蒲曉亮，鐘 濤，王艷真

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院, 上海 200011)

0 引 言

緊急制動(dòng)即全速倒車(chē)停船，系指從發(fā)出全速倒車(chē)指令時(shí)起到船舶停在水中時(shí)的航跡行程[1]。它是船舶操縱性的重要指標(biāo)之一，可用無(wú)因次參數(shù)停船跡程與船長(zhǎng)的比值來(lái)衡準(zhǔn)[2]。其值越小表示船舶的停船性能越好，在民用領(lǐng)域，該指標(biāo)與船舶的避碰關(guān)系密切；在軍用領(lǐng)域，該指標(biāo)還影響艦船執(zhí)行對(duì)抗、驅(qū)逐和作戰(zhàn)等使命任務(wù)。相關(guān)規(guī)范對(duì)該指標(biāo)有明確的規(guī)定，例如，IMO《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定全速倒車(chē)停船試驗(yàn)測(cè)得的航跡行程不應(yīng)超過(guò)15 倍船長(zhǎng)[1]，GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》對(duì)不同的船型提出了不同的衡準(zhǔn)指標(biāo)，對(duì)于驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦，無(wú)因次停船跡程應(yīng)不大于10。鑒于該性能指標(biāo)的重要性，船東會(huì)在合同里提出比規(guī)范要求更為嚴(yán)苛的指標(biāo)，一些船東還將該指標(biāo)作為罰款條款。

為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，船舶設(shè)計(jì)者需在船舶初步設(shè)計(jì)階段對(duì)緊急制動(dòng)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，還應(yīng)分解出影響船舶緊急制動(dòng)性能的相關(guān)因素，并對(duì)其提出具體要求。當(dāng)前，柴油機(jī)動(dòng)力仍然是船舶主要?jiǎng)恿π褪?，螺旋槳?jiǎng)t是最主要的推進(jìn)器。特別在對(duì)緊急制動(dòng)性能要求較高的巡邏船、護(hù)衛(wèi)艦等領(lǐng)域，絕大多數(shù)艦船采用柴油機(jī)-調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)。因此掌握這種推進(jìn)型式艦船緊急制動(dòng)性能的預(yù)報(bào)方法和影響因素對(duì)艦船設(shè)計(jì)非常重要。

本文以某型巡邏船為對(duì)象，通過(guò)分析艦船緊急制動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，分解出影響緊急制動(dòng)性能的主要因素，利用仿真軟件GT-Power 和Matlab/Simulink 建立仿真模型，研究主要因素對(duì)緊急制動(dòng)性能的影響。提出適用于柴油機(jī)-調(diào)距槳推進(jìn)的艦船緊急制動(dòng)仿真預(yù)報(bào)方法，可作為艦船設(shè)計(jì)階段進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)的參考。通過(guò)分析推進(jìn)系統(tǒng)主要設(shè)備性能對(duì)緊急制動(dòng)性能的影響，可為設(shè)計(jì)者提供設(shè)備技術(shù)指標(biāo)參考。

1 緊急停船數(shù)學(xué)模型

本文研究對(duì)象是一艘千噸級(jí)巡邏船，該船排水量約1600 t，船長(zhǎng)90 m，設(shè)計(jì)航速26 kn。采用雙機(jī)雙槳的推進(jìn)型式，每套推進(jìn)系統(tǒng)由一臺(tái)高速柴油機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪箱減速后驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳，推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。船東提出的緊急制動(dòng)指標(biāo)為停船距離不超過(guò)4 倍船長(zhǎng)，該指標(biāo)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，因此在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)估緊急停船性能并采取措施進(jìn)行優(yōu)化十分必要。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Propulsion system layout

1.1 動(dòng)力傳遞模型及平衡方程

船舶運(yùn)動(dòng)是三大部件配合的結(jié)果[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率、扭矩通過(guò)推進(jìn)器產(chǎn)生推力，推力作用于船體，實(shí)現(xiàn)船舶的運(yùn)動(dòng)，這種配合一般稱(chēng)為船-機(jī)-槳匹配，其動(dòng)力傳遞模型如圖2 所示。

圖2 船-機(jī)-槳配合動(dòng)力傳遞示意圖Fig.2 Ship-engine-propeller system power transmission diagram

船舶緊急制動(dòng)是船-機(jī)-槳配合的一種形式，其動(dòng)力學(xué)方程為：

1.2 影響船舶緊急制動(dòng)的因素

1.2.1 船舶質(zhì)量及附加質(zhì)量

船舶質(zhì)量和附加質(zhì)量越大，船舶制動(dòng)跡程就越大。船舶質(zhì)量即排水量，排水量與船舶的主尺度和船型有關(guān)，為分析排水量與緊急制動(dòng)性能的關(guān)系，引入緊急制動(dòng)衡準(zhǔn)參數(shù)無(wú)因次跡程，有

