船舶減搖裝置的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀

有關(guān)船舶減搖裝置的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀的閱讀報(bào)告通過(guò)對(duì)有關(guān)船舶減搖裝置的特性及其應(yīng)用現(xiàn)狀文章的閱讀，我對(duì)船舶減搖裝置有了一定的了解和認(rèn)識(shí)。我們艦船在海上航行、工作時(shí)，由于受到海浪、海風(fēng)以及海流等海洋環(huán)境擾動(dòng)的作用，不可避免的要產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng)。隨著船舶使命的復(fù)雜性的提高和高技術(shù)裝備的應(yīng)用，作為海面上活動(dòng)平臺(tái)的大型水面船舶，要求其在海浪中的搖擺盡可能地小。如果把船做為剛體來(lái)研究，則這種運(yùn)動(dòng)一般有六個(gè)自由度,稱之為橫搖、縱搖、首搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩（或升沉）。在船舶的搖蕩運(yùn)動(dòng)中，橫搖最為嚴(yán)重，對(duì)船舶的安全運(yùn)行影響也最大。因此船舶平衡最常用的是橫搖減搖。盡管縱搖和升沉也對(duì)船舶的安全運(yùn)行帶來(lái)很大影響，但對(duì)大型水面船舶國(guó)際上目前沒有減小縱搖、升沉和橫蕩的技術(shù)。由于船舶經(jīng)常需要航行在波濤洶涌的水面上，劇烈的搖蕩不但影響船舶的航行，而且還會(huì)對(duì)船舶上裝備帶來(lái)不良的影響，對(duì)船上的貨物和人員帶來(lái)不安全因素。因此，為了船舶的航行安全以及提高航行中的舒適性，迫切需要減小船舶的搖蕩。目前常用的船舶減搖裝置有以下兒種j比龍骨、減搖鰭、減搖水艙、減搖舵。［11一、減搖裝置簡(jiǎn)介1.1妣龍骨早在19世紀(jì)初，帆船時(shí)代就己開始使用妣龍骨來(lái)減小橫搖，這是目前應(yīng)用最廣泛，也是最簡(jiǎn)單的減搖裝置。它沿著船長(zhǎng)方向安裝在船的妣部，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，并借以增加橫搖阻尼從而達(dá)到減搖的目的。它在任何情況下都有效，在近似共振狀態(tài)下減搖效果最明顯。與其他減搖方式相比較，毗龍骨的顯著優(yōu)點(diǎn)是沒有運(yùn)動(dòng)部件，且除了通常所做的清除船體表面的維護(hù)外無(wú)需其他維護(hù)。唯一的缺點(diǎn)是裝上毗龍骨會(huì)使船舶阻力略有增加。另外，由于它簡(jiǎn)單、建造成本低、對(duì)航速影響小，且有一定的減搖效果（一般可減小橫搖30%左右）等優(yōu)點(diǎn)，目前兒乎在所有海船都毫無(wú)例外地裝有毗龍骨，它已成為海船船體的一部分。所以，在一般情況下所謂減搖裝置系指妣龍骨以外的減搖措施和設(shè)備。1.2移動(dòng)重物通過(guò)移動(dòng)重物來(lái)改變船體重心的位置，從而保證船舶的平穩(wěn)性。它一般不會(huì)被單獨(dú)使用以減小船舶橫搖，大多數(shù)是對(duì)安裝了妣龍骨的船舶在舵操作比較急的情況下進(jìn)行輔助減搖。曾經(jīng)就有3.5t重的質(zhì)量塊被裝到一赭190t的日本位移高速探測(cè)艦上以及500t重的質(zhì)量塊被裝在“戴高樂(lè)”號(hào)法國(guó)航空母艦上來(lái)減小船舶橫搖。為了抵消由于操舵而產(chǎn)生的傾側(cè)力矩，人們對(duì)質(zhì)量塊的移動(dòng)常采取自適應(yīng)控制。但由于該減搖手段需要較大的能量來(lái)移動(dòng)重物，并且響應(yīng)比較慢以及它需要占用一定的船內(nèi)空間，故目前不經(jīng)常被使用。1.3減搖鰭減搖鰭是一種最常用的主動(dòng)式減搖裝置，其構(gòu)造主要包括機(jī)翼型的鰭（至少一對(duì)）、轉(zhuǎn)鰭的液壓傳動(dòng)裝置和電氣控制系統(tǒng)。通過(guò)控制鰭的運(yùn)動(dòng)，可以使鰭產(chǎn)生對(duì)抗橫搖的扶正力矩，從而達(dá)到減小橫搖的目的。