破冰船减摇水舱装置控制方式研究

何 磊，杨东升

（海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129）

破冰船减摇水舱装置控制方式研究

何 磊，杨东升

（海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129）

通过对破冰船减摇水舱工作原理和水道控制阀工作环境的研究，比较了各种工作方式的特点。以破冰船的计算为例，选择适合可控被动式减摇水舱水道控制阀的驱动方式，并设计了此方式下的运动模式和控制方法。

水道控制阀；液压驱动；角度控制；电位计

0 引言

减摇水舱装置是一种能够减轻船舶横摇角度的装置[1]，在船舶上的应用已有百余年的历史，我国在此方面的研究起步不是很晚，但实际装船应用的可控被动式减摇水舱刚刚起步没多久。目前可控被动式减摇水舱产品主要有水道控制和气阀控制类，国内的减摇水舱装置主要为水道控制类[2-4]。本文以某破冰船减摇水舱的设计为例研究可控被动式减摇水舱的控制方式。

1 概述

可控被动式减摇水舱的工作原理是利用船舶的“双共振”原理，即船舶横摇滞后波浪90°，水舱内的水滞后船舶横摇 90°(图1)，也就是水舱内的水稳定力矩与波浪干扰力矩方向相反，相当于减小了波浪干扰力矩，减小了船舶横摇角度。

图1 减摇原理图

减摇原理应用的前提和关键是水舱内水震荡的固有频率与船舶横摇固有频率基本相同，水道控制类减摇水舱的水道控制阀就是为了调节减摇水舱内水震荡的固有频率。水道控制阀就是在减摇水舱下部通道加上阻尼挡板(图2)，通过阻尼挡板的转动改变下部通道的截面积从而控制水的流量，达到调节水舱固有周期以适应不同海况的目的。本文主要讨论研究水道控制阀如何转动挡板和改变通道截面积的方式。

图2 水道控制阀基本结构图

2 转动方式的研究和选择

减摇水舱水道控制阀的阻尼挡板处于水舱下部通道中，挡板主轴伸出甲板位于外部舱室中。要转动挡板就需要在主轴上施加一定的扭矩，一般施加扭矩的方式有气动、液压和电动。三种驱动方式比较：气动设备主要为气缸，速度快，工作介质清洁，处理方便，但驱动力小、噪声大；液压设备主要有液压缸和液压摆动缸，速度较快、驱动力大、设备体积小，但需要液压泵站，管路有漏油等可能性存在；电动设备主要为电机，设备简单，无需外部提供动力和铺设单独管路，但提供扭矩较小，驱动速度太快，需要附加减速装置[5-6]。

减摇水舱在工作时下部通道内的水是反复流动的，转动挡板就需要克服流水对挡板面施加的阻力，此阻力的计算可以参照舵力Beaufoy公式：

式中：A为挡板的面积，m2；ν为水流速度，kn；δ为挡板转动角度，0°～90°。

以某新型破冰船为例，设计挡板尺寸为1.1m×1.3m，计算出通道内平均水流速度为4.3kn，可知阻尼挡板最大受力为：

根据扭矩计算公式可知水流对主轴产生的扭矩为：

在具体选择驱动方式时需要考虑以下几方面因素：

提供驱动力：气动设备工作压力一般为0.3MPa～1.0MPa，压力较低，且气动装置结构尺寸不宜过大，所以无法满足扭矩要求，不能使用在该水道控制阀上；液压设备提供此扭矩时需要液压压力小，漏油的可能性就比较小，而且设备体积小，重量轻，比较适合使用在该水道控制阀上；电动设备在附加减速装置后扭矩能够达到，但驱动速度较慢，同时增加了设备体积和重量，可以使用在该水道控制阀上。

动作时间：因某新型破冰船上减摇水舱适用的横摇周期最小为7s。气动驱动速度很快，2s～3s便可完成水道控制阀旋转90°的动作，可以采用；电动设备驱动的水道控制阀旋转90°需要约24s，也就是需要3～4个横摇周期，无法满足快速反应调节机制，不适合采用；液压设备驱动的水道控制阀旋转90°则需要约5s～6s，在一个横摇周期内便可调节到位，适合采用。

