艦船浮態(tài)快速調(diào)整控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望

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(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船舶在海上航行時(shí)，如受到惡劣天氣及大風(fēng)浪的影響，會(huì)產(chǎn)生劇烈的橫搖。橫搖運(yùn)動(dòng)過大不但影響船舶的航行，還會(huì)對船上的設(shè)備及人員和貨物產(chǎn)生影響。船舶的平衡控制問題一直是重要的研究課題。早期應(yīng)用于實(shí)船的抗橫傾系統(tǒng)大多為水泵驅(qū)動(dòng)式和閥門切換式，它們在一定程度上滿足了生產(chǎn)的需要，但是隨著船舶朝大型化、高速化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)抗橫傾裝置的局限性越來越突出[1]。近年來我國在減搖鰭、減搖水艙、阻搖舵等方面的研究取得了一定的進(jìn)展，但對于具有反應(yīng)靈敏、可靠性好、易于控制操作等優(yōu)點(diǎn)的高效的氣動(dòng)式抗橫傾裝置的研究卻非常有限，其原因是氣動(dòng)式抗橫傾裝置價(jià)格非常昂貴，還沒有在世界上廣泛的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)典型艦船浮態(tài)調(diào)整控制技術(shù)

1.1 閥門切換式

主要由一臺單向式水泵和一組閥門構(gòu)成。平時(shí)水泵一直運(yùn)行，在單邊水艙循環(huán)。一旦橫傾角超出系統(tǒng)設(shè)定的允許范圍時(shí)，通過閥門的切換產(chǎn)生橫傾力矩。其優(yōu)點(diǎn)在于水泵及其控制回路簡單，啟動(dòng)和切換速度較快，僅稍慢于閥的動(dòng)作時(shí)間加上閥之間的動(dòng)作時(shí)間差，亦需考慮“水錘”作用。當(dāng)然，它也可以用另一種模式運(yùn)行，即平時(shí)泵不轉(zhuǎn)，閥關(guān)閉。一旦需要，相應(yīng)的閥開啟，泵啟動(dòng)，達(dá)到正浮，停泵關(guān)閥[2]。

圖1所示系統(tǒng)由平衡水泵和電動(dòng)三位四通閥組成。這一系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是電動(dòng)三位四通閥。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以使用船舶本身配置的壓載水泵或總用泵作為平衡水泵，一個(gè)泵損壞，另一個(gè)泵可以投入工作；只要改變?nèi)凰耐ㄩy中活塞的位置就能實(shí)現(xiàn)對水流方向的控制，因而較為可靠，反應(yīng)速度也較快。缺點(diǎn)是三位四通閥較笨重，一個(gè)三位四通閥高度有2 m左右。

圖1 閥門切換式抗橫傾系統(tǒng)(電動(dòng)三位四通閥)

圖2由平衡水泵、4個(gè)遙控蝶閥等設(shè)備組成。遙控蝶閥有a、b、c、d 4只。2只布置在泵5 的進(jìn)口，2只布置在泵5 的出口。工作時(shí)，要實(shí)現(xiàn)泵和a、b、c、d 的聯(lián)控。例如要使水流從左平衡水艙到右平衡水艙，必須關(guān)閉a、d 閥，打開c、b 閥。與第一種型式比較，它用4個(gè)遙控蝶閥代替了電動(dòng)三位四通閥。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是可以使用船上的壓載水泵或總用泵等設(shè)備作為平衡水泵；與三位四通閥比，比較簡便，遙控蝶閥可以采用成熟的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是要求4個(gè)蝶閥聯(lián)控，若一個(gè)閥失控，工作就失常；在閥a、b、c、d 調(diào)整到所需位置時(shí)，泵才能開啟，否則容易造成對蝶閥的沖擊和損壞。由于這一原因，從閥的位置調(diào)整到泵的啟動(dòng)，達(dá)到額定流量的相對時(shí)間要稍長一些。且由于泵啟停頻繁、流量大、電功率大，容易造成對電網(wǎng)的沖擊。

圖2 閥門切換式抗橫傾系統(tǒng)(4只蝶閥)

1.2 水泵驅(qū)動(dòng)式

水泵驅(qū)動(dòng)式抗橫傾裝置主要是通過水泵調(diào)撥水進(jìn)行橫傾力矩的調(diào)配。水泵系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：管路比較簡單，對空間要求相對比較小，價(jià)格相對便宜，而且操作比較簡單，無復(fù)雜的控制部件。缺點(diǎn)主要是由于橫傾力矩要求的平衡水量比較大，需要配置的泵的排量大，泵的電機(jī)也相應(yīng)很大，而且抗橫傾裝置的運(yùn)行工況決定了泵必須跟隨橫傾力矩的變化而頻繁起停，對電網(wǎng)沖擊較厲害，對電站容量有一定要求。而且所有設(shè)備和控制閥件都與海水接觸，容易受海水腐蝕，整個(gè)設(shè)備的維修間隔相對比較短一些，設(shè)備可靠性相對差一些。水泵系統(tǒng)可分為單向泵及雙向泵兩種[3]。

圖3是一臺可逆轉(zhuǎn)螺旋槳泵和一只遙控蝶閥。

圖3 可逆轉(zhuǎn)螺旋槳泵驅(qū)動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)

