CN109625194B - 一种具有减摇水舱系统的科学考察船 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有减摇水舱系统的科学考察船，包括船体及船舱，在船舱内设置有一减摇水舱系统，所述减摇水舱系统包括一由左舱室、右舱室及连通左、右舱室的连接舱室组成的水舱本体，在水舱本体内加注有液体，还包括分别设置在左、右舱室内的左、右调节舱室，在左、右调节舱室之间设置有贯穿连接舱室并将所述连接舱室分隔成下连接舱室及上连接舱室的隔板，所述左、右调节舱室与左、右舱室外侧壁之间分别形成左侧快速调节舱室及右侧快速调节舱室，在左、右调节舱室内分别设置有快速调节装置以及用于控制左、右被动舱室内液体液位高度的气压调节装置。该减摇水舱系统能够在较宽的频率范围内有效工作，在低频和高频范围内均不会产生增摇现象。
Description
技术领域
本发明涉及船舶设备技术领域，尤其涉及一种具有减摇水舱系统的科学考察船。
背景技术
船舶与海洋工程领域针对横摇减摇的研究已有一百多年的历史，这期间据统计先后出现了至少三百多种类型的减摇装置，但经过长期实践的考验只有少数几种方法得到了推广和应用，如舭龙骨、减摇鳍，减摇水舱，其中减摇水舱是十分常用的一种减摇装置，它的优点是设备简单，造价低，在任何航速下均有一定的减摇效果，已被广泛的应用于各类船艇。减摇水舱的工作原理是利用船舶在环境载荷的作用下横摇时，减摇水舱两舷侧水位高度差产生的力矩，抵抗波浪力矩，从而实现船舶的减摇。减摇水舱减摇的前提是双共振减摇原理，即：水舱内水的固有频率、船横摇的固有频率、波浪扰动力矩的频率三者相等，同时水舱内水的运动落后波浪扰动力矩180°，从而使水舱内水的重量引起的稳定力矩方向恰好和波浪扰动力矩方向相反，从而共振区横摇减小。
由此可见影响减摇水舱减摇效果的重要因素是水舱的振荡频率和相位角。被动式减摇水舱频率基本固定，相位角随船舶横摇随机确定；主动式减摇水舱通过水泵或者外加气压的方式调节水舱的振荡频率和相位角。被动可控式减摇水舱通过控制左右舷水舱下部的连通水道的水阀或者左右舷水舱上部的连通气阀在一定程度上控制水舱的频率和相位角。目前，可控被动式减摇水舱装置有水阀控制式和气阀控制式两种类型。纯水阀可控被动式减摇水舱装置主要由显示器、控制模块、水阀执行机构等组成，其原理是通过水阀挡板改变水舱底通道的通流面积改变减摇水舱的固有周期，使舱内水晃荡产生扶正力矩。达到减摇效果。其优点是水阀挡板开关频率低、维护保养成本低，其缺点是适用船舶摇摆周期范围较窄。纯气阀可控被动式减摇水舱装置主要由显示器、PLC、气动控制单元、气阀等组成，通过水舱顶部气阀开关控制舱内水的流动，改变舱内水在每个摇摆周期的相位，使舱内水晃荡产生扶正力矩。其优点适用船舶摇摆周期范围较宽，其缺点气阀开闭频率高，消耗功率大，气阀磨损比较厉害，维护保养成本高。
摇荡运动对船舶的影响是不利的，主要表现在以下几方面：
(1)、对船舶性能的影响：剧烈的横摇可能使船舶丧失稳性而倾覆，纵摇和垂荡会引起螺旋桨飞车，导致航速下降。剧烈的摇荡使船舶阻力增加；推进器情况恶化，给船舶操纵带来困难。
(2)、对船舶结构和设备的影响：船舶摇荡时会发生拍底现象，使船体构件内产生附加应力，使某些构件损坏。摇荡会引起甲板上浪，损坏甲板上的设备和建筑。
(3)、船舶摇荡会影响机械设备和仪器、仪表的正常工作；同时引起船员和旅客晕船，使工作和生活环境恶化；还会引起货物移动或倒塌造成货损。
(4)、在用驳船队运输时，由于各驳船在风浪中的摇荡幅值和时问上不一致。
(5)、船舶摇荡会使科考设备超出工作环境，影响科考数据的采集。
CN 104554646 A一种被动式减摇水舱，其包括：水舱主体，其提供容纳自由表面流体的封闭空间；以及突出底壁，其形成在水舱主体的底部从而具有突出的形状，使得较大量流体能够容纳在水舱主体的侧边部分。CN 102923272 A公开了一种分体式开型可控减摇水舱结构，包括船、水舱，所述水舱独立设置在船的左侧或者右侧或者船艏或者船艉，水舱的数量至少设置在一个以上；在水舱上设置有水舱的进水口或排水口，位于水下；在水舱上设置有气阀，所述气阀上设置有水舱的吸气口或排气口，位于水上；所述气阀能使水舱的吸气口或排气口打开或者关闭。
