（轮机工程专业论文）波浪补偿起艇系统研究.pdf

中文摘要摘要救生设备是船舶法定安全设备，而救生艇和救生艇收放装置是救生设备的重要组成部分，承担着在紧急情况下保证人身安全的重任。随着我国航运贸易和海上开发活动的日益增多，救生艇作为海上遇险时的一种重要逃生设备，其性能和安全收放的可靠性越来越受到关注和重视。在很多时候，救生艇需要在复杂的高海况下回收。这种情况下波浪对救生艇、母船的影响十分明显，使得回收的危险性和难度增大。这就对回收装置提出了更高的要求，如增加波浪补偿功能等。国外在上世纪8 0 年代就开始了在这方面的研发并日臻成熟，我国在这方面的起步较晚，与国外差距较大。为促进我国船舶产业的发展，因此很有必要对这一课题进行深入的研究。本文对用于高海况下的救生艇吊放装置整个系统进行了细致的分析研究，发现要实现高海况下救生艇的安全收放就要对波浪对救生艇的作用进行补偿。波浪补偿的目的是减轻波浪对救生艇安全回收的影响。实现波浪补偿就需要保证起吊绳索保持张紧，防止绳索松弛，可通过控制绳索上的恒张力实现；通过对比各种吊放装置的结构、性能，并选择了能适用于高海况下救生艇回收的吊架结构、波浪补偿方式。在此基础上，分析了高海况下波浪的运动情况，以及在高况下波浪补偿救生艇吊放装置应该具有的技术指标，为下一步的波浪补偿起艇绞车的设计提供了依据。以某一具体的救生艇为例，对起艇绞车系统进行了详细的分析计算，设计出了具有波浪补偿功能的起艇绞车系统，并对元件进行了选型。通过建立系统的部分数学模型并仿真，证实了设计的波浪补偿起艇绞车系统具有良好的性能，能够实现在高海况下进行波浪补偿，可以保证救生艇的安全回收。这为波浪补偿起艇绞车的开发提供了理论支持。关键词：救生艇；波浪补偿；恒张力；起艇绞车设计；建模和仿真英文摘要a b s t r a c tl i f e - s a v i n ga p p l i a n c e sa r es t a t u t o r ys a f e t ye q u i p m e n t si ns h i p s ，w h i l el i f e b o a ta n db o a t - l i f t i n gd e v i c e sa r et h ei m p o r t a n tp a r t so ft h el i f e s a v i n ga p p l i a n c e sw h i c ht a k et h ei m p o r t a n tr e s p o n s i b i l i t yo fk e e p i n gt h ep e r s o n sf r o mt h ed a n g e ri ne m e r g e n c e w i t ht h eg r o w t ho fo u rc o u n t r y ss h i p p i n gt r a d ea n do c e a ne x p l o i t a t i o n , a so n ek i n do fi m p o r t a n tl i f e s a v m ga p p l i a n c e s ，t h el i f e b o a t sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h eb o a t l i f t i n gd e v i c ed r a wm o r ea t t e n t i o n i nm a n yt i m e s ，l i f e - b o a t ss h o u l db el i f t e da tc o m p l i c a t e da n da b o m i n a b l es e as t a t e i nt h i sc o n d i t i o n , s e a - w a v ea f f e c t st h el i f e - b o a t sa n dt h eb o a ta p p a r e n t l y ，w h i c hn l a k e st h eg r o w t ho fd a n g e ra n dd i f f i c u l t yo fb o a t - l i f t i n g i tp u t sf o r w a r dh i g h e rd e m a n do nb o a t - l i f t i n gd e v i c e ，s u c ha sa d d i n gt h ef u n c t i o no fw a v ec o m p e n s a t i o n e x t e r n a lr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o ni nt h i sf i e l db e g a nf r o m19 8 0 s ，a n do u rc o u n t r y sr e s e a r c hi sl a t e r , t h e r ei sl o n gd i s t a n c et oc a t c hu p 