JP3874835B2 - 減揺装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海上又は水上に浮遊した海洋構造物、例えば停船中の船舶、パージ等の動揺を軽減するための減揺装置に関し、特に、軌道上を往復運動する可動質量によって構造物の動揺を軽減するように構成された減揺装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海上に浮遊した海洋構造物の減揺装置として、アクチュエータを用いた能動型の装置と動吸振器原理を用いた受動型の装置がある。能動型の装置は海洋構造物の動揺をセンサによって検出し、アクチュエータによって可動質量を振動するように構成されている。可動質量の振動は、海洋構造物の動揺を軽減するように位相制御される。
【０００３】
動吸振器原理を用いた受動型の装置は可動質量を駆動させるためのアクチュエータを用いないから構造がより簡単である利点を有する。
【０００４】
図６を参照して従来の動吸振器原理を用いた減揺装置の例を説明する。この例は本願出願人と同一の出願人によって平成８年１月３１日に出願された特願平８−１５４２８号に開示されたものである。詳細は同出願を参照されたい。
【０００５】
この減揺装置は円弧状に湾曲した軌道部材５１１とこの軌道部材５１１に沿って自由に移動可能な可動質量５１２と両側の支持部材５１３Ａ、５１３Ｂとを有する。軌道部材５１１の両端には水平軸５１１Ａ、５１１Ｂが取り付けられ、この水平軸５１１Ａ、５１１Ｂは支持部材５１３Ａ、５１３Ｂの軸受け（図示なし）に回転可能に支持されている。
【０００６】
支持部材５１３Ａ、５１３Ｂは海洋構造物の所定の基台５５１に垂直に装着される。従って水平軸５１１Ａ、５１１Ｂは基台５５１に平行である。図示のように基台５５１に平行な面上に水平軸５１１Ａ、５１１Ｂに沿ってｘ軸、それに垂直にｙ軸、基台５５１に垂直にｚ軸をとる。
【０００７】
この減揺装置は海洋構造物のｙ軸に平行な回転軸周りの動揺を軽減するように構成されている。海洋構造物がｙ軸に平行な回転軸周りに動揺すると、可動質量５１２は軌道部材５１１に沿って往復運動する。可動質量５１２は軌道部材５１１に沿って円弧状の経路を往復運動する。重力の分力が往復運動の復元力となる。可動質量５１２の振動の中心は、円弧状経路の中心位置であり、最下端部である。
【０００８】
こうして、可動質量５１２の往復運動によって海洋構造物の動揺は減少する。減揺装置が効果的に機能するためには、可動質量５１２の往復運動は、海洋構造物の動揺周期と同一の動揺周期を有し且つ海洋構造物より所定の角度又は変位だけズレた位相を有することが必要である。
【０００９】
一般に海洋構造物の動揺周期は海洋構造物の固有動揺周期に支配される。海洋構造物の固有動揺周期は海洋構造物の構造、質量、重心位置等に依存し海洋構造物毎に異なる。また、積み荷等が変化すると質量、重心位置等が変化し、固有動揺周期は変化する。
【００１０】
一方、可動質量５１２の動揺周期は可動質量５１２の固有往復運動周期に支配される。可動質量５１２の固有往復運動周期は、可動質量５１２の質量、運動経路等に依存する。所望の減揺効果を得るためには、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を海洋構造物の固有動揺周期に一致させることが必要である。
【００１１】
海洋構造物の積み荷等が変化してその固有動揺周期が変化しても、所望の減揺効果を得るためには、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を調節することができることが必要である。
【００１２】
図６に示す減揺装置では、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を調節することができるように構成されている。この例によると、軌道部材５１１は水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることができる。それによって可動質量５１２はｘｚ面に対して傾斜した面上を、軌道部材５１１に沿って移動する。
【００１３】
可動質量５１２には、海洋構造物の動揺に起因した外力と重力が作用する。可動質量５１２の運動に寄与するのは、これらの力のうち、可動質量５１２の運動方向の成分、即ち、軌道部材５１１の中心軸線の接線方向の成分である。
【００１４】
可動質量５１２の往復運動の復元力は重力に基づいている。例えば、軌道部材５１１の中心軸線の接線が垂直線となす角をαとすると、復元力はｍｇｃｏｓαである。
【００１５】
軌道部材５１１が水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転すると、ｃｏｓαが減少して復元力は減少する。それによって可動質量５１２の固有往復運動周期は大きくなる。
【００１６】
従って、積み荷等の変化によって海洋構造物の固有動揺周期が増加した場合には、軌道部材５１１を水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることによって、可動質量５１２の固有往復運動周期を大きくし、それによって所望の減揺効果を達成することができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した従来の減揺装置は、軌道部材５１１を水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることによって、可動質量５１２の固有往復運動周期を大きくすることができるように構成されている。例えば、軌道部材５１１を略９０°回転させた状態では、可動質量５１２は略水平面上の経路を運動することとなり、固有往復運動周期は無限大に大きくなる。しかしながら、可動質量５１２の固有往復運動周期の最小値は、軌道部材５１１が垂直面に沿って配置された状態のときであり、固有往復運動周期をそれ以上小さくすることはできない欠点があった。
【００１８】
また、従来の減揺装置では、円弧状に湾曲した軌道部材５１１を使用する。湾曲した軌道部材５１１を高い精度で製造するのは困難であり大量生産ができなかった。軌道部材５１１を正確な円弧状に湾曲加工するためには加工費用が増加する。
【００１９】
また従来の減揺装置では、円弧状に湾曲した軌道部材５１１を使用するため、減揺装置の占有体積、特に軌道部材５１１及び可動質量５１２を収容する部分が大きくなる欠点があった。特に小型の船舶等に搭載する場合には、設置が困難な場合があった。
【００２０】
本発明は斯かる点に鑑み、可動質量５１２の固有往復運動周期を調節できるように構成された減揺装置において、固有往復運動周期を増加させるばかりでなく減少させることができることを目的とする。
【００２１】
本発明は斯かる点に鑑み、加工が容易な且つ製造費用が低い減揺装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明は斯かる点に鑑み、占有体積が小さく小型の船舶にも搭載することができる減揺装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の減揺装置によると、減揺対象物の動揺軸線に直交して配置される軌道部材と該軌道部材に沿って往復運動可能な可動質量と、上記可動質量の復元力を発生し、一端が上記可動質量に接続された引っ張りワイヤと該引っ張りワイヤを案内するローラ部材と上記引っ張りワイヤの他端に接続されたばねとを有し、上記ローラ部材は上記可動質量が上記軌道部材上の基準位置にあるとき上記引っ張りワイヤに作用する引っ張り力が上記可動質量の運動方向に直交するように配置された復元力発生装置と、上記ばねの伸び量により上記復元力を調節する復元力調節装置とを有し、上記減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、上記復元力調節装置で上記可動質量の復元力を調節することによって上記可動質量の固有往復運動周期を調節することができるように構成されている。
【００２７】
本発明によると、減揺装置において、上記復元力調節装置は上記可動質量が上記基準位置にあるときの上記ばねの初期張力を調節することができるように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明によると、減揺装置において、上記復元力調節装置は、上記ばねの両端のうち上記可動質量と反対側の端部に接続された巻き取りワイヤと該巻き取りワイヤを巻き取るための巻き取りローラと該巻き取りローラに装着された歯車と該歯車に係合しているウォーム歯車とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明によると、減揺装置において、上記ウォーム歯車はステップモータによって自動的に又は手動ハンドルによって手動的に駆動されることができるように構成されていることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明による減揺装置の例について説明する。本例の減揺装置は軌道部材１１とこの軌道部材１１に沿って自由に移動可能な可動質量１２とこの軌道部材１１を両側にて支持する支持部材１３Ａ、１３Ｂと可動質量１２に装着されたワイヤ１５とこのワイヤ１５を案内する１対のローラ１７Ａ、１７Ｂとを有する。可動質量１２の下端には小さなローラ１２Ａが装着され、ワイヤ１５の一端１５Ａはこのローラ１２Ａに装着されている。
