CN108100203B - 船舶中速柴油机推进动力装置的应急换向控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其根据中速柴油主机船舶的船机桨技术参数在应急换向控制器中建立船‑机‑桨数学模型；在船舶应急换向时，通过采集包括船舶航速、装载和海况实时参数，利用模型计算输出允许主机倒车合排的标志至主机遥控装置，为其控制应急换向提供可靠依据和实现方法，缩短船舶紧急制动时间和距离，优化应急换向过程，以解决中速柴油机动力船舶应急换向易出现包括主机焖熄和倒车响应不及时的问题。本发明可在船舶应急倒航操纵时，保证柴油主机不熄火的前提下快速倒车合排成功，实现螺旋桨倒转使船舶快速制动，为紧急情况避险争取宝贵时间。

Description

船舶中速柴油机推进动力装置的应急换向控制器
技术领域
本发明涉及船舶动力装置控制领域，特别适用于带倒顺离合器齿轮箱的柴油主机推进动力装置，属于船舶动力装置自动控制技术领域。
背景技术
船舶中速柴油主机推进动力装置，通常由柴油机经倒顺离合器减速齿轮箱驱动螺旋桨。船舶航行中如遇突发状况需要紧急倒车时，主机先紧急降速至脱排转速，齿轮箱脱排，主机怠速运行，螺旋桨呈水涡轮状态，此时倒车合排，由于螺旋桨的阻转矩很大，主机输出转矩不足以克服摩擦力矩、螺旋桨阻力矩和轴桨转动惯量，冒然合排会焖熄主机。只有当航速和螺旋桨转速下降，螺旋桨阻转矩减小，主机输出转矩足以克服摩擦力矩、螺旋桨阻力矩和轴桨转动惯量时才能倒车合排成功。然而，这一时刻在实践中很难准确把握，因为，螺旋桨阻力矩不光与航速有关，还与船舶载重和海况等因素相关。而目前，一般采用经验设置倒车合排等待时间(俗称时间原则)，即按船舶满载和最高航速估计允许倒车合排的等待时间。显然，这种应急换向控制方式，一方面，当航速比较低、装载较少和海况较好时，造成倒车合排等待时间过长，拖延避险时机；另一方面，当航速比较高、装载较重和海况恶劣时，可能造成柴油主机焖熄，危及船舶生命财产安全。
本发明依据船、机、桨三者的力矩耦合传递关系，在应急换向控制器中运行船-机-桨模型，根据采集的船舶航速、装载和海况等实时参数进行运算，得出倒车合排等待时间；输出允许合排标志指令至主机遥控装置，执行倒车合排动作。在保证柴油主机不熄火的前提下快速倒车成功合排，实现螺旋桨倒转使船舶快速制动，为紧急情况避险争取宝贵时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种船舶中速柴油机推进动力装置的应急换向控制器，在船舶应急倒航操纵时，可保证柴油主机不熄火的前提下快速倒车成功合排，实现螺旋桨倒转使船舶快速制动，为紧急情况避险争取宝贵时间。
本发明解决技术问题采用以下技术方案：
本发明提供的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其根据中速柴油主机船舶的船机桨技术参数在应急换向控制器中建立船-机-桨数学模型；在船舶应急换向时，通过采集包括船舶航速、转载和海况实时参数，利用模型计算输出允许主机倒车合排的标志至主机遥控装置，为其控制应急换向提供可靠依据和实现方法，缩短船舶紧急制动时间和距离，优化应急换向过程，以解决中速柴油机动力船舶应急换向易出现包括主机焖熄和倒车响应不及时的问题。
所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其包括航速仪、船舶吃水测量仪、风速风向仪、应急换向控制器、主机遥控装置、倒顺离合器、主机调速器；所述应急换向控制器与航速仪、船舶吃水测量仪和风速风向仪采用屏蔽双绞线连接，与主机遥控装置通过以太网电缆连接，主机遥控装置与倒顺离合器和主机调速器采用电连接。
