CN110254656A - 基于被动吸能的船舶防撞系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于被动吸能的船舶防撞系统，包括附加甲板系统和碰撞预警机构；附加甲板系统包括附加甲板和吊放回收装置，附加甲板由吸能结构构成，吊放回收装置用于受碰撞预警系统控制而抬起附加甲板向船艏前端伸出；碰撞预警机构包括碰撞预测模块和吊放回收控制机构；碰撞预测模块用于通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；吊放回收控制机构用于在有碰撞可能时向吊放回收装置发送抬升指令。附加甲板在发生碰撞时能够代替船舶与被撞船舶碰撞，吸收大量的碰撞能，使人员密集区受到的破坏降低，为人员的逃生与存活做出极大保证，在一定程度上保证船员生命安全可在一定程度上减少碰撞事故造成的环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶防撞技术，具体涉及一种基于被动吸能的船舶防撞系统及方法。
背景技术
海事事故统计数据表明，船舶碰撞事故是发生频率最高后果也较为严重的一类事故，船舶碰撞事故发生率一直居各类海难事故的前列。目前船舶防撞的研究主要以主动避碰为主，较少从被动安全的角度来减少船舶碰撞损伤。
国内外现有的船舶防撞技术主要有：1.调整肋骨纵桁间距形成新的骨架结构，能够增大内外壳间距提高舷侧结构耐撞性能且不受天气、海况影响，但同时存在收效不明显且内、外壳板间距收到限制等问题；2.采用缓冲船首，其特点为横截面单位面积上力载荷小，提高船艏结构吸收撞击动能的效果，但降低刚度，加大主撞船损失且不适用于强风大浪水域；3.改变船底高度，其特点为增加船首区域的双层底高度，降低船尾双层底高度提高船抗触底性能，但船底高度影响船底结构的连续性同时增加不连续节点数目影响疲劳性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于被动吸能的船舶防撞系统及方法，以减少船舶碰撞带来的损失。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：它包括附加甲板系统和碰撞预警机构；其中，
附加甲板系统包括附加甲板和吊放回收装置，其中附加甲板由吸能结构构成，吊放回收装置用于受碰撞预警系统控制而抬起附加甲板向船艏前端伸出；
所述的碰撞预警机构包括碰撞预测模块和吊放回收控制机构；碰撞预测模块用于通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；吊放回收控制机构用于在有碰撞可能时向吊放回收装置发送抬升指令。
按上述方案，所述的吊放回收装置包括支撑架、液压系统、卷扬机和缆绳；附加甲板与支撑架滑动连接，支撑架的前端与船艏的甲板连接，支撑架的中部与液压系统连接，通过液压系统的抬升带动支撑架和附加甲板的倾斜抬升；缆绳一端接在卷扬机上，另一端经过安装在支撑架上的定滑轮后与附加甲板连接，在附加甲板倾斜抬升后受重力作用向船艏前端伸出后被卷扬机和缆绳拉住；
所述的液压系统和卷扬机由吊放回收控制机构控制。
按上述方案，所述的支撑架的前端通过止推轴承式回转装置与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架上。
按上述方案，所述的卷扬机上设有转速传感器，用于向吊放回收控制机构反馈速度。
按上述方案，所述的液压系统设有液压缸和液压杆，液压杆与所述的支撑架连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销。
利用所述的基于被动吸能的船舶防撞系统实现的防撞方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S1、通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；
S2、当判断有碰撞可能时，向吊放回收装置发送抬升指令；
S3、吊放回收装置抬起附加甲板向船艏前端伸出，由吸能结构构成的附加甲板发生塑性变形吸收碰撞能量。
按上述方法，所述的S3具体为：液压系统抬升支撑架，使得支撑架与船艏的甲板构成一定角度，位于支撑架上的附加甲板受重力作用从支撑架上滑出船艏。
