江儒敏，蔣祖星

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海事學(xué)院，廣州 510800)

艦船傾斜數(shù)值作為航行和停泊時(shí)船體態(tài)勢(shì)的重要度量指標(biāo)，其精度關(guān)系著船舶航行安全和貨運(yùn)質(zhì)量。目前，船舶傾斜數(shù)值主要依靠對(duì)吃水的實(shí)地勘察獲取，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和成本較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大；利用船用傾斜儀指示實(shí)現(xiàn)傾斜狀態(tài)的數(shù)值讀取成為重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)船用機(jī)械式傾斜儀的指示精度一般為1°，船用鐘式傾斜儀的分度值達(dá)到5°，精度低、誤差大；陸用高精度傾斜儀由于船舶在不均布載荷和海浪的隨機(jī)作用下發(fā)生不規(guī)則橫傾運(yùn)動(dòng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法使用于船舶。現(xiàn)有研究中，為提高測(cè)量精度，對(duì)機(jī)械式傾斜儀主要通過(guò)加長(zhǎng)擺臂、管/艙式連通等方法，存在構(gòu)造復(fù)雜、使用和維護(hù)成本高等問(wèn)題；船用電子橫傾儀主要通過(guò)高精度液位測(cè)量?jī)x比對(duì)液艙液面以提高精度，高壓電源的應(yīng)用難以滿足船舶應(yīng)急條件下使用和便攜性的需要；部分電子傾斜儀通過(guò)電容敏感器件和光電檢測(cè)雙色扇擺技術(shù)監(jiān)測(cè)船舶的橫搖頻率，對(duì)傾角的精度更是沒(méi)有考究。為克服已有的研究難以兼顧精確性、可靠性和便捷性的不足，基于機(jī)械傾斜儀原理提出無(wú)擺船用機(jī)械傾斜儀的設(shè)計(jì)方案，利用重球或浮球與弧線軌道的結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)擺設(shè)計(jì)，通過(guò)擺臂半徑的放大提高精度，利用浮力形成懸浮效果以減小系統(tǒng)誤差，以滿足船舶實(shí)際需求。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 無(wú)擺式設(shè)計(jì)

無(wú)擺傾斜儀系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)擺式機(jī)械傾斜儀系統(tǒng)組成

該設(shè)備由一段半徑與船寬成一定比例的圓弧形剛性石英玻璃管，管上帶有以mm為單位的刻度線，并在刻度線上端和下端分別標(biāo)示船舶發(fā)生傾斜的橫傾角度和兩舷吃水的差值；管內(nèi)裝有液體，以提供浮力和阻尼；一顆黑色玻璃珠放置于玻璃管內(nèi)，黑色玻璃珠半徑小于玻璃管內(nèi)徑，且內(nèi)部按需設(shè)置中空，使其相對(duì)密度稍大于管內(nèi)液體的密度。管路的上部連通具有固定弧形、儲(chǔ)備液體和大傾角橫搖時(shí)調(diào)整管內(nèi)液體阻尼的作用。按需配置設(shè)備底板以提高設(shè)備總體強(qiáng)度以適于運(yùn)輸和安裝，水平管一端開(kāi)口并帶有保持水密的封閉蓋，以便于初始安裝和后期的維護(hù)保養(yǎng)。

該設(shè)備在船上安裝時(shí)需嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)設(shè)備鉛垂線與船舶平正時(shí)的水線面垂線，并安裝在船舶的某一橫截面的墻壁上。當(dāng)船舶發(fā)生靜態(tài)橫傾時(shí)，黑色玻璃珠受到重力矩作用在管內(nèi)移動(dòng)，液體的阻尼將抵消船舶的不規(guī)則擾動(dòng)和搖晃，黑色玻璃珠重心所指示的刻度即是船舶橫傾的角度和兩舷吃水的差值。

1.2 無(wú)擺設(shè)計(jì)原理

無(wú)擺傾斜儀沿用擺錘式傾斜儀原理，擺錘式傾斜儀實(shí)物圖和原理分析見(jiàn)圖2。

圖2 擺錘式傾斜儀實(shí)物及原理示意

圖2中，對(duì)比左右圖，為傾斜儀的擺心，為擺臂，其長(zhǎng)度為擺長(zhǎng)，點(diǎn)為傾斜儀的0位，為船舶平正時(shí)水線面，其長(zhǎng)度等于船寬，為船舶平正時(shí)的鉛垂線；當(dāng)船舶向右橫傾角后，擺錘受重力矩作用，移動(dòng)到位置，并與新的水線面垂直，并與形成夾角。在船舶傾斜過(guò)程中，實(shí)際水面并沒(méi)有改變，點(diǎn)為與原水線面的交點(diǎn)，點(diǎn)為船舶傾斜后擺錘的頂點(diǎn)位置(即橫傾后傾斜儀擺錘所指的數(shù)值刻度)，點(diǎn)為與傾斜后水線面的交點(diǎn)。

