一種新型船舶液壓減搖裝置研究

摘 要：設(shè)計(jì)一種新型船舶液壓減搖裝置，應(yīng)用于船上的生活區(qū)和工作區(qū)，起到局部減搖作用，能為海員提供平穩(wěn)安全的工作、生活環(huán)境，同時(shí)保障旅客的航行舒適性。著重?cái)⑹鲈撗b置的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、工作原理和減搖效果。

關(guān)鍵詞：液壓；局部減搖；強(qiáng)度分析；減搖效率

中圖分類號(hào)：TH文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198（2008）10-0396-01

船舶在海上航行時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到惡劣的氣候條件，引起劇烈的搖擺，使船員大量消耗體能、極度疲勞，這樣持續(xù)的工作，安全隱患極大。如果船員體質(zhì)差或適應(yīng)能力弱，容易引起嚴(yán)重的暈浪現(xiàn)象，威脅海員的身心健康。特別在客輪上，船舶劇烈的搖蕩對(duì)旅客航行的舒適性產(chǎn)生很不利的影響。

減搖鰭、減搖水艙、舵減搖、舭龍骨等現(xiàn)有船舶減搖技術(shù)多采用全船減搖，但并不能完全消除搖擺。本裝置則是從船舶舾裝設(shè)備對(duì)船員工作條件、身體健康和旅客航行舒適性的影響來考慮，運(yùn)用液力平衡原理實(shí)現(xiàn)船舶局部減搖。解決因船體搖晃給船舶安全生產(chǎn)、船員休息、航行舒適性帶來的問題。本裝置機(jī)構(gòu)簡潔、實(shí)用可靠、節(jié)能環(huán)保，維護(hù)管理方便，屬人性化的船舶舾裝產(chǎn)品，能改善船舶操控人員的工作和居住條件，保障旅客的航行舒適性。

1 工作原理

局部減搖裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。本裝置由上平板1、頂部儲(chǔ)油盒2、主支撐柱3、四個(gè)套筒4和柱塞5及下平板6組成。上下平板間由主支撐柱固定連接，四個(gè)柱塞和套筒均勻分布在主支撐柱周圍，柱塞頭部與下平板處于滑動(dòng)狀態(tài)，用油脂潤滑。四個(gè)套筒間由頂部儲(chǔ)油盒連通，四個(gè)柱塞和主支撐柱的頭部均為起萬向轉(zhuǎn)動(dòng)作用的球鉸。當(dāng)船舶搖擺時(shí)，上表面支撐物就給某個(gè)方向上的柱塞一個(gè)壓力，在頂板壓力作用下，球鉸和柱塞軸向受壓，柱塞就推動(dòng)油缸內(nèi)的液壓油向壓力低的一側(cè)流動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)，另一側(cè)液壓油缸中的柱塞上升。反向搖擺時(shí)是同一個(gè)方式作用，以此來達(dá)到減搖的目的。在初穩(wěn)性壓力下，船體傾斜帶動(dòng)柱塞升降，液體流動(dòng)支撐上平板保持平衡。

選用液體作為傳動(dòng)介質(zhì)，可以保證本裝置對(duì)外界搖擺做出及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)。當(dāng)外界有搖擺時(shí)，與下平板連接的球鉸帶動(dòng)柱塞升降，迫使柱塞內(nèi)連通的液體流動(dòng)，并且其周期與船的搖擺運(yùn)動(dòng)周期同步，方向相反，從而達(dá)到削減搖擺幅度的目的，能很好地實(shí)現(xiàn)其減搖功能。中間的主支撐柱分擔(dān)了四個(gè)工作柱塞的部分壓力負(fù)荷，對(duì)他們起到了保護(hù)作用，保證本裝置正常持久工作。搖擺時(shí)柱塞頭上的球鉸在下平板設(shè)計(jì)的槽道內(nèi)向兩側(cè)滑動(dòng)，使柱塞升降自如。四個(gè)連通柱塞互相配合，可以減弱任意方向上的搖擺。

2 元件強(qiáng)度分析

在整體系統(tǒng)中采用四柱塞交叉聯(lián)通的方式，以此來達(dá)到液力平衡，達(dá)到減搖目的。每個(gè)柱塞密封面所能承受的最大壓力為32Mpa，正常平衡狀態(tài)下柱塞外伸高度2.0cm，套筒內(nèi)高度 4.0cm。傾斜最大角度時(shí)球鉸相對(duì)上平板伸長量0.6cm，柱塞最大高度差5.0cm。 因?yàn)橹谟透變?nèi)的部分全部浸沉在工作介質(zhì)中，呈懸浮狀態(tài)，故稱該種柱塞支撐方式為柱塞懸浮式聯(lián)通液壓減搖系統(tǒng)。

