蒲曉亮，鐘 濤，王艷真

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院, 上海 200011)

0 引 言

緊急制動即全速倒車停船，系指從發(fā)出全速倒車指令時起到船舶停在水中時的航跡行程[1]。它是船舶操縱性的重要指標(biāo)之一，可用無因次參數(shù)停船跡程與船長的比值來衡準(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)行對抗、驅(qū)逐和作戰(zhàn)等使命任務(wù)。相關(guān)規(guī)范對該指標(biāo)有明確的規(guī)定，例如，IMO《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定全速倒車停船試驗測得的航跡行程不應(yīng)超過15 倍船長[1]，GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》對不同的船型提出了不同的衡準(zhǔn)指標(biāo)，對于驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦，無因次停船跡程應(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)計指標(biāo)，船舶設(shè)計者需在船舶初步設(shè)計階段對緊急制動性能進行預(yù)報，還應(yīng)分解出影響船舶緊急制動性能的相關(guān)因素，并對其提出具體要求。當(dāng)前，柴油機動力仍然是船舶主要動力型式，螺旋槳則是最主要的推進器。特別在對緊急制動性能要求較高的巡邏船、護衛(wèi)艦等領(lǐng)域，絕大多數(shù)艦船采用柴油機-調(diào)距槳推進系統(tǒng)。因此掌握這種推進型式艦船緊急制動性能的預(yù)報方法和影響因素對艦船設(shè)計非常重要。

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

1 緊急停船數(shù)學(xué)模型

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

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

1.1 動力傳遞模型及平衡方程

船舶運動是三大部件配合的結(jié)果[3]，發(fā)動機輸出的功率、扭矩通過推進器產(chǎn)生推力，推力作用于船體，實現(xiàn)船舶的運動，這種配合一般稱為船-機-槳匹配，其動力傳遞模型如圖2 所示。

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

船舶緊急制動是船-機-槳配合的一種形式，其動力學(xué)方程為：

1.2 影響船舶緊急制動的因素

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性能的關(guān)系，引入緊急制動衡準(zhǔn)參數(shù)無因次跡程，有

式中：ST′為 無因次跡程；S T為停船跡程；L為船長。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為船長與型寬之比；K2為型寬與吃水之比。

船舶動態(tài)附加質(zhì)量與船舶質(zhì)量成正比，即：

需說明的是，船舶的主尺度和排水量在初步設(shè)計階段已經(jīng)確定，即船舶質(zhì)量和附加質(zhì)量在船舶設(shè)計之初正確定，因此無法通過改變該參數(shù)來調(diào)整船舶緊急制動指標(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)船舶線型和附體設(shè)計確定后即為定值，因此無法通過改變靜水阻力調(diào)整船舶的緊急制動性能。而船舶在波浪中航行時的阻力增加與船舶運行時的水動力環(huán)境有關(guān)，海況、水深和操舵等均對其有較大影響，這些因素與船舶實際操縱有關(guān)，無法通過設(shè)計改變，可見在規(guī)定緊急制動指標(biāo)時應(yīng)同時明確測試條件。沈定安等[5]指出影響船舶制動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，進而影響制動性能。

1.2.3 螺旋槳推力

螺旋槳推力與整個推進系統(tǒng)有關(guān)。就本文所研究的推進系統(tǒng)而言，柴油機性能、齒輪箱及軸系效率、調(diào)距槳特性均對螺旋槳推力有影響，推進系統(tǒng)各組成設(shè)備之間存在多種匹配關(guān)系，如柴油機轉(zhuǎn)速與螺旋槳轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系、柴油機負(fù)荷與螺旋槳螺距之間的匹配關(guān)系等?？梢娡ㄟ^改變推進系統(tǒng)各組成設(shè)備的性能以及匹配關(guān)系可對船舶緊急制動性能產(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，緊急制動的過程實際是螺旋槳減小推力并產(chǎn)生倒車推力的過程，具體是通過改變螺旋槳轉(zhuǎn)速和螺距實現(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)計可通過增加液壓系統(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-槳匹配模型里，螺旋槳實際為柴油機的負(fù)載，而柴油機的性能將制約調(diào)距槳螺距和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，包括柴油機的運行區(qū)域、加減速性能和調(diào)速性能等，因此在計算船舶緊急制動性能時，應(yīng)使負(fù)載變化不能超出柴油機的限制。柴油機持續(xù)工作時，其負(fù)荷不能超過MCR 曲線，但在船舶加速或緊急制動過程中，可短時使其超過MCR，可取110%MCR 作為負(fù)荷限制線[7]。在仿真計算時，需同柴油機確認(rèn)是否允許短時使用110%MCR，還有些柴油機在加速或減速時以DBR 曲線作為負(fù)荷限制線。

傳動和軸系系統(tǒng)對螺旋槳推力的影響主要是由于傳動效率造成的，在緊急制動性能計算時，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確計算傳動效率。傳動功率損失主要是傳動部件在運行過程中摩擦、發(fā)熱等造成的，如彈性聯(lián)軸器、齒輪箱傳動裝置、軸承等，在仿真計算時需分別進行計算。

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)計之初就已確定，本文研究對象排水量約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)，本文研究對象在瑞典國立船模試驗水池進行了模型試驗，得到了較完整的伴流系數(shù)、推力減額、相對旋轉(zhuǎn)效率等數(shù)據(jù)，其阻力曲線如圖3 所示。