按上述方法，所述的支撑架的前端通过止推轴承式回转装置与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架上；
当附加甲板向船艏前端伸出后，液压系统收回并脱离与支撑架之间的连接；在碰撞发生时，附加甲板和支撑架在碰撞作用力下依靠止推轴承式回转装置进行自由转动。
按上述方法，所述的液压系统设有液压缸和液压杆，液压杆与所述的支撑架连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销；
液压系统通过将液压杆和液压插销收回，从而与支撑架脱离连接。
按上述方法，本方法还包括S4、若未发生碰撞，通过液压杆拉动支撑架，同时卷扬机反转拉动附加甲板，使支撑架和附加甲板回到船艏的甲板上。
本发明的有益效果为：本发明针对船舶突发碰撞情况下反应时间不足、船舶避让空间不足、碰撞损失严重而设计，附加甲板在发生碰撞时能够代替船舶与被撞船舶碰撞，吸收大量的碰撞能，使人员密集区受到的破坏降低，为人员的逃生与存活做出极大保证，在一定程度上保证船员生命安全可在一定程度上减少碰撞事故造成的环境污染。
附图说明
图1为防撞应急系统控制框图。
图2为液压系统油路图。
图3为附加甲板吊放结构示意图。
图4为卷扬机具体控制图。
图5为附加甲板轨迹计算简图。
图中：1-叶片泵，2-1-第一溢油阀，2-2-第二溢油阀，3-1-第一节流阀，3-2-第二节流阀， 4-1-第一电磁换向阀，4-2-第二电磁换向阀，4-3-第三电磁换向阀，5-1-第一液控单向阀，5-2-第二液控单向阀，5-3-第三液控单向阀，5-4-第四液控单向阀，5-5-第五液控单向阀， 6-1-第一液压缸，6-2-第二液压缸，7-压力表，8-管路，9-基板，10-定滑轮，11-滑道，12- 液压杆，13-附加甲板，14-支撑架，15-止推轴承式回转装置，16-液压插销。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于被动吸能的船舶防撞系统，如图1至图5所示，它包括附加甲板系统和碰撞预警机构。附加甲板系统包括附加甲板13和吊放回收装置，其中附加甲板13由吸能结构构成，吊放回收装置用于受碰撞预警系统控制而抬起附加甲板13向船艏前端伸出；所述的碰撞预警机构包括碰撞预测模块和吊放回收控制机构；碰撞预测模块用于通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；吊放回收控制机构用于在有碰撞可能时向吊放回收装置发送抬升指令。
所述的吊放回收装置包括支撑架14、液压系统、卷扬机和缆绳；本实施例中缆绳为钢缆。附加甲板13与支撑架14滑动连接，本实施例中附加甲板13与支撑架14上的滑道11连接，支撑架14的前端与船艏的甲板连接，支撑架14的中部与液压系统连接，通过液压系统的抬升带动支撑架14和附加甲板13的倾斜抬升；缆绳一端接在卷扬机上，另一端经过安装在支撑架14上的定滑轮10后与附加甲板13连接，在附加甲板13倾斜抬升后受重力作用向船艏前端伸出后被卷扬机和缆绳拉住；所述的液压系统和卷扬机由吊放回收控制机构控制。
进一步的，所述的支撑架14的前端通过止推轴承式回转装置15与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置15包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架14上。
所述的卷扬机上设有转速传感器，用于向吊放回收控制机构反馈速度，以免附加甲板13 吊放过程中动能过大造成卷扬机过载。本实施例中，卷扬机具体控制如下：附加甲板13吊放工作开始时，由吊放回收控制机构发出启动指令，驱动基极驱动电路，将数字控制信号转化为电信号，头你改过整流器和变频器将电信号耦合驱动电动机；卷扬机转动过程中，转速传感器通过实施监控从而将速度反馈到吊放回收控制机构对变频器进行控制，通过变频电机维持转速稳定，避免附加甲板13吊放过程中动能过大造成卷扬机过载。
所述的液压系统设有液压缸和液压杆12，液压杆12与所述的支撑架14连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销16。