上述减摇水舱虽然具有一定的减摇效果，但是船舶减摇是一个缓慢的过程，需要控制剩余横摇角逐渐趋近于0，目前的减摇水舱并不能够达到快速减摇的目的，也就是说，要想将剩余横摇角快速趋近于0，现有技术中的减摇水舱结构并不能够实现，这成为了目前该领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种在有效提高船舶耐波性的前提下，能够快速避开波浪中打到船只上的浪的较大周期，实现快速减小船只的摇荡幅度，大大缩短横摇控制时间，获得较佳减摇效果的具有减摇水舱系统的科学考察船。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有减摇水舱系统的科学考察船，包括船体及船舱，在船舱内设置有一减摇水舱系统，所述减摇水舱系统包括一由左舱室、右舱室及连通左、右舱室的连接舱室组成的水舱本体，在水舱本体内加注有充满连接舱室并分别沿左、右舱室向上漫延的可产生周期性重力矩的液体，其特征在于：还包括分别设置在左、右舱室内的左、右调节舱室，在左、右调节舱室之间设置有贯穿连接舱室并将所述连接舱室分隔成下连接舱室及上连接舱室的隔板，所述左、右调节舱室与左、右舱室外侧壁之间分别形成左侧快速调节舱室及右侧快速调节舱室，左、右调节舱室与左、右舱室内侧壁之间分别形成一左被动舱室及右被动舱室，在左、右调节舱室内分别设置有当船舶受到海浪冲击向左侧或右侧横向摇摆时驱动右侧快速调节舱室或左侧快速调节舱室内的液体沿右或左舱室内壁快速上升的快速调节装置，还包括一分别与所述左、右被动舱室连通的用于控制左、右被动舱室内液体液位高度的气压调节装置，以及用于实时监测船舶横向摇摆时的剩余横摇角的传感器及控制器，所述传感器监测到船舶横摇周期接近固定横摇周期时，发送信号至控制器，控制器接到信号后发送驱动快速调节装置启动的信号至快速调节装置，快速调节装置根据一个周期内的船舶向左或向右的横摇角度从开始产生到达到最大值的过程中驱动右侧或左侧快速调节舱室内的液体液位逐渐达到最高点，利用液体产生的重力力矩抵消船舶的横摇。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述控制器接收船舶的横摇周期信号后，同时发送船舶横向摇摆到最大角度一侧的信号及船舶另一侧的信号至两快速调节装置，当船舶横向摇摆从开始到最大角度时驱动该侧的快速调节装置信号开始启动时，另一侧的驱动信号控制该侧快速调节装置同步启动。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述左、右调节舱室内，分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁均设置为可沿左右调节舱室的径向可控伸缩的柔性结构，另一侧的舱壁设置为刚性结构。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述快速调节装置包括沿左或右调节舱室的方向自下而上设置的多个从动齿轮，在各从动齿轮上分别设置有可随从动齿轮转动连接的调节杆，所述调节杆的端部均设置有与左、右调节舱室分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁相结合的挤压板，以及分别与各从动齿轮相啮合的双面齿条，在双面齿条上设置有用于驱动双面齿条上下移动并驱动各从动齿轮同时转动并通过调节杆带动挤压板向左侧或右侧快速调节舱室的横向挤压的主动齿轮。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述挤压板外侧面与左、右调节舱室分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁固定连接，内侧面连接一座体，在座体上设置有横向转轴，所述调节杆通过横向转轴与挤压板转动连接。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述左调节舱室或右调节舱室内分别竖向设置有一用于导向双面齿条沿竖直方向上下稳定移动的导向杆，在双面齿条上，沿其轴线方向开设有贯通的导向孔，所述导向杆穿过导向孔与双面齿条滑动连接。