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文档简介
有关船舶减摇装置的特性及其应用现状的阅读报告通过对有关船舶减摇装置的特性及其应用现状文章的阅读,我对船舶减摇装置有了一定的了解和认识。我们舰船在海上航行、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,不可避免的要产生摇荡运动。随着船舶使命的复杂性的提高和高技术装备的应用,作为海面上活动平台的大型水面船舶,要求其在海浪中的摇摆尽可能地小。如果把船做为刚体來研究,则这种运动一般有六个自由度,称之为横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡(或升沉)。在船舶的摇荡运动中,横摇最为严重,对船舶的安全运行影响也最大。因此船舶平衡最常用的是横摇减摇。尽管纵摇和升沉也对船舶的安全运行带來很大影响,但对大型水面船舶国际上目前没有减小纵摇、升沉和横荡的技术。由于船舶经常需要航行在波涛汹涌的水面上,剧烈的摇荡不但影响船舶的航行,而且还会对船舶上装备带來不良的影响,对船上的货物和人员带來不安全因素。因此,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。目前常用的船舶减摇装置有以下儿种j比龙骨、减摇鳍、减摇水舱、减摇舵。[11一、减摇装置简介1.1妣龙骨早在19世纪初,帆船时代就己开始使用妣龙骨來减小横摇,这是目前应用最广泛,也是最简单的减摇装置。它沿着船长方向安装在船的妣部,在横摇时扰动船体周围的流场,使船产生附加阻尼,并借以增加横摇阻尼从而达到减摇的目的。它在任何情况下都有效,在近似共振状态下减摇效果最明显。与其他减摇方式相比较,毗龙骨的显著优点是没有运动部件,且除了通常所做的清除船体表面的维护外无需其他维护。唯一的缺点是装上毗龙骨会使船舶阻力略有增加。另外,由于它简单、建造成本低、对航速影响小,且有一定的减摇效果(一般可减小横摇30%左右)等优点,目前儿乎在所有海船都毫无例外地装有毗龙骨,它已成为海船船体的一部分。所以,在一般情况下所谓减摇装置系指妣龙骨以外的减摇措施和设备。1.2移动重物通过移动重物來改变船体重心的位置,从而保证船舶的平稳性。它一般不会被单独使用以减小船舶横摇,大多数是对安装了妣龙骨的船舶在舵操作比较急的情况下进行辅助减摇。曾经就有3.5t重的质量块被装到一赭190t的日本位移高速探测舰上以及500t重的质量块被装在“戴高乐”号法国航空母舰上來减小船舶横摇。为了抵消由于操舵而产生的倾侧力矩,人们对质量块的移动常采取自适应控制。但由于该减摇手段需要较大的能量來移动重物,并且响应比较慢以及它需要占用一定的船内空间,故目前不经常被使用。1.3减摇鳍减摇鳍是一种最常用的主动式减摇装置,其构造主要包括机翼型的鳍(至少一对)、转鳍的液压传动装置和电气控制系统。通过控制鳍的运动,可以使鳍产生对抗横摇的扶正力矩,从而达到减小横摇的目的。减摇鳍可分为非收放式减摇鳍和可收放式减摇鳍两种。非收放式减摇鳍装置的鳍一直伸出在舷外,按控制规律转动,产生升力。其主要优点是结构简单,几乎适用于各种大型船舶。但该鳍的升力系数较收放式鳍的升力系数小,因而在面积相等、航速一样的情况下,升力较小;当大型船舶在静水中航行时,鳍像毗龙骨一样,对船舶产生附加阻力。由于鳍一直伸出在舷外,故易损坏。非收放式减摇鳍装置的单鳍面积有0.9m2,1.6m2,2.5m2,3.5m2,4.Oni2,5.0m2, 5.5m2, 6.3m2等近10种之多,以适应不同吨位及用途的大型船舶使用。收放式减摇装置的鳍在大型船舶遇风浪需要减摇时放出舷外,在控制信号作用下转鳍,产生稳定力矩。不用鳍时,将鳍收进舱内。其主要优点是鳍的升力系数较大,静水航行时鳍收进船舱,不产生附加阻力。