对于所述的液压系统，当第一、第三电磁换向阀4-1、4-3通电动作欲使第一、第二液压缸 6-1、6-2下油腔进油时，由于卸荷作用仍不能进油。只有当外加的第二电磁换向阀4-2通电动作，油液进入下端第二、第四液控单向阀5-2、5-4控制油路，此时主油路才形成压力进入液压缸下油腔，由于下端液控单向阀在此间始终开启故不起作用，主油路顶开上端第一、第三液控单向阀5-1、5-3进入液压缸下油腔，滑道11上升。第一、第二液压缸6-1、6-2上腔的油液通过油路上的第一、第二节流阀3-1、3-2及第一、第三电磁换向阀4-1、4-3流回油箱，通过调整节流阀可调整动作速度。叶片泵1起到建立油压的作用，且输送液压油通过管路至各个阀件。溢油阀2-1，2-2作为安全阀使用，当系统工作时，处于关闭状态，仅在系统压力大于其调定压力时才开启，起过载保护作用。液控单向阀5-5，防止系统油液倒流。
压力表7，表征液压油压力功能，避免压力过高或过低，对系统造成影响。管路8-运送液压油到对应阀件。基板9对各零部件起到固定作用。
当滑道11到达预定位置需停止保压时，第一、第三电磁换向阀4-1、4-3断电回到中位，主进油路泄压，上端第一、第三液控单向阀5-1、5-3关闭，第一、第三电磁换向阀4-1、4-3相继断电复位卸荷，下端的第二、第四液控单向阀5-2、5-4失控关闭，此时串联的两液控单向阀同时起作用，保证不使支撑架14摆动，且上端第一、第三液控单向阀5-1、5-3先关，下端第二、第四液控单向阀5-2、5-4后关，在两阀间无存油压力，避免背压。
利用所述的基于被动吸能的船舶防撞系统实现的防撞方法，包括以下步骤：
S1、通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；
S2、当判断有碰撞可能时，向吊放回收装置发送抬升指令；
S3、吊放回收装置抬起附加甲板13向船艏前端伸出，由吸能结构构成的附加甲板13发生塑性变形吸收碰撞能量。S3具体为：液压系统抬升支撑架14，使得支撑架14与船艏的甲板构成一定角度，位于支撑架14上的附加甲板13受重力作用从支撑架14上滑出船艏。
所述的支撑架14的前端通过止推轴承式回转装置15与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置15包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架14上；当附加甲板13向船艏前端伸出后，液压系统收回并脱离与支撑架14之间的连接；在碰撞发生时，附加甲板13和支撑架14在碰撞作用力下依靠止推轴承式回转装置15进行自由转动。
所述的液压系统设有液压缸和液压杆12，液压杆12与所述的支撑架14连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销16；液压系统通过将液压杆12和液压插销16收回，从而与支撑架14脱离连接。
优选的，本方法还包括S4、若未发生碰撞，通过液压杆12拉动支撑架14，同时卷扬机反转拉动附加甲板13，使支撑架14和附加甲板13回到船艏的甲板上。
通过严密的计算和系统的试验，优化附加甲板的吊放方案。以船首的最前端O点为原点，以竖直向上为y轴正方向，水平向右为x轴正方向建立直角坐标系。
假设附加甲板及轨道在抬升过程中绕原点逆时针旋转的角速度为定值ω，并且在卷扬机的作用下，附加甲板沿轨道向下作匀速运动，速度为v。附加甲板上距船首距离为l的某一点的坐标为(l，0)。方案一为附加甲板升起时同时沿轨道向下运动。在这种情况下，在t时刻，这一点的坐标变为：
方案二为附加甲板先在液压油缸作用下进行抬升，随后在卷扬机的作用下沿轨道匀速下滑。附加甲板上距原点距离为l的一点，在抬升过程中的某一时刻t的坐标为：
随后附加甲板被释放，沿轨道匀速下滑。则点(x1，y1)在这一过程中的某时刻t的坐标为：
上式中的wt为抬升过程结束后附件甲板与船首的夹角。
研究过程中假设ω＝8rad/s，l＝1m，v＝1m/s，附加甲板运动到与船体垂直且位于极限位置时停止。由公式(1)可知方案一所需时间为6s，由公式(2)和(3)可知方案二所需时间为 8s。则方案一的响应时间更短。
总之，通过合理的建模分析和理论计算，在装置结构设计上进行了优化设计，实现了对于船舶碰撞的有效预防，并通过理论计算分析并优化了附加甲板的吊放方案。该系统可以减少船舶碰撞所带来的损失。