维护保养和节能环保：气动设备使用空气为工作介质，清洁环保、处理方便、维护简单，工作时以气瓶储存能量，无需频繁使用动力源，能耗较低；液压设备利用蓄能器储存能量，能耗低，使用液压油液对外部环境有污染，需要保证系统密封性，需要定期检查更换密封件，但每次检查更换周期较长，维护较简单；电气设备没有单独管路，需要定期检查维护电机和电缆，维护较简单，但阻尼挡板每次动作都需要启停电机，能耗相对较高。

综上所述，水道控制类可控被动式减摇水舱水道控制阀转动阻尼挡板的方式适合采用液压驱动。

3 改变通道截面积方式的设计

改变下部通道截面积是为了调节减摇水舱固有周期以适应不同海况，一个面积对应的就是一个周期，阻尼挡板改变通道截面积的方式有两种：

1）挡板开、关组合面积(图3)：这种控制方式最早由日本NKK公司设计应用，通过若干个阻尼挡板的各种开、关组合，可以形成各种不同的水流通道面积。这种控制方法简单实用，在设计时使用不同数量、不同宽度的阻尼挡板就可以组合出需要的水流面积。阻尼挡板只有两个位置，在控制上比较容易实现。但此方法的缺陷在于阻尼挡板需要分开控制，挡板每次动作都需要旋转 90°。更重要的是在挡板有开有关时(例如图3所示面积2部分)，关闭挡板部分水流无法通过，而打开的挡板则通道完全通畅，造成在横向上水流通道的分布不均匀，这样就形成了横向上通道内水流的不平衡。

图3 挡板的开、关组合面积示意图

2）挡板的角度控制面积(图4)：这种方式是通过若干挡板转动不同的角度来控制水流通道面积，设计时只需要挡板的数量、尺寸和相对应面积所需要的角度即可。在控制时所有挡板是同步动作，所旋转的角度也是相同的，这样就很好地避免了横向上通道内水流的不平衡。在需要面积变化时这种方式阻尼挡板只需要转动一定的角度而不是每次都旋转90°，所以在反应和调节速度上也比开、关组合式的要快。由此可见，通过改变挡板旋转角度的方式更适用于改变通道内水流的面积。

4 挡板角度控制的实现方式

与只有开、关的阻尼挡板比较，角度控制的挡板在控制上稍微复杂一点，角度的反馈控制方式有很多：多个继电器、电位计、编码器、步进电机等。考虑到成本、安装维护、更换易损件和产品的精确度、稳定性、可靠性，适用于本水道控制阀的是电位计信号控制。电位计可以连续输出与角度相对应的模拟量值，有了这样的信号控制系统只要稍加处理便就可以很方便的控制液压设备将阻尼挡板旋转至需要的角度。

图4 挡板的角度控制面积示意图

5 结语

水道控制类可控被动式减摇水舱水道控制阀转动阻尼挡板应采用液压驱动方式，这种方式具有驱动力大、体积小、能耗低、维护方便的优点，并能够满足快速反应调节机制。在调节水舱固有周期时应通过改变挡板旋转角度来改变通道的水流面积，而阻尼挡板的角度控制是通过电位计的反馈信号实现的。

[1]闻邦春.机械设计手册[M].北京: 机械工业出版社,2010.

[2]孙莹.角度式控制阀PIC控制板的开发[D].大连:大连海事大学,2007.

[3]安震.可变周期减摇水舱阻尼板结构及控制方法研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2012.

[4]贾正余,黄宇,曾启盛,等.可控被动减摇水舱气道的阻尼[J].船舶工程,2011(3): 41-44.

[5]季本山,顾益民,李章德.基于绝对旋转编码器的舵角反馈系统设计[J].船舶工程,2010(1):45-47.

[6]盛振邦.船舶原理[M].上海: 上海交通大学出版社,2004.

Study on Control Method of Anti-rolling Tank Device for Icebreaker

HE Lei,YANG Dong-sheng
(Navy Representatives Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)

Through study on working principle of anti-rolling tank for icebreaker and working environment of water channel control valve,characteristics of various working modes are compared.Taking calculation of icebreaker as the example,driving mode suitable for channel control valve in controllable passive anti-rolling tank is selected,and the methods of motion and control under this driving mode ae designed.

water channel control valve; hydraulic drive; angle control; potentiometer

U664.1

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.013

何磊(1982-)，男，本科。从事轮机工程专业研究工作。