CN115180077A - 三冰刀式破冰船及其破冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三冰刀式破冰船，包括主冰刀、辅助冰刀结构和辅助冰刀控制系统；主冰刀为后倾斜式的破冰船首；辅助冰刀结构安装于船首甲板之上，包括对称设置于船身左右两侧并向船首方向伸出的两组辅助冰刀，以及用于控制辅助冰刀旋转和伸缩的液压驱动系统；每组辅助冰刀包括刀臂、刀头和锯轮；辅助冰刀控制系统设置于船舶驾驶室内，辅助冰刀控制系统与液压驱动系统信号连接，通过控制液压驱动系统调整辅助冰刀的旋转与伸缩，使刀头在破冰过程中始终接触冰层上表面。本发明通过辅助冰刀的预制裂纹以及主冰刀的冲击作用破开冰层，有效提高了破冰的效率；同时，借助可调控的辅助冰刀，破冰船对薄冰和厚冰都有很好的作用效果，增强了作业环境范围。

Description

三冰刀式破冰船及其破冰方法

技术领域

本发明涉及破冰船技术领域，具体涉及一种三冰刀式破冰船及其破冰方法。

背景技术

目前传统的破冰方法有两种：连续式破冰法和冲撞式破冰法。连续式破冰法依靠船体前进的速度撞击冰层，利用特制的高强度船首将船体两侧的冰层压溃使其断裂，并将碎冰向两侧排开。此方法适用于破较薄的冰，较厚冰层对艏部要求高，则需要更大的推力和主机功率。冲撞式破冰法凭借船首的重力作用，配合艏部大前倾角，以使船冰接触时对冰层施加较大的向下分力，使接触区域的冰层发生弯曲和断裂，并利用下倾的船首底板将碎冰向后及两侧排开，完成破冰作业。此方法适用于破较厚冰，但工作效率低，破冰的同时难以保证行进速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种三冰刀式破冰船及其破冰方法，通过辅助冰刀的预制裂纹以及主冰刀的冲击作用破开冰层，有效提高了破冰的效率；同时，借助可调控的辅助冰刀，破冰船对薄冰和厚冰都有很好的作用效果，增强了作业环境范围。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种三冰刀式破冰船，包括主冰刀、辅助冰刀结构和辅助冰刀控制系统；所述主冰刀为后倾斜式的破冰船首，所述破冰船首的纵剖面上边线呈内凹式弧线设计；所述破冰船首的横剖面呈上窄下宽的对称设计；所述辅助冰刀结构安装于船首甲板之上，包括对称设置于船身左右两侧并向船首方向伸出的两组辅助冰刀，以及用于控制所述辅助冰刀旋转和伸缩的液压驱动系统；每组辅助冰刀包括刀臂、刀头和锯轮；所述刀臂一端与所述液压驱动系统连接，能够在液压驱动系统的驱动下绕横向水平轴转动；所述刀头同轴设置于刀臂另一端，能够在液压驱动系统的驱动下相对刀臂进行轴向伸缩；所述锯轮设置于所述刀头前端，用于切割冰层产生裂纹；所述辅助冰刀控制系统设置于船舶驾驶室内，所述辅助冰刀控制系统与所述液压驱动系统信号连接，通过控制液压驱动系统调整辅助冰刀的旋转与伸缩，使刀头在破冰过程中始终接触冰层上表面。

上述方案中，所述破冰船首的纵剖面弧线下端点与水平面成30°-40°夹角。

上述方案中，所述破冰船首的横剖面底部端点处切线与水平面成5°夹角，顶部端点处切线与中线面成30°-50°夹角。

上述方案中，所述液压驱动系统包括旋转液压基座、安装于所述旋转液压基座上的液压装置、与所述液压装置相连的液压杆、与所述液压杆铰接的主旋转轴、伸缩液压基座；所述液压装置驱动所述液压杆伸缩，从而带动所述主旋转轴旋转；所述刀臂一端与所述主旋转轴连接，能够随主旋转轴同步转动；所述伸缩液压基座位于主旋转轴与刀臂之间，作为主旋转轴和刀臂的支撑架，同时伸缩液压基座内设置油泵为所述刀头的伸缩提供驱动力。