嘶t 1 1t h eo v e r s e ar e s e a r c h i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r i e s s h i p - b u i l d i n gi n d u s t r y ,i ti sn e c e s s a r yt ot a k ed e e pr e s e a r c ho nt h i ss u b j e c t t h i sp a p e rt a k e sr e s e a r c ho nb o a t - l i f t i n gd e v i c es y s t e mw h i c hi su s e da ta b o m i n a b l es e as t a t e ，a n df i n d st h a ti ts h o u l db ec o m p e n s a t et h ee f f e c to nl i f e b o a tc a u s e db yt h ew a v ei no r d e rt or e a l i z et h es a f e t yl i f t i n ga ta b o m i n a b l es e as t a t e t h ep u r p o s eo fw a v ec o m p e n s a t i o ni st oa l l e v i a t et h ei n f l u e n c eo nl i f e b o a t i ti sn e c e s s a r yt ok e 印t h ef a l l st i g h ti no r d e rt or e a l i z et h ew a v ec o m p e n s a t i o nb yk e e p i n gt h ec o n s t a n tt e n s i o no ft h ef a l l s a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gt h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c eo fm a n yk i n d so fb o a t - l i r i n gd e v i c e ，t h i sp a p e rg i v e st h es t r u c t u r eo ft h ed a v i ta n dw a v ec o m p e n s a t i o nw a yw h i c hr e a l i z et h es a f e t yl i f t i n ga ta b o m i n a b l es e as t a t e t h e ni ta n a l y s e st h ew a v e sm o v e m e ma n dt e c h n i c a lq u o t ao fb o a t - l i f t i n gd e v i c ea ta b o m i n a b l es e as t a t ew h i c hs u p p l yt h ef o u n d a t i o nt ot h ef o l l o w i n gd e s i g no fw a v e - c o m p e n s a t i o nb o a t - l i f t i n gw i n c h t a k i n gs o m el i f e b o a tf o re x a m p l e ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa n dc o m p u t e st h eb o a t - l i f t i n gw i n c hi nd e t a i la n dd e s i g n st h ew a v ec o m p e n s a t i o nb o a t - l i r i n gw i n c hs y s t e m , a tt h es a m et i m ec h o o s e st h ec o m p o n e n t s b yb u i l d i n gs o m ep a r t so fm o d e la n ds i m u l a t i n g ，i tp r o v e st h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dr e a l i z e sw a v ec o m p e n s a t i o na ta b o m i n a b l es e as t a t e ，s oi tc a np r o m i s et h es a f er e c o v e r yo ft h el i f e b o a t 英文摘要t h i sp a p e rg i v e st h e o r