何 磊，楊東升

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129）

破冰船減搖水艙裝置控制方式研究

何 磊，楊東升

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129）

通過(guò)對(duì)破冰船減搖水艙工作原理和水道控制閥工作環(huán)境的研究，比較了各種工作方式的特點(diǎn)。以破冰船的計(jì)算為例，選擇適合可控被動(dòng)式減搖水艙水道控制閥的驅(qū)動(dòng)方式，并設(shè)計(jì)了此方式下的運(yùn)動(dòng)模式和控制方法。

水道控制閥；液壓驅(qū)動(dòng)；角度控制；電位計(jì)

0 引言

減搖水艙裝置是一種能夠減輕船舶橫搖角度的裝置[1]，在船舶上的應(yīng)用已有百余年的歷史，我國(guó)在此方面的研究起步不是很晚，但實(shí)際裝船應(yīng)用的可控被動(dòng)式減搖水艙剛剛起步?jīng)]多久。目前可控被動(dòng)式減搖水艙產(chǎn)品主要有水道控制和氣閥控制類(lèi)，國(guó)內(nèi)的減搖水艙裝置主要為水道控制類(lèi)[2-4]。本文以某破冰船減搖水艙的設(shè)計(jì)為例研究可控被動(dòng)式減搖水艙的控制方式。

1 概述

可控被動(dòng)式減搖水艙的工作原理是利用船舶的“雙共振”原理，即船舶橫搖滯后波浪90°，水艙內(nèi)的水滯后船舶橫搖 90°(圖1)，也就是水艙內(nèi)的水穩(wěn)定力矩與波浪干擾力矩方向相反，相當(dāng)于減小了波浪干擾力矩，減小了船舶橫搖角度。

圖1 減搖原理圖

減搖原理應(yīng)用的前提和關(guān)鍵是水艙內(nèi)水震蕩的固有頻率與船舶橫搖固有頻率基本相同，水道控制類(lèi)減搖水艙的水道控制閥就是為了調(diào)節(jié)減搖水艙內(nèi)水震蕩的固有頻率。水道控制閥就是在減搖水艙下部通道加上阻尼擋板(圖2)，通過(guò)阻尼擋板的轉(zhuǎn)動(dòng)改變下部通道的截面積從而控制水的流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水艙固有周期以適應(yīng)不同海況的目的。本文主要討論研究水道控制閥如何轉(zhuǎn)動(dòng)擋板和改變通道截面積的方式。

圖2 水道控制閥基本結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)動(dòng)方式的研究和選擇

減搖水艙水道控制閥的阻尼擋板處于水艙下部通道中，擋板主軸伸出甲板位于外部艙室中。要轉(zhuǎn)動(dòng)擋板就需要在主軸上施加一定的扭矩，一般施加扭矩的方式有氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)。三種驅(qū)動(dòng)方式比較：氣動(dòng)設(shè)備主要為氣缸，速度快，工作介質(zhì)清潔，處理方便，但驅(qū)動(dòng)力小、噪聲大；液壓設(shè)備主要有液壓缸和液壓擺動(dòng)缸，速度較快、驅(qū)動(dòng)力大、設(shè)備體積小，但需要液壓泵站，管路有漏油等可能性存在；電動(dòng)設(shè)備主要為電機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需外部提供動(dòng)力和鋪設(shè)單獨(dú)管路，但提供扭矩較小，驅(qū)動(dòng)速度太快，需要附加減速裝置[5-6]。

減搖水艙在工作時(shí)下部通道內(nèi)的水是反復(fù)流動(dòng)的，轉(zhuǎn)動(dòng)擋板就需要克服流水對(duì)擋板面施加的阻力，此阻力的計(jì)算可以參照舵力Beaufoy公式：

式中：A為擋板的面積，m2；ν為水流速度，kn；δ為擋板轉(zhuǎn)動(dòng)角度，0°～90°。

以某新型破冰船為例，設(shè)計(jì)擋板尺寸為1.1m×1.3m，計(jì)算出通道內(nèi)平均水流速度為4.3kn，可知阻尼擋板最大受力為：

根據(jù)扭矩計(jì)算公式可知水流對(duì)主軸產(chǎn)生的扭矩為：

在具體選擇驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要考慮以下幾方面因素：

提供驅(qū)動(dòng)力：氣動(dòng)設(shè)備工作壓力一般為0.3MPa～1.0MPa，壓力較低，且氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸不宜過(guò)大，所以無(wú)法滿(mǎn)足扭矩要求，不能使用在該水道控制閥上；液壓設(shè)備提供此扭矩時(shí)需要液壓壓力小，漏油的可能性就比較小，而且設(shè)備體積小，重量輕，比較適合使用在該水道控制閥上；電動(dòng)設(shè)備在附加減速裝置后扭矩能夠達(dá)到，但驅(qū)動(dòng)速度較慢，同時(shí)增加了設(shè)備體積和重量，可以使用在該水道控制閥上。

動(dòng)作時(shí)間：因某新型破冰船上減搖水艙適用的橫搖周期最小為7s。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度很快，2s～3s便可完成水道控制閥旋轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作，可以采用；電動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的水道控制閥旋轉(zhuǎn)90°需要約24s，也就是需要3～4個(gè)橫搖周期，無(wú)法滿(mǎn)足快速反應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，不適合采用；液壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)的水道控制閥旋轉(zhuǎn)90°則需要約5s～6s，在一個(gè)橫搖周期內(nèi)便可調(diào)節(jié)到位，適合采用。