所述航速仪、船舶吃水测量仪和风速风向仪通过RS485通讯线缆发送航速、船舶艏艉吃水和风速风向信号至应急换向控制器；应急换向控制器和主机遥控装置采用工业以太网线连接进行数据交换，其中，应急换向控制器接收主机遥控装置的应急换向标志和艉轴转速信号，主机遥控装置读取应急换向控制器中的允许倒车合排标志。
所述应急换向控制器由工业控制计算机组成，工业控制计算机提供点对点通讯的RS485通讯接口和以太网口。
所述的主机遥控装置，其与减速齿轮箱倒顺离合器和柴油主机调速器电连接，主机遥控装置发出齿轮箱合排脱排指令给倒顺离合器，发出柴油主机转速给定指令到调速器。
所述的倒顺离合器，其执行主机遥控装置发出的合排脱排指令，对减速齿轮箱执行脱排、正车合排和倒车合排动作。
所述的调速器，其执行主机遥控装置发出的柴油主机转速给定指令，控制柴油机的供油量大小，实现柴油主机转速调节。
所述的应急换向控制器采用工业控制计算机作为数据处理器，其中，包括运行船-机-桨数学模型，读取航速、船舶艏艉吃水、风速风向和艉轴转速实时数据，以及柴油机外特性数据为模型输入，运算输出允许倒车合排标志至主机遥控装置。
所述的应急换向控制器，通过主机遥控装置鉴别并发送应急换向操纵标志，使激活应急换向控制器运行船-机-桨模型；模型根据紧急倒车成功合排需满足：柴油主机输出转矩MD大于轴系摩擦阻力矩Mf、螺旋桨阻力矩Mp、艉轴和螺旋桨的转动惯量(J0+J1)；在满足条件时，控制器输出允许倒车合排标志，主机遥控装置读取到合排标志，执行倒车合排系列操作。
所述的应急换向控制器根据测得的包括航速，风速风向，船舶吃水和艉轴转速等海况和推进装置运行参数，进行实时运算判断后给出允许合排的标志位信号，从而达到控制器在应急换向操作时的自适应要求。
在带倒顺离合器齿轮箱中速柴油主机推进装置的船舶在应急倒航操纵时，应急换向控制器通过采集船舶航速、转载和海况等实时参数，计算输出允许主机倒车合排的标志至主机遥控装置，执行倒车合排动作。在保证柴油主机不焖熄的前提下快速倒车成功合排，实现螺旋桨倒转使船舶快速制动，为紧急情况避险争取宝贵时间。
本发明适用于带倒顺离合器齿轮箱中速柴油主机推进装置作为推进动力的船舶，具有广泛的应用前景，对于采用此类推进装置的客船，更显其重要意义。
附图说明
图1是本发明带倒顺离合器齿轮箱柴油主机推进装置的应急换向控制器的结构图。图中点画线为串行RS485通讯线；双向线为以太网线；实线为信号线。
图中：1.航速仪；2.船舶吃水测量仪；3.风速风向仪；4.应急换向控制器；5.主机遥控装置；6.倒顺离合器；7.主机调速器；8.螺旋桨；9.减速齿轮箱；10.柴油主机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其结构如图1所示：包括航速仪1、船舶吃水测量仪2、风速风向仪3、应急换向控制器4、主机遥控装置5、倒顺离合器6、主机调速器7。其中：应急换向控制器4与航速仪1、船舶吃水测量仪2和风速风向仪3采用屏蔽双绞线(RS485)连接，与主机遥控装置5通过以太网电缆连接，主机遥控装置5与倒顺离合器6和主机调速器7采用电连接。
所述航速仪1采用现有驾驶台资源设备，用于测定船舶对地航行速度。该航速仪显示和转发接口工装在驾驶室的驾驶台上。
所述船舶吃水测量仪2采用现有驾驶台资源设备，用于测量船舶吃水装载。该船舶吃水测量仪显示和转发接口工装在驾驶室的驾驶台上。
所述风速风向仪3采用现有驾驶台资源设备，用于测量船舶所处位置的风速和风向。该风速风向仪3通过显示和转发接口工装在驾驶室的驾驶台上。
所述应急换向控制器4采用工业控制计算机作为数据处理器，应急换向控制器4中运行船-机-桨模型，当读取到主机遥控装置5发送的应急换向标志时，应急换向控制器4读取航速、船舶艏艉吃水、风速风向和艉轴转速等数据，判断输出允许倒车合排时的标志，主机遥控装置5读取到应急换向控制器4输出的允许合排标志位，执行倒车合排系列动作。该应急换向控制器4工装在集控室的集控台内。