yb a s i st ot h ee x p l o i t a t i o no ft h ew a v ec o m p e n s a t i o nb o a t - l i f t i n gw i n c h k e yw o r d s ：l i f e b o a t ；w a v ec o m p e n s a t i o n ；c o n s t a n tt e n s i o n ；b o a t - l i f t i n gw i n c hd e s i g n ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导f ，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕士学位论文：速i 匪! ：筐奠鱼煎咝丞翘臣：。除论撰写成博硕士学位论文：动盘i 区坐i ：艘塞竖圣勉兰丞衄兰l：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：也学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。不保密( 请在以上方框内打“一)论文作者签名：廖勇导师签名k 谚谘日期：2 0 o 年6 月乡d 日波浪补偿起艇系统研究第1 章绪论1 1 课题的来源和提出进入2 1 世纪以来，整个国际船舶市场高速发展，这对于我国船舶工业来说是个难得的历史机遇，在这一时期我国的船舶工业无论是在产业规模，还是在自主创新研发能力方面均得到了长足进步。但是与西欧、日韩的造船产业相比，我国的造船产业还有较大差距，尤其是船舶配套产业的发展严重滞后，很多产品依赖进口，严重制约着我国造船业的发展，因此要建设造船强国就必须加大在船舶配套产业方面的投入和研究。海洋工程近年来发展迅猛，可以预见未来海洋工程将是一项不亚于造船产业的大工程。针对目前甲板机械的发展现状，在造船产业和海洋工程中选择已有一定的技术基础且急需国产化的具有主动波浪补偿功能的收放装置来重点研发。救生艇作为船舶航行和海洋工程海上作业时不可缺少的救生设备，起着重要而不可替代的作用。船舶在海上长时间航行和海洋工程长期作业，难免会遇到高海况下需要收放救生艇的情况，我国使用的这种救生艇起艇装置基本依赖进口，所以目前急需研发能应用在高海况下、具有波浪补偿功能的救生艇起艇装置【1 】【2 】。海上航行和海上作业时人身安全受到高度重视，救生设备是用于保障人身安全的必不可少的设备，所以国际海事组织( i m o ) 高度重视救生设备，经常研讨和修改关于救生设备的修正案和决议案来更好的实现对海上人身安全的保障。救生艇和起艇装置是救生设备的重要组成部分。救生艇作为一种重要的救生设备，在救援船员及乘客方面起着极为重要而且不可替代的作用，因此国际海上人命安全公约对救生艇及起艇装置作了详细、严格的规定。救生艇大多是在比较复杂、恶劣的情况下发挥其救生作用的，比如在高海况、弃船的情况。因此，对救生艇的收放就关系到人身安全问题，尤其是在复杂的高海况时，安全收放显得尤为困难和重要。鉴于以往曾多次出现救生艇在收放时出现艇翻人亡的事故，研究和开发更为安全可靠的救生艇收放装置很有意义【l _ 3 】。在高海况下收放救生艇主要是考虑母船、波浪、救生艇、收放装置的相互作第1 章绪论用。在救生艇收放的过程中，波浪的作用使得救生艇的安全收放很不理想，故现在引入波浪补偿的功能来尽量减轻波浪给救生艇的收放带来的不利影响。波浪补偿技术是在海上作业时，为减少海水波浪运动对作业任务的影响而采取的技术手段【l 捌。我实验室为大连市经委设立的船舶机电设备研发中心，担负着船舶配套设备研发的任务，因此，该课题的研究可能会对我国高海况下救生艇的收放装置的研究、设计和生产有一定的促进。1 2 救生艇收放装置的种类及结构特点，支生艇收放装置习惯上称吊艇架，主要有以下几种。1 2 1 重力式救生艇降放装置国际救生设备规则中要求：救生艇的降落均须依靠重力，使救生艇降落至海面，但不包括自由降落救生艇的辅助施放装置。每条救生艇需配备一副吊艇架，重力式吊艇架一般安装在船舶的两舷。重力式吊艇架被要求安装在在客船和货船上，用来吊放救生艇。如图1 1 为重力倒臂式救生艇吊艇架。重力式吊艇架在结构上主要由吊艇架及其底座组成。吊艇架主要用于吊住、固定救生艇和带动救生艇在舷外和舷内进行位置转换。吊艇架的形式有滑架式、吊杆倾倒式等。吊艇架的底座固定在船体的甲板上，底座与可转动的吊艇架绞接相联。日常航行中，救生艇处于存放状态，为防止吊艇架运动，用底座上的安全栓( 安全销) 来固定。当需要降放救生艇时，把用于固定救生艇的固定索具解开，抽出底座上前后两个安全栓，使吊艇机的制动器松闸，吊艇架连同救生艇靠自身重力滑向或倒向舷外，而后救生艇降落至海面。重力式吊艇架主要有以下三种形式：滑轨式、直杆式、叉形支撑式【4 】。