減搖鰭可分為非收放式減搖鰭和可收放式減搖鰭兩種。非收放式減搖鰭裝置的鰭一直伸出在舷外，按控制規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生升力。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎適用于各種大型船舶。但該鰭的升力系數(shù)較收放式鰭的升力系數(shù)小，因而在面積相等、航速一樣的情況下，升力較?。划?dāng)大型船舶在靜水中航行時(shí)，鰭像毗龍骨一樣，對(duì)船舶產(chǎn)生附加阻力。由于鰭一直伸出在舷外，故易損壞。非收放式減搖鰭裝置的單鰭面積有0.9m2,1.6m2,2.5m2,3.5m2,4.Oni2,5.0m2, 5.5m2, 6.3m2等近10種之多，以適應(yīng)不同噸位及用途的大型船舶使用。收放式減搖裝置的鰭在大型船舶遇風(fēng)浪需要減搖時(shí)放出舷外，在控制信號(hào)作用下轉(zhuǎn)鰭，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩。不用鰭時(shí)，將鰭收進(jìn)艙內(nèi)。其主要優(yōu)點(diǎn)是鰭的升力系數(shù)較大，靜水航行時(shí)鰭收進(jìn)船艙，不產(chǎn)生附加阻力。缺點(diǎn)是多了一個(gè)收放機(jī)構(gòu),故需占用一定的船內(nèi)空間，因此該型裝置主要裝在較“胖”船型的大型船舶上,如客船、車客渡船、滾裝船、集裝箱船等，也有裝在艦艇上的。收放式減搖鰭裝置的單鰭面積有2.5m2, 3.6m2, 6.Oni2三種。減搖鰭是一種最常用、減搖效果最好的主動(dòng)式減搖裝置。通常航速在10km/h?15km/h的減搖效果最好，減搖鰭減搖效率可達(dá)90%。例如，1985年英國(guó)“瑪麗皇后”號(hào)在大風(fēng)浪條件下進(jìn)行了減搖性能實(shí)驗(yàn)。當(dāng)減搖鰭工作時(shí)，船的橫搖角平均在2°左右；而減搖鰭不工作時(shí)，橫搖角達(dá)25°,可見減搖效果還是很好的。最近，S.Surendran,S.K.LeeandS.Y.Kim乂對(duì)裝有主動(dòng)式減搖鰭（釆用PID控制）的驅(qū)逐型戰(zhàn)艦在各種海況下的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行仿真分析，無(wú)數(shù)的仿真結(jié)果證明了這種減搖鰭在任意海況下都具有較好的減搖效果。減搖鰭的最早專利是在1889年由約翰?桑尼克羅夫特獲得的。1923年日本的元良信太郎設(shè)計(jì)了第一套實(shí)用的減搖鰭，經(jīng)裝船實(shí)驗(yàn)得到了良好的減搖效果。1935年英國(guó)的布朗兄弟公司設(shè)計(jì)的減搖鰭成功的應(yīng)用到一艘2200T的海峽渡輪,從此減搖鰭得到了廣泛的應(yīng)用。目前許多國(guó)家海軍的中高速大型船舶、許多商船和其它船舶都裝有減搖鰭。4減搖水艙減搖水艙是另一種減小船舶橫搖的有效裝置，迄今為止它已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷史。自從1911年佛拉姆成功推出被動(dòng)U型水艙后，目前己經(jīng)有各種減搖水艙應(yīng)用到上千艘各類船舶，特別在20世紀(jì)50年代后，減搖水艙得到很大發(fā)展。目前英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室、Brown兄弟公司、徳國(guó)英特靈公司、美國(guó)Flume穩(wěn)定系統(tǒng)公司和日本的三菱重工等都設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了許多減搖水艙。與減搖鰭相比，減搖水艙的最大優(yōu)點(diǎn)是船舶在任何航速下（即使停泊時(shí)）依然有較好的減搖效果，也就是說(shuō)減搖效果與航速無(wú)關(guān)。另外，減搖水艙還有自動(dòng)化、免維修、操作簡(jiǎn)單、成本低及可靠性高等特點(diǎn)，還可用來(lái)抗橫傾和檢測(cè)穩(wěn)性，是目前發(fā)展的方向。