本发明是针对船舶突发碰撞情况下反应时间不足、船舶避让空间不足、碰撞损失严重而设计的，其对提高船舶安全性能、保障船员和乘客的生命安全具有重大意义。弥补船舶防碰撞能力不足问题，保障船上人员生命安全。船舶被动吸能结构在发生碰撞时可吸收大量碰撞能，使人员密集区受到的破坏降低，为人员的逃生与存活做出极大保证，在一定程度上保证船员生命安全可在一定程度上减少碰撞事故造成的环境污染。油船等危险品船一旦发生碰撞事故，会导致燃料、废骸等污染水域，对其造成无法挽回的伤害，船舶安全防撞系统可以有效降低船舶受损程度和对水域的污染程度，保护环境不受更深层次的污染。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：它包括附加甲板系统和碰撞预警机构；其中，
附加甲板系统包括附加甲板和吊放回收装置，其中附加甲板由吸能结构构成，吊放回收装置用于受碰撞预警系统控制而抬起附加甲板向船艏前端伸出；
所述的碰撞预警机构包括碰撞预测模块和吊放回收控制机构；碰撞预测模块用于通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；吊放回收控制机构用于在有碰撞可能时向吊放回收装置发送抬升指令。
2.根据权利要求1所述的基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：所述的吊放回收装置包括支撑架、液压系统、卷扬机和缆绳；附加甲板与支撑架滑动连接，支撑架的前端与船艏的甲板连接，支撑架的中部与液压系统连接，通过液压系统的抬升带动支撑架和附加甲板的倾斜抬升；缆绳一端接在卷扬机上，另一端经过安装在支撑架上的定滑轮后与附加甲板连接，在附加甲板倾斜抬升后受重力作用向船艏前端伸出后被卷扬机和缆绳拉住；
所述的液压系统和卷扬机由吊放回收控制机构控制。
3.根据权利要求2所述的基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：所述的支撑架的前端通过止推轴承式回转装置与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架上。
4.根据权利要求2所述的基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：所述的卷扬机上设有转速传感器，用于向吊放回收控制机构反馈速度。
5.根据权利要求2或3所述的基于被动吸能的船舶防撞系统，其特征在于：所述的液压系统设有液压缸和液压杆，液压杆与所述的支撑架连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销。
6.利用权利要求1所述的基于被动吸能的船舶防撞系统实现的防撞方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S1、通过周围船只的实时位置计算周围船只的运行轨迹，判断是否有碰撞的可能；
S2、当判断有碰撞可能时，向吊放回收装置发送抬升指令；
S3、吊放回收装置抬起附加甲板向船艏前端伸出，由吸能结构构成的附加甲板发生塑性变形吸收碰撞能量。
7.根据权利要求6所述的防撞方法，其特征在于：所述的S3具体为：液压系统抬升支撑架，使得支撑架与船艏的甲板构成一定角度，位于支撑架上的附加甲板受重力作用从支撑架上滑出船艏。
8.根据权利要求7所述的防撞方法，其特征在于：所述的支撑架的前端通过止推轴承式回转装置与船艏的甲板连接，止推轴承式回转装置包括回转座圈、固定座圈、以及在回转座圈和固定座圈之间的球形滚动体，固定座圈固定在船艏的甲板上，回转座圈固定在支撑架上；
当附加甲板向船艏前端伸出后，液压系统收回并脱离与支撑架之间的连接；在碰撞发生时，附加甲板和支撑架在碰撞作用力下依靠止推轴承式回转装置进行自由转动。
9.根据权利要求8所述的防撞方法，其特征在于：所述的液压系统设有液压缸和液压杆，液压杆与所述的支撑架连接形成一定夹角，液压缸上设有由碰撞预警机构控制的液压插销；
液压系统通过将液压杆和液压插销收回，从而与支撑架脱离连接。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的防撞方法，其特征在于：本方法还包括S4、若未发生碰撞，通过液压杆拉动支撑架，同时卷扬机反转拉动附加甲板，使支撑架和附加甲板回到船艏的甲板上。
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