波浪补偿起睡系统研究i 漆遵簿，j 红敞垫圈1l 重力倒臂式吊艇架f i gi1g r a v i t y l u f f i n ga r m t y p e b o a cd a v i t122 自由降落下水式救生艇降放装置二十世纪七十年代中期，为了在更短时间内使救生艇脱离难船，挪威一家船研所和航运公司创新研制出自由降落下水式救生艇降放装箕，自山降落救生艇及降放装胃在船上使用后，立即得到国际海事组织的认可，并改变了救生艇在船上存放的姿态和位置，而后海上人命安全公约对自由降落救生艇及降放装置提出了具体的性能要求，随后自由降落下水式救生艇及其降放装曼在船上进行了普遍的配备。这种救生艇降放装雹主要用于干舷高度在1 2 米至2 0 米的高干舷的船舶卜”。与重力式救生艇降放装置相比，自由降落下水式救生艇降放装置有许多优点：( 1 ) 自由降落下水式救生艇降放装置同样有重力施放救生艇的功能；( 2 ) 目前海船上的救生艇一般存放于船舶两舷，在船舶发生严重倾斜时将导致瓢。=：二=妊篷处卜：第1 章绪论施放比较闲难臼降落f 水式救k 艇降欣装胃足以斜截的支架存放救生艇，通常位于船舶的尾部，在紧急情况下施放救，k 艇受船舶倾斜的影响较小，克服了重力式的缺点，使得逃也更加快速、容易；( 3 ) 自由降落下水式救生艇降放装置具备微生艇自由漂浮的施放功能，在遇险腓舶下沉或严霞倾斜至横倾7 5 度、纵倾2 0 度时，救生艇都能白山漂浮至水面：重力式救牛艇降放装胃在发生海难时川能冈时l i 紧迫难以施放救l 艇，这样救牛艇将和难船陷入危险中而无法使用；( 4 ) 自由降落下水式救生艇降放装霄髓艇较为便利，降放速度根快，用时比币力止救生艇降放装置施放时问明硅简短，甚平可拒瞬完成：如图12 为自山降落式救生艇降放装冒。酗12n 由降薷式救生艇降放装置f i g i2 l c h i n ga p p l l a n o f f r e e - f a l l l i f e b o a t自由降落下水式救生艇降放装置的施放方法有自由降落卜水、露力式施放波浪补偿起艇系统研究自由漂浮三种。1 2 3a 形架式收放装置近年来，在救生艇、深潜救生艇、潜水器的收放装置中开始普遍使用一种a形架式收放装置。a 形架收放装置根据不同的功用有着不同的组成部分，但基本都有a 形门架、绞车，此外在回收深潜救生艇和潜水器的a 形架上还有摆动架、对接装置、纵横摇缓冲装置等。a 形架在收放救生艇的过程中，一方面承受着收放救生艇的变化载荷，另一方面还承担着将救生艇在母船上的两个位置( 舷内和舷外) 进行转换的任务【5 】。a 形架安装在船舶甲板上，两个变幅摆动支架与安装在甲板上或a 形架上的两个液压缸相联接，依靠液压缸的驱动实现变幅摆动。对于a 形架的结构主要有以下几个要求：( 1 ) 为避免救生艇在收放时与母船甲板、门架之间出现摩擦碰撞，要求a 形架具有较大的高度和宽度；( 2 ) 为防止救生艇收放过程使与母船船体发生碰撞的危险状况，要求设计的a形架能满足避碰的向舷外摆动的摆幅；( 3 ) 高海况下救生艇回收时，波浪对回收过程的影响十分明显，使a 形架承受的载荷变化较大，因此要求a 形架有足够的结构强度；( 4 ) 为将收回的救生艇放在船内安全可靠的位置，要求设计的a 形架有足够的向舷内摆动的摆幅。a 形架式收放系统普遍用于救生艇、深潜救生艇、潜水器的收放，其原因是该系统有着以下优点：( 1 ) a 形架系统的结构设计合理、强度高，在作业时载荷在装置上分布均匀，可满足在复杂海况下负载变化较大对结构强度、刚度等的较高要求。( 2 ) a 形门架根据需要来确定在甲板上的安装位置，在将救生艇收回到甲板上后所占面积仅比救生艇在甲板上所占面积略大，所以该系统更为紧凑。( 3 ) 该装置操作简便、可靠，还可为实现其他功能而加设其他设备。第l 章绪论a 形架式收放装置普遍用于收放救生艇、潜水器、深潜救生艇及其他水下作业设备。此外，在某些特种船舶上，如救捞船和科学考查船上，也常安有该种收放装置来满足特种作业的要求。图1 3 是应用在潜水器上的a 形架式收放系统。图13 形架式潜水器收放系统f i 9 13 a f r ；t m es u b m e r s i b l e l a u n c h r e c o v e r ys y s t e m图14 是一种用于深潜救生艇收放的a 形架系统。波浪补偿起艇系统研究圈1 4 耀潜救生艇及其a 形架式收放系统f i 9 14 d e e r s u b m e r g e n 眦u e v e h i c l ea n d a 6 a m es y s t e m上述几种收放装置比较常见，除此之外在某些中小型的旧船上，还可咀见到以下两种类型的吊艇架：( l ) 摇倒式吊艇架摇倒式吊艇架又称倾斜式吊艇架，从结构上分有弧齿式、推杆式两种形式。该类型的吊艇架在进行降放救生艇的操作时，首先要把用于固定救生艇的索具全部解除，而后通过人力摇动手柄带动齿杆推倒吊艇架，吊艇架带动救生艇倒伏出舷外，再通过松放吊艇索将救生艇降放至海面。在紧急情况下，该装置操作耗时长，效率低，现在仅使用在救生艇重量不超过2 3 0 0 k g 的一些中小型船舶上，近些年被逐步淘汰。( 2 ) 旋转式吊艇架日常航行中救生艇在船上处于存放状态，吊艇架上的救生艇朝向舷内，在紧第1 章绪论急情况或演习需要降放救生艇时，通过人力推动救生艇的首尾，使吊艇柱转动带动救生艇转向舷外，到达合适位置时再固定吊艇架，此后才可以将救生艇放到水面。