上述方案中，所述辅助冰刀结构还包括分别安装于所述锯轮圆心两侧的雷达激光测距仪和水平仪，所述水平仪水平放置，雷达激光测距仪竖直放置，二者同轴安装、同步转动；所述雷达激光测距仪用于实时监测刀头距离冰层的距离以及冰层的厚度，所述水平仪用于实时监测所述雷达激光测距仪的平稳度，在辅助冰刀持续破冰的过程中维持所述雷达激光测距仪的平稳性和方向性以保证测量精度；所述雷达激光测距仪与所述辅助冰刀控制系统信号连接，将测量的信号传送至辅助冰刀控制系统。

上述方案中，所述辅助冰刀结构还包括设置于所述刀头内部的步进电机，所述步进电机与所述水平仪相连，水平仪内自设控制系统，水平仪采集的数据传递至控制系统后，通过控制步进电机驱动所述水平仪旋转，使同轴的雷达激光测距仪维持竖直的工作状态。

上述方案中，每组辅助冰刀还包括设置于所述刀头内部的驱动电机，所述驱动电机与所述锯轮的转动轴相连，驱动电机同时与所述辅助冰刀控制系统信号连接，驱动电机在辅助冰刀控制系统的控制下驱动所述锯轮转动。

上述方案中，所述刀臂呈L形，刀臂一边沿船舶横向水平布置，垂直的另一边向船首方向伸出。

上述方案中，所述辅助冰刀的刀臂与水平面的夹角的活动范围为20-30°。

相应的，本发明还提出上述三冰刀式破冰船的破冰方法，包括以下步骤：

S1、辅助冰刀结构预制裂纹：破冰船行进过程中，辅助冰刀先于船首与冰层接触，通过水平仪采集数据，确定倾斜角度和方向，调整好雷达激光测距仪的姿态后，通过雷达激光测距仪测量锯轮距冰层上表面的距离以及冰层的厚度，再通过液压驱动系统调控辅助冰刀，依靠锯轮的旋转切割作用在冰面上预先制造裂纹，使该处应力集中，有利于后续破冰；

S2、主冰刀破冰：主冰刀依靠船的动力冲击冰层，给予冰层斜向上的力，同时，由于预制裂纹的存在以及辅助冰刀对冰层的作用力，碎冰能更加容易地被破开，主冰刀特殊的型线设计使碎冰向两侧外翻，排开至船体两侧。

本发明的有益效果在于：

1、主冰刀对冰层斜向上的加载力使破冰阻力明显减小：海冰与结构物相互作用时挤压破坏产生的冰载荷最大，弯曲破坏产生的冰载荷最小，其中海冰与大型倾斜式结构物相互作用中主要发生弯曲破坏。本船主冰刀特殊的型线设计使海冰承受了较大的垂直向上的分载荷，更易使海冰发生弯曲破坏，且该种破坏模式下冰海冰作用于破冰结构上的力更小，故该船首的破冰性能更加优良。

2、辅助冰刀的作用使破冰所需力明显减小：辅助冰刀将于主冰刀之前接触冰面并持续产生划痕，当辅助冰刀结构进行伸缩旋转调整使得其与主冰刀的距离始终大于环向裂痕半径，即可将受载冰模型简化为两端固定仅受一集中力的简支梁。同时由于裂纹的作用，裂纹处海冰的弯曲强度大幅度减小，所能承受的垂直载荷也减小，而由于主冰刀与辅冰刀之间的间距并不足以抵消主冰刀的作用力对划痕处产生能使其破坏大小的剪力，所以冰层会在划痕处产生破坏，并且其产生破坏所需的力明显小于没有划痕时的力。