式中：ST′為 無(wú)因次跡程；S T為停船跡程；L為船長(zhǎng)。將船舶排水量以主尺度的形式表達(dá)為：

式中： Δ為排水量；k為系數(shù)；Cb為方形系數(shù)；K1為船長(zhǎng)與型寬之比；K2為型寬與吃水之比。

船舶動(dòng)態(tài)附加質(zhì)量與船舶質(zhì)量成正比，即：

需說(shuō)明的是，船舶的主尺度和排水量在初步設(shè)計(jì)階段已經(jīng)確定，即船舶質(zhì)量和附加質(zhì)量在船舶設(shè)計(jì)之初正確定，因此無(wú)法通過(guò)改變?cè)搮?shù)來(lái)調(diào)整船舶緊急制動(dòng)指標(biāo)。

1.2.2 船舶阻力

船舶阻力包括靜水阻力、波浪中阻力增加和空氣阻力[4]。靜水阻力與船型和船舶附體有關(guān)，當(dāng)船舶線(xiàn)型和附體設(shè)計(jì)確定后即為定值，因此無(wú)法通過(guò)改變靜水阻力調(diào)整船舶的緊急制動(dòng)性能。而船舶在波浪中航行時(shí)的阻力增加與船舶運(yùn)行時(shí)的水動(dòng)力環(huán)境有關(guān)，海況、水深和操舵等均對(duì)其有較大影響，這些因素與船舶實(shí)際操縱有關(guān)，無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)改變，可見(jiàn)在規(guī)定緊急制動(dòng)指標(biāo)時(shí)應(yīng)同時(shí)明確測(cè)試條件。沈定安等[5]指出影響船舶制動(dòng)性能的因素還有淺水效應(yīng)、堤岸影響等，這些因素都影響船舶阻力，進(jìn)而影響制動(dòng)性能。

1.2.3 螺旋槳推力

螺旋槳推力與整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)有關(guān)。就本文所研究的推進(jìn)系統(tǒng)而言，柴油機(jī)性能、齒輪箱及軸系效率、調(diào)距槳特性均對(duì)螺旋槳推力有影響，推進(jìn)系統(tǒng)各組成設(shè)備之間存在多種匹配關(guān)系，如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與螺旋槳轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系、柴油機(jī)負(fù)荷與螺旋槳螺距之間的匹配關(guān)系等?？梢?jiàn)通過(guò)改變推進(jìn)系統(tǒng)各組成設(shè)備的性能以及匹配關(guān)系可對(duì)船舶緊急制動(dòng)性能產(chǎn)生影響。

直接影響螺旋推力改變的因素是調(diào)距槳螺距調(diào)整速率，緊急制動(dòng)的過(guò)程實(shí)際是螺旋槳減小推力并產(chǎn)生倒車(chē)推力的過(guò)程，具體是通過(guò)改變螺旋槳轉(zhuǎn)速和螺距實(shí)現(xiàn)的，調(diào)距槳螺距的變化速率與調(diào)距槳液壓系統(tǒng)能力有關(guān)[6]，設(shè)計(jì)可通過(guò)增加液壓系統(tǒng)流量等方式提升調(diào)距速率，以減小船舶停船航跡。

在船-機(jī)-槳匹配模型里，螺旋槳實(shí)際為柴油機(jī)的負(fù)載，而柴油機(jī)的性能將制約調(diào)距槳螺距和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，包括柴油機(jī)的運(yùn)行區(qū)域、加減速性能和調(diào)速性能等，因此在計(jì)算船舶緊急制動(dòng)性能時(shí)，應(yīng)使負(fù)載變化不能超出柴油機(jī)的限制。柴油機(jī)持續(xù)工作時(shí)，其負(fù)荷不能超過(guò)MCR 曲線(xiàn)，但在船舶加速或緊急制動(dòng)過(guò)程中，可短時(shí)使其超過(guò)MCR，可取110%MCR 作為負(fù)荷限制線(xiàn)[7]。在仿真計(jì)算時(shí)，需同柴油機(jī)確認(rèn)是否允許短時(shí)使用110%MCR，還有些柴油機(jī)在加速或減速時(shí)以DBR 曲線(xiàn)作為負(fù)荷限制線(xiàn)。