进行救生艇降放时需人工推动，费力耗时，效率很低，难以为逃生争取更多的时间，仅在一些小型船上或救生艇艇重不超过1 4 0 0 k g 时允许使用，已经逐渐淘汰。1 3 波浪补偿救生艇起艇系统功能的实现海上作业时，波浪的复杂运动对作业装置的作用比较明显，在高海况下甚至使海上作业难以进行并危及作业人员的人身安全，为此而采取的减少波浪运动对作业的影响的技术称为波浪补偿技术。波浪补偿技术广泛应用在船舶起货机、石油平台、军舰弹药传输装置、水下机器人收放装置、深潜救生艇收放装置上。目前多数船舶上配备的救生艇起艇装置多采用电动机驱动卷筒来实现救生艇的收放，不具备波浪补偿功能，所以难以在高海况下进行救生艇的安全收放，也就不能在高海况下救生艇收放时保证艇中人员的安全 3 1 。绞车式波浪补偿和机械蓄能式波浪补偿是实现波浪补偿功能的两种基本方式。绞车式波浪补偿与机械蓄能波浪补偿相比具有以下优点f 8 】：( 1 ) 绞车波浪补偿采用绞车随动补偿方式，其补偿高度决定于吊艇索的长度，吊艇索一般长达数十米，远大于波浪运动的幅度，因此不存在补偿高度受限制的问题；机械蓄能式的补偿高度受结构的限制，所以为定值，在进行波浪补偿时，因波浪变化复杂、波浪的中位很难确定，常会出现补偿不到位的情况，所以该装置的结构和所处位置很难保证对波浪进行较好的补偿。( 2 ) 绞车波浪补偿通过传感器对吊艇索的受力进行检测，然后将信号送至电控系统，电控系统控制绞车自动收放吊艇索，无需人工控制收放，所以更便捷、可靠。机械蓄能式常采用弹簧和气缸的储能来实现波浪补偿，通常要由专业人员依靠经验操作，所以在安全可靠性方面较差。1 4 国内外波浪补偿救生艇收放装置的研究动态波浪补偿起艇系统研究1 4 1 国内对波浪补偿救生艇收放装置的研究救生艇起艇绞车用于救生艇的收放，是救生艇收放装置的组成部分，广泛应用在船舶、石油钻井平台上。我国现在广泛使用的救生艇起艇绞车的驱动方式多为电力驱动，技术性能不高，在高海况下不具备对波浪的不利影响进行补偿的功能。所以在波浪补偿绞车的研究和开发方面，我国刚刚起步，用于高海况下的起艇绞车均需从国外进口。2 0 世纪末，我国才开始研究高海况下收放救生艇。与国外相关先进技术相比，我国在关键技术研究上存在较大差距，国内一些企业采用蓄能器和液压油缸对波浪进行补偿，该方式受到装置的结构的限制，可靠性差，难以在高海况下保证人员的生命安全1 3 1 9 1 。目前国内能够生产用于4 级以下海况的救生艇安全收放装置的厂家仅有镇江船舶辅机厂。该厂生产的l f r - 3 0 型救生艇收放装置如图1 5 所示。图1 5l f r - 3 0 型的a 形架式救生艇收放装置f 远1 5l f r - 3 0 sa f r a m eb o a t - l i f t i n ga p p l i a n c e第1 章绪论国内一些单位研究的具有波浪补偿功能的收放系统主要为a 形架收放系统，主要用于深潜救生艇的、潜水器、机器人的收放。中船重工7 0 4 研究所在波浪补偿起艇绞车方面有着较深入的研究；哈尔滨工程大学对a 形架式潜水器收放系统有一定的研究；此外，中国科学院沈阳自动化研究所在潜水器恒张力收放绞车、液压绞车主动升沉补偿系统方面有一定的研究，此外对水下机器人、深海采矿统升沉补偿进行的研究对本课题的研究也有一定的裨益。1 4 2 国外对波浪补偿救生艇收放装置的研究上世纪8 0 年代，为满足在高海况下安全可靠收放救生艇、深潜救生艇、潜水器等的实际需要，国外一些国家开始了对波浪补偿收放装置的研究并持续至今。大量资金和人员的投入，以及长期的实船应用为其积累了大量的设计、制造和操作使用方面的资料和经验，研发技术达到了相当高的水平。在起吊垂向波浪补偿方式上，英国c a l e y 公司采用的是液压油缸与蓄能器组合的形式【3 】【9 】。意大利m e p公司在起吊补偿方式上采用分别波浪补偿绞车控制的形式，其开发的能应用于6级海况下救生艇收放的装置如图1 6 所示。波浪补偿起艇系统研究图1 6 意大利m e p 公司开发的6 级海况下使用的救生艇收放装置f i g 1 五b o a t - l i f t i n ga p p l i a n c eu s e di n6s e as t a t em a d eb yi t a l i a nm e pc o l t d挪威h y d r a l i f t 公司是国际上著名的生产各类起重机、收放装置、钻探装置的专业公司。多年前，h y d m l i i t 公司为满足恶劣海况下海上作业的需要，研究出了能够严格控制水下载荷波动的自动波浪补偿技术，现今已成为世界上配备自动波浪补偿器的起重机和r o v s 收放装置的主要供应者。1 5 课题的主要内容及所完成的工作该课题主要的内容和完成的研究工作如下：( 1 ) 简述了救生艇收放装置的种类和特点，分析了国内外波浪补偿救生收放装置的研究现状。( 2 ) 对救生艇收放装置整个系统的组成、工作机理进行细致分析；通过比较选择适合在高海况下能实现波浪补偿功能的收放系统；对高海况下波浪的等级进行分析，并确定了在高海况下救生艇安全收放的主要技术性能指标。第1 章绪论( 3 ) 以一具体救生艇为模型，侧重于救生艇的回收，通过计算分析，设计了能实现波浪补偿功能的救生艇起艇绞车系统，对该系统的元件进行了详细的选型。