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述调节杆带动挤压板自下而上顺序挤压或同时挤压。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述气压调节装置包括置于左、右舱室外的气体发生器，在气体发生器上连接有分别通向左被动舱室及右被动舱室的左管路及右管路，在左、右管路上分别设置有左气体电磁阀及右气体电磁阀，所述控制器均通过信号与气体发生器、左气体电磁阀及右气体电磁阀信号连接。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述左、右调节舱室分别设于左、右舱室中心轴线处。
上述的具有减摇水舱系统的科学考察船，所述主动齿轮通过伺服电机驱动连接。
本发明具有减摇水舱系统的科学考察船的优点是：与传统减摇水舱相比，不但节约能耗，而且控制简单，通过信号实时监测与传输，控制快速调节装置对舱内水位灵活调节，大大提高了减摇速度，由于快速调节装置的原理是通过挤压左右舱室外侧的左侧快速调节舱室及右侧快速调节舱室的容积，达到水位的调节，重心的改变实现了减摇速度的提高，该装置由于保留了传统被动式减摇水舱的结构，在其基础上对舱内水位实现重心的快速调节，能够自由控制该水舱系统的自摇频率高于船舶横摇的自摇频率，因此该减摇水舱系统能够在较宽的频率范围内有效工作，而且通过气压调节装置对液位的辅助配合，在低频和高频范围内均不会产生增摇现象，大大提高了减摇速度。能够快速避开波浪中打到船只上的浪的较大周期，避免了较大周期的波浪与船舶固有横摇周期接近，进而改变了波浪对船体的强迫力周期，使船体的横摇快速降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为减摇水舱系统的结构示意图；
图3为图2中A部分的局部结构放大图；
图4为图3中B部分的局部结构放大图；
图5为本发明减摇过程的工作状态图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；
如图1、2、3、4、5所示，一种具有减摇水舱系统的科学考察船，包括船体24及船舱25，在船舱25内设置有一减摇水舱系统26，所述减摇水舱系统26包括一由左舱室1、右舱室2及连通左舱室1、右舱室2的连接舱室3组成的水舱本体，在水舱本体内加注有充满连接舱室3并分别沿左舱室1、右舱室2向上漫延的可产生周期性重力矩的液体4，还包括分别设置在左舱室1、右舱室2内的左调节舱室5及右调节舱室6，在左调节舱室5及右调节舱室 6之间设置有贯穿连接舱3室并将所述连接舱室3分隔成下连接舱室7及上连接舱室8的隔板9，左调节舱室5及右调节舱室6与左舱室1、右舱室2内侧壁之间分别形成一左被动舱室 10及右被动舱室11，左调节舱室5及右调节舱室6分别设于左舱室1及右舱室2中心轴线处。
在左调节舱室5及右调节舱室6与左舱室1、右舱室2外侧壁之间分别形成左侧快速调节舱室12及右侧快速调节舱室13，在左调节舱室5及右调节舱室6内分别设置有当船舶受到海浪冲击向左侧或右侧横向摇摆时驱动右侧快速调节舱室13或左侧快速调节舱室12内的液体沿右舱室2或左舱室1内壁快速上升的快速调节装置14。快速调节装置14包括沿左调节舱室5及右调节舱室6的方向自下而上设置的多个从动齿轮15，在各从动齿轮15上分别设置有可随从动齿轮转15动连接的调节杆16，在调节杆16的端部均设置有与左调节舱室5 及右调节舱室6内分别靠近左舱室1、右舱室2外侧壁一侧的舱壁相结合的挤压板17，在左调节舱室5及右调节舱室6内，分别靠近左舱室1、右舱室2外侧壁一侧的舱壁20均设置为可沿左调节舱室5及右调节舱室6的径向可控伸缩的柔性结构，另一侧的舱壁设置为刚性结构。本申请中，柔性结构可以采用橡胶材料或者其他非金属的具有伸缩性的材料。
