CN109625203B - 一种船舶用智能化减摇水舱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶用智能化减摇水舱系统，包括由左舱室、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，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。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

一种船舶用智能化减摇水舱系统

技术领域

本发明涉及船舶设备技术领域，尤其涉及一种船舶用智能化减摇水舱系统。

背景技术

船舶在海上航行、工作时，由于受到海浪、海风以及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免的产生摇荡运动，剧烈的摇荡不但影响船舶的航行，严重时，会危及船舶的安全。还会极大的降低了人们在航行过程中的舒适性，并对船舶上装备带来不良的影响，对船上的货物和人员带来不安全因素。船舶在静水或波浪上航行时围绕某一平衡位置做周期性的往复运动称为船舶摇荡。船舶的摇荡，包括横摇，纵摇、摇首、纵荡、横荡和垂荡(起伏)。其中，对船舶影响较大的是横摇、纵摇和垂荡，三者通常可用摆幅和周期(或频率)来表征。其中，横摇、纵摇和垂荡对船舶航行的影响最大，而横摇又最易发生，摇荡幅值也最大，严重影响船舶安全。船舶的摇荡，导致航行阻力增大、螺旋桨效率降低，影响武器、技术器材的使用，造成人员疲劳、晕船，恶化了舰艇的航海性能。船舶的摇荡性能是船舶耐波性的主要方面，以摆幅小、周期长为好。

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。

驳船之间的系结缆绳将受到这种外力的反复作用。在风浪很大、驳船摇荡幅值很大时，作用在系结缆绳上的外力就很大，容易引起断缆，造成驳船队散队，导致事故发生。船舶的摇荡是无法完全避免的，船舶在海上最容易发生横摇且摇摆幅度最大，对船舶的使用和安全、船员生活与工作有严重影响，因此，船舶耐波性中首先要研究船舶横摇。虽然无法避免船体横摇现象，但可改变波浪遭遇角度，同时减小摇荡幅度，适当增大摇荡周期，采用减摇设备可减小摇荡幅度。为了船舶的航行安全以及提高航行中的舒适性，迫切需要减小船舶的摇荡。从19世纪初的帆船年代的舭龙骨开始，就已经开始了船舶减摇的努力和研究，前后共提出了350余种不同类型的减摇装置，其中用于了实践的达20几种。直到二十世纪九十年代，保留下来的船舶减摇装置主要有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、减摇陀螺、舵减摇等少数几种。目前较多采用的减摇装置主要有舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱。

舭龙骨(Bilge keel)是在船的舭部(就是船舷和船底板连接的线型部分)安装的连续型材，一般方形系数小的船安装，用来改善耐波性，和稳性，在设计合理的情况下能够极大的降低横摇和纵摇。舭龙骨结构简单、安装方便、造价低、不占用船体内部空间以及无需维护保养等；减摇鳍(Fin stabilizer)是目前效果最好的减摇装置.装于船中两舷舭部，剖面为机翼形，又称侧舵.通过操纵机构转动减摇鳍，使水流在上产生作用力，从而形成减摇力矩，减小摇摆，以便减少船体横摇。该设备结构复杂，占用船舶空间大，造价较高，且效果取决于航速，航速越高，效果越好，故多用于高速船舶。减摇水舱是一种常用的减振装置，分为被动式减摇水舱和主动式减摇水舱的，其减摇原理主要是利用其左右舷侧水舱液位高度不同而产生的横摇复原力矩来抵消波浪扰动力矩。也就是说，是依靠船舶横摇运动自身所产生的能量使水舱内的水流动，产生与船舶横摇方向相反力矩减少了船舶的横摇，具有结构简单，造价小的特点，并且可以在零航速、低航速下起到很好的减摇效果，消耗能量低，可控被动式水舱能够起到破冰、抗衡倾的作用。减摇水舱被广泛用于滚装船、客船、科学考察船、工程船等船只。

上述减摇装置均不同程度上起到了对船舶的减摇效果，但是由于减摇原理与结构的不同，所以应用范围与适应的环境各有不同。被动减摇水舱的优势是造价低廉，而且其减摇效能不受航速的制约。但是，对于不加控制的被动减摇水舱，由于其有效区域很窄，在非谐摇区可能会出现增摇情况，主动式减摇水舱虽然具有减摇效果高、响应速度快等优点，但其系统复杂，造价较高，而且功率消耗非常大，经济性较低。减摇鳍、舵减摇等则需要航行速度达到一定时方能达到较为理想的减摇效果。因为它们需依靠航行过程中在鳍、舵等翼形表面产生的升力而产生横摇控制力矩，而该升力在一定范围内和速度平方成正比，低速航行时，鳍、舵产生的升力很小，根本起不到减摇作用。舭龙骨各种航速情况下均有减摇效果，零航速情况下减摇效果最明显，但随着航速的增加，船体自身的阻尼增大，而舭龙骨产生的阻尼在总阻尼中所占的相对比例减小，减摇效果亦随之降低。

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船舶用智能化减摇水舱系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种船舶用智能化减摇水舱系统，包括由左舱室、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，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，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，所述调节杆带动挤压板自下而上顺序挤压或同时挤压。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，所述左、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。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，所述左、右调节舱室分别设于左、右舱室中心轴线处。

上述的船舶用智能化减摇水舱系统，所述主动齿轮通过伺服电机驱动连接。

本发明船舶用智能化减摇水舱系统的优点是：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，在低频和高频范围内均不会产生增摇现象。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为图1中A部分的局部结构放大图；

图3为图1中B部分的局部结构放大图；

图4为本发明减摇过程的状态图。

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所示，一种船舶用智能化减摇水舱系统，包括由左舱室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。

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。

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)

1.一种船舶用智能化减摇水舱系统，包括由左舱室、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，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，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所述的船舶用智能化减摇水舱系统，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所述的船舶用智能化减摇水舱系统，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所述的船舶用智能化减摇水舱系统，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所述的船舶用智能化减摇水舱系统，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所述的船舶用智能化减摇水舱系统，其特征是：所述左、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。

7.根据权利要求6所述的船舶用智能化减摇水舱系统，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1所述的船舶用智能化减摇水舱系统，其特征是：所述主动齿轮通过伺服电机驱动连接。

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