( 4 ) 对救生艇在海上的运动和受力进行了分析建模，并对设计出的救生艇起艇绞车的泵控液压马达系统进行了数学建模。( 5 ) 对建立的泵控马达系统的数学模型进行了仿真，通过仿真，得知设计的救生艇起艇绞车系统能实现预期的波浪补偿功能，保证救生艇及艇上人员的安全。1 6 本章小结本章首先提出了该课题的来源，接着概述了救生艇收放装置的种类，并对其特点进行了分析；最后分析了国内外对波浪补偿救生艇收放装置的研究现状，认识到国内在该研究领域的研究现状和差距；这使得对波浪补偿救生艇收放装置的研究十分有意义。波浪补偿起艇系统研究第2 章系统的组成、工作机理及设计2 1 波浪补偿救生艇收放系统的组成该波浪补偿救生艇收放装置系统主要由吊艇架、机械执行系统、传感器检测系统、液压驱动系统、电控系统等组成。目前在船舶上常见的吊艇架有旋转式、倒杆( 变幅) 式、重力式等。根据第一章的研究，由于a 形架式的起艇架在结构上、性能上的优点，而且目前国内外满足高海况使用要求的救生艇、深潜救生艇、潜水器收放装置的吊架在形式上多采用a形架式，所以选择a 形门架式吊艇架。国内镇江船舶辅机厂生产的能够在4 级海况下安全降放和回收救生艇的收放装置还有单臂转出式和单臂回转式，该厂生产的a 字架式的l f r - 3 0 型救生艇收放装置如第一章图1 5 所示。2 2 波浪补偿起艇绞车的组成及工作机理2 2 1 波浪补偿起艇绞车的组成、功能波浪补偿起艇绞车系统主要是由操作台、张力检测装置、速度检测装置、液压系统、绞车本体、电控系统等部分组成。如图2 1 所示。张力检测装置的功能是检测吊艇索上的张力变化。张力传感器是该装置的重要元件，张力传感器实时检测吊艇索上的张力，将张力变化转换为电信号。传感器将电信号送至电控系统，供电控系统根据编写好的程序决定是否发出控制信号。速度检测装置用于检测绞车本体的卷筒的转速，然后将电信号送至电控系统，电控系统根据电信号判断救生艇在波浪中的位置及速度，并决定是否切换工况，进行救生艇的收放。液压系统由电机、液压泵、液压马达、液压油缸、控制阀件、管路、过滤器等组成。液压系统的功能一是向吊艇架油缸输出液压油，驱动液压油缸使吊架变幅；二是接收电控系统的控制信号并驱动绞车实现救生艇的收放及波浪补偿功能。绞车本体主要由液压驱动马达、卷筒、离合器等组成。驱动马达为双速马达，用来驱动卷筒来实现救生艇的安全收放。其中马达的全排量低速状态为吊放救生第2 章系统的组成、工作原理及设计艇的状态，用来实现救生艇的正常收放；小排量时马达具有恒张力功能，用于救生艇在受到波浪作用时实现波浪补偿功能。提升补偿系统由泵组、控制阀组等组成，通过管路与液压马达连接，驱动液压马达带动卷筒转动，卷筒收放吊艇索来实现救生艇的收放。目前控制系统一般都采用电液一体化控制，控制方法有人工手动和程序自动控制两种，控制位置一般都有远程遥控和机旁控制两种。控制系统采用的电控系统的组成部件包括电源、操作台、p l c 、控制器扩展模块等。操作台发出的操纵信号、张力检测装置和速度检测装置检测得到的信号均送至电控系统的p l c 控制器和扩展模块，由两者承担主要的控制和通信功能，控制液压系统中的马达的启停、液压阀件的换向，来实现工况的切换等操作。操作台用于控制操作和状态显示【7 】。图2 1 起艇绞车原理图f i g 2 1b o a t - l i l t i n gw i n c hs c h e m a t i c绞车本体-波浪补偿起艇系统研究2 2 2 工作机理( 1 ) 机械机理阵1 0 l起艇绞车采用的是液压绞车波浪补偿方式，所以其补偿高度可以很大，将不会受到限制。吊艇索的张力可通过张力检测装置实时得到检测并由控制系统控制，这样就可以保证在波浪补偿工作过程中吊艇索的张力在某一恒定值上下较小范围波动，即保证了吊艇索上的恒张力，使绳索保持张紧状态，避免吊钩脱落和危险的发生。在正常吊放救生艇时，液压系统的液压泵正常工作向管路中供油，手动控制使提升系统的电磁换向阀组通电，离合器松闸，液压马达转动带动卷筒收放吊艇索，救生艇将按设定好的速度被起吊或降放。当工况转换为波浪补偿工作模式时，手动或电控系统发出操纵信号将提升系统的电磁阀组换向，使马达工作状态切换至波浪补偿工况，同时离合器松闸，绞车本体的液压马达转动，驱动卷筒回收吊艇索，卷筒的转矩通过限制油压进行控制，可限定在设定的范围内。当波浪对救生艇的作用使吊艇索张紧并且张力超过设定的恒张力值一定范围时，因设定的恒张力值较小，吊艇索被救生艇向下拖动，绞车卷筒反转，吊艇索被放出。当波浪的运动使救生艇向上运动而使吊艇索松弛时，管路中油压降低，液压泵泵油增加，驱动马达带动绞车卷筒正转回收吊艇索，将张力限制在设定的恒张力值，使吊艇索保持张紧状态，从而实现了对波浪的补偿。在这一工作工程中，速度检测装置和张力检测装置实时检测卷筒的转速和吊艇索的张力值，将转换得到的电信号传给电控系统。电控系统运行编写好的程序，将根据送来的信号来判断救生艇的运动状态，在此基础上选择合适的时机将工作模式切换为正常吊放模式。( 2 ) 电控机理【弘1 0 】p l c 是该电控系统的重要组成部分和控制部件。系统接通电源后，p l c 进入工作状态，此时可根据实际需要选择手动控制或进入编写好的控制程序的执行。