船舶自動(dòng)應(yīng)急抗沉減搖防傾覆裝置設(shè)計(jì)

船舶自動(dòng)應(yīng)急抗沉減搖防傾覆裝置設(shè)計(jì)

0防傾覆裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于海上航行的船舶，如果在緊急情況下未及時(shí)采取措施，船體會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的傾斜、沉降、貨物損失和人為災(zāi)害?！?1.24”海上事故就是一個(gè)痛苦的例子。為了提高船的抗沉、沉降、傾斜和防傾斜性能，船舶應(yīng)以高度穩(wěn)定、抗沉、傾斜和防傾斜性能為例，并應(yīng)考慮減少振動(dòng)裝置。（1）降低速度的設(shè)備包括降低速度的水壓、允許的框架、降低振動(dòng)、返回和轉(zhuǎn)向的減速器和轉(zhuǎn)向減速器。（2）除傾斜裝置和措施外，船底、水密封閉道墻、提高框架高度。（3）防災(zāi)裝置和措施包括減少搖晃裝置、垂直座椅壁和增加船寬的吞咽比。這些設(shè)備和措施可以在各自的船上發(fā)揮更好的作用，但也存在以下明顯的缺點(diǎn)：（1）不同的設(shè)備功能不能考慮。（2）船的抗沉、沉降和抗傾斜性能密切相關(guān)，但設(shè)備不能同時(shí)提高三種性能。（3）不同設(shè)備的效率受到限制（4）增加這些裝置的目的是提高船的性能，但通常會(huì)出現(xiàn)其他缺點(diǎn)?；谀M理論，將頭部調(diào)整到水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，并在水中移動(dòng)時(shí)失去身體，以控制魚在水中的升力。在這項(xiàng)工作中，我們將現(xiàn)有的抗沉、沉降和反傾斜裝置結(jié)合起來，以在緊急情況下提高船的抗沉、沉降和邊坡防護(hù)，以確保航行安全，設(shè)計(jì)方便的設(shè)備和各種船舶的自動(dòng)應(yīng)急抗傾斜防護(hù)裝置。1設(shè)備的組成原理和應(yīng)用1.1空氣截止閥、電磁閥、內(nèi)壓閥組成本裝置的機(jī)械部分如圖1所示.主要由安裝在船上的空氣壓縮機(jī)1、空氣截止閥2、空氣瓶3、液控單向閥4、電磁閥5、7、氣囊6和抽氣機(jī)8組成.本裝置中的空氣壓縮機(jī)和空氣瓶不需專設(shè),利用船舶柴油機(jī)壓縮空氣起動(dòng)裝置中現(xiàn)有的空氣壓縮機(jī)、空氣瓶即可.空氣截止閥用來控制壓縮空氣的進(jìn)出,單向閥控制空氣單向通過,電磁閥用來控制空氣流向、截止?fàn)顟B(tài)及空氣供停時(shí)刻.氣囊平時(shí)疊放在船兩舷內(nèi)凹的箱體內(nèi),氣囊及箱體的數(shù)量依據(jù)船的大小而定,并沿船首、尾方向分別在船首、船中、船尾附近的干舷中部位置、滿載水線下位置、空載水線以下位置兩舷對(duì)稱布置.在緊急情況下氣囊充氣后系固在船的兩舷,當(dāng)船破艙進(jìn)水時(shí)用來增大船舶的儲(chǔ)備浮力,提高船舶抗沉性;當(dāng)船舶搖蕩劇烈時(shí),用來增大減搖力矩提高船舶的減搖性能,當(dāng)船舶發(fā)生傾斜時(shí),用來增大抗傾力矩,提高船舶的防傾覆能力.抽氣機(jī)安裝在機(jī)艙內(nèi),當(dāng)緊急狀態(tài)解除后,用來將氣囊內(nèi)的空氣抽出,以便把氣囊收回,裝置恢復(fù)到備用狀態(tài).1.2縱傾角度傳感器圖2為該裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖.在自動(dòng)控制系統(tǒng)中各元件的作用如下:橫搖角速度傳感器用來檢測(cè)船舶橫搖角速度的大小;縱搖角速度傳感器用來檢測(cè)船舶縱搖角速度大小;橫傾角度傳感器用來檢測(cè)船舶橫傾角度的大小及橫傾的方向;縱傾角度傳感器用來檢測(cè)船舶縱傾角度的大小及縱傾的方向;吃水傳感器用來檢測(cè)其所在部位的吃水大小;檢漏傳感器用來檢測(cè)漏泄的部位及漏泄速度;氣囊壓力傳感器用來檢測(cè)氣囊內(nèi)氣體壓力的大小.