CN110712722A - 一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船，该船体系统主要由主船体、气垫、冰刀、驾驶室和护栏组成，其推进系统由空气螺旋桨推进器组成，分布在主船体的尾部和底部，使得气垫破冰船在恒速前进的同时，垂直方向产生作用于海冰上的正弦脉动载荷，设置的监测系统主要包括传感器阵列和摄像头阵列，并一同安装在主船体的四周，用于采集水位和冰况信息，设有控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制推进系统，从而调整前进速度和垂向脉动载荷的脉动频率。本发明不仅结构简单，同时通过冰层波形共振与安装在主船体底部的垂向冰刀相配合方式，破冰效率高。

Description

一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船
技术领域
本发明属于船舶工程技术，具体涉及一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船。
背景技术
北极航道是联系亚、欧、美三大洲的最短航线，与传统航线相比，能够极大地缩短运输船舶航程，降低运输成本。近年来，随着全球气候变暖，极地海冰厚度和覆盖面积逐步缩减，已先后有多条商船在破冰船的引导下穿梭于东北航道。对于常规破冰船，按照破冰方式的不同一般可以分为连续式破冰和冲撞式破冰。前者主要适用于冰层厚度不超过1.5米的冰况，通过船首接触冰层表面使其发生挤压破坏。后者主要适用于更为恶劣的冰况，即通过船首快速冲上冰面，然后依靠自身重量使其发生弯曲破坏。
为了提高破冰效率、降低破冰过程中的能源消耗等，气垫破冰船应运而生。按照气垫船破冰原理，当前主要可以分为波形共振破冰方法和压力式弯曲破冰方法。波形共振破冰方法中，令气垫船以恒速在冰层上形式，从而产生定常弯曲重力波，当气垫船的速度与冰层弯曲变形临界速度接近时，冰层产生最大的弯曲变形。压力式弯曲破冰方法中，利用船体底部的高压气体，在冰层和水之间形成一个局部的气腔，从而使得冰层失去流体的支撑，在气垫船自身重力的作用下发生弯曲破坏。
然而，不论是波形共振破冰方法还是压力式弯曲破冰方法均存在一定的局限性，前者难以适用于较为恶劣的冰况，后者单纯依靠自身重力破冰，能源消耗大，破冰效率低。
发明内容
发明目的：针对上述破冰船及技术的不足问题，本发明目的是提供一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船。
技术方案：一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船，包括船体系统、推进系统、监测系统和控制系统；所述船体系统主要包括主船体、气垫、冰刀、驾驶室和护栏，气垫和冰刀安装在主船体底部，主船体上甲板四周设有护栏，驾驶室安装在主船体上甲板中部；所述推进系统包括分布在主船体尾部和底部的空气螺旋桨推进器，协同工作产生作用于冰层上的垂向正弦脉动载荷；所述监测系统安装在船体系统中主船体的四周，用于采集水位和冰况的信息；所述控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制推进系统的工作。
进一步的，所述的船体系统中主船体下部冰刀呈波浪形，并安装在主船体的中心位置，所述的气垫截面呈椭圆形，并安装在主船体底部的四周；
船体系统中主船体前部呈半圆状，后部呈方形，且主船体上甲板四周安装有护栏。
进一步的，所述船体系统中主船体均匀分布着用来安装垂向推进器机构的安装孔，所述主船体的尾部设有用来安装水平推进器机构的安装支架。
更进一步的，所述推进器机构的电机输出轴为阶梯轴，小齿轮通过平行键固定在电机输出轴上，并且与大齿轮啮合。所述的推进器机构的大齿轮通过平行键安装在中心轴上，中心轴的前端有螺纹孔，风扇安装在中心轴的前端并通过螺钉帽固定。
进一步的，所述的监测系统包括传感器阵列、摄像头阵列和信号发射器，传感器阵列和摄像头阵列安装在船体系统中主船体的四周，用来采集水位的变化信息和冰厚的分布状况。信号发射器安装在船体系统的驾驶室内。
作为优选，所述的破冰船由8个空气螺旋桨推进器组成，2个安装在主船体的尾部，6个安装在主船体的底部，推进器协同工作使得气垫破冰船恒速前进的同时产生作用于冰层上的垂向正弦脉动载荷。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的割划式移动脉动载荷气垫破冰船能够极大地提高破冰效率、降低破冰过程中的能源消耗，能够根据冰况，调整气垫破冰船的前进速度和垂向载荷的脉动频率，并且适用更加复杂和恶劣的冰况。
附图说明
图1为本发明所述破冰船的结构示意图；
图2为破冰船尾部结构示意图；
图3为破冰船底部结构示意图；
图4为破冰船的主船体结构示意图；
图5为破冰船主船体底部示意图；
图6为所述破冰船的水平推进器机构示意图；
图7为所述破冰船的水平推进器机构爆炸图；
图8为所述破冰船的垂直推进器机构示意图；
图9为所述破冰船的垂直推进器机构爆炸图；
图10为本发明所述破冰船的信号传递流程图；
图11为本发明所述破冰船的工作示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面将结合说明书附图和具体实施例做进一步清楚、完整地描述。
本发明所提供的是一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船，如图1、图2和图3所示，图1所示的是本发明的整体结构示意图，图2所示的是本发明的尾部示意图，图3所示的是本发明底部示意图。结合本领域技术人员所熟知的破冰方式和现有技术中已经公开的必要结构进行对本发明的结构特征做描述。本发明所提供的破冰船主要包括船体系统1和推进系统2，同时该破冰船还设有监测系统和控制系统。
如图4或图5所示，对于破冰船的主体结构，首先，船体系统1由护栏11、主船体12、驾驶室13、防护罩14、螺旋桨罩15、气垫16和冰刀17组成。气垫16安装在主船体12的底部四周，冰刀17呈波浪形安装在主船体12的底部中心位置，护栏11安装在主船体12的甲板四周，用来防止甲板上浪和保障工作人员安全。护栏11前端呈圆弧状，护栏11后端呈方形。驾驶室13安装在主船体12甲板的中部。
推进系统2分为水平推进器机构21和垂直推进器机构22。
水平推进器机构如图6和图7所示，其包括螺钉帽211、风扇212、中心轴213、轴承盖214、平行键215、角接触球轴承216、大齿轮2171、小齿轮2172和电机218。中心轴213为阶梯轴，风扇212安装中心轴213的前端，通过螺钉帽211固定。角接触球轴承216与中心轴213配合，并一同安装在主船体12的轴承底座上，轴承盖214通过螺钉固定在轴承底座上。大齿轮2171安装在中心轴213的轴肩处，通过平行键2151固定。小齿轮2172安装在电机218的输出轴上，同时与大齿轮2171啮合。电机218通过螺钉安装在主船体12的支架上。水平设置的2个推进器机构相同。
如图8和图9所示，垂直推进器机构包括：螺钉帽221、风扇222、中心轴223、小齿轮2251、大齿轮2252、推力球轴承224、平行键226和电机227。推力球轴承224安装在中心轴223的轴肩处，并一同安装在主船体12底部的安装孔中。其余零件配合及安装与水平推进器机构相同。
如图10所示，监测系统3包括：传感器阵列、摄像头阵列和信号发射器。传感器阵列和摄像头阵列安装在主船体12的四周，用来采集水位变化及冰况信息。信号发射器安装在船体系统1的驾驶室13内，用来把收集的信息传递给控制系统4。控制系统4主要由信号接收器、CPU和信号发射器组成。信号接收器接收监测系统3收集的信息，并交给CPU进行分析和处理，进而通过信号发射器控制推进系统2工作，从而调整气垫破冰船的前进速度和垂向脉动载荷的脉动频率。
本发明的一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船，监测系统利用传感器阵列和摄像头阵列监测水位变化和冰况信息，再通过信号发射器传递给控制系统。控制系统根据监测系统采集的信息，调配推进系统的工作，进而决定最佳的前进速度和垂向载荷的脉动频率，使得气垫破冰船恒速前进产生的定常弯曲重力波与垂向正弦脉动载荷诱导的非定常弯曲重力波叠加，在冰层中产生最大的弯曲应力(如图11所示)。当冰况较为恶劣时，气垫船产生垂向正弦脉动载荷的同时，安装于主船体上的垂向冰刀还会在冰层上预开辟出一道纵向裂缝，从而保证理想的破冰效率。