參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]的論證和結(jié)論，根據(jù)直角三角形相似定理推斷出：∠=∠，并且線段長(zhǎng)度比例∶=∶，即傾斜儀的擺角等于船舶的橫傾角，擺錘在劃過(guò)的切線段與船舶傾斜后兩舷吃水差值的比等于擺臂長(zhǎng)度與船寬之比。

綜合考慮所用材料、設(shè)備原理和船舶生活甲板層高，設(shè)置設(shè)備的弧形半徑為2.50 m左右，根據(jù)現(xiàn)有海船的船寬范圍為9.00～56.40 m，測(cè)算設(shè)備的放大比在1∶(3.60～22.56)區(qū)間，由于設(shè)備弧度最小刻度為1.00 mm，可確定設(shè)備數(shù)值精度范圍為0.11～14.10 mm(6.8′～8.5′)，完全滿足船用傾斜儀設(shè)計(jì)規(guī)范±1°誤差的標(biāo)準(zhǔn)要求，符合海船實(shí)際應(yīng)用的精度需求。

1.3 系統(tǒng)誤差的核定與修正

1)設(shè)計(jì)原理誤差。無(wú)擺傾斜儀以弧的長(zhǎng)度代替了線段長(zhǎng)度作為傾斜數(shù)據(jù)，存在設(shè)計(jì)原理上的系統(tǒng)誤差。船舶靜態(tài)作業(yè)時(shí)橫傾值一般控制在±3°，以目前最大海船的寬度56.40 m為例，船舶室內(nèi)層高2.50 m，設(shè)備比例1∶20，擺長(zhǎng)設(shè)計(jì)為2 820 mm，系統(tǒng)誤差計(jì)算如下。

由計(jì)算結(jié)果判定，在船舶常態(tài)靜傾角計(jì)算中利用擺弧替代橫傾差值參數(shù)原理誤差甚小，滿足艦船的使用要求。

2)靜摩擦力誤差。無(wú)擺傾斜儀利用黑色玻璃珠代替擺錘，在船舶微傾時(shí)其與玻璃管內(nèi)壁摩擦力的存在，會(huì)影響船舶微傾感應(yīng)的靈敏度。解決方案如下：①通過(guò)加注液體增加浮力以減小重力和摩擦系數(shù)的影響。不透明石英玻璃密度范圍為2.02～2.18 g/cm，水密度為1.00 g/cm。②通過(guò)使用空心玻璃珠，空心部分約占50%，以形成近似懸浮條件，消除摩擦力引起的系統(tǒng)誤差。石英玻璃珠的摩擦系數(shù)為0.10，設(shè)定黑色玻璃珠半徑為3.00 mm，擺長(zhǎng)為2.50 m。計(jì)算得到抵消靜摩擦力所需的橫傾角為=4′，由此所形成的船舶傾斜數(shù)值誤差11.60 mm

據(jù)此，該誤差滿足船舶傾斜儀的規(guī)范±1°的要求，完全達(dá)到適合艦船使用的±2.00 cm的需要。加之，船舶漂浮狀態(tài)下的橫傾擾動(dòng)更有利于消除船舶靜摩擦力的影響，實(shí)際精度優(yōu)于精度計(jì)算結(jié)果。

2 測(cè)試與驗(yàn)證

2.1 靈敏度和精度測(cè)試

經(jīng)過(guò)營(yíng)運(yùn)船舶修船和靠泊期間的多次測(cè)試，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及次數(shù)見(jiàn)表1。

術(shù)后處理：兩組術(shù)后切口常規(guī)換藥，術(shù)后第2 d開(kāi)始在不負(fù)重狀態(tài)下進(jìn)行患肢肌肉等長(zhǎng)收縮訓(xùn)練和關(guān)節(jié)活動(dòng)；待X線片檢查提示有骨痂跨越骨折斷端后開(kāi)始部分負(fù)重（體重的10%～15%）訓(xùn)練，根據(jù)骨折類型和骨痂生長(zhǎng)情況逐漸過(guò)渡至完全負(fù)重。

表1 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及次數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)與材質(zhì)參數(shù)比對(duì)

參照CB-T 3376—2005《船用傾斜儀》的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有5種不同類型船用機(jī)械式傾斜儀的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 5種傾斜儀結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)以實(shí)際勘測(cè)水尺的橫傾數(shù)值參數(shù)為基準(zhǔn)，通過(guò)與現(xiàn)有各型號(hào)傾斜儀的橫傾數(shù)值參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，核算船舶的綜合性誤差，以獲得靈敏性、精確性和穩(wěn)定性等參數(shù)。以巴拿馬型船舶為主，船寬3 226 mm，設(shè)計(jì)擺長(zhǎng)2 151 mm(比例1∶15)，擺錘式傾斜儀表盤半徑200 mm，鐘式傾斜儀表盤半徑100 mm。為便于性能比對(duì)，將角度參數(shù)統(tǒng)一換算成等效弧長(zhǎng)數(shù)值參數(shù)。對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 靜止傾斜誤差對(duì)照