【００３３】
図１に示す例では軌道部材１１は直線状に形成されており、可動質量１２の運動経路は直線である。しかしながら、軌道部材１１は、図６に示した従来例のように円弧状に湾曲した形状であってもよく、可動質量１２の運動経路は円弧、方物線等であってもよい。
【００３４】
本例の減揺装置はワイヤ１５を所定の張力にて引っ張るための張力発生装置２０とワイヤ１５の張力を調節するための張力調節装置３０とを有する。本例によると、張力発生装置２０によって可動質量１２の往復運動の復元力が生成される。また張力調節装置３０によって可動質量１２の往復運動の復元力が調節される。従って張力発生装置２０は復元力発生装置であり、張力調節装置３０は復元力調節装置である。
【００３５】
張力発生装置２０は例えば、引っ張りばねを使用するものであってよい。引っ張りばねはコイルばねであってよい。本例の張力発生装置２０は、ワイヤ１５の他端１５Ｂに接続された引っ張りばね２１と引っ張りばね２１の一端２１Ａに装着されたリミットスイッチ装置２３とを有する。リミットスイッチ装置２３は引っ張りばね２１の伸びが所定の大きさより大きくなると信号を生成するように構成されている。
【００３６】
リミットスイッチ装置２３は例えば、引っ張りばね２１の一端２１Ａに装着された第１の接点２３Ａと基台５１に装着された第２の接点２３Ｂとを有し、引っ張りばね２１の伸びが所定の大きさを越えると２つの接点の開閉状態が変化し、信号を生成するように構成されてよい。
【００３７】
張力調節装置３０は例えば、張力発生装置２０の引っ張りばねの伸びを変化させるように構成されてよい。本例の張力調節装置３０は、引っ張りばね２１の他端２１Ｂに接続されたワイヤ３１を巻き取るための巻き取りローラ３３とこのローラ３３に装着された歯車３５とこの歯車３５と係合するウォーム歯車３７とウォーム歯車３７を回転させるためのステップモータ３９とハンドル付き回転軸４１とを有する。
【００３８】
また張力調節装置３０はワイヤ１５の引っ張り力を指示する指示装置を有し、この指示装置は図示のように引っ張りばね２１の他端２１Ｂのワイヤ３１に装着された針４５と目盛り４７とを有する。尚、針４５は巻き取りローラ３３又は歯車３５に装着されてよく、目盛り４７はこの針４５の動きを指示するように円周方向に延在するように配置されてよい。
【００３９】
図示のように軌道部材１１に沿ってｘ軸をとり、それに垂直下方にｙ軸をとる。またｘｙ軸に垂直に（紙面に垂直に）ｚ軸をとる。座標の原点Ｏを軌道部材１１の中央位置にとる。支持部材１３Ａ、１３Ｂは海洋構造物の所定の基台５１に垂直に装着される。軌道部材１１は基台５１に平行に配置される。
【００４０】
本例の減揺装置はｚ軸（紙面に垂直な軸線）に平行な回転軸線周りの動揺を減少させるように構成されている。ローラ１７Ａ、１７Ｂは原点Ｏの下方に配置されており、可動質量１２が基準位置である原点Ｏの位置にあるとき、ワイヤ１５はＹ軸に沿って延在する。このときのワイヤ１５の張力を初期張力Ｆ0 とする。海洋構造物が動揺すると可動質量１２は原点Ｏを中心に往復運動する。例えば、可動質量１２が第１の支持部材１３Ａの近くに配置されたものとする。このときの可動質量１２の変位をｘ、ワイヤ１５の張力をＦとする。
【００４１】
ワイヤ１５の弾性変形は十分小さいから無視することができる。ワイヤ１５の初期張力Ｆ0 及び張力Ｆは、張力発生装置２０の引っ張りばね２１によって生成される。一方、可動質量１２の往復運動の復元力はワイヤ１５の張力Ｆとワイヤ１５の傾斜角θによって決まる。
【００４２】
後に説明するが、ワイヤ１５の張力Ｆは、引っ張りばね２１の伸びδと引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 によって決まる。従って、往復運動の復元力を調節するためには、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 を調節すればよい。
【００４３】
可動質量１２の固有往復運動周期Ｔは復元力の関数だから、可動質量１２の固有往復運動周期Ｔを変化させるためには、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 を調節すればよい。
【００４４】
本例によると、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 は張力調節装置３０によって調節されることができる。張力調節装置３０は自動的に又は手動で作動することができる。図示のように、ウォーム歯車３７は、ステップモータ３９又はハンドル付き回転軸４１の一方が接続されることができるように構成されている。
【００４５】
先ず可動質量１２を原点Ｏの位置に配置し、ステップモータ３９又はハンドル付き回転軸４１をウォーム歯車３７に接続して作動する。それによって、ウォーム歯車３７は回転し、それに係合している歯車３５も回転する。歯車３５が回転するとそれに装着された巻き取りローラ３３が回転し、引っ張りばね２１の他端２１Ｂに接続されたワイヤ３１が巻き取られ又は緩められる。引っ張りばね２１は巻き取りローラ３３方向に引っ張られ又は緩められる。それによって引っ張りばね２１は伸縮し、ワイヤ１５に作用する初期張力Ｆ0 は増加又は減少する。
【００４６】
以下に、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 とワイヤ１５の張力Ｆ、可動質量１２の復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔの関係を解析する。ここでは、図１に示すように軌道部材１１が直線状であり、可動質量１２の運動経路が直線である場合について考える。
【００４７】
可動質量１２が原点Ｏに配置されているとき、ワイヤ１５に作用する張力、即ち、初期張力をＦ0 とする。次に、図示の一点鎖線１２’にて示すように、可動質量１２が原点Ｏから右側の支持部材１３Ａ方向に移動した状態を考える。このときの可動質量１２の座標をｘとし、ワイヤ１５のｙ軸に対する傾斜角をθ、ワイヤ１５に作用する張力をＦとする。
【００４８】
引っ張りばね２１の伸びδは次のように表される。但し、可動質量１２に装着されたローラ１２Ａの中心からローラ１７Ａ、１７Ｂの中心までのｙ軸方向の距離をｂとする。また、ローラ１７Ａ、１７Ｂの半径は十分小さいものとする。
【００４９】
【数１】
δ＝√（ｂ2 ＋ｘ2 ）−ｂ
【００５０】
引っ張りばね２１のばね定数をＫとすると、ワイヤ１５に作用する張力Ｆは次のように表される。
【００５１】
【数２】
Ｆ＝Ｆ0 ＋Ｋδ
＝Ｆ0 ＋Ｋ〔√（ｂ2 ＋ｘ2 ）−ｂ〕
【００５２】
可動質量１２に作用する復元力ＦX は、ワイヤ１５の張力Ｆのｘ軸方向の成分であるから次のように表される。
【００５３】
【数３】
【００５４】
ここでＫEQは等価ばね定数と称され次の式によって表される。
【００５５】
【数４】
ＫEQ＝Ｋ＋（Ｆ0 −Ｋｂ）／√（ｂ2 ＋ｘ2 ）
【００５６】
ここで、変位ｘが距離ｂに比べて十分小さいと仮定すると、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は次のように表される。
【００５７】
【数５】
ＫEQ＝Ｆ0 ／ｂ
ＦX ＝ＫEQｘ＝（Ｆ0 ／ｂ）ｘ
【００５８】
この振動系の固有往復運動周期Ｔは次の式によって表される。
【００５９】
【数６】
Ｔ＝２π√（ｍ／ＫEQ）
【００６０】
ここでｍは可動質量１２の質量である。固有往復運動周期Ｔは、等価ばね定数ＫEQが増加すると減少し、等価ばね定数ＫEQが減少すると増加する。数４の式又は数５の式より明らかなように、等価ばね定数ＫEQは、初期張力Ｆ0 が増加すると増加し、初期張力Ｆ0 が減少すると減少する。結局、固有往復運動周期Ｔは、初期張力Ｆ0 が増加すると減少し、初期張力Ｆ0 が減少すると増加する。
【００６１】
数４の式及び数５の式により明らかなように、等価ばね定数ＫEQは、初期張力Ｆ0 とＫｂの大小関係によって変化し、次のような３つの場合に分けられる。
【００６２】
（１）Ｆ0 ＝Ｋｂの場合この場合をここでは、基準状態と称することとする。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６３】
【数７】
ＫEQ＝Ｋ
ＦX ＝Ｋｘ
Ｔ＝２π√（ｍ／Ｋ）
【００６４】
等価ばね定数ＫEQは引っ張りばね２１のばね定数Ｋに等しく、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔはばね定数Ｋと変位ｘのみによって決まる。
