蕩周期，使水艙中的水流的正當(dāng)周期與船舶的橫搖周期相同。因此，電磁閥的選擇非常關(guān)鍵。通常要求電磁閥在斷電情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，即減搖水艙不起作用，以防止增搖現(xiàn)象的發(fā)生。 在可控被動(dòng)式減搖水艙中，電磁閥的通徑大小由空氣管道的通徑來(lái)決定。空氣管道通徑過(guò)大會(huì)增加系統(tǒng)的成本，造成浪費(fèi)。反之，如果空氣管道的通徑過(guò)小，則氣阻過(guò)大，艙內(nèi)水流振蕩困難，因此必須合力選擇空氣管道的通徑。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，空氣管道的截面積為Sc=(1/501/70)So其中So為邊艙自由液面的面積。4.3氣源處理設(shè)備 為了滿足控制系統(tǒng)的自動(dòng)化要求，需要把必需的氣動(dòng)元件按一定的邏輯方式連接起來(lái)，對(duì)

31、他們實(shí)行控制。這就是氣動(dòng)控制線路。圖11 氣動(dòng)系統(tǒng)基本線路如圖11所示1為空壓機(jī)、2為三聯(lián)件、3手動(dòng)換向閥、4儲(chǔ)氣罐、5為減壓閥。三聯(lián)件三聯(lián)件是將空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器連接為一體的空氣處理單元。其中，空氣過(guò)濾器能減少懸浮在壓縮空氣中的粒子。減壓閥能根據(jù)操作情況，調(diào)節(jié)所需壓力。油霧器能將適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油霧化，經(jīng)壓縮空氣帶入系統(tǒng)里起到潤(rùn)滑的作用。三聯(lián)件的選取以系統(tǒng)的最大流量值來(lái)確定其尺寸大小。手動(dòng)換向閥 手動(dòng)換向閥是與三聯(lián)件連成一體的，它的主要作用是當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不使用氣源時(shí)，排放儲(chǔ)氣罐中的有壓氣體。儲(chǔ)氣罐 儲(chǔ)氣罐主要起三個(gè)方面的作用：一是用來(lái)貯存一定量的壓縮空氣，調(diào)節(jié)空壓機(jī)輸出氣量與消耗氣量之間的不平衡狀況，保證連續(xù)、穩(wěn)定的氣流輸出。作用二是當(dāng)出現(xiàn)空壓機(jī)停機(jī)、突然停電等意外事故時(shí)，可用儲(chǔ)氣罐中貯存的壓