CN109050808A - 一种新型气垫破冰船及破冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶破冰技术领域，具体涉及一种新型气垫破冰船及破冰方法。一种新型气垫破冰船包括：气垫船、力臂系统和感应加热式破冰系统；气垫船为整个主体动力部分，并且气垫船首部为U型结构；力臂系统位于气垫船的前端，连接在气垫船首部U型结构之间；感应加热式破冰系统周向形状为椭圆形/圆形，位于力臂系统的前端，连接在力臂系统前端轴上；一种新型气垫破冰方法包括：较薄冰况破冰模式、普通冰况破冰模式以及较厚冰况破冰模式。本发明提高了破冰系统的低温破冰适应性和破冰效率，增强了破冰系统的破冰能力，同时气垫船以其良好的两栖性能，保证了气垫破冰船在不稳定冰面上破冰作业的安全性，使得本发明能在冰面任意位置灵活破冰。

Description

一种新型气垫破冰船及破冰方法

技术领域

本发明涉及船舶破冰技术领域，具体涉及一种新型气垫破冰船及破冰方法。

背景技术

传统的破冰方式主要包括破冰船破冰法和炸药破冰法，破冰船破冰法通过破冰船首对冰面施加载荷，使冰面过载而实现破冰；炸药破冰法通过埋布炸药或者投掷炮弹来使目标冰面炸碎。传统破冰法因其较好的实施性，较低的破冰成本而一直为主流破冰方式。

然而，由于破冰船破冰法在破冰过程中存在船体倾覆风险，且时常受制于航道、冰厚等条件而无法正常实施，炸药破冰法存在一定的安全隐患，同时还由于会带来较大的环境污染而无法在国际航道实施。新兴的破冰方式包括共振破冰法、微波破冰法和气泡破冰法等，应用破冰技术先进，但往往存在控制较为复杂、实施难度大的问题。

目前，近年来提出的新型破冰方法——气垫破冰技术，因其良好的两栖性和通过性，可在覆冰水面灵活破冰，能广泛应用于内陆河湖、海湾、港口等水域。气垫破冰法可分为高速和低速两种破冰模式，高速破冰模式下，气垫船调整航速，使之与冰面应力波传递速度一致，从而使冰面出现波能集中而破坏；低速模式模式下，气垫船即可全部行驶至冰面上，利用自身重量进行破冰，也可部分驶上冰面，通过垫升系统向冰面下吹气，使冰面下形成不稳定的空气腔，从而使冰面在气垫船和空气腔共同作用下破坏。然而气垫破冰船因其吨位及垫升气压的限制，实际破冰能力有限。

综上所述，查阅资料后尚未见到有一个将感应加热技术、冰面破碎技术和气垫船技术有机结合，直接在冰面上进行破冰的破冰装备。

发明内容

本发明的目的在于提供结构简单，破冰能力强，适用范围广的一种新型气垫破冰船及破冰方法。

本发明的目的是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种新型气垫破冰船，包括：

气垫船、力臂系统和感应加热式破冰系统；气垫船为整个气垫破冰船的主体动力部分，并且气垫船首部为U型结构；力臂系统位于气垫船的前端，连接在气垫船首部U型结构之间；感应加热式破冰系统周向形状为椭圆形/圆形，感应加热式破冰系统位于力臂系统的前端，连接在力臂系统前端轴上；

气垫船，包括：基座1，艏部横梁2，甲板17，气垫围裙18，船舱19以及推进器20；基座1位于气垫船首部U型结构后侧，通过焊接固定在甲板17上；艏部横梁2位于气垫船首部U型结构中间靠近船体位置，通过焊接固定在气垫船首部U型结构两侧的船体上，艏部横梁2内设置有电缆和高压气道；气垫围裙18位于船体下部；船舱19位于船体中部；推进器20位于船体尾部；