正常情况下的控制步骤如下：按动操作台相关按钮，电机带动液压泵旋转，油泵开始向管路供油，通过第2 章系统的组成、工作原理及设计操作台仪表显示油路压力是否在正常工作压力范围之内。正常吊放救生艇时将使用手动控制模式，操作人员通过按动操作台上的起艇、放艇按钮，电控系统发出控制信号控制相应的电磁换向阀进行换向，制动器缓缓松闸，液压马达带动卷筒将按设定的速度正常吊放救生艇，到达合适位置时由操作人员按动停止按钮，然后再进行其它操作。操作人员通过按下操作台上的波浪补偿模式的按钮，使电控系统进入波浪补偿工作模式的程序的执行。此时，制动器松闸，卷筒旋转收放吊艇索，p l c 输出信号控制波浪补偿随动系统的溢流阀的溢流压力，从而保持起艇绞车吊艇索的张紧和张力的恒定。在波浪补偿模式下，通过速度检测装置和张力检测装置可获得救生艇的运动速度和方向以及吊艇索上的张力值，由电控系统决定是否在补偿模式和正常收放模式之间进行变换。正常吊放工作过程中，若需要救生艇悬停在空中某位置时，可按动相关按钮，使绞车制动，离合器抱闸，从而保证救生艇的悬停。2 3 高海况救生艇收放装置的技术性能指标及系统的设计海浪是一种常见的海水运动形式，它是影响船舶运动的首要航海环境因素。大风浪会给航行中的船舶中造成一系列的不良影响：可能会造成船舶严重失速，甚至停滞不前；螺旋桨可能露出水面空转，使主机负荷剧变而受损；船舶剧烈颠簸会引起舵效降低，难以保持航向等。海上作业过程中有时必须在复杂的高海况下回收救生艇，波浪对母船、救生艇的影响使救生艇的回收十分不利，因此在设计高海况救生艇起艇绞车时充分了解波浪等级和海况等级是十分必要的。2 3 1 我国现行海浪等级表和海况等级表( 1 ) 波浪等级表按波高的大小，通常将风浪分为1 0 级，把涌浪分为5 级，如表2 1 所示。表中鼠，是1 3 部分大波平均波高( 称为有效波高) 。一鎏! 墅! 堡望壁墨竺堕窒一_ _ - _ 一一在波浪分析图中，常用s ，m ，r ，v r 等分别表示轻浪、中浪、大浪和巨浪等不同的浪级。对标有v r 的海域应特别注意【1 8 】。表2 1 波浪等级表t a b 2 iw a v eg r a d e小涌小涌中涌中涌大涌大涌巨涌巨涌h l 3 o 10 1 q ，3 o 50 5 h l ，3 1 2 51 2 5 h l ，3 2 52 5 q 3 4 04 0 h l 3 6 06 0 h 1 ，3 9 09 0 h i ，3 1 4 09怒涛巨涌hl3140一一( 2 ) 海况等级表在航行中，特别在无涌的情况下观测风浪时，常常注意j x l 作用下海面所呈现的外貌，这就是海况。海况等级见表2 2 。海况等级和波浪等级是两个不同的概念，海况等级可能大于、等于或小于波浪等级【1 引。浪浪浪浪浪狼限游撕州蜊喊大巨狂狂l2345678第2 章系统的组成、t 作原理及设计表2 2 海况等级表t a b 2 2s e as t a t eg r a d e海况等级海面征状海面光滑如镜，或仅有浪涌存在波纹或涌浪和波纹同时存在波浪很小，波峰开始破裂，但浪花不显白色而显玻璃色波浪不大，但很触目，波峰破裂，其中有些地方形成白色浪花一自浪波浪具有明显的形状，剑处形成白浪出现高大波峰，浪花占了波峰上很人的面积，风开始削去波峰上的浪花波峰上被风削去的浪花，开始沿着波浪斜面伸k 成带状，有时波峰出现风暴波的长波形状风削去的浪花带布满了波浪斜面，并有些地方达剑了波谷，波峰上布满了浪花层稠密的浪花布满了波浪斜面，海面变成白色，只有波谷内某地方没有浪花整个海面布满了稠密的浪花层，空气中充满水滴和匕沭，能见度显著降低2 3 2 高海况下救生艇收放装置主要技术性能指标海况等级和波浪等级不是一个概念，但在设计时将5 线海况视为波浪等级的5级，就可以利用其波浪的参数。( 1 ) 收放装置的形式的分析和选择3 【8 】 1 9 - 2 3 1通过研究国内外能够在高海况下收放救生艇的装置的研发现状发现，收放装置的吊艇架结构形式一般为a 形架式、单臂转出式和单臂回转式。绞车有电动绞车和液压绞车两种方式，电动绞车一般不具备波浪补偿起艇的功能，这是电动绞车的一大缺点，所以不能在波浪补偿起艇装置上采用，而液压绞车能实现波浪补偿功能。国内绞车式波浪补偿技术已得到较大发展，绞车波浪补偿式装置功率重量比大，补偿高度不受限制，能适应复杂的高海况。救生艇吊点形式为单吊点时，救生艇在舷内和舷外转换位置以及在舷外收放时会产生摇摆，这就要求在收放装置上加设减摇缓冲装置，减少救生艇在这些过程中的摇摆。o123456789波浪补偿起艇系统研究通过上述的分析，本系统采用a 形架式吊艇架，绞车采用液压绞车，并增加减摇缓冲装置。在考虑降低成本的要求下，可在救生艇首尾附设缆绳，用于减轻救生艇在收放时的摇摆。( 2 ) 救生艇吊点形式的分析和选择3 【3 j 【1 9 彩】对于工作在海上的救生艇、救助艇、补给艇等工作艇，回收时起吊吊点的形式一般有单吊点和双吊点两种。对于单吊点形式起吊时，工作艇从脱离海面至空中的过程中存在救生艇稳定性不易控制的问题，特别是在救生艇起吊速度较高的情况下，这个问题更加严重，必须对整个起吊过程进行控制。单吊点起吊形式通常用于救生艇、救助艇的收放，现在一些厂家生产的救生艇兼作救助艇。