【００６５】
（２）Ｆ0 ＞Ｋｂの場合これは、初期張力Ｆ0 を基準状態の場合より増加させた場合に相当する。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６６】
【数８】
ＫEQ＞Ｋ
ＦX ＞Ｋｘ
Ｔ＜２π√（ｍ／Ｋ）
【００６７】
基準状態と比較して、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は増加し、固有往復運動周期Ｔは減少する。
【００６８】
（３）Ｆ0 ＜Ｋｂの場合これは、初期張力Ｆ0 を基準状態の場合より減少させた場合に相当する。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６９】
【数９】
ＫEQ＜Ｋ
ＦX ＜Ｋｘ
Ｔ＞２π√（ｍ／Ｋ）
【００７０】
基準状態と比較して、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は減少し、固有往復運動周期Ｔは増加する。
【００７１】
以上の解析より明らかなように、本例の減揺装置によると、初期張力Ｆ0 を調節することによって等価ばね定数ＫEQが変化し、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔが変化する。初期張力Ｆ0 を増加させれば、可動質量１２の復元力ＦX は増加し固有往復運動周期Ｔは減少する。また初期張力Ｆ0 を減少させれば、可動質量１２の復元力ＦX は減少し固有往復運動周期Ｔは増加する。従って、搭載している積み荷又は人間の数が変化して海洋構造物の固有往復運動周期が変化した場合には、初期張力Ｆ0 を調節することによって、可動質量１２の固有動揺周期Ｔを変化させ、それによって最適な減揺効果を得ることができる。
【００７２】
図２を参照して説明する。図２は本発明による減揺装置１０を実際の船舶５０に搭載した状態を示す。本例の減揺装置１０は直線状の軌道部材１１とこの軌道部材１１に沿って自由に移動可能な可動質量１２とこの軌道部材１１を両側にて支持する支持壁１４Ａ、１４Ｂと可動質量１２に装着されたワイヤ１５とこのワイヤ１５を案内する１対のローラ１７Ａ、１７Ｂと一方の支持壁１４Ａに装着されたローラ１８とを有する。
【００７３】
本例の減揺装置１０は図１に示した減揺装置と比較して、支持壁１４Ａに装着されたローラ１８によってワイヤ１５が案内されている点が異なり、それ以外は同様な構成であってよい。従って、図２では可動質量１２の下端に装着された小さなローラ１２Ａや張力発生装置２０及び張力調節装置３０は省略されている。
【００７４】
図２の破線は静止状態にある船体５０’の断面を示し、実線は動揺して動揺角φだけ傾斜した船体５０の断面を示す。いずれも、船舶の首尾線方向と直交する面にて切断した船舶の断面である。静止状態にある船舶の重心をＧS 、重心ＧSを通る垂直線をＯＧS とする。動揺角φだけ傾斜した状態にある船舶５０の重心ＧS を通る垂直線をＯ’ＧS とする。
【００７５】
減揺装置１０は、船舶５０のロール運動、即ち、船舶の首尾線に平行な回転軸線周りの動揺を減揺させるように、配置される。従って、減揺装置１０は、軌道部材１１が船舶５０の幅方向に延在するように、船舶５０上の適当な位置に配置される。図示の例では、船舶５０の甲板５２上に配置されているが船倉に配置されてもよい。
【００７６】
減揺装置１０を搭載した船舶５０を２自由度振動系として、運動方程式を導出し、その周波数特性を求める。船体５０及び減揺装置１０の運動方程式はそれぞれ次のようになる。
【００７７】
【数１０】
ＩS ・ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝−ＣS ・ｄφ／ｄｔ−ＫS φ−ｍｇｘｃｏｓφ＋Ｐ
ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−ＣG ・ｄｘ／ｄｔ−ＫEQｘ−ｍｇｓｉｎφ
【００７８】
ここで、
φ：船体の横揺れ角（ロール角）
ＩS ：船体の慣性モーメント
ＣS ：船体の横揺れ（ロール運動）に対する減衰定数
ＫS ：船体の復元トルク定数
Ｐ：強制力
ｘ：可動質量１２の変位
ｍ：可動質量１２の質量
ＣG ：減揺装置１０の減衰定数
ＫEQ：減揺装置１０の等価ばね定数
【００７９】
船体の横揺れ角φが微小であると仮定すると、船体５０及び減揺装置１０の運動方程式はそれぞれ次のように表される。
【００８０】
【数１１】
ＩS ・ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝−ＣS ・ｄφ／ｄｔ−ＫS φ−ｍｇｘ＋Ｐ
ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−ＣG ・ｄｘ／ｄｔ−ＫEQｘ−ｍｇφ
【００８１】
ここで、初期条件としてｔ＝０でｄφ／ｄｔ＝φ＝０且つｄｘ／ｄｔ＝ｘ＝０と仮定し、この２つの式をラプラス変換すると次のように表される。
【００８２】
【数１２】
ＩS φｓ2 ＋ＣS φｓ＋ＫS φ＋ｍｇｘ＝Ｐ
ｍｘｓ2 ＋ＣG ｘｓ＋ＫEQｘ＋ｍｇφ＝０
【００８３】
ここにｓはラプラス演算子である。ラプラス演算子ｓをｓ＝ｊω（ｊは虚数単位）と置いて周波数領域の表現に直し、変数φ、ｘについて整頓すると次のようになる。
【００８４】
【数１３】
（−ＩS ω2 ＋ｊＣS ω＋ＫS ）φ＋ｍｇｘ＝Ｐ
（−ｍω2 ＋ｊＣG ω＋ＫEQ）ｘ＋ｍｇφ＝０
【００８５】
ここで、次のように置く。
【００８６】
【数１４】
【００８７】
変数φ、ｘは次のように表される。
【００８８】
【数１５】
φ＝〔（Ａ＋ｊＢ）／（Ｃ＋ｊＤ）〕Ｐ
ｘ＝〔Ｅ／（Ｃ＋ｊＤ）〕Ｐ
【００８９】
変数φ、ｘのゲイン特性は次のように表される。
【００９０】
【数１６】
｜φ｜＝√〔（Ａ2 ＋Ｂ2 ）／（Ｃ2 ＋Ｄ2 〕Ｐ
｜ｘ｜＝√〔Ｅ2 ／（Ｃ2 ＋Ｄ2 ）〕Ｐ
【００９１】
変数φ、ｘの位相特性は次のように表される。
【００９２】
【数１７】
∠φ（ｊω）＝ｔａｎ-1〔（ＢＣ−ＡＤ）／（ＡＣ＋ＢＤ）〕
∠ｘ（ｊω）＝ｔａｎ-1（−Ｄ／Ｃ）
【００９３】
図３を参照して説明する。図３Ａは図２に示す２自由度振動系のゲイン特性を示し、図３Ｂは位相特性を示す。横軸は、船舶５０の固有振動数Ωn に対する減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn の比ωn ／Ωn である。
【００９４】
図３Ａについて説明する。曲線Ｃ１は本例の減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φ（ｄｅｇ）を表し、曲線Ｃ２は可動質量１２の最大変位（又は最大振幅）ｘ（ｃｍ）を表し、曲線Ｃ３は減揺装置１０を搭載しない船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φ（ｄｅｇ）を表す。
【００９５】
減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn が船舶５０の固有振動数Ωn に略等しいとき、即ち、比ωn ／Ωn ≒１のとき、曲線Ｃ１と曲線Ｃ３を比較すると明らかなように、減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角φは減揺装置１０を搭載しない船体５０の動揺角にくらべて顕著に減少している。従って、減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn を船舶５０の固有振動数Ωn に略等しくすることによって、減揺装置１０の効果を十分に発揮させることができる。
【００９６】
またこのとき、曲線Ｃ２に示されるように、可動質量１２の最大変位（又は最大振幅）ｘ（ｃｍ）は極小値をとる。
【００９７】
図３Ｂについて説明する。曲線Ｃ４は、船舶５０に作用する外力揺動（例えば波）に対する、本例の減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φの位相差Δφ（ｄｅｇ）を表し、曲線Ｃ５は、船舶５０に作用する外力揺動に対する、可動質量１２の運動の位相差Δｘ（ｄｅｇ）を表す。
【００９８】
減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn が船舶５０の固有振動数Ωn に略等しいとき、即ち、比ωn ／Ωn ≒１のとき、曲線Ｃ４と曲線Ｃ５を比較すると明らかなように、減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角φは外力動揺に対して約９０°位相が遅れ、減揺装置１０の可動質量１２の運動の位相角は船体５０の動揺角φに対して約９０°遅れる。結局、減揺装置１０の可動質量１２の運動の位相角は外力動揺に対して約１８０°位相が遅れる。
【００９９】