傳動(dòng)和軸系系統(tǒng)對(duì)螺旋槳推力的影響主要是由于傳動(dòng)效率造成的，在緊急制動(dòng)性能計(jì)算時(shí)，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確計(jì)算傳動(dòng)效率。傳動(dòng)功率損失主要是傳動(dòng)部件在運(yùn)行過(guò)程中摩擦、發(fā)熱等造成的，如彈性聯(lián)軸器、齒輪箱傳動(dòng)裝置、軸承等，在仿真計(jì)算時(shí)需分別進(jìn)行計(jì)算。

2 緊急停船數(shù)學(xué)模型各變量的處理

2.1 船舶質(zhì)量和阻力

船舶排水量在船舶設(shè)計(jì)之初就已確定，本文研究對(duì)象排水量約m= Δ=1600 t。

通常，附加質(zhì)量為排水量的0.03～0.06 倍[8]，Lewandowski E 等指出附加質(zhì)量與船舶主尺度有關(guān)，通?？杉僭O(shè)為船舶質(zhì)量的0.05～0.1 倍[9]。本文取0.05 倍的船舶質(zhì)量，即md=80 t.

為獲得準(zhǔn)確的船舶阻力數(shù)據(jù)，本文研究對(duì)象在瑞典國(guó)立船模試驗(yàn)水池進(jìn)行了模型試驗(yàn)，得到了較完整的伴流系數(shù)、推力減額、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率等數(shù)據(jù)，其阻力曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 阻力曲線(xiàn)Fig.3 Ship resistance curve

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主機(jī)與齒輪箱連接的聯(lián)軸器、齒輪箱和軸系，傳動(dòng)系統(tǒng)最主要的功能是傳遞功率、扭矩和推力。傳動(dòng)系統(tǒng)中各類(lèi)聯(lián)軸器和軸承在運(yùn)行中均存在功率損耗，特別是軸系較長(zhǎng)的船舶，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率損耗較大，一般傳動(dòng)系統(tǒng)效率在90%～95%之間，在緊急制動(dòng)模型中不能忽略。通常聯(lián)軸器由于發(fā)熱等引起的功率損失很小，可忽略不計(jì)，在計(jì)算中應(yīng)包含齒輪箱、中間軸承和尾軸承的功率損失，其值可表示為。

式中：Pf為傳動(dòng)系統(tǒng)功率損失；Pfg為齒輪箱功率損失；Pfr為中間軸承功率損失；Pf s為尾軸承功率損失。齒輪和軸承的功率損失一般由供貨廠商提供，在無(wú)數(shù)據(jù)的情況下，齒輪箱可按效率98%～99% 計(jì)算，軸承按每只99.5%計(jì)算。

齒輪和軸承的功率損失一般由供貨廠商提供，在無(wú)數(shù)據(jù)的情況下，齒輪箱可按效率98%～99% 計(jì)算，軸承按每只99.5%計(jì)算。本文傳動(dòng)系統(tǒng)效率按95%計(jì)算，即Pf=0.05PS。

2.3 螺旋槳

螺旋槳通過(guò)吸收主機(jī)發(fā)出的功率產(chǎn)生推力，對(duì)于采用調(diào)距槳推進(jìn)的船舶，在緊急制動(dòng)過(guò)程中，螺旋槳旋向不會(huì)改變，而是通過(guò)改變螺距比實(shí)現(xiàn)推力的變化。在緊急制動(dòng)計(jì)算中，需給出螺旋槳推力和扭矩的數(shù)值。其推力T和扭矩MP可表示為：

式中：KT為螺旋槳推力系數(shù)；KQ為螺旋槳扭矩系數(shù)；ρ為水的密度， k g/m3；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速， r /min；D為螺旋槳直徑，m 。

可看出，已知螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)即可求得螺旋槳推力和扭矩的大小。推力系數(shù)和扭矩系數(shù)一般可通過(guò)模型敞水試驗(yàn)獲得，螺旋槳設(shè)計(jì)者會(huì)提供設(shè)計(jì)槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)，但一般情況下推力系數(shù)和扭矩系數(shù)是以第一象限部分給出的。而船舶在緊急制動(dòng)過(guò)程中，螺旋槳的工作范圍會(huì)超出第一象限，此時(shí)需要螺旋槳四象限特性，使用調(diào)距槳的船舶是通過(guò)調(diào)節(jié)螺距比實(shí)現(xiàn)正倒車(chē)的，軸轉(zhuǎn)速始終為正值，因此只需第一和第四象限[10]。本文研究對(duì)象使用的調(diào)距槳進(jìn)行了模型試驗(yàn)，圖4 和圖5為該調(diào)距槳第一、四象限特性圖。