3、破冰周期短，破冰速度快：冲撞式破冰船破冰时，随着船首不断爬上冰面，冰阻力从零开始增加到冰破裂时产生的最大力，以及随着冰的破碎，冰阻力从峰值衰减到只剩浸没阻力。冰阻力在一个极短暂的时间内几乎保持不变，直到破冰船下一次与冰接触。由此可知，本发明的辅助冰刀通过削弱冰层，降低了冰阻力的峰值，缩短了破冰的周期，船首爬上冰面的距离也被缩短，船首底板与冰面的夹角增大的幅度随之减小，破冰的阻力进一步减小，破冰效率因此得到提高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明三冰刀式破冰船的船首结构示意图；

图2是图1所示三冰刀式破冰船的主冰刀的纵剖线图；

图3是图1所示三冰刀式破冰船的主冰刀的横剖线图；

图4是图1所示三冰刀式破冰船的辅助冰刀结构的示意图；

图5是图4所示辅助冰刀结构的液压伸缩原理图；

图6是本发明三冰刀式破冰船破冰过程中辅助冰刀预制裂纹示意图；

图7是本发明三冰刀式破冰船破冰过程中主冰刀破冰示意图。

图中：100、三冰刀式破冰船；10、主冰刀；20、辅助冰刀结构；21、辅助冰刀；211、刀臂；212、刀头；213、锯轮；22、液压驱动系统；221、旋转液压基座；222、液压装置；223、液压杆；224、主旋转轴；225、伸缩液压基座；23、雷达激光测距仪；24、水平仪；30、船首甲板；

200、冰层；201、裂纹；202、碎冰。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种三冰刀式破冰船100，包括主冰刀10、辅助冰刀结构20和辅助冰刀控制系统。

主冰刀10为后倾斜式的破冰船首，如图2所示，破冰船首的纵剖面上边线呈内凹式弧线设计，弧线下端点与水平面成30°-40°夹角(本实施例优选40°夹角)，有利于对冰层200施加压剪联合冲击载荷；纵剖面下边线与球鼻艏型线类似。如图3所示，破冰船首的横剖面呈上窄下宽的对称设计，底部端点处切线与水平面成5°夹角，顶部端点处切线与中线面成30°-50°夹角(本实施例优选45°夹角)，有利于破开冰层200，同时能将碎冰202沿型线排开至船体两侧。

如图4所示，辅助冰刀结构20安装于船首甲板30之上，包括对称设置于船身左右两侧并向船首方向伸出的两组辅助冰刀21，以及用于控制辅助冰刀21旋转和伸缩的液压驱动系统22。每组辅助冰刀21包括刀臂211、刀头212和锯轮213；刀臂211一端与液压驱动系统22连接，能够在液压驱动系统22的驱动下绕横向水平轴转动；刀头212同轴设置于刀臂211另一端，能够在液压驱动系统22的驱动下相对刀臂211进行轴向伸缩；锯轮213设置于刀头212前端，用于切割冰层200产生裂纹201。具体的，液压驱动系统22包括旋转液压基座221、安装于旋转液压基座221上的液压装置222、与液压装置222相连的液压杆223、与液压杆223铰接的主旋转轴224、伸缩液压基座225；液压装置222驱动液压杆223伸缩，液压杆223对主旋转轴224施加力矩从而带动主旋转轴224旋转；刀臂211一端与主旋转轴224连接，能够随主旋转轴224同步转动；伸缩液压基座225位于主旋转轴224与刀臂211之间，作为主旋转轴224和刀臂211的支撑架，同时伸缩液压基座225内设置油泵为刀头212的伸缩提供驱动力。

辅助冰刀控制系统设置于船舶驾驶室内，辅助冰刀控制系统与液压驱动系统22信号连接，通过控制液压驱动系统22调整辅助冰刀21的旋转与伸缩，使刀头212在破冰过程中始终接触冰层200上表面。

破冰作业时，辅助冰刀21的刀头212位于冰层200上方，依靠锯轮213的旋转对冰层200上表面进行切割产生预制裂纹201；然后主冰刀10从下侧对冰层200施加斜向上的压剪联合冲击载荷，使冰层200碎裂。