次に図４及び図５を参照して、本発明による減揺装置１０の制御系について説明する。本例による制御系は減揺装置１０が最適な減揺効果を達成するように、張力調節装置３０（図１参照）に供給する命令信号を生成するように構成されている。斯かる命令信号は海洋構造物が実際に外力波を受けて動揺している状態にて生成される。
【０１００】
本例の制御系は、船舶５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φを検出するための動揺検出器５５と制御装置６０と張力調節装置３０（図１参照）とリミットスイッチ装置２３（図１参照）とを有する。動揺検出器５５は船舶５０の動揺角φを検出するための装置であればどのような形式のものであってもよく、例えば加速度計又はジャイロ装置であってよい。
【０１０１】
リミットスイッチ装置２３は、リミットスイッチ２３−１と出力インタフェース２３−２とを有し、引っ張りばね２１の伸びδが所定の制限値δLIM を越えたときに信号を生成する。リミットスイッチ２３−１からの信号は出力インタフェース２３−２によって電気信号に変換され、制御装置６０に供給される。
【０１０２】
制御装置６０は、動揺検出器５５より供給された信号より動揺検出器５５のノイズ成分や船体５０の振動成分等の不要成分を除去する高周波減衰フィルタ部６１と、該高周波減衰フィルタ部６１からの信号をディジタル信号に変換して記憶する信号取り込み部６２と、信号取り込み部６２からの信号とリミットスイッチ装置２３からの信号とを処理して張力調節装置３０に供給する命令信号を生成する制御演算部６３と、制御演算部６３からの信号を一時的に記憶する出力インタフィース６４とを含む。
【０１０３】
図５を参照して制御演算部６３の動作を説明する。図５は制御演算部６３における演算フローの例を示す。先ずステップ１０１にて演算が開始され、ステップ１０２にて変数の初期化が行われる。これは、演算周期τ、張力調節装置３０に供給する命令信号の単位の初期値、引っ張りばね２１の伸びδの制限範囲δLIM等を設定する。張力調節装置３０に供給する命令信号の単位の初期値は、単位変位の初期値Δｘ0 又は単位角の初期値ΔΨ0 である。
【０１０４】
ステップ１０３〜１０５にて演算周期τ毎に平均動揺角ＡN が求められる。平均動揺角ＡN は、各演算周期における船体５０の動揺角φの変動量を表すものであればよく、動揺角φのデータの標準偏差、分散、最大値と最小値の差等が用いられてよい。ここでは、平均動揺角ＡN は各演算周期毎に演算された標準偏差σNの３倍の値として定義される。
【０１０５】
【数１８】
ＡN ＝３σN ＝３√［Σ〔（φi 2 −φm 2 ）／（ｎ−１）〕］
【０１０６】
ここに、
ＡN ：平均動揺角
σN ：標準偏差
φi ：動揺検出器５５より出力される船体５０の動揺角
φm ：動揺角φi の平均値
ｎ：演算周期τ内でのデータ数
【０１０７】
また右辺のΣはｉ＝１〜ｉ＝ｎまでの総和を表す。ステップ１０３にて動揺検出器５５より供給される船体５０の動揺角φi が読み込まれる。ステップ１０４にて１演算周期が経過したか否かが判断される。１演算周期が経過するまで、動揺検出器５５より供給された船体５０の動揺角φi が読み込まれ、１演算周期が経過すると、ステップ１０５に進んで、平均動揺角ＡN が演算される。平均動揺角ＡN は数１８の式によって演算される。
【０１０８】
ステップ１０６に進み、今回の平均動揺角ＡN と前回の平均動揺角ＡN-1 が比較される。今回の平均動揺角ＡN が前回の平均動揺角ＡN-1 より大きい場合にはステップ１０７に進み、前回と逆極性の命令量を生成する。今回の平均動揺角ＡN が前回の平均動揺角ＡN-1 より小さいか又は等しい場合にはステップ１０８に進み、前回と同一極性の命令量を生成する。
【０１０９】
命令量はステップ１０２にて設定された単位変位Δｘ0 又は単位角ΔΨ0 を使用して生成される。例えば単位変位Δｘ0 を使用する場合、命令量Δｘは単位変位Δｘ0 の整数倍によって表現される。
【０１１０】
例えば前回の命令量がΔｘN-1 であったとする。ステップ１０７ではΔｘN ＝−ΔｘN-1 と置き換えられ、ステップ１０８ではΔｘN ＝ΔｘN-1 と置き換えられる。結局ステップ１０６、１０７及び１０８では次の演算がなされる。
【０１１１】
【数１９】
ＡN ＞ＡN-1 ：ΔｘN ＝−ΔｘN-1
ＡN ≦ＡN-1 ：ΔｘN ＝ΔｘN-1
【０１１２】
単位角ΔΨ0 を使用する場合も同様である。ステップ１０９にて、命令量の積算値ΣΔｘが設定範囲内であるか否かが判定される。命令量の上限及び下限をそれぞれｘS 、ｘL とすると次の式が成り立つか否かが判定される。
【０１１３】
【数２０】
ｘS ＜ΣΔｘN ＜ｘL
【０１１４】
この関係が成り立つ場合にはステップ１１０に進みむ。この関係が成り立たない場合にはステップ１０２に戻る。即ち、積算値ΣΔｘが設定範囲内になるまで、張力調節装置３０に供給すべき命令信号を生成しないで、ステップ１０２〜１０８までの演算を繰り返す。
【０１１５】
積算値ΣΔｘが設定範囲内になるとステップ１１０に進み、張力調節装置３０に供給すべき命令信号を生成する。斯かる命令信号は、例えば、ステップモータ３９（図１参照）に供給すべき駆動信号であってよい。
【０１１６】
最後にステップ１１１ではリミットスイッチ装置２３からの信号によってリミットスイッチ２３−１の開閉状態が監視される。上述のように、リミットスイッチ装置２３は引っ張りばね２１の伸縮量δを監視し、伸縮量δが所定の制限値を越えた場合には停止信号を生成する。停止信号は、可動質量１２を緊急停止させるための停止固定装置に供給される。停止固定装置は図１に示されていないが、例えば可動質量１２に係合可能なブレーキ板とブレーキ板を作動させるためのレバー部材を含むように構成されてよい。
【０１１７】
リミットスイッチ装置２３から停止信号が供給されない間は、ステップ１１０にて生成された命令信号はそのまま張力調節装置３０に供給され、ステップ１１２に進み、終了する。リミットスイッチ装置２３から停止信号が供給された時は、ステップ１１０にて生成された命令信号は消去され、ステップ１１３に進み、張力調節装置３０の作動は停止される。この場合、ステップ１０２に戻り、全ての演算が初めからやり直される。
【０１１８】
以上本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されることなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更等が可能であることは当業者にとって理解されよう。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明によると、減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、可動質量の往復運動の復元力を調節して固有往復運動周期を変化させることができるから、減揺対象物に対して最適な減揺効果を達成することができる利点を有する。
【０１２０】
本発明によると、減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、可動質量の往復運動の復元力を増加又は減少させることができるから、減揺対象物に対して最適な減揺効果を達成することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による減揺装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明による減揺装置を船舶に搭載した例を示す図である。
【図３】減揺装置と船舶を含む２自由度振動系の振動特性及び位相特性を示す図である。
【図４】本発明による減揺装置の制御系の例を示す図である。
【図５】 減揺装置の制御系の制御演算部の動作を示す流れ図である。
【図６】従来の減揺装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 減揺装置
１１ 軌道部材
１２ 可動質量
１２Ａ ローラ
１３Ａ、１３Ｂ 支持部材
１４Ａ、１４Ｂ 支持壁
１５ ワイヤ
１７Ａ、１７Ｂ、１８ ローラ
２０ 張力発生装置
２１ 引っ張りばね
２３ リミットスイッチ装置
３０ 張力調節装置
３１ ワイヤ
３３ 巻き取りローラ
３５ 歯車
３７ ウォーム歯車
３９ ステップモータ
４１ ハンドル付き回転軸
４３ 針
４５ 目盛り
５０ 船舶
５１ 基台
５２ 甲板
５５ 動揺検出器
６０ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は海上又は水上に浮遊した海洋構造物、例えば停船中の船舶、パージ等の動揺を軽減するための減揺装置に関し、特に、軌道上を往復運動する可動質量によって構造物の動揺を軽減するように構成された減揺装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海上に浮遊した海洋構造物の減揺装置として、アクチュエータを用いた能動型の装置と動吸振器原理を用いた受動型の装置がある。能動型の装置は海洋構造物の動揺をセンサによって検出し、アクチュエータによって可動質量を振動するように構成されている。可動質量の振動は、海洋構造物の動揺を軽減するように位相制御される。