缺点是多了一个收放机构,故需占用一定的船内空间,因此该型装置主要装在较“胖”船型的大型船舶上,如客船、车客渡船、滚装船、集装箱船等,也有装在舰艇上的。收放式减摇鳍装置的单鳍面积有2.5m2, 3.6m2, 6.Oni2三种。减摇鳍是一种最常用、减摇效果最好的主动式减摇装置。通常航速在10km/h〜15km/h的减摇效果最好,减摇鳍减摇效率可达90%。例如,1985年英国“玛丽皇后”号在大风浪条件下进行了减摇性能实验。当减摇鳍工作时,船的横摇角平均在2°左右;而减摇鳍不工作时,横摇角达25°,可见减摇效果还是很好的。最近,S.Surendran,S.K.LeeandS.Y.Kim乂对装有主动式减摇鳍(釆用PID控制)的驱逐型战舰在各种海况下的运动状况进行仿真分析,无数的仿真结果证明了这种减摇鳍在任意海况下都具有较好的减摇效果。减摇鳍的最早专利是在1889年由约翰•桑尼克罗夫特获得的。1923年日本的元良信太郎设计了第一套实用的减摇鳍,经装船实验得到了良好的减摇效果。1935年英国的布朗兄弟公司设计的减摇鳍成功的应用到一艘2200T的海峡渡轮,从此减摇鳍得到了广泛的应用。目前许多国家海军的中高速大型船舶、许多商船和其它船舶都装有减摇鳍。4减摇水舱减摇水舱是另一种减小船舶横摇的有效装置,迄今为止它已经有100多年的发展历史。自从1911年佛拉姆成功推出被动U型水舱后,目前己经有各种减摇水舱应用到上千艘各类船舶,特别在20世纪50年代后,减摇水舱得到很大发展。目前英国国家物理实验室、Brown兄弟公司、徳国英特灵公司、美国Flume稳定系统公司和日本的三菱重工等都设计和生产了许多减摇水舱。与减摇鳍相比,减摇水舱的最大优点是船舶在任何航速下(即使停泊时)依然有较好的减摇效果,也就是说减摇效果与航速无关。另外,减摇水舱还有自动化、免维修、操作简单、成本低及可靠性高等特点,还可用來抗横倾和检测稳性,是目前发展的方向。它的基本原理是在船的2/3或1/2总长的两舷侧设置两对水舱,通过检测船的横摇角及横摇角速度选择不同水舱组合,控制气阀的启闭,使水舱内水的横向流动周期和方向与船的摇摆运动周期同步,方向相反,从而达到削减摇摆幅度的目的。但是,其减摇效果不如减摇鳍的减摇效果好,且减摇水舱需占用船内空间,故只适用于有较大空间的船舶。由于减摇水舱装置可将摇摆角度从30°减至15°,减幅达50%,故由横摇而致的危险性可大大降低;另外,船舶摇摆角每增加1°,船舶阻尼摇摆力就要相应地增加0.5%〜0.9%, 50%的减幅将大大节省能源。由于减摇效果与船的航速无关,因此减摇水舱可广泛用于低速航行船舶或停泊作业的工程船舶。减摇水舱从减摇原理來分可以分为被动式减摇水舱、可控被动式减摇水舱和主动式减摇水舱三种,而从结构上可以分为U形水舱、平面槽形水舱等。目前,减摇水舱在货船、客船和工作船上都得到了成功的应用。1.5舵减摇与减摇鳍、减摇水舱相比,舵减摇是一项较新的减摇技术,它最早由荷兰在20世纪70年代提出。船舶的横摇周期一般在7〜15s之间,而㈱K摇一般在20〜40s之间,靠舵对横摇和月首馄摇响应的差异,控制舵角,以达到一定的减摇效果。目前的实验研究表明,舵减摇的效果可达60%左右。由于它不需要一套专门的减摇装置,因此在船舶工程界倍受关注。舵减摇的理论基础是:舵的低频运动主要影响船舶的赭摇,而舵的高频运动则主要影响船舶的横摇,同时也增加了船舶的航行阻力,但比减摇鳍的要小。与减摇鳍相比,利用舵在操舵时产生的横摇力矩进行减摇的舵减摇装置造价低、所占船内空间少、使用维修方便,故舵减摇技术引起了人们的广泛关注。但其需要高速操纵器以及低船速时舵效较差。1972年,Cowley和Lambert探讨了用舵作为稳定装置的可能性,并在一艘商船上试验成功,因而引起人们的关注。80年代荷兰、瑞典等国家开展了舵减摇装置的研究。1984年,瑞典歌徳堡船模实验水池开始研制型号为ROLL-NIX的舵减摇装置,到1990年己经生产60多套,安装在160〜110001级的各种船舶上。