进一步优化，辅助冰刀结构20还包括分别安装于锯轮213圆心两侧的雷达激光测距仪23和水平仪24，水平仪24水平放置，雷达激光测距仪23竖直放置，二者同轴安装、同步转动。雷达激光测距仪23用于实时监测刀头212距离冰层200的距离以及冰层200的厚度，具体的，雷达激光测距仪23中雷达测距通过发射脉冲信号来测量其与冰层200下表面(即海水)的距离；激光测距采用相位测距法，将输出的连续激光用特定频率的信号调制然后发射至目标，测定往返调制信号的相位差，来确定冰层200的厚度。雷达激光测距仪23测得的数据实时传输至辅助冰刀控制系统中，通过液压驱动系统22对辅助冰刀21进行旋转、伸缩调控，使锯轮213始终与冰层200上表面接触产生裂纹201。水平仪24与雷达激光测距仪23配合工作，用于实时监测雷达激光测距仪23的平稳度，在辅助冰刀21持续破冰的过程中维持雷达激光测距仪23的平稳性和方向性以保证测量精度。通过雷达激光测距仪23和水平仪24能够实时监测辅助冰刀21工作状态及破冰工况，以适应破冰工况。

进一步优化，辅助冰刀结构20还包括设置于刀头212内部的步进电机，步进电机与水平仪24相连，水平仪24内自设控制系统，水平仪24采集的数据传递至控制系统后，通过步进电机驱动水平仪24旋转，使同轴的雷达激光测距仪23维持良好的竖直工作状态。具体的，在辅助冰刀21根据工况进行调整之后，水平仪24会产生一定的倾角，该角度由其内部三轴加速传感器实时采集，其上单片机(即内置控制系统)对三轴加速传感器所采集的信息进行分析，确定倾斜角度和方向，然后控制步进电机驱动水平仪24反方向旋转，从而维持水平状态，为激光测距仪提供良好的工作条件。

进一步优化，每组辅助冰刀21还包括设置于刀头212内部的驱动电机，驱动电机与锯轮213的转动轴相连，驱动电机同时与辅助冰刀控制系统信号连接，驱动电机在辅助冰刀控制系统的控制下驱动锯轮213转动。

进一步优化，刀臂211呈L形，刀臂211一边沿船舶横向水平布置，垂直的另一边向船首方向伸出。

进一步优化，辅助冰刀21的刀臂211与水平面的夹角的活动范围为20-30°。

进一步优化，控制辅助冰刀21刀头212伸缩的油泵位于伸缩液压基座225内，如图5所示为辅助冰刀结构20的液压伸缩原理图，刀头212同轴插设于刀臂211内，由伸缩液压基座225处油泵输送的液压油进入油路a时，油路b回油，高压油推动辅助冰刀21刀头212使其伸长，反之，刀头212缩短。

相应的，本发明还提出上述三冰刀式破冰船100的破冰方法，包括以下步骤：

S1、辅助冰刀结构20预制裂纹201：破冰船行进过程中，辅助冰刀21先于船首与冰层200接触，通过水平仪24采集数据，确定倾斜角度和方向，通过步进电机驱动芯片控制步进电机反方向旋转，从而维持水平状态，为雷达激光测距仪23提供良好的工作条件，然后通过雷达激光测距仪23测量锯轮213距冰层200上表面的距离以及冰层200的厚度，再通过液压驱动系统22调控辅助冰刀21，依靠锯轮213的旋转切割作用在冰面上预先制造裂纹201，使该处应力集中，有利于后续破冰。如图6所示。

S2、主冰刀10破冰：主冰刀10依靠船的动力冲击冰层200，给予冰层200斜向上的力，同时，由于预制裂纹201的存在以及辅助冰刀21对冰层200的作用力，碎冰202能更加容易地被破开，主冰刀10特殊的型线设计可以在冰层200碎裂之后，将碎冰202向两侧排开，减小了其对破冰船船体的阻碍作用，同时，碎冰202被引至两侧使航道更加通畅，有利于后续船舶的行进。如图7所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种三冰刀式破冰船，其特征在于，包括主冰刀、辅助冰刀结构和辅助冰刀控制系统；