圖4 不同螺距下推力系數(shù)曲線(xiàn)Fig.4 Thrust coefficient curve under various pitch

圖5 不同螺距下扭矩系數(shù)曲線(xiàn)Fig.5 Torque coefficient curve under various pitch

進(jìn)速比J的關(guān)系為：

2.堅(jiān)守“守法合規(guī)”。尊重國(guó)際規(guī)則，適應(yīng)東道國(guó)法律要求和業(yè)務(wù)需要，吸收借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)管理理念、方法和手段，推進(jìn)管理提升和創(chuàng)新探索，努力打造國(guó)際知名品牌，積極建設(shè)國(guó)際化骨干團(tuán)隊(duì)。

3 仿真結(jié)果及討論

為在設(shè)計(jì)階段掌握該船的緊急制動(dòng)性能，建立仿真模型對(duì)其緊急制動(dòng)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。柴油機(jī)及傳動(dòng)部分利用GT-SUITE 軟件的GT-Power 模塊建立，船和螺旋槳部分利用Matlab/Simulink 建立。本仿真重點(diǎn)對(duì)不同調(diào)距速率下的緊急制動(dòng)跡程進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 仿真準(zhǔn)確度分析

基于本文構(gòu)建的仿真方法和模型，對(duì)一型已交付使用的船舶進(jìn)行緊急制動(dòng)仿真計(jì)算，并與該型船的緊急制動(dòng)性能實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證本文仿真方法和模型的準(zhǔn)確性。該船船型與本文研究對(duì)象類(lèi)似，船長(zhǎng)112 m，仿真和實(shí)船試驗(yàn)得到的緊急制動(dòng)結(jié)果如圖6 所示，從仿真結(jié)果來(lái)看，停船航跡程為360 m，實(shí)船試航測(cè)定的停船航跡程為363 m，可見(jiàn)仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖6 緊急制動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.6 Crash-stop simulation result

3.2 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)比主動(dòng)進(jìn)行緊急制動(dòng)和不主動(dòng)制動(dòng)的差別，進(jìn)行2 個(gè)典型的慣性滑行操縱情況的仿真；在主動(dòng)緊急制動(dòng)操縱下，為對(duì)比主機(jī)轉(zhuǎn)速匹配的影響，在調(diào)距槳調(diào)距速率一致的情況下，對(duì)主機(jī)恒轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速的情況進(jìn)行對(duì)比；為分析調(diào)距槳變螺距速率對(duì)緊急制動(dòng)性能的影響，進(jìn)行了2 種不同變螺距速率下的制動(dòng)性能仿真。仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 緊急停船仿真結(jié)果Tab.1 Crash-stop simulation result

3.2.1 工況1：螺旋槳拖轉(zhuǎn)零推力制動(dòng)過(guò)程仿真

首先對(duì)螺旋槳零推力工（T=0）況進(jìn)行仿真計(jì)算，該工況具體過(guò)程為：船舶達(dá)到最大航速并穩(wěn)定航行時(shí)，兩舷軸系同時(shí)脫排，螺距處于最大正車(chē)螺距位。螺旋槳拖轉(zhuǎn)工況下，螺旋槳沒(méi)有輸入功率，受水動(dòng)力作用自然拖轉(zhuǎn)，船舶無(wú)動(dòng)力，此時(shí)船主要在水、空氣的阻力作用下逐漸減速，隨著航速降低阻力也會(huì)降低，因此航速變化速率越來(lái)越小。如圖7 所示，該工況下停船過(guò)程非常緩慢，時(shí)間超過(guò)3500 s 后航速仍大于0，停船距離超過(guò)36.7 倍船長(zhǎng)。

圖7 螺旋槳拖轉(zhuǎn)工況仿真計(jì)算結(jié)果Fig.7 Simulation result of propeller windmilling

3.2.2 工況2：螺旋槳鎖軸零轉(zhuǎn)速制動(dòng)過(guò)程仿真

為了對(duì)比螺旋槳在水中拖轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)對(duì)制動(dòng)性能的影響，進(jìn)一步計(jì)算螺旋槳鎖軸（n=0）的工況。操縱過(guò)程為：當(dāng)船舶達(dá)到最大航速穩(wěn)定航行時(shí)，將主機(jī)與軸系脫開(kāi)，并將軸系鎖住。仿真結(jié)果如圖8 所示，與拖轉(zhuǎn)相比，由于螺旋槳無(wú)法旋轉(zhuǎn)使得阻力增加，因此航速下降更快，停船過(guò)程有所加快，時(shí)間超過(guò)3500 s后航速仍大于0，停船距離大于13.3 倍船長(zhǎng)。