在左调节舱室5及右调节舱室6内及分别与各从动齿轮15相啮合的双面齿条18，在双面齿条18上设置有用于驱动双面齿条18上下移动并驱动各从动齿轮15同时转动并通过调节杆16带动挤压板17向左侧快速调节舱室12或右侧快速调节舱室13横向挤压的主动齿轮19。为实现对左侧快速调节舱室12及右侧快速调节舱室13容积大小的精确控制，本发明的主动齿轮19通过伺服电机驱动连接。伺服电机属于常规动力部件，属于现有技术，因此在附图中并未画出。挤压板17的外侧面与左调节舱室5及右调节舱室6分别靠近左舱室1、右舱室2 外侧壁一侧的舱壁20固定连接，内侧面连接一座体21，在座体21上设置有横向转轴22，所述调节杆16通过横向转轴22与挤压板17转动连接。在转动时，调节杆16带动挤压板17自下而上顺序挤压或同时挤压。能够调节左侧快速调节舱室12或右侧快速调节舱室13内的容积，控制液体4的平面升降，实现使其产生足够、快速的横摇复原力矩的目的。
为了使得快速调节装置14工作时的稳定性，在左调节舱室5及右调节舱室6内分别竖向设置有一用于导向双面齿条18沿竖直方向上下稳定移动的导向杆23，在双面齿条18上，沿其轴线方向开设有贯通的导向孔，导向杆穿过导向孔与双面齿条18滑动连接，导向孔内加注润滑油。还包括一分别与左被动舱室10及右被动舱室11连通的用于控制左被动舱室10及右被动舱室11内液体4的液位高度的气压调节装置27，气压调节装置27包括置于左舱室1、右舱室2外的气体发生器28，在气体发生器28上连接有分别通向左被动舱室10及右被动舱室11的左管路29及右管路30，在左管路29及右管路30上分别设置有左气体电磁阀31及右气体电磁阀32，控制器均通过信号与气体发生器28、左气体电磁阀31及右气体电磁阀32信号连接。
为实现自动化的减摇调节，本发明还设置有用于实时监测船舶横向摇摆时的剩余横摇角 24的传感器及控制器，所述传感器监测到船舶横摇周期接近固定横摇周期时，发送信号至控制器，控制器接到信号后发送驱动快速调节装置14启动的信号至快速调节装置14，快速调节装置14根据一个周期内的船舶向左或向右的横摇角度从开始产生到达到最大值的过程中驱动右侧快速调节舱室13或左侧快速调节舱室12内的液体液位逐渐达到最高点，利用液体产生的重力力矩抵消船舶的横摇。
本发明 的信号控制方式是：控制器接收船舶的横摇周期信号后，同时发送船舶横向摇摆到最大角度一侧的信号及船舶另一侧的信号至两侧的快速调节装置14，当船舶横向摇摆从开始到最大角度时驱动该侧的快速调节装置14信号开始启动时，另一侧的驱动信号控制该侧快速调节装置14同步启动。传感器在船体横摇时通过不间断的监测船体的横摇角与剩余横摇角14，利用监测到的信号来实现对两侧快速调节装置14的控制。
由于横摇是以船舶重心所在的前后轴线(纵轴线)为中心的回转摇晃，所有船只都有自己的固定横摇周期(由船型、质量分布所决定)。因此，处于规则波浪中的船只，既和受正弦性外力作用的振动体相同，又和强迫振动体相同，产生强迫振动。如果强迫力周期与船只的固有周期相等，就会产生共振，明显地使船只摇动幅度增大，反之，当船只的固有周期大于强迫力周期时，船只的摇荡幅度就小。不过，该外力的周期是船与波相撞的周期，并不是波浪本身的周期，但是，在狂风巨浪的海域内，波浪的谱是由若干个周期各异的分波构成的。所以，处于波浪中的船只经过选择作用，用与其本身固有周期相等的周期形成明显的摇晃。鉴于此，采用本发明的快速调节装置通过快速调节舱内的水的液位，控制左右舱室内水的重心，能够快速形成较大的重力矩，抵抗船体的横摇，通过横摇角的检测，可以将剩余横摇角趋近于0的速度大大提高，进而实现了对横摇的快速控制。
由于调节杆16带动挤压板17自下而上顺序挤压或同时挤压。能够调节左侧快速调节舱室12或右侧快速调节舱室13内的容积，控制液体4的平面升降，因此左舱室1、右舱室2内的液体4的流动周期可调范围较大。使水的流动周期在较大范围内与横摇周期趋向一致，来改善水舱的响应特性。