1990年,荷兰自行研制的ASSA型舵减摇自动驾驶仪安装在M级护卫舰的首制舰上。八十年代初,中国大型船舶科技研究中心就展开了舵减摇的理论和实验研究,主要是研究安装舵减摇装置的可行性,并探讨了舵减摇的最优控制规律和舵减摇的效果。九十年代以來,对舵减摇的研究更为深入,理论研究表明舵减摇装置具有较高的减摇效果。我国在舵减摇方面的研究也是集中在军舰上的应用。【2—3】二、减摇装置的应用现状通过一些文章的了解,现在减摇装置不再独立使用,而是多于儿个减摇装置配合使用。如减摇鳍一减摇水舱综合减摇、减摇鳍一舵减摇综合减摇、减摇鳍一减摇水舱一抗静倾水舱综合减摇等,也有釆用双水舱减摇系统减摇。而更有人提出了釆用液压减摇的方式减摇。2.1双水舱简要系统通过仿真对比双水舱系统与单水舱系统的减摇效果,得出以下结论:1)相同舱容的双水舱系统的减摇效果要略好于单水舱系统;2)在船舶遭遇浪向变化时,双水舱系统在不同浪向下的减摇效果均好于单水舱系统;3)由于船舶横稳心高变化而导致船舶横摇周期变化时,单水舱系统的减摇效果变差,英至出现增摇现象,对船舶航行产生较大影响,而双水舱系统在船舶固有横摇周期变化时减摇效果明显优于单水舱系统。所以,通过合理配置的双水舱减摇系统,可以有效地解决单水舱系统在非谐摇频率减摇效果差英至增摇这一固有缺点,具有很大发展空间。【4】2减摇鳍一减摇水舱综合减摇实验装置的研究船舶在风浪中航行时,由于船舶横摇运动阻尼很小,因此会产生剧烈的横摇。为了减小船舶横摇,人们设计出了各种各样的横摇减摇装置,如减摇鳍和减摇水舱。目前,减横摇技术主要是采用单独的减摇装置,单独使用减摇鳍或减摇水舱在功能上存在局限性。单独使用减摇鳍因为鳍的升力与船速平方成正比,所以在航速较高时,减摇鳍的减摇效果明显,在低航速和零航速时,儿乎没有减摇作用;减摇鳍在横浪下减摇效果最好,在其它浪向下的减摇效果不理想共至不减摇。单独使用减摇水舱尽管减摇水舱能在各种航速下减摇,但与减摇鳍相比,其具有较低的减摇性能;被动式减摇水舱是依靠水舱本身的横摇固有周期而工作,实际海浪周期与水舱固有周期相差较大时,水舱往往达不到预期的减摇效果,在某些海情下还可能发生增摇。而减摇鳍-被动水舱的综合减摇可以结合减摇鳍和减摇水舱的优点,使舰船在各种航速下都能够有效地减摇。对综合减摇的实验研究有效方法是建立综合减摇实验装置,结合减摇鳍和减摇水舱的优点,通过合理的配置鳍和水舱以及选择适当的控制方法使实验装置能够正确模拟综合减摇系统,为综合减摇的实验研究提供实物保证。【5】2.3液压减摇装置局部减摇装置的结构如图1所示,实物如图2所示。本装置由上平板1、顶部储油盒2、主支撑柱3、四个套筒4、和柱塞5、及下平板6、组成。上下平板间由主支撑柱固定连接,四个柱塞和套筒均匀分布在主支撑柱周围,柱塞头部与下平板处于滑动状态,用油脂润滑。四个套筒间由顶部储油盒连通,四个柱塞和主支撑柱的头部均为起7J向转动作用的球狡。当船舶摇摆时,上表面支撑物就给某个方向上的柱塞一个压力,在顶板压力作用下,球餃和柱塞轴向受压,柱塞就推动油缸内的液压油向压力低的一侧流动进而推动,另一侧液压油缸中的柱塞上升。反向摇摆时是同一个方式作用,以此來达到减摇的目的。在初稳性压力下,船体倾斜带动柱塞升降,液体流动支撑上平板保持平衡。选用液体作为传动介质,可以保证本装置对外界摇摆做出及时准确的反应。当外界有摇摆时,与下平板连接的球餃带动柱塞升降,迫使柱塞内连通的液体流
动,并且其周期与船的摇摆运动周期同步,方向相反,从而达到削减摇摆幅度的目的,能很好地实现其减摇功能。中间的主支撑柱分担了四个工作柱塞的部分压力负荷,对他们起到了保护作用,保证本装置正常持久工作。摇摆时柱塞头上的球狡在下平板设计的槽道内向两侧滑动,
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