【０００３】
動吸振器原理を用いた受動型の装置は可動質量を駆動させるためのアクチュエータを用いないから構造がより簡単である利点を有する。
【０００４】
図６を参照して従来の動吸振器原理を用いた減揺装置の例を説明する。この例は本願出願人と同一の出願人によって平成８年１月３１日に出願された特願平８−１５４２８号に開示されたものである。詳細は同出願を参照されたい。
【０００５】
この減揺装置は円弧状に湾曲した軌道部材５１１とこの軌道部材５１１に沿って自由に移動可能な可動質量５１２と両側の支持部材５１３Ａ、５１３Ｂとを有する。軌道部材５１１の両端には水平軸５１１Ａ、５１１Ｂが取り付けられ、この水平軸５１１Ａ、５１１Ｂは支持部材５１３Ａ、５１３Ｂの軸受け（図示なし）に回転可能に支持されている。
【０００６】
支持部材５１３Ａ、５１３Ｂは海洋構造物の所定の基台５５１に垂直に装着される。従って水平軸５１１Ａ、５１１Ｂは基台５５１に平行である。図示のように基台５５１に平行な面上に水平軸５１１Ａ、５１１Ｂに沿ってｘ軸、それに垂直にｙ軸、基台５５１に垂直にｚ軸をとる。
【０００７】
この減揺装置は海洋構造物のｙ軸に平行な回転軸周りの動揺を軽減するように構成されている。海洋構造物がｙ軸に平行な回転軸周りに動揺すると、可動質量５１２は軌道部材５１１に沿って往復運動する。可動質量５１２は軌道部材５１１に沿って円弧状の経路を往復運動する。重力の分力が往復運動の復元力となる。可動質量５１２の振動の中心は、円弧状経路の中心位置であり、最下端部である。
【０００８】
こうして、可動質量５１２の往復運動によって海洋構造物の動揺は減少する。減揺装置が効果的に機能するためには、可動質量５１２の往復運動は、海洋構造物の動揺周期と同一の動揺周期を有し且つ海洋構造物より所定の角度又は変位だけズレた位相を有することが必要である。
【０００９】
一般に海洋構造物の動揺周期は海洋構造物の固有動揺周期に支配される。海洋構造物の固有動揺周期は海洋構造物の構造、質量、重心位置等に依存し海洋構造物毎に異なる。また、積み荷等が変化すると質量、重心位置等が変化し、固有動揺周期は変化する。
【００１０】
一方、可動質量５１２の動揺周期は可動質量５１２の固有往復運動周期に支配される。可動質量５１２の固有往復運動周期は、可動質量５１２の質量、運動経路等に依存する。所望の減揺効果を得るためには、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を海洋構造物の固有動揺周期に一致させることが必要である。
【００１１】
海洋構造物の積み荷等が変化してその固有動揺周期が変化しても、所望の減揺効果を得るためには、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を調節することができることが必要である。
【００１２】
図６に示す減揺装置では、減揺装置の可動質量５１２の固有往復運動周期を調節することができるように構成されている。この例によると、軌道部材５１１は水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることができる。それによって可動質量５１２はｘｚ面に対して傾斜した面上を、軌道部材５１１に沿って移動する。
【００１３】
可動質量５１２には、海洋構造物の動揺に起因した外力と重力が作用する。可動質量５１２の運動に寄与するのは、これらの力のうち、可動質量５１２の運動方向の成分、即ち、軌道部材５１１の中心軸線の接線方向の成分である。
【００１４】
可動質量５１２の往復運動の復元力は重力に基づいている。例えば、軌道部材５１１の中心軸線の接線が垂直線となす角をαとすると、復元力はｍｇｃｏｓαである。
【００１５】
軌道部材５１１が水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転すると、ｃｏｓαが減少して復元力は減少する。それによって可動質量５１２の固有往復運動周期は大きくなる。
【００１６】
従って、積み荷等の変化によって海洋構造物の固有動揺周期が増加した場合には、軌道部材５１１を水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることによって、可動質量５１２の固有往復運動周期を大きくし、それによって所望の減揺効果を達成することができる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した従来の減揺装置は、軌道部材５１１を水平軸５１１Ａ、５１１Ｂ周りに回転させることによって、可動質量５１２の固有往復運動周期を大きくすることができるように構成されている。例えば、軌道部材５１１を略９０°回転させた状態では、可動質量５１２は略水平面上の経路を運動することとなり、固有往復運動周期は無限大に大きくなる。しかしながら、可動質量５１２の固有往復運動周期の最小値は、軌道部材５１１が垂直面に沿って配置された状態のときであり、固有往復運動周期をそれ以上小さくすることはできない欠点があった。
【００１８】
また、従来の減揺装置では、円弧状に湾曲した軌道部材５１１を使用する。湾曲した軌道部材５１１を高い精度で製造するのは困難であり大量生産ができなかった。軌道部材５１１を正確な円弧状に湾曲加工するためには加工費用が増加する。
【００１９】
また従来の減揺装置では、円弧状に湾曲した軌道部材５１１を使用するため、減揺装置の占有体積、特に軌道部材５１１及び可動質量５１２を収容する部分が大きくなる欠点があった。特に小型の船舶等に搭載する場合には、設置が困難な場合があった。
【００２０】
本発明は斯かる点に鑑み、可動質量５１２の固有往復運動周期を調節できるように構成された減揺装置において、固有往復運動周期を増加させるばかりでなく減少させることができることを目的とする。
【００２１】
本発明は斯かる点に鑑み、加工が容易な且つ製造費用が低い減揺装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明は斯かる点に鑑み、占有体積が小さく小型の船舶にも搭載することができる減揺装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の減揺装置によると、減揺対象物の動揺軸線に直交して配置される軌道部材と該軌道部材に沿って往復運動可能な可動質量と、上記可動質量の復元力を発生し、一端が上記可動質量に接続された引っ張りワイヤと該引っ張りワイヤを案内するローラ部材と上記引っ張りワイヤの他端に接続されたばねとを有し、上記ローラ部材は上記可動質量が上記軌道部材上の基準位置にあるとき上記引っ張りワイヤに作用する引っ張り力が上記可動質量の運動方向に直交するように配置された復元力発生装置と、上記ばねの伸び量により上記復元力を調節する復元力調節装置とを有し、上記減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、上記復元力調節装置で上記可動質量の復元力を調節することによって上記可動質量の固有往復運動周期を調節することができるように構成されている。
【００２７】
本発明によると、減揺装置において、上記復元力調節装置は上記可動質量が上記基準位置にあるときの上記ばねの初期張力を調節することができるように構成されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明によると、減揺装置において、上記復元力調節装置は、上記ばねの両端のうち上記可動質量と反対側の端部に接続された巻き取りワイヤと該巻き取りワイヤを巻き取るための巻き取りローラと該巻き取りローラに装着された歯車と該歯車に係合しているウォーム歯車とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明によると、減揺装置において、上記ウォーム歯車はステップモータによって自動的に又は手動ハンドルによって手動的に駆動されることができるように構成されていることを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明による減揺装置の例について説明する。本例の減揺装置は軌道部材１１とこの軌道部材１１に沿って自由に移動可能な可動質量１２とこの軌道部材１１を両側にて支持する支持部材１３Ａ、１３Ｂと可動質量１２に装着されたワイヤ１５とこのワイヤ１５を案内する１対のローラ１７Ａ、１７Ｂとを有する。可動質量１２の下端には小さなローラ１２Ａが装着され、ワイヤ１５の一端１５Ａはこのローラ１２Ａに装着されている。
【００３３】
図１に示す例では軌道部材１１は直線状に形成されており、可動質量１２の運動経路は直線である。しかしながら、軌道部材１１は、図６に示した従来例のように円弧状に湾曲した形状であってもよく、可動質量１２の運動経路は円弧、方物線等であってもよい。