力臂系统，包括：一级伸缩臂3，主臂4，二级伸缩臂5，二级高压气管6，二级缆10，一级缆15，一级高压气管16，第一梢钉21，第二梢钉22，第三梢钉23以及第四梢钉24；一级伸缩臂3的后端通过第一梢钉21铰链连接在基座1上，一级伸缩臂3的前端通过第二梢钉22铰链连接在主臂4后侧上表面；主臂4后端通过铰链连接在艏部横梁2中央，主臂4内设置有电缆和高压气道，；二级伸缩臂5的后端通过第三梢钉23铰链连接在主臂4中间上表面；二级高压气管6的一端连接在主臂4上；二级缆10的一端连接在主臂4上；一级缆15和一级高压气管16位于艏部横梁2和主臂4之间；

感应加热式破冰系统，包括：感应围壳7，破冰齿轨8，破冰齿9，破冰器主机11，高能电磁感应器12，增压器13，下喷管14，转动轴25以及上喷管26；感应围壳7连接在破冰器主机11的后部，感应围壳7的上端通过第四梢钉24铰链连接在二级伸缩臂5的前端，二级缆10的另一端连接在感应围壳7上；破冰齿轨8位于破冰器主机11的周向位置，破冰齿轨8上均匀固定若干个破冰齿9；破冰器主机11与主臂4的前端通过转动轴25连接；高能电磁感应器12位于感应围壳7的左右两侧，二级高压气管6的另一端连接在高能电磁感应器12的上部；增压器13位于感应围壳7的后部，增压器13通过二级高压气管6、主臂4、一级高压气管16和艏部横梁2与气垫船高压气室连通，增压器13上下两端分别设置上喷管26和下喷管14，上喷管26开口方向对准即将进入感应围壳7内的若干个破冰齿9，下喷管14开口方向对准感应围壳7下部出口位置；

技术说明：

(1)感应加热式破冰系统破冰作业时，破冰齿9在破冰齿轨8带动下做前部破冰齿向上，后部破冰齿向下的旋转运动；

(2)破冰齿9的选材采用易于产生涡流的金属材料；

第二方面，本发明实施例提供一种新型气垫破冰方法，包括：

模式一：较薄冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船直接驶上冰面，采用重力式破冰的方法以及在冰面下形成空气腔的方法，实现在冰面上进行破冰的目的；

模式二：普通冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船驶上冰面，首先启动并放下感应加热式破冰系统，将感应加热式破冰系统向下移动至切穿冰面，通过开动气垫破冰船向前运动切割，得到一定长度的冰沟；之后，在冰面上以一定距离为间隔，重复之前步骤，得到若干一定长度的冰沟，即冰面被切割成一个个悬臂梁；最后，将气垫破冰船驶至冰梁末端上方，采用重力式破冰的方法将冰层压断，实现在冰面上进行破冰的目的；

模式三：较厚冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船驶上冰面，首先启动并放下感应加热式破冰系统，将感应加热式破冰系统向下移动切入冰面至装置设计的可行最深位置，通过开动气垫破冰船向前运动切割，得到一定长度的冰沟；之后，在冰面上以一定距离为间隔，重复之前步骤，得到另一条一定长度的冰沟，使冰面在两冰沟处的结构强度降低且易发生应力集中现象；最后，借助大型破冰船破坏该冰面，实现在冰面上进行破冰的目的；

本发明的有益效果在于：

1.本发明将感应加热技术、冰面破碎技术和气垫船技术有机结合。本发明在破冰过程中将感应加热技术和破冰器破冰技术结合，实现破冰齿的非接触快速加热，提高了破冰系统的低温破冰适应性和破冰效率，增强了破冰系统的破冰能力，同时气垫船以其良好的两栖性能，保证了气垫破冰船在不稳定冰面上破冰作业的安全性，使得本发明能在冰面任意位置灵活破冰；

2.本发明利用感应加热式破冰系统内的高能电磁感应器，使感应围壳内部的破冰齿产生较大涡流，进而使破冰齿温度迅速升高，破冰齿在旋转过程中通过机械碰撞和热效应而使冰面快速破碎。整个感应加热式破冰系统高度方向尺寸较大，破冰作业时可深入冰层甚至切穿冰面，然后开动气垫破冰船向前切出一定距离的冰沟，而后在冰面上以一定距离为间隔切出若干冰沟，使冰面破坏强度大大降低且容易出现应力集中现象，最终利用气垫破冰船实现破冰；