2.3 綜合性能分析

5種不同類型船用機(jī)械傾斜儀綜合性能分析見(jiàn)表4。

表4 綜合的性能分析

針對(duì)7項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，依照性能優(yōu)劣進(jìn)行5分制評(píng)分。通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)核定該設(shè)計(jì)的便捷性，可靠性；實(shí)船實(shí)驗(yàn)的靈敏度和精度等參數(shù)核定該設(shè)計(jì)的精確性；最終通過(guò)便捷性，可靠性和精確性等綜合得分作為設(shè)計(jì)合理性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 功能改進(jìn)與拓展方案

3.1 浮力式改進(jìn)

利用浮球代替設(shè)計(jì)方案中的玻璃珠，將設(shè)備倒置，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可改進(jìn)為浮力式無(wú)擺傾斜儀，見(jiàn)圖3。

圖3 浮力式無(wú)擺傾斜儀

圖3中的浮球由于受到浮力作用球心與設(shè)備圓心連線的反向延長(zhǎng)線將垂直于水面，適用于設(shè)備原理。浮球與管內(nèi)壁的壓力較重力小可有效減小摩擦力，有利于提高設(shè)備精度?？紤]到設(shè)備中液體的熱脹冷縮，設(shè)備開(kāi)口應(yīng)調(diào)整到頂端0刻度位置，并設(shè)置玻璃密閉蓋，通過(guò)設(shè)置水密蓋的角度保證管內(nèi)的光滑程度，降低對(duì)設(shè)備精度的影響。

3.2 傾角信號(hào)輸出

通過(guò)在弧形管內(nèi)側(cè)鑲?cè)?段電阻絲，分別為左舷段(P)、右舷段(S)和回路段(M)，并引出測(cè)量端口。以擺球鋼珠作為導(dǎo)體，鋼珠所在位置不同則回路的電阻值不同，以電阻值的數(shù)值表達(dá)傾角的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)傾角信號(hào)的轉(zhuǎn)換與輸出?？紤]到設(shè)備中的電路安全問(wèn)題，要求內(nèi)部阻尼液體具有絕緣特性(油類)，或者犧牲設(shè)備的精度不使用液體。原理見(jiàn)圖4。

圖4 傾斜角信號(hào)輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 構(gòu)造與功能拓展

1)從構(gòu)造拓展上看。本設(shè)計(jì)可以用水銀滴替代設(shè)備中的黑色玻璃珠或鋼球，或用氣泡代替浮力式傾斜儀的浮球以實(shí)現(xiàn)同樣的功能和效果。

2)從功能拓展上看。①本設(shè)計(jì)在艦船航行過(guò)程中可提供實(shí)時(shí)橫搖角度和初步周期參數(shù)；②本設(shè)計(jì)若被安裝在平行于船舶中縱剖面的立面上，則可提供船舶實(shí)時(shí)的縱傾角和數(shù)值，即為縱傾儀；③本設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于吊桿、平臺(tái)等易傾斜和擺動(dòng)的設(shè)備；④本設(shè)計(jì)輸出的傾角信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理后，可求算出船舶的橫搖頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船橫搖頻率和穩(wěn)性的監(jiān)控。

4 結(jié)論

1)無(wú)擺式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械結(jié)構(gòu)不依賴電源，石英玻璃材料環(huán)保、成本低廉，液體阻尼設(shè)計(jì)慣性擺幅小，擺的半徑放大讀取誤差??；本設(shè)計(jì)滿足船舶對(duì)傾斜儀便捷性、可靠性和精確性的綜合要求。

2)船舶傾斜數(shù)值作為無(wú)因次搖蕩狀態(tài)下的平均值，為降低所用液體溫度及黏性對(duì)傾斜數(shù)值時(shí)效性和橫搖周期準(zhǔn)確性的影響，應(yīng)使用黏度較小的煤油或水和酒精的混合液體，并按需設(shè)定適用溫度范圍。

3)基于機(jī)械系統(tǒng)摩擦的影響，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)有待結(jié)合浮力式設(shè)計(jì)進(jìn)行提高。各型號(hào)無(wú)擺式船用機(jī)械傾斜儀均需要進(jìn)一步完成形式論證與檢測(cè)。

4)該設(shè)計(jì)傾角信號(hào)輸出與橫搖周期測(cè)量功能有待進(jìn)一步研究、實(shí)驗(yàn)、完善與論證，結(jié)合現(xiàn)有電子設(shè)備與器件實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶穩(wěn)性的監(jiān)控。

5)無(wú)擺式設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)傾斜儀的結(jié)構(gòu)定式，為進(jìn)一步探明應(yīng)用機(jī)械原理克服艦船6個(gè)自由度無(wú)因次搖蕩等復(fù)雜影響，實(shí)現(xiàn)船舶傾斜數(shù)據(jù)由測(cè)量改為讀取的可行性。