微處理器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的中心,把從各傳感器接收來的信號(hào)與規(guī)定參數(shù)進(jìn)行比較,然后發(fā)出指令,使控制單元各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令操作.在控制單元中,氣源控制用來控制氣瓶出氣閥給裝置供氣,當(dāng)氣瓶壓力不足時(shí),起動(dòng)空氣壓縮機(jī)給氣瓶補(bǔ)充壓縮空氣.液壓控制用來控制氣囊箱蓋的開、關(guān)以及液控單向閥的通流方向.電源控制用來控制電磁閥的通電方向,以控制閥芯的位置.抽氣機(jī)控制用來控制抽氣機(jī)的起動(dòng)和停車,即控制何時(shí)從氣囊抽氣,何時(shí)停止.電磁閥用來控制氣囊充氣、抽氣、停氣三種狀態(tài).1.3氣動(dòng)控制動(dòng)作以船舶發(fā)生右橫傾為例,說明裝置的工作原理.當(dāng)船舶發(fā)生右傾時(shí),橫傾角傳感器和吃水傳感器就會(huì)把橫傾角度大小及方向和吃水大小的信號(hào)反饋至微處理器,與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較,如橫傾角大于最大允許橫傾角,為了防止橫傾繼續(xù)惡化乃至傾覆,微處理器發(fā)出指令,液壓控制動(dòng)作,打開氣囊箱蓋,氣源控制動(dòng)作,空氣瓶出氣閥打開,電磁閥芯移至氣囊充氣位置,如果因貨物移位等導(dǎo)致重心偏移,發(fā)生橫傾,則控制右舷氣囊的電磁閥閥芯移至充氣位置,并迅速為右舷氣囊充氣.氣囊充氣后脹出船體并象浮桶一樣系固在船舷上,并部分或全部浸在水中,浸在水中部分就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的浮力及正面阻力,由于力臂較長(zhǎng),該浮力就形成一個(gè)較大的抗傾力矩(附加穩(wěn)性力矩),阻止船舶繼續(xù)橫傾或使其逐步復(fù)位,當(dāng)氣囊壓力傳感器檢測(cè)到氣囊內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),電磁閥斷電動(dòng)作,閥芯移至中間停氣位置,并將氣囊內(nèi)氣體封閉.當(dāng)船復(fù)位或狀態(tài)穩(wěn)定后,控制系統(tǒng)就控制電磁閥閥芯回到抽氣位置,液控單向閥傳來液壓信號(hào),允許氣囊內(nèi)氣體流出,抽氣機(jī)起動(dòng)并將氣囊中空氣抽出,當(dāng)氣囊壓力傳感器檢測(cè)到氣囊壓力為足夠低時(shí),停抽氣機(jī),然后把氣囊收回,氣囊箱蓋關(guān)閉,整個(gè)裝置又回到備用狀態(tài).2關(guān)于裝置的理論研究2.1表中對(duì)軍艦的壓力分析(1)密封車身在水中行駛時(shí)的主要支撐類型如下浮力、升力、阻力、壓力、拖力、重力.其中對(duì)船舶穩(wěn)性、抗沉性、搖擺性和防傾覆性影響較大的是浮力、升力和正面水阻力.(2)船舶在航行中的壓力如下推力(或拉力,是由螺旋槳產(chǎn)生的)、重力、浮力、傾力、阻力.其中對(duì)船舶穩(wěn)性、抗沉性、搖擺性和抗傾覆性影響較大的是浮力、重力和傾力.2.2由于囊腫引起的穩(wěn)定型力2.2.1氮?dú)夂考翱箍v傾力(1)船舶發(fā)生橫傾時(shí),傾斜一舷的氣囊投入使用時(shí)(吃水大的一舷),氣囊產(chǎn)生的穩(wěn)性力矩(即抗橫傾力矩)主要由氣囊產(chǎn)生的浮力F和升力L的合力形成.該抗傾力矩的大小為合力與合力作用點(diǎn)距船舶中縱剖面垂直距離r的乘積,即MCT=(F+L)?r=(Vg+12v2∞CLA)ρr(1)ΜCΤ=(F+L)?r=(Vg+12v∞2CLA)ρr(1)故氣囊可產(chǎn)生較大的抗橫傾力矩,使船舶具有較高的抗橫傾能力.