【００３４】
本例の減揺装置はワイヤ１５を所定の張力にて引っ張るための張力発生装置２０とワイヤ１５の張力を調節するための張力調節装置３０とを有する。本例によると、張力発生装置２０によって可動質量１２の往復運動の復元力が生成される。また張力調節装置３０によって可動質量１２の往復運動の復元力が調節される。従って張力発生装置２０は復元力発生装置であり、張力調節装置３０は復元力調節装置である。
【００３５】
張力発生装置２０は例えば、引っ張りばねを使用するものであってよい。引っ張りばねはコイルばねであってよい。本例の張力発生装置２０は、ワイヤ１５の他端１５Ｂに接続された引っ張りばね２１と引っ張りばね２１の一端２１Ａに装着されたリミットスイッチ装置２３とを有する。リミットスイッチ装置２３は引っ張りばね２１の伸びが所定の大きさより大きくなると信号を生成するように構成されている。
【００３６】
リミットスイッチ装置２３は例えば、引っ張りばね２１の一端２１Ａに装着された第１の接点２３Ａと基台５１に装着された第２の接点２３Ｂとを有し、引っ張りばね２１の伸びが所定の大きさを越えると２つの接点の開閉状態が変化し、信号を生成するように構成されてよい。
【００３７】
張力調節装置３０は例えば、張力発生装置２０の引っ張りばねの伸びを変化させるように構成されてよい。本例の張力調節装置３０は、引っ張りばね２１の他端２１Ｂに接続されたワイヤ３１を巻き取るための巻き取りローラ３３とこのローラ３３に装着された歯車３５とこの歯車３５と係合するウォーム歯車３７とウォーム歯車３７を回転させるためのステップモータ３９とハンドル付き回転軸４１とを有する。
【００３８】
また張力調節装置３０はワイヤ１５の引っ張り力を指示する指示装置を有し、この指示装置は図示のように引っ張りばね２１の他端２１Ｂのワイヤ３１に装着された針４５と目盛り４７とを有する。尚、針４５は巻き取りローラ３３又は歯車３５に装着されてよく、目盛り４７はこの針４５の動きを指示するように円周方向に延在するように配置されてよい。
【００３９】
図示のように軌道部材１１に沿ってｘ軸をとり、それに垂直下方にｙ軸をとる。またｘｙ軸に垂直に（紙面に垂直に）ｚ軸をとる。座標の原点Ｏを軌道部材１１の中央位置にとる。支持部材１３Ａ、１３Ｂは海洋構造物の所定の基台５１に垂直に装着される。軌道部材１１は基台５１に平行に配置される。
【００４０】
本例の減揺装置はｚ軸（紙面に垂直な軸線）に平行な回転軸線周りの動揺を減少させるように構成されている。ローラ１７Ａ、１７Ｂは原点Ｏの下方に配置されており、可動質量１２が基準位置である原点Ｏの位置にあるとき、ワイヤ１５はＹ軸に沿って延在する。このときのワイヤ１５の張力を初期張力Ｆ0 とする。海洋構造物が動揺すると可動質量１２は原点Ｏを中心に往復運動する。例えば、可動質量１２が第１の支持部材１３Ａの近くに配置されたものとする。このときの可動質量１２の変位をｘ、ワイヤ１５の張力をＦとする。
【００４１】
ワイヤ１５の弾性変形は十分小さいから無視することができる。ワイヤ１５の初期張力Ｆ0 及び張力Ｆは、張力発生装置２０の引っ張りばね２１によって生成される。一方、可動質量１２の往復運動の復元力はワイヤ１５の張力Ｆとワイヤ１５の傾斜角θによって決まる。
【００４２】
後に説明するが、ワイヤ１５の張力Ｆは、引っ張りばね２１の伸びδと引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 によって決まる。従って、往復運動の復元力を調節するためには、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 を調節すればよい。
【００４３】
可動質量１２の固有往復運動周期Ｔは復元力の関数だから、可動質量１２の固有往復運動周期Ｔを変化させるためには、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 を調節すればよい。
【００４４】
本例によると、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 は張力調節装置３０によって調節されることができる。張力調節装置３０は自動的に又は手動で作動することができる。図示のように、ウォーム歯車３７は、ステップモータ３９又はハンドル付き回転軸４１の一方が接続されることができるように構成されている。
【００４５】
先ず可動質量１２を原点Ｏの位置に配置し、ステップモータ３９又はハンドル付き回転軸４１をウォーム歯車３７に接続して作動する。それによって、ウォーム歯車３７は回転し、それに係合している歯車３５も回転する。歯車３５が回転するとそれに装着された巻き取りローラ３３が回転し、引っ張りばね２１の他端２１Ｂに接続されたワイヤ３１が巻き取られ又は緩められる。引っ張りばね２１は巻き取りローラ３３方向に引っ張られ又は緩められる。それによって引っ張りばね２１は伸縮し、ワイヤ１５に作用する初期張力Ｆ0 は増加又は減少する。
【００４６】
以下に、引っ張りばね２１の初期張力Ｆ0 とワイヤ１５の張力Ｆ、可動質量１２の復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔの関係を解析する。ここでは、図１に示すように軌道部材１１が直線状であり、可動質量１２の運動経路が直線である場合について考える。
【００４７】
可動質量１２が原点Ｏに配置されているとき、ワイヤ１５に作用する張力、即ち、初期張力をＦ0 とする。次に、図示の一点鎖線１２’にて示すように、可動質量１２が原点Ｏから右側の支持部材１３Ａ方向に移動した状態を考える。このときの可動質量１２の座標をｘとし、ワイヤ１５のｙ軸に対する傾斜角をθ、ワイヤ１５に作用する張力をＦとする。
【００４８】
引っ張りばね２１の伸びδは次のように表される。但し、可動質量１２に装着されたローラ１２Ａの中心からローラ１７Ａ、１７Ｂの中心までのｙ軸方向の距離をｂとする。また、ローラ１７Ａ、１７Ｂの半径は十分小さいものとする。
【００４９】
【数１】
δ＝√（ｂ2 ＋ｘ2 ）−ｂ
【００５０】
引っ張りばね２１のばね定数をＫとすると、ワイヤ１５に作用する張力Ｆは次のように表される。
【００５１】
【数２】
Ｆ＝Ｆ0 ＋Ｋδ
＝Ｆ0 ＋Ｋ〔√（ｂ2 ＋ｘ2 ）−ｂ〕
【００５２】
可動質量１２に作用する復元力ＦX は、ワイヤ１５の張力Ｆのｘ軸方向の成分であるから次のように表される。
【００５３】
【数３】
ここでＫEQは等価ばね定数と称され次の式によって表される。
【００５５】
【数４】
ＫEQ＝Ｋ＋（Ｆ0 −Ｋｂ）／√（ｂ2 ＋ｘ2 ）
【００５６】
ここで、変位ｘが距離ｂに比べて十分小さいと仮定すると、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は次のように表される。
【００５７】
【数５】
ＫEQ＝Ｆ0 ／ｂ
ＦX ＝ＫEQｘ＝（Ｆ0 ／ｂ）ｘ
【００５８】
この振動系の固有往復運動周期Ｔは次の式によって表される。
【００５９】
【数６】
Ｔ＝２π√（ｍ／ＫEQ）
【００６０】
ここでｍは可動質量１２の質量である。固有往復運動周期Ｔは、等価ばね定数ＫEQが増加すると減少し、等価ばね定数ＫEQが減少すると増加する。数４の式又は数５の式より明らかなように、等価ばね定数ＫEQは、初期張力Ｆ0 が増加すると増加し、初期張力Ｆ0 が減少すると減少する。結局、固有往復運動周期Ｔは、初期張力Ｆ0 が増加すると減少し、初期張力Ｆ0 が減少すると増加する。
【００６１】
数４の式及び数５の式により明らかなように、等価ばね定数ＫEQは、初期張力Ｆ0 とＫｂの大小関係によって変化し、次のような３つの場合に分けられる。
【００６２】
（１）Ｆ0 ＝Ｋｂの場合この場合をここでは、基準状態と称することとする。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６３】
【数７】
ＫEQ＝Ｋ
ＦX ＝Ｋｘ
Ｔ＝２π√（ｍ／Ｋ）
【００６４】
等価ばね定数ＫEQは引っ張りばね２１のばね定数Ｋに等しく、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔはばね定数Ｋと変位ｘのみによって決まる。
【００６５】
（２）Ｆ0 ＞Ｋｂの場合これは、初期張力Ｆ0 を基準状態の場合より増加させた場合に相当する。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６６】
【数８】
ＫEQ＞Ｋ
ＦX ＞Ｋｘ
Ｔ＜２π√（ｍ／Ｋ）
【００６７】
基準状態と比較して、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は増加し、固有往復運動周期Ｔは減少する。
【００６８】
（３）Ｆ0 ＜Ｋｂの場合これは、初期張力Ｆ0 を基準状態の場合より減少させた場合に相当する。このとき、等価ばね定数ＫEQ、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔは次のようになる。