它的基本原理是在船的2/3或1/2總長(zhǎng)的兩舷側(cè)設(shè)置兩對(duì)水艙,通過(guò)檢測(cè)船的橫搖角及橫搖角速度選擇不同水艙組合，控制氣閥的啟閉，使水艙內(nèi)水的橫向流動(dòng)周期和方向與船的搖擺運(yùn)動(dòng)周期同步，方向相反，從而達(dá)到削減搖擺幅度的目的。但是，其減搖效果不如減搖鰭的減搖效果好，且減搖水艙需占用船內(nèi)空間，故只適用于有較大空間的船舶。由于減搖水艙裝置可將搖擺角度從30°減至15°，減幅達(dá)50%,故由橫搖而致的危險(xiǎn)性可大大降低；另外，船舶搖擺角每增加1°,船舶阻尼搖擺力就要相應(yīng)地增加0.5%?0.9%, 50%的減幅將大大節(jié)省能源。由于減搖效果與船的航速無(wú)關(guān)，因此減搖水艙可廣泛用于低速航行船舶或停泊作業(yè)的工程船舶。減搖水艙從減搖原理來(lái)分可以分為被動(dòng)式減搖水艙、可控被動(dòng)式減搖水艙和主動(dòng)式減搖水艙三種，而從結(jié)構(gòu)上可以分為U形水艙、平面槽形水艙等。目前，減搖水艙在貨船、客船和工作船上都得到了成功的應(yīng)用。1.5舵減搖與減搖鰭、減搖水艙相比，舵減搖是一項(xiàng)較新的減搖技術(shù)，它最早由荷蘭在20世紀(jì)70年代提出。船舶的橫搖周期一般在7?15s之間，而㈱K搖一般在20?40s之間，靠舵對(duì)橫搖和月首餛搖響應(yīng)的差異，控制舵角，以達(dá)到一定的減搖效果。目前的實(shí)驗(yàn)研究表明，舵減搖的效果可達(dá)60%左右。由于它不需要一套專門的減搖裝置，因此在船舶工程界倍受關(guān)注。舵減搖的理論基礎(chǔ)是：舵的低頻運(yùn)動(dòng)主要影響船舶的赭搖，而舵的高頻運(yùn)動(dòng)則主要影響船舶的橫搖，同時(shí)也增加了船舶的航行阻力，但比減搖鰭的要小。與減搖鰭相比，利用舵在操舵時(shí)產(chǎn)生的橫搖力矩進(jìn)行減搖的舵減搖裝置造價(jià)低、所占船內(nèi)空間少、使用維修方便，故舵減搖技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。但其需要高速操縱器以及低船速時(shí)舵效較差。1972年，Cowley和Lambert探討了用舵作為穩(wěn)定裝置的可能性，并在一艘商船上試驗(yàn)成功，因而引起人們的關(guān)注。80年代荷蘭、瑞典等國(guó)家開展了舵減搖裝置的研究。1984年，瑞典歌徳堡船模實(shí)驗(yàn)水池開始研制型號(hào)為ROLL-NIX的舵減搖裝置，到1990年己經(jīng)生產(chǎn)60多套，安裝在160?110001級(jí)的各種船舶上。1990年，荷蘭自行研制的ASSA型舵減搖自動(dòng)駕駛儀安裝在M級(jí)護(hù)衛(wèi)艦的首制艦上。八十年代初，中國(guó)大型船舶科技研究中心就展開了舵減搖的理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要是研究安裝舵減搖裝置的可行性，并探討了舵減搖的最優(yōu)控制規(guī)律和舵減搖的效果。九十年代以來(lái)，對(duì)舵減搖的研究更為深入,理論研究表明舵減搖裝置具有較高的減搖效果。我國(guó)在舵減搖方面的研究也是集中在軍艦上的應(yīng)用。【2—3】二、減搖裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀通過(guò)一些文章的了解，現(xiàn)在減搖裝置不再獨(dú)立使用，而是多于兒個(gè)減搖裝置配合使用。如減搖鰭一減搖水艙綜合減搖、減搖鰭一舵減搖綜合減搖、減搖鰭一減搖水艙一抗靜傾水艙綜合減搖等，也有釆用雙水艙減搖系統(tǒng)減搖。而更有人提出了釆用液壓減搖的方式減搖。2.1雙水艙簡(jiǎn)要系統(tǒng)通過(guò)仿真對(duì)比雙水艙系統(tǒng)與單水艙系統(tǒng)的減搖效果，得出以下結(jié)論：1）相同艙容的雙水艙系統(tǒng)的減搖效果要略好于單水艙系統(tǒng)；2）在船舶遭遇浪向變化時(shí)，雙水艙系統(tǒng)在不同浪向下的減搖效果均好于單水艙系統(tǒng)；3）由于船舶橫穩(wěn)心高變化而導(dǎo)致船舶橫搖周期變化時(shí)，單水艙系統(tǒng)的減搖效果變差，英至出現(xiàn)增搖現(xiàn)象，對(duì)船舶航行產(chǎn)生較大影響，而雙水艙系統(tǒng)在船舶固有橫搖周期變化時(shí)減搖效果明顯優(yōu)于單水艙系統(tǒng)。