Claims (8)

1.一种割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：包括船体系统、推进系统、监测系统和控制系统；所述船体系统包括主船体、气垫、冰刀、驾驶室和护栏，气垫和冰刀安装在主船体底部，主船体上甲板四周设有护栏，驾驶室安装在主船体上甲板中部；所述推进系统包括分布在主船体尾部和底部的空气螺旋桨推进器，协同工作产生作用于冰层上的垂向正弦脉动载荷；所述监测系统安装在船体系统中主船体的四周，用于采集水位和冰况的信息；所述控制系统用于分析和处理监测系统采集的信息，并根据采集的信息控制推进系统的工作。
2.根据权利要求1所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述的船体系统中冰刀呈波浪形，并安装在主船体底部的中心位置，所述的气垫截面呈椭圆形，并安装在主船体底部的四周。
3.根据权利要求1所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述船体系统中主船体前部呈半圆状，后部呈方形，且主船体上甲板四周安装有护栏。
4.根据权利要求1所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述船体系统中主船体均匀分布着用来安装垂向推进器机构的安装孔，所述主船体的尾部设有用来安装水平推进器机构的安装支架。
5.根据权利要求4所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述推进器机构的电机输出轴为阶梯轴，小齿轮通过平行键固定在电机输出轴上，并且与大齿轮啮合。
6.根据权利要求5所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述的推进器机构的大齿轮通过平行键安装在中心轴上，中心轴的前端有螺纹孔，风扇安装在中心轴的前端并通过螺钉帽固定。
7.根据权利要求1所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述的监测系统包括传感器阵列、摄像头阵列和信号发射器，传感器阵列和摄像头阵列安装在船体系统中主船体的四周，用于采集水位的变化信息和冰厚的分布状况，所述信号发射器安装在船体系统中的驾驶室内。
8.根据权利要求1所述的割划式移动脉动载荷气垫破冰船，其特征在于：所述的破冰船由8个空气螺旋桨推进器组成，其中，2个安装在主船体的尾部，6个安装在主船体的底部，推进器协同工作使得气垫破冰船恒速前进的同时产生作用于冰层上的垂向正弦脉动载荷。
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