【００６９】
【数９】
ＫEQ＜Ｋ
ＦX ＜Ｋｘ
Ｔ＞２π√（ｍ／Ｋ）
【００７０】
基準状態と比較して、等価ばね定数ＫEQ及び復元力ＦX は減少し、固有往復運動周期Ｔは増加する。
【００７１】
以上の解析より明らかなように、本例の減揺装置によると、初期張力Ｆ0 を調節することによって等価ばね定数ＫEQが変化し、復元力ＦX 及び固有往復運動周期Ｔが変化する。初期張力Ｆ0 を増加させれば、可動質量１２の復元力ＦX は増加し固有往復運動周期Ｔは減少する。また初期張力Ｆ0 を減少させれば、可動質量１２の復元力ＦX は減少し固有往復運動周期Ｔは増加する。従って、搭載している積み荷又は人間の数が変化して海洋構造物の固有往復運動周期が変化した場合には、初期張力Ｆ0 を調節することによって、可動質量１２の固有動揺周期Ｔを変化させ、それによって最適な減揺効果を得ることができる。
【００７２】
図２を参照して説明する。図２は本発明による減揺装置１０を実際の船舶５０に搭載した状態を示す。本例の減揺装置１０は直線状の軌道部材１１とこの軌道部材１１に沿って自由に移動可能な可動質量１２とこの軌道部材１１を両側にて支持する支持壁１４Ａ、１４Ｂと可動質量１２に装着されたワイヤ１５とこのワイヤ１５を案内する１対のローラ１７Ａ、１７Ｂと一方の支持壁１４Ａに装着されたローラ１８とを有する。
【００７３】
本例の減揺装置１０は図１に示した減揺装置と比較して、支持壁１４Ａに装着されたローラ１８によってワイヤ１５が案内されている点が異なり、それ以外は同様な構成であってよい。従って、図２では可動質量１２の下端に装着された小さなローラ１２Ａや張力発生装置２０及び張力調節装置３０は省略されている。
【００７４】
図２の破線は静止状態にある船体５０’の断面を示し、実線は動揺して動揺角φだけ傾斜した船体５０の断面を示す。いずれも、船舶の首尾線方向と直交する面にて切断した船舶の断面である。静止状態にある船舶の重心をＧS 、重心ＧSを通る垂直線をＯＧS とする。動揺角φだけ傾斜した状態にある船舶５０の重心ＧS を通る垂直線をＯ’ＧS とする。
【００７５】
減揺装置１０は、船舶５０のロール運動、即ち、船舶の首尾線に平行な回転軸線周りの動揺を減揺させるように、配置される。従って、減揺装置１０は、軌道部材１１が船舶５０の幅方向に延在するように、船舶５０上の適当な位置に配置される。図示の例では、船舶５０の甲板５２上に配置されているが船倉に配置されてもよい。
【００７６】
減揺装置１０を搭載した船舶５０を２自由度振動系として、運動方程式を導出し、その周波数特性を求める。船体５０及び減揺装置１０の運動方程式はそれぞれ次のようになる。
【００７７】
【数１０】
ＩS ・ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝−ＣS ・ｄφ／ｄｔ−ＫS φ−ｍｇｘｃｏｓφ＋Ｐ
ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−ＣG ・ｄｘ／ｄｔ−ＫEQｘ−ｍｇｓｉｎφ
【００７８】
ここで、
φ：船体の横揺れ角（ロール角）
ＩS ：船体の慣性モーメント
ＣS ：船体の横揺れ（ロール運動）に対する減衰定数
ＫS ：船体の復元トルク定数
Ｐ：強制力
ｘ：可動質量１２の変位
ｍ：可動質量１２の質量
ＣG ：減揺装置１０の減衰定数
ＫEQ：減揺装置１０の等価ばね定数
【００７９】
船体の横揺れ角φが微小であると仮定すると、船体５０及び減揺装置１０の運動方程式はそれぞれ次のように表される。
【００８０】
【数１１】
ＩS ・ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝−ＣS ・ｄφ／ｄｔ−ＫS φ−ｍｇｘ＋Ｐ
ｍ・ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ＝−ＣG ・ｄｘ／ｄｔ−ＫEQｘ−ｍｇφ
【００８１】
ここで、初期条件としてｔ＝０でｄφ／ｄｔ＝φ＝０且つｄｘ／ｄｔ＝ｘ＝０と仮定し、この２つの式をラプラス変換すると次のように表される。
【００８２】
【数１２】
ＩS φｓ2 ＋ＣS φｓ＋ＫS φ＋ｍｇｘ＝Ｐ
ｍｘｓ2 ＋ＣG ｘｓ＋ＫEQｘ＋ｍｇφ＝０
【００８３】
ここにｓはラプラス演算子である。ラプラス演算子ｓをｓ＝ｊω（ｊは虚数単位）と置いて周波数領域の表現に直し、変数φ、ｘについて整頓すると次のようになる。
【００８４】
【数１３】
（−ＩS ω2 ＋ｊＣS ω＋ＫS ）φ＋ｍｇｘ＝Ｐ
（−ｍω2 ＋ｊＣG ω＋ＫEQ）ｘ＋ｍｇφ＝０
【００８５】
ここで、次のように置く。
【００８６】
【数１４】
変数φ、ｘは次のように表される。
【００８８】
【数１５】
φ＝〔（Ａ＋ｊＢ）／（Ｃ＋ｊＤ）〕Ｐ
ｘ＝〔Ｅ／（Ｃ＋ｊＤ）〕Ｐ
【００８９】
変数φ、ｘのゲイン特性は次のように表される。
【００９０】
【数１６】
｜φ｜＝√〔（Ａ2 ＋Ｂ2 ）／（Ｃ2 ＋Ｄ2 〕Ｐ
｜ｘ｜＝√〔Ｅ2 ／（Ｃ2 ＋Ｄ2 ）〕Ｐ
【００９１】
変数φ、ｘの位相特性は次のように表される。
【００９２】
【数１７】
∠φ（ｊω）＝ｔａｎ-1〔（ＢＣ−ＡＤ）／（ＡＣ＋ＢＤ）〕
∠ｘ（ｊω）＝ｔａｎ-1（−Ｄ／Ｃ）
【００９３】
図３を参照して説明する。図３Ａは図２に示す２自由度振動系のゲイン特性を示し、図３Ｂは位相特性を示す。横軸は、船舶５０の固有振動数Ωn に対する減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn の比ωn ／Ωn である。
【００９４】
図３Ａについて説明する。曲線Ｃ１は本例の減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φ（ｄｅｇ）を表し、曲線Ｃ２は可動質量１２の最大変位（又は最大振幅）ｘ（ｃｍ）を表し、曲線Ｃ３は減揺装置１０を搭載しない船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φ（ｄｅｇ）を表す。
【００９５】
減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn が船舶５０の固有振動数Ωn に略等しいとき、即ち、比ωn ／Ωn ≒１のとき、曲線Ｃ１と曲線Ｃ３を比較すると明らかなように、減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角φは減揺装置１０を搭載しない船体５０の動揺角にくらべて顕著に減少している。従って、減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn を船舶５０の固有振動数Ωn に略等しくすることによって、減揺装置１０の効果を十分に発揮させることができる。
【００９６】
またこのとき、曲線Ｃ２に示されるように、可動質量１２の最大変位（又は最大振幅）ｘ（ｃｍ）は極小値をとる。
【００９７】
図３Ｂについて説明する。曲線Ｃ４は、船舶５０に作用する外力揺動（例えば波）に対する、本例の減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φの位相差Δφ（ｄｅｇ）を表し、曲線Ｃ５は、船舶５０に作用する外力揺動に対する、可動質量１２の運動の位相差Δｘ（ｄｅｇ）を表す。
【００９８】
減揺装置１０の可動質量１２の固有振動数ωn が船舶５０の固有振動数Ωn に略等しいとき、即ち、比ωn ／Ωn ≒１のとき、曲線Ｃ４と曲線Ｃ５を比較すると明らかなように、減揺装置１０を搭載した船体５０の動揺角φは外力動揺に対して約９０°位相が遅れ、減揺装置１０の可動質量１２の運動の位相角は船体５０の動揺角φに対して約９０°遅れる。結局、減揺装置１０の可動質量１２の運動の位相角は外力動揺に対して約１８０°位相が遅れる。
【００９９】
次に図４及び図５を参照して、本発明による減揺装置１０の制御系について説明する。本例による制御系は減揺装置１０が最適な減揺効果を達成するように、張力調節装置３０（図１参照）に供給する命令信号を生成するように構成されている。斯かる命令信号は海洋構造物が実際に外力波を受けて動揺している状態にて生成される。
【０１００】
本例の制御系は、船舶５０の動揺角（横揺れ角又はロール角）φを検出するための動揺検出器５５と制御装置６０と張力調節装置３０（図１参照）とリミットスイッチ装置２３（図１参照）とを有する。動揺検出器５５は船舶５０の動揺角φを検出するための装置であればどのような形式のものであってもよく、例えば加速度計又はジャイロ装置であってよい。
【０１０１】
リミットスイッチ装置２３は、リミットスイッチ２３−１と出力インタフェース２３−２とを有し、引っ張りばね２１の伸びδが所定の制限値δLIM を越えたときに信号を生成する。リミットスイッチ２３−１からの信号は出力インタフェース２３−２によって電気信号に変換され、制御装置６０に供給される。
【０１０２】