維護(hù)保養(yǎng)和節(jié)能環(huán)保：氣動(dòng)設(shè)備使用空氣為工作介質(zhì)，清潔環(huán)保、處理方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，工作時(shí)以氣瓶?jī)?chǔ)存能量，無(wú)需頻繁使用動(dòng)力源，能耗較低；液壓設(shè)備利用蓄能器儲(chǔ)存能量，能耗低，使用液壓油液對(duì)外部環(huán)境有污染，需要保證系統(tǒng)密封性，需要定期檢查更換密封件，但每次檢查更換周期較長(zhǎng)，維護(hù)較簡(jiǎn)單；電氣設(shè)備沒(méi)有單獨(dú)管路，需要定期檢查維護(hù)電機(jī)和電纜，維護(hù)較簡(jiǎn)單，但阻尼擋板每次動(dòng)作都需要啟停電機(jī)，能耗相對(duì)較高。

綜上所述，水道控制類(lèi)可控被動(dòng)式減搖水艙水道控制閥轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼擋板的方式適合采用液壓驅(qū)動(dòng)。

3 改變通道截面積方式的設(shè)計(jì)

改變下部通道截面積是為了調(diào)節(jié)減搖水艙固有周期以適應(yīng)不同海況，一個(gè)面積對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)周期，阻尼擋板改變通道截面積的方式有兩種：

1）擋板開(kāi)、關(guān)組合面積(圖3)：這種控制方式最早由日本NKK公司設(shè)計(jì)應(yīng)用，通過(guò)若干個(gè)阻尼擋板的各種開(kāi)、關(guān)組合，可以形成各種不同的水流通道面積。這種控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用，在設(shè)計(jì)時(shí)使用不同數(shù)量、不同寬度的阻尼擋板就可以組合出需要的水流面積。阻尼擋板只有兩個(gè)位置，在控制上比較容易實(shí)現(xiàn)。但此方法的缺陷在于阻尼擋板需要分開(kāi)控制，擋板每次動(dòng)作都需要旋轉(zhuǎn) 90°。更重要的是在擋板有開(kāi)有關(guān)時(shí)(例如圖3所示面積2部分)，關(guān)閉擋板部分水流無(wú)法通過(guò)，而打開(kāi)的擋板則通道完全通暢，造成在橫向上水流通道的分布不均勻，這樣就形成了橫向上通道內(nèi)水流的不平衡。

圖3 擋板的開(kāi)、關(guān)組合面積示意圖

2）擋板的角度控制面積(圖4)：這種方式是通過(guò)若干擋板轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度來(lái)控制水流通道面積，設(shè)計(jì)時(shí)只需要擋板的數(shù)量、尺寸和相對(duì)應(yīng)面積所需要的角度即可。在控制時(shí)所有擋板是同步動(dòng)作，所旋轉(zhuǎn)的角度也是相同的，這樣就很好地避免了橫向上通道內(nèi)水流的不平衡。在需要面積變化時(shí)這種方式阻尼擋板只需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度而不是每次都旋轉(zhuǎn)90°，所以在反應(yīng)和調(diào)節(jié)速度上也比開(kāi)、關(guān)組合式的要快。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變擋板旋轉(zhuǎn)角度的方式更適用于改變通道內(nèi)水流的面積。

4 擋板角度控制的實(shí)現(xiàn)方式

與只有開(kāi)、關(guān)的阻尼擋板比較，角度控制的擋板在控制上稍微復(fù)雜一點(diǎn)，角度的反饋控制方式有很多：多個(gè)繼電器、電位計(jì)、編碼器、步進(jìn)電機(jī)等?？紤]到成本、安裝維護(hù)、更換易損件和產(chǎn)品的精確度、穩(wěn)定性、可靠性，適用于本水道控制閥的是電位計(jì)信號(hào)控制。電位計(jì)可以連續(xù)輸出與角度相對(duì)應(yīng)的模擬量值，有了這樣的信號(hào)控制系統(tǒng)只要稍加處理便就可以很方便的控制液壓設(shè)備將阻尼擋板旋轉(zhuǎn)至需要的角度。

圖4 擋板的角度控制面積示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

水道控制類(lèi)可控被動(dòng)式減搖水艙水道控制閥轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼擋板應(yīng)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，這種方式具有驅(qū)動(dòng)力大、體積小、能耗低、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，并能夠滿(mǎn)足快速反應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制。在調(diào)節(jié)水艙固有周期時(shí)應(yīng)通過(guò)改變擋板旋轉(zhuǎn)角度來(lái)改變通道的水流面積，而阻尼擋板的角度控制是通過(guò)電位計(jì)的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。

[1]聞邦春.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]孫瑩.角度式控制閥PIC控制板的開(kāi)發(fā)[D].大連:大連海事大學(xué),2007.

[3]安震.可變周期減搖水艙阻尼板結(jié)構(gòu)及控制方法研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué),2012.

[4]賈正余,黃宇,曾啟盛,等.可控被動(dòng)減搖水艙氣道的阻尼[J].船舶工程,2011(3): 41-44.

[5]季本山,顧益民,李章德.基于絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的舵角反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船舶工程,2010(1):45-47.

[6]盛振邦.船舶原理[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社,2004.

Study on Control Method of Anti-rolling Tank Device for Icebreaker

HE Lei,YANG Dong-sheng
(Navy Representatives Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)

Through study on working principle of anti-rolling tank for icebreaker and working environment of water channel control valve,characteristics of various working modes are compared.Taking calculation of icebreaker as the example,driving mode suitable for channel control valve in controllable passive anti-rolling tank is selected,and the methods of motion and control under this driving mode ae designed.

water channel control valve; hydraulic drive; angle control; potentiometer

U664.1

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.013

何磊(1982-)，男，本科。從事輪機(jī)工程專(zhuān)業(yè)研究工作。