所述主机遥控装置5采用可编程逻辑控制器，用于主机调速控制及齿轮箱的操作控制。该主机遥控装置5工装在集控室的集控台内。
所述倒顺离合器6为现有技术，用于控制减速齿轮箱的正倒车合排，从而实现螺旋桨正倒转。
所述主机调速器7为现有技术，用于控制柴油机供油设定达到车钟指令转速，模拟量控制信号由主机遥控装置5发出。
所述航速仪1、船舶吃水测量仪2和风速风向仪3通过RS485通讯线发出航速、船舶艏艉吃水和风速风向信号至应急换向控制器4，应急换向控制器4与主机遥控装置5通过以太网线连接交换数据，并读取主机遥控装置5中的艉轴转速信号和应急换向标志位信号，主机遥控装置5读取应急换向控制器4的允许倒车合排的标志位信号。
主机遥控装置5与倒顺离合器6电连接，输出控制倒顺离合器6脱排和合排的标志来执行减速齿轮箱9的脱排、正车合排和倒车合排操作；主机遥控装置5与主机调速器7电连接，输出控制油门大小的模拟量控制信号实现对柴油主机10进行调速控制；柴油主机10输出轴经减速齿轮箱9减速与螺旋桨8经艉轴机械连接。
船-机-桨模型是根据紧急倒车合排成功需要满足：主机输出转矩MD需要克服摩擦阻力矩Mf、螺旋桨阻力矩Mp、艉轴和螺旋桨的转动惯量(J0+J1)才能合排成功；其中螺旋桨阻力矩Mp与船速Vp和艉轴转速n正相关(Mp&(Vp·n))；其中，船舶艏艉吃水和风速风向数据对船-机-桨的数学模型做实时修正；判断输出的允许合排的标志信号至主机遥控装置5。
应急换向控制器4可在不影响船舶现有设备的前提下加装该控制器，应急换向控制器4的具体运行策略为：
主机遥控装置5甄别应急换向信号，当柴油主机输出轴实际转速大于前进四挡转速拉倒车时，主机遥控装置5检测发出的应急换向标志至应急换向控制器4，作为激活控制器运行船-机-桨模型的标志信号。
应急换向控制器4激活运行，读取实时航速、船舶艏艉吃水、风速风向和艉轴转速数据和柴油主机外特性参数，判断输出允许柴油主机10进行倒车合排操作标志至主机遥控装置5。
主机遥控装置5读取应急换向控制器4的倒车合排标志位，执行倒车合排系列操作，发出主机设定转速的模拟量信号至主机调速器7，控制柴油主机10转速升至合排转速后，输出倒车合排的开关量信号至倒顺离合器6执行倒车合排动作，螺旋桨反转，船舶减速倒航。
根据船型不同和实时海况，由具体船机桨技术参数和实时海况数据对工业计算机中船-机-桨数学模型进行修正，根据测得的航速，风速风向，船舶吃水和艉轴转速等海况和推进装置运行参数，根据上述的控制策略实时运算判断输出允许倒车合排的标志位信号，从而达到应急换向控制器4在应急换向操作时的自适应要求。
本应急换向控制器作为应急控制的重要辅助设备，在船舶航行时采用UPS不间断供电。
本发明提供的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其工作过程是：主机遥控装置甄别应急换向输入信号(当柴油主机输出轴实际转速大于前进四挡转速时拉倒车)来激活应急换向控制器运行船-机-桨模型，应急换向控制器运行，读取航速、船舶艏艉吃水、风速风向和艉轴转速等实时数据，利用模型判断是否满足倒车合排条件，当满足应急换向合排条件时，输出允许齿轮箱倒车合排标志信号至主机遥控装置，主机遥控装置读取到合排标志后发出倒车合排操纵系列指令，执行倒车合排操纵。

Claims (9)

1.一种船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是根据中速柴油主机船舶的船机桨技术参数在应急换向控制器中建立船-机-桨数学模型；在船舶应急换向时，通过采集包括船舶航速、装载和海况实时参数，利用模型计算输出允许主机倒车合排的标志至主机遥控装置，为其控制应急换向提供可靠依据和实现方法，缩短船舶紧急制动时间和距离，优化应急换向过程，以解决中速柴油机动力船舶应急换向易出现包括主机焖熄和倒车响应不及时的问题；