3.本发明结构简单，整体尺寸较目前破冰装备而言更小，而破冰厚度和适用范围远大于其他破冰船，可作为内陆河湖和沿海海域的主要破冰装备，同时也可作为极地冰区船舶的辅助破冰装备，当极地船舶遇到超过船舶破冰能力冰区时，可借助本发明进行破冰航行，大大提高冰区船舶极端情况下的破冰能力；

附图说明

图1为一种新型气垫破冰船的结构原理图；

图2为本发明船体首部布置局部视图；

图3为本发明感应加热式破冰系统局部视图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1为一种新型气垫破冰船的结构原理图；

图2为本发明船体首部布置局部视图；

图3为本发明感应加热式破冰系统局部视图。

本发明的技术方案是这样实现的：

图中：1.基座，2.艏部横梁，3.一级伸缩臂，4.主臂，5.二级伸缩臂，6.二级高压气管，7.感应围壳，8.破冰齿轨，9.破冰齿，10.二级缆，11.破冰器主机，12.高能电磁感应器，13.增压器，14.下喷管，15.一级缆，16.一级高压气管，17.甲板，18气垫围裙，19.船舱，20.推进器，21.梢钉1，22.梢钉2，23.梢钉3，24.梢钉4，25.转动轴，26.上喷管。

在图1中，气垫破冰船首部的基座1位于U型结构后侧上部，与一级伸缩臂3后端部铰接，船首横梁2中部与主臂4后端部铰接，主臂4顶部分别与一级伸缩臂3前端部和二级伸缩臂5后端部铰接，主臂4、一级伸缩臂3和二级伸缩臂5共同组成力臂系统，一同控制前侧感应加热式破冰系统的运动，主臂4前端部与破冰器主机11连接，二级伸缩臂5前端部与感应围壳7上部铰接，感应围壳7连接在破冰器主机11的后部，破冰器主机11的周向位置设置破冰齿轨8，破冰齿轨8上均匀固定若干个破冰齿9，破冰主机11可驱动破冰齿轨8周向运动，进而使破冰齿9旋转，二级缆10连接感应围壳7和主臂4，为感应加热式破冰系统提供电能和控制信号，高能电磁感应器12设置在感应围壳7的左右两侧，可产生高频变化的强磁场，增压器13设置在感应围壳7的后部，二级高压气管6一端连接增压器12的上部，另一端连接着主臂4，主臂4内设置有电缆和高压气道，下喷管14设置在增压器13的下部，可向感应围壳7的下出口喷出高压气体，艏部横梁2和主臂4之间设置有一级缆15和一级高压气管16，可为感应加热式破冰系统提供高压气体、电能和控制信号，基座1和艏部横梁2设置在气垫破冰船的艏部甲板17上，气垫破冰船中部设置有船舱19，船下部设置有围裙18，船尾部设置有两个推进器20，为气垫破冰船提供动力。

在图2中，气垫破冰船首部的基座1位于U型结构后侧上部，与一级伸缩臂3后端部通过梢钉21铰接，船首横梁2中部与主臂4后端部铰接，主臂4可绕船首横梁2上下摆动，主臂4顶部靠近端部位置与一级伸缩臂3前端部通过梢钉22铰接，主臂4顶部靠近中部位置和二级伸缩臂5后端部通过梢钉23铰接，主臂4、一级伸缩臂3和二级伸缩臂5共同组成力臂系统，一同控制前侧感应加热式破冰系统的运动，主臂4前端部与破冰器主机11通过转动轴25连接接，二级伸缩臂5前端部与感应围壳7上部通过梢钉24铰接，感应围壳7连接在破冰器主机11的后部，破冰器主机11的周向位置设置破冰齿轨8，破冰齿轨8上均匀固定若干个破冰齿9，破冰主机11可驱动破冰齿轨8周向运动，进而使破冰齿9旋转，二级缆10连接感应围壳7和主臂4，为感应加热式破冰系统提供电能和控制信号，高能电磁感应器12设置在感应围壳7的左右两侧，可产生高频变化的强磁场，增压器13设置在感应围壳7的后部，二级高压气管6一端连接增压器12的上部，另一端连接着主臂4，主臂4内设置有电缆和高压气道，增压器13上下两端分别设置上喷口26和下喷口14，其中上喷口26项感应围壳7上进口喷出高压气体，可吹除破冰齿9上的冰屑，下喷口14可向感应围壳7的下出口喷出高压气体，艏部横梁2和主臂4之间设置有一级缆15和一级高压气管16，可为感应加热式破冰系统提供高压气体、电能和控制信号，基座1和艏部横梁2设置在气垫破冰船的艏部甲板17上，船下部设置有围裙18。