所以，通過(guò)合理配置的雙水艙減搖系統(tǒng)，可以有效地解決單水艙系統(tǒng)在非諧搖頻率減搖效果差英至增搖這一固有缺點(diǎn)，具有很大發(fā)展空間。【4】2減搖鰭一減搖水艙綜合減搖實(shí)驗(yàn)裝置的研究船舶在風(fēng)浪中航行時(shí)，由于船舶橫搖運(yùn)動(dòng)阻尼很小，因此會(huì)產(chǎn)生劇烈的橫搖。為了減小船舶橫搖，人們?cè)O(shè)計(jì)出了各種各樣的橫搖減搖裝置，如減搖鰭和減搖水艙。目前，減橫搖技術(shù)主要是采用單獨(dú)的減搖裝置，單獨(dú)使用減搖鰭或減搖水艙在功能上存在局限性。單獨(dú)使用減搖鰭因?yàn)轹挼纳εc船速平方成正比,所以在航速較高時(shí),減搖鰭的減搖效果明顯，在低航速和零航速時(shí)，兒乎沒有減搖作用；減搖鰭在橫浪下減搖效果最好，在其它浪向下的減搖效果不理想共至不減搖。單獨(dú)使用減搖水艙盡管減搖水艙能在各種航速下減搖，但與減搖鰭相比,其具有較低的減搖性能;被動(dòng)式減搖水艙是依靠水艙本身的橫搖固有周期而工作，實(shí)際海浪周期與水艙固有周期相差較大時(shí)，水艙往往達(dá)不到預(yù)期的減搖效果，在某些海情下還可能發(fā)生增搖。而減搖鰭-被動(dòng)水艙的綜合減搖可以結(jié)合減搖鰭和減搖水艙的優(yōu)點(diǎn),使艦船在各種航速下都能夠有效地減搖。對(duì)綜合減搖的實(shí)驗(yàn)研究有效方法是建立綜合減搖實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合減搖鰭和減搖水艙的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)合理的配置鰭和水艙以及選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ箤?shí)驗(yàn)裝置能夠正確模擬綜合減搖系統(tǒng)，為綜合減搖的實(shí)驗(yàn)研究提供實(shí)物保證。【5】2.3液壓減搖裝置局部減搖裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。本裝置由上平板1、頂部?jī)?chǔ)油盒2、主支撐柱3、四個(gè)套筒4、和柱塞5、及下平板6、組成。上下平板間由主支撐柱固定連接,四個(gè)柱塞和套筒均勻分布在主支撐柱周圍，柱塞頭部與下平板處于滑動(dòng)狀態(tài)，用油脂潤(rùn)滑。四個(gè)套筒間由頂部?jī)?chǔ)油盒連通，四個(gè)柱塞和主支撐柱的頭部均為起7J向轉(zhuǎn)動(dòng)作用的球狡。當(dāng)船舶搖擺時(shí)，上表面支撐物就給某個(gè)方向上的柱塞一個(gè)壓力，在頂板壓力作用下，球餃和柱塞軸向受壓，柱塞就推動(dòng)油缸內(nèi)的液壓油向壓力低的一側(cè)流動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)，另一側(cè)液壓油缸中的柱塞上升。反向搖擺時(shí)是同一個(gè)方式作用，以此來(lái)達(dá)到減搖的目的。在初穩(wěn)性壓力下，船體傾斜帶動(dòng)柱塞升降，液體流動(dòng)支撐上平板保持平衡。選用液體作為傳動(dòng)介質(zhì)，可以保證本裝置對(duì)外界搖擺做出及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)。當(dāng)外界有搖擺時(shí),與下平板連接的球餃帶動(dòng)柱塞升降，迫使柱塞內(nèi)連通的液體流

動(dòng)，并且其周期與船的搖擺運(yùn)動(dòng)周期同步，方向相反,從而達(dá)到削減搖擺幅度的目的,能很好地實(shí)現(xiàn)其減搖功能。中間的主支撐柱分擔(dān)了四個(gè)工作柱塞的部分壓力負(fù)荷，對(duì)他們起到了保護(hù)作用，保證本裝置正常持久工作。搖擺時(shí)柱塞頭上的球狡在下平板設(shè)計(jì)的槽道內(nèi)向兩側(cè)滑動(dòng)，