此系統(tǒng)中，柱塞和油缸在承受內(nèi)壓時(shí)，柱塞還承受軸向壓力，油缸則承受軸向拉力。柱塞插在油缸內(nèi)的部分，作用在其內(nèi)外表面上的液壓力相互平衡。

圓筒或圓環(huán)的環(huán)向應(yīng)力如圖3所示，在實(shí)際應(yīng)用中，油缸所受的軸向力比柱塞的小得多，由于柱塞操作不當(dāng)或頂板和底板不平行等情況的影響，柱塞可能收到難以確定的偏載，使柱塞和油缸受到一定彎矩的作用，因而柱塞和油缸要有足夠的融合長度。

綜上所述，液壓柱塞采用了懸浮工作原理，技術(shù)可行、可靠；柱塞行程大，擴(kuò)大了柱塞的使用范圍，使用靈活方便，保證了器材的正常工作；柱塞為無縫柱塞，不僅柱塞強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提升，而且結(jié)構(gòu)工藝得到大大簡化，零件的數(shù)量也得以減少，生產(chǎn)成本降低。

3 減搖效果的分析

對(duì)于減搖裝置的減搖性能，目前主要是以橫搖幅值的減小來評(píng)定減搖效果，通常以減搖效率的形式表示，其中較合理的是按不規(guī)則波中得到的減搖效率加以評(píng)定。

作者常用的方法是籍譜分析得到的無減搖裝置時(shí)有義橫搖幅值的減少作為比較的基礎(chǔ)，給出減搖效率為：

η=1-((a)1/3s(a)1/3u%（5）

式中（a)1/3s、（a)1/3u分別表示船有減搖裝置和無減搖裝置時(shí)的有義橫搖幅值。

由式（7）得出的減搖效率η，對(duì)于好的被動(dòng)式減搖水艙一般在40-50%，而減搖鰭一般在80%以上。

圖4為作者利用計(jì)算機(jī)軟件得到局部減搖器在工作狀態(tài)下的仿真動(dòng)作。當(dāng)船舶未發(fā)生搖擺時(shí)，任意方向上的柱塞都是平衡的，未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng).此時(shí)，減搖器處于平衡狀態(tài)，各零件部分承受的就是垂向方向上的力。當(dāng)船舶搖擺時(shí)，和船體固定的下平板也隨之傾斜，此時(shí)，上表面支撐物就給某個(gè)方向上的柱塞一個(gè)壓力，使得一側(cè)的柱塞下降，根據(jù)U型管機(jī)理，另一測柱塞相應(yīng)上升。由于密封液壓腔體內(nèi)選用的液壓介質(zhì)的不可壓縮， 因此，減搖器最終的兩側(cè)的柱塞水平高度是一致，那么，通過球鉸連接在上面的上平板也是平衡的。

液壓減搖器的實(shí)體模型在上平板載荷小于200 kg時(shí)，能隨著船體的搖擺，相應(yīng)地調(diào)整其下平板的傾斜角度，始終保持上平板處于水平狀態(tài)，使得上表面的支撐物或人免受船舶搖擺的影響，達(dá)到減搖效果。實(shí)驗(yàn)過程中測得減搖器下平板的傾斜角度在0~27°，在國際海事組織規(guī)定的船舶安全傾角范圍之內(nèi)。該裝置在無需動(dòng)力設(shè)備的條件下對(duì)船舶搖擺振動(dòng)的變化時(shí)作出反應(yīng)，保持上平板平衡，這種自適應(yīng)式的調(diào)節(jié)方式，受艦船裝載條件的復(fù)雜性及海洋環(huán)境不確定性的影響較小。

本裝置在船舶整體減搖技術(shù)的基礎(chǔ)上配合使用，起局部減搖作用，能達(dá)到更好的減搖效果。

4 結(jié)論

本裝置從船舶舾裝設(shè)備對(duì)船員工作條件、身體健康和旅客航行舒適性的影響來考慮，將減搖的設(shè)計(jì)理念由整體轉(zhuǎn)變?yōu)榫植?，將液壓技術(shù)直接用于船舶減搖，不論在設(shè)計(jì)理念還是技術(shù)應(yīng)用方面都有很大的創(chuàng)新。通過對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)分析，證明了該裝置的科學(xué)性和可行性。而且本裝置輕便簡單，節(jié)能環(huán)保，在交通運(yùn)輸、工程生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用推廣范圍。在船舶整體減搖的基礎(chǔ)上配合以局部減搖，以此達(dá)到更好的減搖效果。

參考文獻(xiàn)

［1］李狀元.液壓元件與系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1991.