在图3中，主臂4顶部靠近端部位置与一级伸缩臂3前端部通过梢钉22铰接，主臂4顶部靠近中部位置和二级伸缩臂5后端部通过梢钉23铰接，主臂4、一级伸缩臂3和二级伸缩臂5共同组成力臂系统，一同控制前侧感应加热式破冰系统的运动，主臂4前端部与破冰器主机11通过转动轴25连接，二级伸缩臂5前端部与感应围壳7上部通过梢钉24铰接，感应围壳7连接在破冰器主机11的后部，破冰齿9在破冰主机11周向均布，二级缆10连接感应围壳7和主臂4，为感应加热式破冰系统提供电能和控制信号，高能电磁感应器12设置在感应围壳7的左右两侧，可产生高频变化的强磁场，增压器13设置在感应围壳7的后部，二级高压气管6一端连接增压器12的上部，另一端连接着主臂4，主臂4内设置有电缆和高压气道，增压器13上下两端分别设置上喷口26和下喷口14，其中上喷口26项感应围壳7上进口喷出高压气体，可吹除破冰齿9上的冰屑，下喷口14可向感应围壳7的下出口喷出高压气体，主臂4后端设置有一级缆15和一级高压气管16，可为感应加热式破冰系统提供高压气体、电能和控制信号。

本发明的目的是为了区别于传统破冰装备而提供一种专门在冰面上破冰的新型气垫破冰船,具有结构简单，破冰能力强，适用范围广的特点。

本发明实现的技术方案是：

本发明的目的是这样实现的：包括气垫船、力臂系统和感应加热式破冰系统，所述气垫船设置推进器、船舱、甲板、气垫围裙，所述气垫船首部为U型设计，设置有艏部横梁和基座，所述力臂系统由主臂和连接在其上方的一级伸缩臂和二级伸缩臂组成，所述主臂后端与一级伸缩臂分别连接艏部横梁和基座，所述力臂前端和二级伸缩臂连接感应加热式破冰系统，所述感应加热式破冰系统主体为破冰器主机，所述破冰器主机中部与所述横梁前端通过转动轴相连，所述破冰器主机周向设置有破冰齿轨，所述破冰齿轨上均匀设置有破冰齿，所述破冰器主机后部设置有感应围壳，所述感应围壳上部与二级伸缩臂连接，中部左右两侧设置高能电磁感应器，后部设置增压器和上下喷管，所述主臂和艏部横梁内有电缆和高压气管，所述感应加热式破冰系统后部的增压器通过二级高压气管、主臂、一级高压气管、横梁与气垫船高压气室连通。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述感应加热式破冰系统周向形状可为椭圆形或圆形。

2.所述感应加热式破冰系统破冰作业时，破冰齿在破冰齿轨带动下做前部破冰齿向上，后部破冰齿向下的旋转运动，所述破冰齿的旋转运动与所述下喷口喷出的高压气流共同阻止水流进入感应围壳。