(2)船舶發(fā)生縱傾時(shí)(以首傾為例),吃水大的一端(船首方向)的氣囊投入使用,氣囊產(chǎn)生的抗縱傾力矩主要由氣囊浮力F與升力L的合力形成,其大小為合力與合力作用點(diǎn)距船舶重心所在橫剖面的垂直距離Lx的乘積,即MCL=(F+L)Lx=(Vg+12v2∞CLA)ρLx(2)ΜCL=(F+L)Lx=(Vg+12v∞2CLA)ρLx(2)故氣囊可產(chǎn)生較大的抗縱傾力矩,使船舶具有較高的抗縱傾能力.2.2.2氮?dú)馔度胧褂玫臏p縱搖力(1)船舶發(fā)生橫搖時(shí),氣囊投入使用后,氣囊產(chǎn)生的減橫搖力矩主要由浮力F、升力L、正面阻力Rn三者的合力形成,其大小為合力與合力作用點(diǎn)距船舶中縱剖面垂直距離r的乘積,如式(1)所示.故氣囊投入使用會(huì)產(chǎn)生較大的減橫搖力矩.(2)船舶發(fā)生縱搖時(shí),氣囊投入使用后,氣囊產(chǎn)生的減縱搖力矩主要由其浮力F、升力L、正面阻力Rn三者的合力形成,其大小為合力與合力作用點(diǎn)距船舶中橫剖面垂直距離Lx的乘積,如式(2)所示.故氣囊投入使用會(huì)產(chǎn)生較大的減縱搖力矩.2.2.3氮?dú)馔度胧褂玫姆€(wěn)定性船舶破艙進(jìn)水下沉?xí)r,如破艙位置不對(duì)稱,船舶會(huì)出現(xiàn)傾斜(包括縱傾和橫傾),根據(jù)不同破艙位置及大小,決定使用氣囊的位置和數(shù)量.(1)氣囊產(chǎn)生的橫穩(wěn)性力矩MCTW(抗橫傾力矩)如式(1)所示.(2)氣囊產(chǎn)生的縱穩(wěn)性力矩MCLW(抗縱傾力矩)如式(2)所示.(3)氣囊產(chǎn)生的剩余儲(chǔ)備浮力為F=Vaρg(3)F=Vaρg(3)由上述三式可看出,當(dāng)船舶破艙進(jìn)水下沉?xí)r,氣囊投入使用,既可產(chǎn)生較大的抗傾力矩,提高船舶抗傾覆能力和破艙穩(wěn)性,又可增大船舶儲(chǔ)備浮力,使船舶具有“再生”的抗沉性.3實(shí)船各參數(shù)設(shè)計(jì)為節(jié)省人力、物力,縮短研究周期,確定最佳實(shí)施方案,進(jìn)一步論證裝置的可靠性,采用高級(jí)連續(xù)系統(tǒng)仿真語言(ACSL)對(duì)本裝置系統(tǒng)的理論公式進(jìn)行了仿真計(jì)算.用于仿真計(jì)算的實(shí)船各參數(shù)為:船總長(zhǎng)99.9m;設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)96.4m;型寬16.8m;型深7.8m;設(shè)計(jì)吃水5.3m;排水量6007t;結(jié)構(gòu)吃水6.1m;排水量7125t;空船吃水2.22m;空船排水量2250t.3.1模擬計(jì)算傾斜船舶的數(shù)字3.1.1貨物重心橫向位移對(duì)各種橫傾情況進(jìn)行仿真計(jì)算得出如下結(jié)果:(1)重物突然橫移引起的橫傾:在船不動(dòng)時(shí),若1500t貨物重心橫移0.3m,僅需45.23m3氣囊投入使用;若2000t貨物重心橫移0.2m,僅需40.65m3氣囊投入使用,即可抵抗重物偏移引起的橫傾.在船速為13.6kn時(shí),1500t貨物重心橫移0.3m,僅需41.24m3氣囊投入使用;若2000t貨物重心橫移0.2m,僅需36.15m3氣囊投入使用.(2)風(fēng)力引起的橫傾:在船不動(dòng)時(shí),若受正橫風(fēng)風(fēng)級(jí)為10級(jí),風(fēng)壓為8.2MPa,則需16.38m3氣囊投入使用抵抗橫傾,若受風(fēng)風(fēng)級(jí)為12級(jí),風(fēng)壓為12.6MPa,則需25.24m3氣囊投入使用來抵抗橫傾.3.1.2氣動(dòng)抗縱傾和重心事基性以貨物水平縱移為例,計(jì)算結(jié)果為:1000t貨物重心水平縱移0.5m,僅需與貨物重心偏移反方向兩舷對(duì)稱的2個(gè)氣囊(2×10m3)投入使用,選用氣囊距船舶重心所在橫剖面21m處,即可抵抗縱傾.