圖3 阻力曲線Fig.3 Ship resistance curve

2.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要包括主機與齒輪箱連接的聯(lián)軸器、齒輪箱和軸系，傳動系統(tǒng)最主要的功能是傳遞功率、扭矩和推力。傳動系統(tǒng)中各類聯(lián)軸器和軸承在運行中均存在功率損耗，特別是軸系較長的船舶，傳動系統(tǒng)的功率損耗較大，一般傳動系統(tǒng)效率在90%～95%之間，在緊急制動模型中不能忽略。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，在計算中應(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，在無數(shù)據(jù)的情況下，齒輪箱可按效率98%～99% 計算，軸承按每只99.5%計算。

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

2.3 螺旋槳

螺旋槳通過吸收主機發(fā)出的功率產(chǎn)生推力，對于采用調(diào)距槳推進的船舶，在緊急制動過程中，螺旋槳旋向不會改變，而是通過改變螺距比實現(xiàn)推力的變化。在緊急制動計算中，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)一般可通過模型敞水試驗獲得，螺旋槳設(shè)計者會提供設(shè)計槳的推力系數(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。而船舶在緊急制動過程中，螺旋槳的工作范圍會超出第一象限，此時需要螺旋槳四象限特性，使用調(diào)距槳的船舶是通過調(diào)節(jié)螺距比實現(xiàn)正倒車的，軸轉(zhuǎn)速始終為正值，因此只需第一和第四象限[10]。本文研究對象使用的調(diào)距槳進行了模型試驗，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Fig.4 Thrust coefficient curve under various pitch

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

進速比J的關(guān)系為：

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

3 仿真結(jié)果及討論

為在設(shè)計階段掌握該船的緊急制動性能，建立仿真模型對其緊急制動性能進行仿真計算。柴油機及傳動部分利用GT-SUITE 軟件的GT-Power 模塊建立，船和螺旋槳部分利用Matlab/Simulink 建立。本仿真重點對不同調(diào)距速率下的緊急制動跡程進行對比分析。

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，對一型已交付使用的船舶進行緊急制動仿真計算，并與該型船的緊急制動性能實船試驗數(shù)據(jù)對比，以驗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象類似，船長112 m，仿真和實船試驗得到的緊急制動結(jié)果如圖6 所示，從仿真結(jié)果來看，停船航跡程為360 m，實船試航測定的停船航跡程為363 m，可見仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。

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

3.2 仿真結(jié)果分析

為了對比主動進行緊急制動和不主動制動的差別，進行2 個典型的慣性滑行操縱情況的仿真；在主動緊急制動操縱下，為對比主機轉(zhuǎn)速匹配的影響，在調(diào)距槳調(diào)距速率一致的情況下，對主機恒轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速的情況進行對比；為分析調(diào)距槳變螺距速率對緊急制動性能的影響，進行了2 種不同變螺距速率下的制動性能仿真。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)零推力制動過程仿真

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

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

3.2.2 工況2：螺旋槳鎖軸零轉(zhuǎn)速制動過程仿真

為了對比螺旋槳在水中拖轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)對制動性能的影響，進一步計算螺旋槳鎖軸（n=0）的工況。操縱過程為：當(dāng)船舶達(dá)到最大航速穩(wěn)定航行時，將主機與軸系脫開，并將軸系鎖住。仿真結(jié)果如圖8 所示，與拖轉(zhuǎn)相比，由于螺旋槳無法旋轉(zhuǎn)使得阻力增加，因此航速下降更快，停船過程有所加快，時間超過3500 s后航速仍大于0，停船距離大于13.3 倍船長。

圖8 螺旋槳鎖軸工況仿真計算結(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)距速率進行仿真，調(diào)距速率為1.5°/s。為了盡量提升緊急制動性能，提出柴油機變轉(zhuǎn)速的策略，即當(dāng)正車推力減小時，使主機減速以增加正車推力減小速率，當(dāng)螺旋槳開始產(chǎn)生負(fù)推力時，增加主機轉(zhuǎn)速以增加負(fù)推力增加的速率。仿真結(jié)果如圖9 所示，制動開始后約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。

3.2.4 工況4：柴油機變轉(zhuǎn)速螺距快速減小過程仿真

為進一步提升緊急制動性能，通過增加調(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，在柴油機轉(zhuǎn)速控制策略一致的情況下，產(chǎn)生負(fù)推力的時間提前到約4 s，37 s 后船停止，停船距離為2.89 倍船長。可見，該方案緊急停船性能有明顯的改善。

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

3.2.5 工況5：柴油機恒轉(zhuǎn)速螺距快速減小過程仿真

為驗證不同主機轉(zhuǎn)速匹配策略的影響，對主機恒轉(zhuǎn)速策略進行仿真，具體策略為：船舶達(dá)到最大航速并穩(wěn)定運行，此時柴油機工作在額定轉(zhuǎn)速，啟動緊急制動程序，推進控制系統(tǒng)控制柴油機轉(zhuǎn)速不變，調(diào)距槳以每2°/s 的速率降螺距，柴油機在整個過程中不超負(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?？梢?，在緊急制動過程中保持主機恒轉(zhuǎn)速，雖然主機不易超負(fù)荷，但推力的改變速率小于變轉(zhuǎn)速策略，停船時間和距離比變轉(zhuǎn)速策略有所增加。

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

可知，主機采用先降速再升速的策略、螺旋槳以較快速率變距時，可實現(xiàn)較優(yōu)的緊急停船性能，因此該巡邏船實船以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

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

1）影響艦船緊急制動性能的因素主要有船舶質(zhì)量及附加質(zhì)量、船舶阻力和推進器推力等，其中在設(shè)計中優(yōu)化主機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性能的有效途徑，其原理為改變推進器的推力變化速率。

2）在不采取主動措施的情況下，艦船制動距離和時間均很長，通過采取主動措施，該巡邏船緊急制動距離可控制在3 倍船長以內(nèi)。

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

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