3.所述破冰齿选材采用易于产生涡流的金属材料。

4.所述新型气垫破冰船破冰包括三种破冰模式：

第一种模式为较薄冰况破冰模式：气垫破冰船直接驶上冰面，采用重力式破冰或在冰面下形成空气腔破冰的破冰法；

第二种模式为厚冰况破冰模式：先将气垫破冰船驶上冰面，启动并放下感应加热式破冰系统直至切穿冰面，然后开动气垫破冰船向前切出一定距离的冰沟，而后在冰面上以一定距离为间隔切出若干冰沟，使冰面被切割成一个个悬臂梁，最后将气垫破冰船驶至冰梁末端上方将其压断；

第三种为较厚冰况破冰模式：本阶段为当冰厚超过传统大型破冰船破冰极限时，先将气垫破冰船开上冰面，启动并放下感应加热式破冰系统直至切入冰面至装置设计最深位置，然后驾驶气垫破冰船向前切出一定距离的冰沟，而后在冰面隔一定距离切出另一条冰沟，使冰面在两冰沟处的结构强度降低且易发生应力集中现象，最后再借助大型破冰船使该冰面破坏。

本发明的突出优点在于：

本发明是专门将感应加热技术、冰面破碎技术和气垫船技术有机结合的破冰装备，目前无相关气垫破冰装备类似的专利。本发明在破冰过程中将感应加热技术和破冰器破冰技术结合，实现破冰齿的非接触快速加热，提高了破冰系统的低温破冰适应性和破冰效率，增强了破冰系统的破冰能力，同时气垫船以其良好的两栖性能，保证了气垫破冰船在不稳定冰面上破冰作业的安全性，使得本发明能在冰面任意位置灵活破冰。本发明结构简单，整体尺寸较目前破冰装备而言更小，而破冰厚度和适用范围远大于其他破冰船，可作为内陆河湖和沿海海域的主要破冰装备，同时也可作为极地冰区船舶的辅助破冰装备，当极地船舶遇到超过船舶破冰能力冰区时，可借助本发明进行破冰航行，大大提高冰区船舶极端情况下的破冰能力。

本发明的原理是：本发明装置利用感应加热式破冰系统内的高能电磁感应器，使感应围壳内部的破冰齿产生较大涡流，进而使破冰齿温度迅速升高，破冰齿在旋转过程中通过机械碰撞和热效应而使冰面快速破碎。整个感应加热式破冰系统高度方向尺寸较大，破冰作业时可深入冰层甚至切穿冰面，然后开动气垫破冰船向前切出一定距离的冰沟，而后在冰面上以一定距离为间隔切出若干冰沟，使冰面破坏强度大大降低且容易出现应力集中现象，最终利用气垫破冰船实现破冰。本发明结构简单，整体尺寸较目前破冰装备而言更小，而破冰厚度和适用范围远大于其他破冰船，即作为内陆河湖和沿海海域的主要破冰装备，也作为极地冰区船舶的辅助破冰设备，当极地船舶遇到超过船舶破冰能力冰区时，可借助本发明进行破冰航行，大大提高冰区船舶极端情况下的破冰能力。

Claims (7)

1.一种新型气垫破冰船，其特征在于，包括：

气垫船、力臂系统和感应加热式破冰系统；气垫船为整个气垫破冰船的主体动力部分，并且气垫船首部为U型结构；力臂系统位于气垫船的前端，连接在气垫船首部U型结构之间；感应加热式破冰系统周向形状为椭圆形/圆形，感应加热式破冰系统位于力臂系统的前端，连接在力臂系统前端轴上。

2.根据权利要求1所述的一种新型气垫破冰船，其特征在于：所述的气垫船，包括：

基座(1)，艏部横梁(2)，甲板(17)，气垫围裙(18)，船舱(19)以及推进器(20)；基座(1)位于气垫船首部U型结构后侧，通过焊接固定在甲板(17)上；艏部横梁(2)位于气垫船首部U型结构中间靠近船体位置，通过焊接固定在气垫船首部U型结构两侧的船体上，艏部横梁(2)内设置有电缆和高压气道；气垫围裙(18)位于船体下部；船舱(19)位于船体中部；推进器(20)位于船体尾部。