圖8 螺旋槳鎖軸工況仿真計(jì)算結(jié)果Fig.8 Simulation result of propeller locked

首先按照調(diào)距槳廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)距速率進(jìn)行仿真，調(diào)距速率為1.5°/s。為了盡量提升緊急制動(dòng)性能，提出柴油機(jī)變轉(zhuǎn)速的策略，即當(dāng)正車(chē)推力減小時(shí)，使主機(jī)減速以增加正車(chē)推力減小速率，當(dāng)螺旋槳開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)推力時(shí)，增加主機(jī)轉(zhuǎn)速以增加負(fù)推力增加的速率。仿真結(jié)果如圖9 所示，制動(dòng)開(kāi)始后約5 s 后產(chǎn)生負(fù)推力，41.5 s 后船停止，停船距離為3.32 倍船長(zhǎng)。

3.2.4 工況4：柴油機(jī)變轉(zhuǎn)速螺距快速減小過(guò)程仿真

為進(jìn)一步提升緊急制動(dòng)性能，通過(guò)增加調(diào)距槳液壓系統(tǒng)流量等方式，提高調(diào)距速率，即由1.5°/s 提高到2°/s。仿真結(jié)果如圖10 所示，與工況3 相比，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略一致的情況下，產(chǎn)生負(fù)推力的時(shí)間提前到約4 s，37 s 后船停止，停船距離為2.89 倍船長(zhǎng)。可見(jiàn)，該方案緊急停船性能有明顯的改善。

圖10 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速先減后加螺距角快速減小工況仿真計(jì)算結(jié)果Fig.10 Simulation result of variable engine speed and fast pitch setting speed

3.2.5 工況5：柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速螺距快速減小過(guò)程仿真

為驗(yàn)證不同主機(jī)轉(zhuǎn)速匹配策略的影響，對(duì)主機(jī)恒轉(zhuǎn)速策略進(jìn)行仿真，具體策略為：船舶達(dá)到最大航速并穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)柴油機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)緊急制動(dòng)程序，推進(jìn)控制系統(tǒng)控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)距槳以每2°/s 的速率降螺距，柴油機(jī)在整個(gè)過(guò)程中不超負(fù)荷。仿真結(jié)果如圖11 所示，執(zhí)行緊急停船后約5 s開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)推力，38.9 s 后船停止，停船距離為2.96倍船長(zhǎng)?？梢?jiàn)，在緊急制動(dòng)過(guò)程中保持主機(jī)恒轉(zhuǎn)速，雖然主機(jī)不易超負(fù)荷，但推力的改變速率小于變轉(zhuǎn)速策略，停船時(shí)間和距離比變轉(zhuǎn)速策略有所增加。

圖11 柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速螺距角快速減小仿真計(jì)算結(jié)果Fig.11 Simulation result of constant engine speed and fast pitch setting speed

可知，主機(jī)采用先降速再升速的策略、螺旋槳以較快速率變距時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的緊急停船性能，因此該巡邏船實(shí)船以2°/s 作為調(diào)距槳的調(diào)距指標(biāo)，以變轉(zhuǎn)速作為控制系統(tǒng)的操控策略。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了影響艦船緊急制動(dòng)性能的主要因素，并以某巡邏船為研究對(duì)象，對(duì)緊急制動(dòng)性能進(jìn)行仿真，可得以下結(jié)論：

1）影響艦船緊急制動(dòng)性能的因素主要有船舶質(zhì)量及附加質(zhì)量、船舶阻力和推進(jìn)器推力等，其中在設(shè)計(jì)中優(yōu)化主機(jī)與螺旋槳的匹配控制策略、調(diào)整調(diào)距槳的螺距變化速率是提升緊急制動(dòng)性能的有效途徑，其原理為改變推進(jìn)器的推力變化速率。

2）在不采取主動(dòng)措施的情況下，艦船制動(dòng)距離和時(shí)間均很長(zhǎng)，通過(guò)采取主動(dòng)措施，該巡邏船緊急制動(dòng)距離可控制在3 倍船長(zhǎng)以?xún)?nèi)。

3）對(duì)于柴油機(jī)-調(diào)距槳推進(jìn)的艦船，采用變轉(zhuǎn)速策略比恒轉(zhuǎn)速策略具有更好的緊急制動(dòng)性能，停船距離減小了2.44%。

4）調(diào)距槳螺距變化速率對(duì)緊急制動(dòng)性能有較大影響，提高螺旋槳調(diào)距速率可有效減小緊急制動(dòng)時(shí)間和距離，調(diào)距速率加快33%，停船距離將減少13%。