若3500t貨物重心水平縱移0.1m,僅需距船舶重心在橫剖面大約15m附近,且與貨物偏移反方向兩舷對(duì)稱的兩個(gè)氣囊投入使用即可抵抗縱傾.3.2浮風(fēng)和浪使船舶橫向搖力以橫搖時(shí)數(shù)字仿真計(jì)算為例(縱搖較輕,在此不作詳細(xì)計(jì)算).假設(shè)風(fēng)浪聯(lián)合作用,且設(shè)風(fēng)和浪使船舶橫搖的方向相同(此時(shí)橫搖力矩最大),經(jīng)計(jì)算得出即使在12級(jí)風(fēng)、300m波長(zhǎng)、8.5m波高的海浪沖擊下,110m3氣囊投入使用后產(chǎn)生的減橫搖力矩就足以抵消風(fēng)浪聯(lián)合作用產(chǎn)生的橫搖力矩.3.3氮?dú)獯呋饔眉俣ü苍O(shè)置20個(gè)氣囊(其中空載水線附近設(shè)4個(gè),滿載水線下設(shè)6個(gè),干舷中間設(shè)10個(gè)),每個(gè)氣囊體積為10m3,航速為13.6kn,經(jīng)仿真計(jì)算可知,全部氣囊可產(chǎn)生的浮力增大量為3.41%,單個(gè)氣囊能產(chǎn)生的橫穩(wěn)性力矩為1.098×106N·m,單個(gè)氣囊產(chǎn)生的縱穩(wěn)性力矩隨氣囊所在位置不同而不同,如氣囊合力作用點(diǎn)距船舶重心所在中橫剖面垂直距離為45m,則能產(chǎn)生5.2×106N·m縱穩(wěn)性力矩.4模型試驗(yàn)為直觀、定性、確切地分析氣囊投入使用后使船舶抗沉、減搖、防傾覆能力,可通過模型試驗(yàn)的方法來驗(yàn)證.4.1船舶傾斜試驗(yàn)4.1.1水平傾斜試驗(yàn)(1)右傾側(cè)血?dú)庑蚊?左、右傾角出現(xiàn)后,左、右傾角出現(xiàn)左傾把船模放入試驗(yàn)水池,在船?？v中心位置放一重物,標(biāo)出此時(shí)船模兩舷及首尾吃水,然后把重物向右舷移一段距離,船模發(fā)生右傾,標(biāo)出此時(shí)左、右舷吃水及右傾角度.這時(shí)給右舷中部水下氣囊充氣,看到隨氣囊體積逐漸增大,右舷吃水逐漸減小,右傾角逐漸減小,船模逐漸復(fù)位.(2)由于風(fēng)浪，船體結(jié)構(gòu)發(fā)生了傾斜把船模放入風(fēng)洞中,作風(fēng)洞試驗(yàn);當(dāng)右舷來風(fēng)時(shí),船模發(fā)生左傾,給左舷氣囊充氣,隨氣囊體積的增大,左傾角度逐步減少,船模逐步復(fù)位.4.1.2船首、尾水壓、縱傾角度把船模放入試驗(yàn)水池中,在船模中橫剖面中心位置放一重物,標(biāo)出首、尾吃水、縱傾角度,把重物向船首方向水平移動(dòng),船模出現(xiàn)首傾,標(biāo)出首、尾吃水,縱傾角度,這時(shí)給首部?jī)上蠚饽页錃?隨氣囊體積增大,首傾逐步減少,船舶逐漸復(fù)位.4.2船模橫搖控制把船模放入試驗(yàn)水池中處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)啟動(dòng)造波機(jī)和風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)船模搖擺,船模橫搖時(shí),給兩舷氣囊(調(diào)至水面附近)充氣后,橫搖逐漸減輕.當(dāng)縱搖時(shí),給首尾部位兩舷氣囊(調(diào)至水面附近)充氣后,發(fā)現(xiàn)縱搖逐步減輕.當(dāng)縱、橫搖同時(shí)存在時(shí),給首尾和兩舷的氣囊(調(diào)至水面附近)均充氣后,發(fā)生搖擺逐漸減弱.4.3內(nèi)要素船模下沉,未進(jìn)入煙氣氣流的狀態(tài)在試驗(yàn)水池中,船?？v向不對(duì)稱破艙進(jìn)水,船模