本发明以快速调节装置14作为主系统，通过主动齿轮19、从动齿轮15、调节杆16、挤压板17以及双面齿条18改变左侧快速调节舱室12及右侧快速调节舱室13的面积来改变减摇水舱的固有周期，使舱内水晃荡产生快速的扶正力矩，达到减摇效果。以气压调节装置27 作为副系统，通过控制左被动舱室10及右被动舱室11内液体4的液位高度，与快速调节装置14形成彼此的配合，提高了减摇的速度，适用船舶摇摆周期范围较宽。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有减摇水舱系统的科学考察船，包括船体及船舱，在船舱内设置有一减摇水舱系统，所述减摇水舱系统包括一由左舱室、右舱室及连通左、右舱室的连接舱室组成的水舱本体，在水舱本体内加注有充满连接舱室并分别沿左、右舱室向上漫延的可产生周期性重力矩的液体，其特征在于：还包括分别设置在左、右舱室内的左、右调节舱室，在左、右调节舱室之间设置有贯穿连接舱室并将所述连接舱室分隔成下连接舱室及上连接舱室的隔板，所述左、右调节舱室与左、右舱室外侧壁之间分别形成左侧快速调节舱室及右侧快速调节舱室，左、右调节舱室与左、右舱室内侧壁之间分别形成一左被动舱室及右被动舱室，在左、右调节舱室内分别设置有当船舶受到海浪冲击向左侧或右侧横向摇摆时驱动右侧快速调节舱室或左侧快速调节舱室内的液体沿右或左舱室内壁快速上升的快速调节装置，还包括一分别与所述左、右被动舱室连通的用于控制左、右被动舱室内液体液位高度的气压调节装置，以及用于实时监测船舶横向摇摆时的剩余横摇角的传感器及控制器，所述传感器监测到船舶横摇周期接近固定横摇周期时，发送信号至控制器，控制器接到信号后发送驱动快速调节装置启动的信号至快速调节装置，快速调节装置根据一个周期内的船舶向左或向右的横摇角度从开始产生到达到最大值的过程中驱动右侧或左侧快速调节舱室内的液体液位逐渐达到最高点，利用液体产生的重力力矩抵消船舶的横摇；所述左、右调节舱室内，分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁均设置为可沿左右调节舱室的径向可控伸缩的柔性结构，另一侧的舱壁设置为刚性结构；所述快速调节装置包括沿左或右调节舱室的方向自下而上设置的多个从动齿轮，在各从动齿轮上分别设置有可随从动齿轮转动连接的调节杆，所述调节杆的端部均设置有与左、右调节舱室分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁相结合的挤压板，以及分别与各从动齿轮相啮合的双面齿条，在双面齿条上设置有用于驱动双面齿条上下移动并驱动各从动齿轮同时转动并通过调节杆带动挤压板向左侧或右侧快速调节舱室的横向挤压的主动齿轮。
2.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述控制器接收船舶的横摇周期信号后，同时发送船舶横向摇摆到最大角度一侧的信号及船舶另一侧的信号至两快速调节装置，当船舶横向摇摆从开始到最大角度时驱动该侧的快速调节装置信号开始启动时，另一侧的驱动信号控制该侧快速调节装置同步启动。
3.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述挤压板外侧面与左、右调节舱室分别靠近左、右舱室外侧壁一侧的舱壁固定连接，内侧面连接一座体，在座体上设置有横向转轴，所述调节杆通过横向转轴与挤压板转动连接。
4.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述左调节舱室或右调节舱室内分别竖向设置有一用于导向双面齿条沿竖直方向上下稳定移动的导向杆，在双面齿条上，沿其轴线方向开设有贯通的导向孔，所述导向杆穿过导向孔与双面齿条滑动连接。
5.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述调节杆带动挤压板自下而上顺序挤压或同时挤压。
6.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述气压调节装置包括置于左、右舱室外的气体发生器，在气体发生器上连接有分别通向左被动舱室及右被动舱室的左管路及右管路，在左、右管路上分别设置有左气体电磁阀及右气体电磁阀，所述控制器均通过信号与气体发生器、左气体电磁阀及右气体电磁阀信号连接。
7.根据权利要求1所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述左、右调节舱室分别设于左、右舱室中心轴线处。
8.根据权利要求4所述的具有减摇水舱系统的科学考察船，其特征是：所述主动齿轮通过伺服电机驱动连接。
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