该控制器包括航速仪(1)、船舶吃水测量仪(2)、风速风向仪(3)、应急换向控制器(4)、主机遥控装置(5)、倒顺离合器(6)、主机调速器(7)；
所述航速仪(1)、船舶吃水测量仪(2)和风速风向仪(3)通过RS485通讯线缆发送航速、船舶艏艉吃水和风速风向信号至应急换向控制器(4)；应急换向控制器(4)和主机遥控装置(5)采用工业以太网线连接进行数据交换，其中，应急换向控制器(4)接收主机遥控装置(5)的应急换向输入标志和艉轴转速信号，主机遥控装置(5)读取应急换向控制器(4)中的允许倒车合排标志。
2.根据权利要求1所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是；所述应急换向控制器(4)与航速仪(1)、船舶吃水测量仪(2)和风速风向仪(3)采用屏蔽双绞线连接，与主机遥控装置(5)通过以太网电缆连接，主机遥控装置(5)与倒顺离合器(6)和主机调速器(7)采用电连接。
3.根据权利要求2所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是所述应急换向控制器(4)由工业控制计算机组成，工业控制计算机提供点对点通讯的RS485通讯接口和以太网口。
4.根据权利要求2所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是主机遥控装置(5)与减速齿轮箱倒顺离合器(6)和柴油主机调速器(7)电连接，主机遥控装置(5)发出齿轮箱合排脱排指令至倒顺离合器(6)、发出柴油机转速给定指令到调速器(7)。
5.根据权利要求4所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是所述的倒顺离合器(6)，其执行主机遥控装置(5)发出的合排脱排指令，对减速齿轮箱执行脱排、正车合排和倒车合排动作。
6.根据权利要求4所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是所述的调速器(7)，其执行主机遥控装置(5)发出的柴油主机转速给定指令，控制柴油机的供油量大小，实现柴油主机转速调节。
7.根据权利要求2所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是应急换向控制器(4)采用工业控制计算机作为数据处理器，其中，包括运行船-机-桨数学模型，读取航速、船舶艏艉吃水、风速风向和艉轴转速实时数据，以及柴油机外特性数据为模型输入，运算输出允许倒车合排标志至主机遥控装置(5)。
8.根据权利要求7所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是所述的应急换向控制器(4)，通过主机遥控装置(5)鉴别并发送应急换向操纵标志，使激活应急换向控制器(4)运行船-机-桨模型；模型根据紧急倒车成功合排需满足：柴油主机输出转矩MD大于轴系摩擦阻力矩Mf、螺旋桨阻力矩Mp、艉轴和螺旋桨的转动惯量(J0+J1)；在满足条件时，控制器输出允许合排标志位，主机遥控装置(5)读取到合排标志，执行倒车合排系列操作。
9.根据权利要求8所述的船舶中速柴油机推进动力装置应急换向控制器，其特征是应急换向控制器(4)根据测得的包括航速，风速风向，船舶吃水和艉轴转速海况，以及推进装置运行参数，进行实时运算判断后给出允许合排的标志位信号，从而达到控制器在应急换向操作时的自适应要求。
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