3.根据权利要求1所述的一种新型气垫破冰船，其特征在于：所述的力臂系统，包括：

一级伸缩臂(3)，主臂(4)，二级伸缩臂(5)，二级高压气管(6)，二级缆(10)，一级缆(15)，一级高压气管(16)，第一梢钉(21)，第二梢钉(22)，第三梢钉(23)以及第四梢钉(24)；一级伸缩臂(3)的后端通过第一梢钉(21)铰链连接在基座(1)上，一级伸缩臂(3)的前端通过第二梢钉(22)铰链连接在主臂(4)后侧上表面；主臂(4)后端通过铰链连接在艏部横梁(2)中央，主臂(4)内设置有电缆和高压气道，；二级伸缩臂(5)的后端通过第三梢钉(23)铰链连接在主臂(4)中间上表面；二级高压气管(6)的一端连接在主臂(4)上；二级缆(10)的一端连接在主臂(4)上；一级缆(15)和一级高压气管(16)位于艏部横梁(2)和主臂(4)之间。

4.根据权利要求1所述的一种新型气垫破冰船，其特征在于：所述的感应加热式破冰系统，包括：

感应围壳(7)，破冰齿轨(8)，破冰齿(9)，破冰器主机(11)，高能电磁感应器(12)，增压器(13)，下喷管(14)，转动轴(25)以及上喷管(26)；感应围壳(7)连接在破冰器主机(11)的后部，感应围壳(7)的上端通过第四梢钉(24)铰链连接在二级伸缩臂(5)的前端，二级缆(10)的另一端连接在感应围壳(7)上；破冰齿轨(8)位于破冰器主机(11)的周向位置，破冰齿轨(8)上均匀固定若干个破冰齿(9)；破冰器主机(11)与主臂(4)的前端通过转动轴(25)连接；高能电磁感应器(12)位于感应围壳(7)的左右两侧，二级高压气管(6)的另一端连接在高能电磁感应器(12)的上部；增压器(13)位于感应围壳(7)的后部，增压器(13)通过二级高压气管(6)、主臂(4)、一级高压气管(16)和艏部横梁(2)与气垫船高压气室连通，增压器(13)上下两端分别设置上喷管(26)和下喷管(14)，上喷管(26)开口方向对准即将进入感应围壳(7)内的若干个破冰齿(9)，下喷管(14)开口方向对准感应围壳(7)下部出口位置。

5.根据权利要求1所述的一种新型气垫破冰船，其特征在于：

所述的感应加热式破冰系统破冰作业时，破冰齿(9)在破冰齿轨(8)带动下做前部破冰齿向上，后部破冰齿向下的旋转运动。

6.根据权利要求1所述的一种新型气垫破冰船，其特征在于：

所述的破冰齿(9)的选材采用易于产生涡流的金属材料。

7.一种新型气垫破冰方法，其特征在于：包括：

模式一：较薄冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船直接驶上冰面，采用重力式破冰的方法以及在冰面下形成空气腔的方法，实现在冰面上进行破冰的目的；

模式二：普通冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船驶上冰面，首先启动并放下感应加热式破冰系统，将感应加热式破冰系统向下移动至切穿冰面，通过开动气垫破冰船向前运动切割，得到一定长度的冰沟；之后，在冰面上以一定距离为间隔，重复之前步骤，得到若干一定长度的冰沟，即冰面被切割成一个个悬臂梁；最后，将气垫破冰船驶至冰梁末端上方，采用重力式破冰的方法将冰层压断，实现在冰面上进行破冰的目的；

模式三：较厚冰况破冰模式：

通过将气垫破冰船驶上冰面，首先启动并放下感应加热式破冰系统，将感应加热式破冰系统向下移动切入冰面至装置设计的可行最深位置，通过开动气垫破冰船向前运动切割，得到一定长度的冰沟；之后，在冰面上以一定距离为间隔，重复之前步骤，得到另一条一定长度的冰沟，使冰面在两冰沟处的结构强度降低且易发生应力集中现象；最后，借助大型破冰船破坏该冰面，实现在冰面上进行破冰的目的。