制御装置６０は、動揺検出器５５より供給された信号より動揺検出器５５のノイズ成分や船体５０の振動成分等の不要成分を除去する高周波減衰フィルタ部６１と、該高周波減衰フィルタ部６１からの信号をディジタル信号に変換して記憶する信号取り込み部６２と、信号取り込み部６２からの信号とリミットスイッチ装置２３からの信号とを処理して張力調節装置３０に供給する命令信号を生成する制御演算部６３と、制御演算部６３からの信号を一時的に記憶する出力インタフィース６４とを含む。
【０１０３】
図５を参照して制御演算部６３の動作を説明する。図５は制御演算部６３における演算フローの例を示す。先ずステップ１０１にて演算が開始され、ステップ１０２にて変数の初期化が行われる。これは、演算周期τ、張力調節装置３０に供給する命令信号の単位の初期値、引っ張りばね２１の伸びδの制限範囲δLIM等を設定する。張力調節装置３０に供給する命令信号の単位の初期値は、単位変位の初期値Δｘ0 又は単位角の初期値ΔΨ0 である。
【０１０４】
ステップ１０３〜１０５にて演算周期τ毎に平均動揺角ＡN が求められる。平均動揺角ＡN は、各演算周期における船体５０の動揺角φの変動量を表すものであればよく、動揺角φのデータの標準偏差、分散、最大値と最小値の差等が用いられてよい。ここでは、平均動揺角ＡN は各演算周期毎に演算された標準偏差σNの３倍の値として定義される。
【０１０５】
【数１８】
ＡN ＝３σN ＝３√［Σ〔（φi 2 −φm 2 ）／（ｎ−１）〕］
【０１０６】
ここに、
ＡN ：平均動揺角
σN ：標準偏差
φi ：動揺検出器５５より出力される船体５０の動揺角
φm ：動揺角φi の平均値
ｎ：演算周期τ内でのデータ数
【０１０７】
また右辺のΣはｉ＝１〜ｉ＝ｎまでの総和を表す。ステップ１０３にて動揺検出器５５より供給される船体５０の動揺角φi が読み込まれる。ステップ１０４にて１演算周期が経過したか否かが判断される。１演算周期が経過するまで、動揺検出器５５より供給された船体５０の動揺角φi が読み込まれ、１演算周期が経過すると、ステップ１０５に進んで、平均動揺角ＡN が演算される。平均動揺角ＡN は数１８の式によって演算される。
【０１０８】
ステップ１０６に進み、今回の平均動揺角ＡN と前回の平均動揺角ＡN-1 が比較される。今回の平均動揺角ＡN が前回の平均動揺角ＡN-1 より大きい場合にはステップ１０７に進み、前回と逆極性の命令量を生成する。今回の平均動揺角ＡN が前回の平均動揺角ＡN-1 より小さいか又は等しい場合にはステップ１０８に進み、前回と同一極性の命令量を生成する。
【０１０９】
命令量はステップ１０２にて設定された単位変位Δｘ0 又は単位角ΔΨ0 を使用して生成される。例えば単位変位Δｘ0 を使用する場合、命令量Δｘは単位変位Δｘ0 の整数倍によって表現される。
【０１１０】
例えば前回の命令量がΔｘN-1 であったとする。ステップ１０７ではΔｘN ＝−ΔｘN-1 と置き換えられ、ステップ１０８ではΔｘN ＝ΔｘN-1 と置き換えられる。結局ステップ１０６、１０７及び１０８では次の演算がなされる。
【０１１１】
【数１９】
ＡN ＞ＡN-1 ：ΔｘN ＝−ΔｘN-1
ＡN ≦ＡN-1 ：ΔｘN ＝ΔｘN-1
【０１１２】
単位角ΔΨ0 を使用する場合も同様である。ステップ１０９にて、命令量の積算値ΣΔｘが設定範囲内であるか否かが判定される。命令量の上限及び下限をそれぞれｘS 、ｘL とすると次の式が成り立つか否かが判定される。
【０１１３】
【数２０】
ｘS ＜ΣΔｘN ＜ｘL
【０１１４】
この関係が成り立つ場合にはステップ１１０に進みむ。この関係が成り立たない場合にはステップ１０２に戻る。即ち、積算値ΣΔｘが設定範囲内になるまで、張力調節装置３０に供給すべき命令信号を生成しないで、ステップ１０２〜１０８までの演算を繰り返す。
【０１１５】
積算値ΣΔｘが設定範囲内になるとステップ１１０に進み、張力調節装置３０に供給すべき命令信号を生成する。斯かる命令信号は、例えば、ステップモータ３９（図１参照）に供給すべき駆動信号であってよい。
【０１１６】
最後にステップ１１１ではリミットスイッチ装置２３からの信号によってリミットスイッチ２３−１の開閉状態が監視される。上述のように、リミットスイッチ装置２３は引っ張りばね２１の伸縮量δを監視し、伸縮量δが所定の制限値を越えた場合には停止信号を生成する。停止信号は、可動質量１２を緊急停止させるための停止固定装置に供給される。停止固定装置は図１に示されていないが、例えば可動質量１２に係合可能なブレーキ板とブレーキ板を作動させるためのレバー部材を含むように構成されてよい。
【０１１７】
リミットスイッチ装置２３から停止信号が供給されない間は、ステップ１１０にて生成された命令信号はそのまま張力調節装置３０に供給され、ステップ１１２に進み、終了する。リミットスイッチ装置２３から停止信号が供給された時は、ステップ１１０にて生成された命令信号は消去され、ステップ１１３に進み、張力調節装置３０の作動は停止される。この場合、ステップ１０２に戻り、全ての演算が初めからやり直される。
【０１１８】
以上本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されることなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更等が可能であることは当業者にとって理解されよう。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明によると、減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、可動質量の往復運動の復元力を調節して固有往復運動周期を変化させることができるから、減揺対象物に対して最適な減揺効果を達成することができる利点を有する。
【０１２０】
本発明によると、減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、可動質量の往復運動の復元力を増加又は減少させることができるから、減揺対象物に対して最適な減揺効果を達成することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による減揺装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明による減揺装置を船舶に搭載した例を示す図である。
【図３】減揺装置と船舶を含む２自由度振動系の振動特性及び位相特性を示す図である。
【図４】本発明による減揺装置の制御系の例を示す図である。
【図５】 減揺装置の制御系の制御演算部の動作を示す流れ図である。
【図６】従来の減揺装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 減揺装置
１１ 軌道部材
１２ 可動質量
１２Ａ ローラ
１３Ａ、１３Ｂ 支持部材
１４Ａ、１４Ｂ 支持壁
１５ ワイヤ
１７Ａ、１７Ｂ、１８ ローラ
２０ 張力発生装置
２１ 引っ張りばね
２３ リミットスイッチ装置
３０ 張力調節装置
３１ ワイヤ
３３ 巻き取りローラ
３５ 歯車
３７ ウォーム歯車
３９ ステップモータ
４１ ハンドル付き回転軸
４３ 針
４５ 目盛り
５０ 船舶
５１ 基台
５２ 甲板
５５ 動揺検出器
６０ 制御装置
Claims (4)
- 減揺対象物の動揺軸線に直交して配置される軌道部材と該軌道部材に沿って往復運動可能な可動質量と、
上記可動質量の復元力を発生し、一端が上記可動質量に接続された引っ張りワイヤと該引っ張りワイヤを案内するローラ部材と上記引っ張りワイヤの他端に接続されたばねとを有し、上記ローラ部材は上記可動質量が上記軌道部材上の基準位置にあるとき上記引っ張りワイヤに作用する引っ張り力が上記可動質量の運動方向に直交するように配置された復元力発生装置と、
上記ばねの伸び量により上記復元力を調節する復元力調節装置とを有し、
上記減揺対象物の固有動揺周期が変化しても、上記復元力調節装置で上記可動質量の復元力を調節することによって上記可動質量の固有往復運動周期を調節することができるように構成されたことを特徴とする減揺装置。 - 請求項１記載の減揺装置において、上記復元力調節装置は上記可動質量が上記基準位置にあるときの上記ばねの初期張力を調節することができるように構成されていることを特徴とする減揺装置。
- 請求項１又は２記載の減揺装置において、上記復元力調節装置は、上記ばねの両端のうち上記可動質量と反対側の端部に接続された巻き取りワイヤと該巻き取りワイヤを巻き取るための巻き取りローラと該巻き取りローラに装着された歯車と該歯車に係合しているウォーム歯車とを有することを特徴とする減揺装置。
- 請求項３記載の減揺装置において、上記ウォーム歯車はステップモータによって自動的に又は手動ハンドルによって手動的に駆動されることができるように構成されていることを特徴とする減揺装置。
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