船舶的摇摆控制.doc

船舶的摇摆控制大型集装箱船首部与尾部的形状差别很大，所以当船舶在波浪区域航行，沿船长方向出现波峰和波谷时，很容易导致船舶扶正力臂的变化，故要特别关注船舶的摇摆参数-周期和幅度， 一艘船的扶正力矩是扶正力臂与总重量的乘积。船舶在顺水或逆水前进时，其横摇和纵倾是呈周期性的变化，其扶正力臂也呈周期性的变化。正是因为这种现象，导致船舶的扶正力矩也随之发生变化，从而引发了船舶的摇摆。 而这种以时间为变量参数的摇摆，如果遇上合适的海浪情况，就有可能引发船舶共振现象，这时船舶的摇摆角度加大，导致货物和集装箱的灭失，极端的情况下，可能使船体结构遭受破坏。最近几年来，集装箱船的事故，就反映出这种现象的危险性。 人们都知道一个现象，船舶在低速航行时，如果恰巧在某一时间操舵、遇到阵风或其它因素的影响时而引起船舶附近的波浪发生变化，当其频率较低时（仅为船舶自身摇摆周期的一半），有可能导致船舶摇摆的角度很大。对大型集装箱船，在一定的海况下就有可能产生周期性的摇摆，如在北太平洋和北大西洋一年中分别有9%和12%时间里存在着导致这种现象发生的海况。 实事上，如果在船舶上安装一个减摇系统，适时地给船舶外加一个恰当的阻尼，来抵消船舶扶正力矩的变化，摇摆是可以加以预防的。 德国的Interring公司生产的IPRP装置就是这种想法在实船上的应用。这套装置采用众所周知的自控式减摇水舱技术，其核心部分是减摇水舱系统。两个水舱分别布置于船舶的左右舷，在船体上设置一个通道，将两个水舱相互连通，形成U型水舱。 减摇水舱中充入一定量的水，注水量应根据水舱形状、船舶装载情况和航线情况来确定。其原理是使水舱内的水的运动周期和船舶在波浪上的摇摆周期相近，保证在船舶摇摆时，两个液舱能形成一定的水位差，以便形成一个扶正力矩，以扶正力矩抵消波浪所产生的倾斜力矩，达到减小船舶的摇摆幅度。 一套典型的船舶IPRP系统应由几对液舱、一个气动的空气阀和一套控制单元组成，控制单元中包括船舶纵倾和横摇传感器。这种系统可有效预防船舶横摇，并可以减小船舶横摇幅度。 但是IPRP系统因其减摇舱较小，所以在船舶遇到横波的情况下，其减摇效果还不如常规的U型减摇水舱效果好。所以旅游船可以采用复合式减摇系统，在高速航行时，主要采用减摇鳍装置，而减摇水舱用于其它航行状态。 主动式减摇鳍系统是由一对或多对翼形鳍组成，它们装设在船的压载区，可借船内的操纵机构将其转动，以调整迎水角度。减摇鳍迎水的角度决定了产生其向上或向下作用力，以减少摇摆幅度。 控制系统的传感器布置在船舶的水平龙骨上，用以测量船舶摇摆的幅度，并将信号反馈回控制系统，以操纵液压缸，调整减摇鳍的迎水角度。与未装减摇系统的船舶相比，采用这种减摇系统后，船舶的摇摆幅度可降低80-90%。 罗尔斯罗伊斯集团下属的布朗兄弟公司在过去的12年里，已有90套该公司的Neptune型可折叠式减摇鳍安装于商船或军船上。去年有一套安装在爱尔兰渡轮公司的5.1万总吨的Ulysses号渡船上；另有4套将安装在目前世界上最大的游船“玛丽2世王后”号上。 布朗兄弟公司的Neptune减摇鳍以其良好的性能和较低的费用而在造船界闻名，该型产品在民用船舶中得到大量的使用，其中包括游船、渡船和集装箱船。 