所述主冰刀为后倾斜式的破冰船首，所述破冰船首的纵剖面上边线呈内凹式弧线设计；所述破冰船首的横剖面呈上窄下宽的对称设计；

所述辅助冰刀结构安装于船首甲板之上，包括对称设置于船身左右两侧并向船首方向伸出的两组辅助冰刀，以及用于控制所述辅助冰刀旋转和伸缩的液压驱动系统；每组辅助冰刀包括刀臂、刀头和锯轮；所述刀臂一端与所述液压驱动系统连接，能够在液压驱动系统的驱动下绕横向水平轴转动；所述刀头同轴设置于刀臂另一端，能够在液压驱动系统的驱动下相对刀臂进行轴向伸缩；所述锯轮设置于所述刀头前端，用于切割冰层产生裂纹；

所述辅助冰刀控制系统设置于船舶驾驶室内，所述辅助冰刀控制系统与所述液压驱动系统信号连接，通过控制液压驱动系统调整辅助冰刀的旋转与伸缩，使刀头在破冰过程中始终接触冰层上表面。

2.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述破冰船首的纵剖面弧线下端点与水平面成30°-40°夹角。

3.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述破冰船首的横剖面底部端点处切线与水平面成5°夹角，顶部端点处切线与中线面成30°-50°夹角。

4.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述液压驱动系统包括旋转液压基座、安装于所述旋转液压基座上的液压装置、与所述液压装置相连的液压杆、与所述液压杆铰接的主旋转轴、伸缩液压基座；所述液压装置驱动所述液压杆伸缩，从而带动所述主旋转轴旋转；所述刀臂一端与所述主旋转轴连接，能够随主旋转轴同步转动；所述伸缩液压基座位于主旋转轴与刀臂之间，作为主旋转轴和刀臂的支撑架，同时伸缩液压基座内设置油泵为所述刀头的伸缩提供驱动力。

5.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述辅助冰刀结构还包括分别安装于所述锯轮圆心两侧的雷达激光测距仪和水平仪，所述水平仪水平放置，雷达激光测距仪竖直放置，二者同轴安装、同步转动；所述雷达激光测距仪用于实时监测刀头距离冰层的距离以及冰层的厚度，所述水平仪用于实时监测所述雷达激光测距仪的平稳度，在辅助冰刀持续破冰的过程中维持所述雷达激光测距仪的平稳性和方向性以保证测量精度；所述雷达激光测距仪与所述辅助冰刀控制系统信号连接，将测量的信号传送至辅助冰刀控制系统。

6.根据权利要求5所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述辅助冰刀结构还包括设置于所述刀头内部的步进电机，所述步进电机与所述水平仪相连，水平仪内自设控制系统，水平仪采集的数据传递至控制系统后，通过控制步进电机驱动所述水平仪旋转，使同轴的雷达激光测距仪维持竖直的工作状态。

7.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，每组辅助冰刀还包括设置于所述刀头内部的驱动电机，所述驱动电机与所述锯轮的转动轴相连，驱动电机同时与所述辅助冰刀控制系统信号连接，驱动电机在辅助冰刀控制系统的控制下驱动所述锯轮转动。

8.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述刀臂呈L形，刀臂一边沿船舶横向水平布置，垂直的另一边向船首方向伸出。

9.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船，其特征在于，所述辅助冰刀的刀臂与水平面的夹角的活动范围为20-30°。

10.根据权利要求1所述的三冰刀式破冰船的破冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、辅助冰刀结构预制裂纹：破冰船行进过程中，辅助冰刀先于船首与冰层接触，通过水平仪采集数据，确定倾斜角度和方向，调整好雷达激光测距仪的姿态后，通过雷达激光测距仪测量锯轮距冰层上表面的距离以及冰层的厚度，再通过液压驱动系统调控辅助冰刀，依靠锯轮的旋转切割作用在冰面上预先制造裂纹，使该处应力集中，有利于后续破冰；

S2、主冰刀破冰：主冰刀依靠船的动力冲击冰层，给予冰层斜向上的力，同时，由于预制裂纹的存在以及辅助冰刀对冰层的作用力，碎冰能更加容易地被破开，主冰刀特殊的型线设计使碎冰向两侧外翻，排开至船体两侧。

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