救助艇除了用于紧急情况下船上人员的逃生，还用于海上救助遇险人员，所以海上人命安全公约中在救助艇的回收速度等方面作出了许多强制性要求，而对用于客滚船的高速救助艇降放装置有着更高的要求，如降放装置要加设波浪补偿、缓冲装置，进行恶劣海况试验等。双吊点起吊形式较好的解决了工作艇起吊过程中的稳定性问题，但在双吊点分别波浪补偿时，补偿的同步协调性是关键。双吊点起吊形式在民船上通常适用于救生艇，鉴于普通的救生艇比较长，这对起吊时稳性要求较高，要求起吊装置能减轻救生艇的摇摆，进而保证人员的安全；此外救生艇主要是用于母船人员的逃生，其降放装置不常用于高海况下救生艇的回收，而更侧重于救生艇的释放。海上人命安全公约中对救生艇的回收没有作出详细的要求，仅要求能在规定的时间内回收救生艇即可。对国内外用于复杂的高海况下工作艇回收的装置研究发现：在收放工作艇的安全稳定性能方面，单吊点形式和双吊点形式的工作艇均能得以保证。双吊点分别补偿的同步协调性和同步脱钩技术已能完全达到，但双吊点分别补偿的吊放装置较复杂，造价高。但在工作艇回收操作时，单吊点和双吊点两种形式有较大差别。单吊点回收工作艇时，挂钩仅需1 人操作，快速简单，在救生艇起吊稳性防止旋转方面，必须增加首缆拉索和防摇装置。而工作艇双吊点回收时，必须由2人同时协作挂钩，在风浪较大情况下，挂钩操作难度大幅增加，两个吊点常很难第2 章系统的组成、工作原理及设计同时挂上，此时波浪对工作艇的作用可能使工作艇的运动难以控制，使只有一个吊点已经悬挂的工作艇产生首尾摇摆，对吊艇索、工作艇、操作人员、艇中人员造成危害。在波浪补偿工况下，波浪补偿装置对双吊点分别补偿，工作艇常会倾斜，这对艇中人员不利。为减轻这种情况的危害就必须增设同步起吊控制装置，使得装置和控制系统复杂。当两个吊点同时挂上之后进入波浪补偿工况或起吊工况时，在不利因素影响下还可能出现一个吊钩脱开，而另一个吊钩挂住工作艇的情形，发生工作艇倾倒侧翻、伤害操作人员和艇中人员的事故，这种事故在国内船舶救生艇回收时就曾多次出现过。因为救生艇出厂前已经通过跌落试验的测验，所以单吊点救生艇即使脱钩落入海中也能承受这种冲击。根据上述分析，工作艇长度小于7 5 m 适合采用单吊点形式吊放，对于总长大于7 5 m 的工作艇适合采用双吊点形式进行吊放。单吊点形式和双吊点形式均可适用在级海况下；在5 - - 6 级甚至更高海况下进行工作艇的回收时，应采用单吊点形式。由于论文设计的救生艇起艇系统的救生艇长度小于7 5 米，所以采用单吊点形式。( 3 ) 工作海况的分析【3 嗍前些年由镇江船舶辅机厂生产的起艇装置已能在三级海况下使用，结合目前的国内生产能力，在增设减摇装置后，在保证最大补偿速度大于1 0 0 m m i n 的条件下，救生艇波浪补偿起艇装置可实现五级海况下甚至更高海况时救生艇的安全收放。但考虑到救生艇的挂钩的设计结构和强度，救生艇在海面受到的作用力和影响的复杂性，以及整个系统的安全可靠性，将5 级海况定为最高工作海况。( 4 ) 波浪补偿最大速度的分析口1 8 在设计波浪补偿起艇绞车时要考虑波浪、母船、救生艇的相互作用，并由此确定波浪补偿速度。根据高海况波浪作用下的救生艇和母船垂向相对运动速度的估算，io o m m i n 的波浪补偿速度能够保证救生艇在5 级海况下安全收放。( 5 ) 起吊和下降速度的分析【3 嗍波浪补偿起艇系统研究由表2 1 可知，5 级海况下波浪的1 3 部分大波平均波高( 称为有效波高) 为2 5 - 4 0 m ，平均值为3 2 5 m ，谱峰周期为7 7 - - 1 7 8 s 。在回收救生艇时要有较大的速度，以免因起吊速度慢而使救生艇受到下一个波浪的冲击而发生危险。若按最短周期和最大有效波高计算，起升速度必须大于3 1 2 m r a i n 。文献 2 0 】中规定，满载救生艇的降放速度应该至少满足以下公式计算所得速度：1 ，= 0 4 + o 0 2 h( 2 1 )其中，h 为吊艇架顶部到船舶最轻载水线的高度。通常情况下，万吨以上船舶的h 都在2 0 m 以上，常按2 0 m 来计算，这样得到的速度为0 s m s 。因此，最大起吊速度定为5 0 m m i n 是能确保救生艇不受下一个波浪的冲击的。国内生产的波浪补偿起艇绞车的起升速度为0 s m s ，已在实际使用中证实是可行的。( 6 ) 带航速收放救生艇的分析参考文献【2 0 】规定：救生艇均应能在船舶于平静水面上前进航速达到5k n 时降落，如必要可用艇首缆。对于救生艇兼作救助艇的小艇，也应满足在5 k n 航速下能释放救生艇。回收救生艇时，若航速小于5 k n ，则可以利用救生艇的首缆来进行可靠的回收。航速大于5 k n ，救生艇的首缆拉力将超过操作人员所能拉动的力，这时就需要配备其他装置来拉动救生艇，使得成本增加，操作复杂。所以，带航速收放时航速确定为5 k n 。通过上述分析，可以得到设计的救生艇收放装置的主要性能指标如下：结构功能形式：a 形架式吊艇架、单吊点起吊且带波浪补偿功能工作海况：最高为5 级；波浪补偿最大速度：不小于10 0 m r a i n ；起吊速度：不小于5 0 m r a i n ：收放救生艇时母船航速：不大于5 k n 。第2 章系统的组成、工作原理及设计2 4 本章小结本章首先分析了波浪补偿救生艇起艇装置系统的组成，介绍了常见的吊