新型的Neptune产品具有以下优点： 鳍和其它设备无需进坞维修，所以在使用期内，其维修费用很低； 由于采用大升力的减摇鳍，具有较好的减摇性能； 该减摇器可方便地与船上的报警和监控系统集成； 结构紧凑对安装空间要求不大。新Neptune减摇鳍装置中，采用了许多新技术：液压油缸的柱塞采用了独特的斜布置方式，可以在现场对液压缸和密封装置进行维护，而不必对整个系统进行拆卸柱塞或等待进坞维修； 对关键部件进行了简化； 改进了液压和润滑系统的控制，将两路控制改由一套油路控制； 大大减轻了装置的重量，与早期产品相比，重量减轻了10%； 为了提高工作的可靠性，新的减摇鳍设置了锁定装置。 最大程度地减少了运动部件，采用复合轴承、三道主密封、低噪液压系统等。系统装设了负载感应器，以降低对功率的需求。 为了简化安装工作，所有的动力单元全部布置在一起。 布朗公司开发了一款不带折翼的新型减摇鳍，其形状类似于鱼尾，性能与襟翼鳍类似。 该减摇装置采用了触屏控制系统，简化了操作，并可提供全面维护和故障信息。控制系统布置在驾驶室和机控室内。同时采用可编程序控制器将减摇系统与船舶其它集成在一起。 减摇鳍的减摇效果随着船速的降低而降低，而在低速航行或一定工况下，减摇水舱却可以发挥作用。所以游船大多采用复合式减摇系统，在船舶高速航行时主要采用减摇鳍装置，而在其它航行状态时，采用减摇水舱系统，以确保船舶的减摇效果。 据报道，斯普利公司的新一代Gyrofin减摇系统的减摇效果可达90%以上，可以极大提高船舶的安全性、乘客的舒适性和对货物的保护，并可降低燃油消耗率和货物的损坏率。 目前，Gyrofin 系统已经安装在由日本三菱重工为 P&O公 司建造的 2 条 25206 总吨的客滚船 European Causeway 号和 European Ambassador 号上，并已经在爱尔兰航线运营。据斯普利船用设备公司介绍，该系统的主要优势在于： 改进了升力控制器性能，提高了减摇效率，延长了机械寿命。 升力控制系统可看作尾襟翼，改进船舶的升阻比，降低阻力，节省燃油。 采用数字控制系统和触屏式控制系统。 采用先进的机械元件，提高装置性能。 减摇鳍的轴内装备了位移传感器，配合升力控制系统。 位移传感器将位移量按比例转换成电信号，根据水流方向，调整鳍面迎水的角度和面积，来控制升浮力的大小。 动态的升力信号与减摇系统设定值进行比较，并通过对减摇鳍工作状态的调整，对偏差量不断进行修正，直到达到规定的范围。虽然流经鳍面的水流是不断变化的，而调整过程是减摇系统根据当时的水流情况自动进行的。减摇鳍的迎水角度也是不断变化时，直到达到理想的工作状况。 升浮控制系统可以有效防止减摇鳍在某一时间因压力的变化而导致出现空泡现象，而在另一个时段出现失速现象。 当减摇鳍在非空泡区工作时，采用升力控制系统的减摇鳍的升力要求达到峰值，而没有配备升力控制系统的减摇鳍由于其工作状态的不断变化，就不能保持其升力的峰值。所以与其它减摇鳍相比，配备了升力控制系统的减摇鳍可以使其鳍的效率达到最高。 在船桥控制中心设置大型的液晶显示器和触屏控制系统。 为提高控制系统的性能和减少布线的工作量，采用串行数据传送的方式，该控制系统可同时对4套减摇装置进行操纵。 为了提高系统的可靠性，该减摇装置采用了新型的摇摆传感器，这种传感器中没有可移动部件，主要是用感应器来代替机械式开关。为了保证在驾驶室操纵系统失效时