這一系統(tǒng)的特點(diǎn)是把平衡水泵和換向裝置組合在一起，用一個(gè)可逆轉(zhuǎn)的螺旋槳泵來代替。它的結(jié)構(gòu)與一個(gè)側(cè)推裝置相似，只是螺旋槳葉是固定的。它的優(yōu)點(diǎn)是簡化了平衡裝置，在左右平衡水艙之間只要用一個(gè)連通管，泵接在管路中間即可。這種泵的流量可達(dá)到1 500 m3/h。遙控蝶閥的作用是在可逆轉(zhuǎn)平衡泵工作前打開，不工作時(shí)關(guān)閉。這種泵必須在管道上的遙控閥打開后啟動(dòng)，否則泵送水流可能迫使2個(gè)平衡水艙之間的隔離閥不能打開，或重新關(guān)閉。

圖4是水泵驅(qū)動(dòng)式橫傾平衡系統(tǒng)的另一種形式。它的關(guān)鍵設(shè)備也是平衡水泵。

圖4 可逆平衡水泵驅(qū)動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)

與圖3 形式相比，它的平衡水泵改為一種電機(jī)直接傳動(dòng)的水泵。泵的啟動(dòng)調(diào)節(jié)使橫傾角為0.25°～2.5°，在橫傾角回復(fù)到預(yù)先設(shè)定值的70%時(shí)，泵將停止工作。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是泵也要在隔離閥打開后才能啟動(dòng)，在泵停止工作后，隔離閥應(yīng)關(guān)閉。

2 氣動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

船舶氣動(dòng)式抗橫傾裝置的基本構(gòu)成見圖5。

圖5 氣動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)基本組成圖

裝置一般由以下幾部分組成[4-6]。

1)一組或多組左右平衡U型水艙。每個(gè)水艙約裝一半容量的水，通常稱其為服務(wù)水位。平衡水艙容積的大小取決于船舶所需的抗橫傾力矩的大小。

2)鼓風(fēng)機(jī)。一般為2臺，由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。鼓風(fēng)機(jī)起動(dòng)，氣閥打開，以一定的排量向兩舷密閉水艙打氣，產(chǎn)生調(diào)撥左右U形平衡水艙水量的壓力差。一般船舶在港作業(yè)期間，鼓風(fēng)機(jī)處于常開狀態(tài)，這樣可避免電機(jī)的頻繁起停對電造成沖擊。

3)橫傾控制閥組。為帶電磁先導(dǎo)閥的氣動(dòng)開關(guān)閥，是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部件，它的動(dòng)作決定抗橫傾裝置所產(chǎn)生的抗橫傾力矩的方向和大小。橫傾控制閥的工作壓力為0.8～1.0 MPa,由單獨(dú)的空氣壓縮系統(tǒng)供應(yīng)。

4)碟閥。該閥門由電控系統(tǒng)自動(dòng)控制，船舶在港作業(yè)的整個(gè)過程中是全開的，當(dāng)抗橫傾裝置不運(yùn)行時(shí)，該閥處于關(guān)閉狀態(tài)，可防止水在左右水艙間流動(dòng)，進(jìn)而防止在航行期間增加船舶橫搖。

5)控制箱。由各種控制原件組成，對抗橫傾系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，根據(jù)傾斜儀測量的船舶橫傾角信號，以自動(dòng)方式遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)中被控元件，如氣閥和蝶閥的動(dòng)作，達(dá)到平衡船舶的目的。

6)電機(jī)控制箱。用于控制電機(jī)星、三角啟動(dòng)的接觸器、電流表、跳閘單元、變壓器等。

7)液位傳感器。設(shè)置若干液位傳感器，起限位開關(guān)的作用，當(dāng)水艙中水位達(dá)到最高或最低時(shí)關(guān)閉抗橫傾氣動(dòng)閥門，實(shí)施高低液位報(bào)警和系統(tǒng)保護(hù)以及水艙監(jiān)控和顯示。

8)液位差指示器。實(shí)時(shí)顯示由液位傳感器測量的左右平衡水艙間的液位差額，當(dāng)船體無傾斜時(shí)，顯示左右水艙間的正確液位差額及占所產(chǎn)生的抗橫傾力矩的比例。

9)傾角儀。傾角儀也就是橫傾角傳感器，用來實(shí)時(shí)測量船舶的橫傾角度，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸送至控制系統(tǒng)，進(jìn)而控制船舶的橫傾。傾斜儀通常安裝在船舶腫部的中軸線上。

2.2 工作原理

氣動(dòng)式抗橫傾裝置基于“連通器”原理，利用鼓風(fēng)機(jī)在U形水艙兩邊自由液面上方密閉空間產(chǎn)生的壓力差來調(diào)節(jié)左右水艙的水量，從而以水的重力產(chǎn)生抗橫傾力矩，去補(bǔ)償船舶因橫傾產(chǎn)生的力矩網(wǎng)。氣動(dòng)式抗橫傾裝置是一種基于力矩同步補(bǔ)償?shù)难b置，它在船舶尚未發(fā)生大角度的橫傾之前就開始在船舶橫傾相反的方向上進(jìn)行力矩補(bǔ)償，因而船舶在抗橫傾裝置的控制下很快就會(huì)回到正浮狀態(tài)。它有兩種工作模式，即“待機(jī)”模式和“運(yùn)行”模式[6]。

其中“運(yùn)行”模式僅用于防止船舶在港作業(yè)期間過度橫傾或保持船舶在港裝卸期間的正浮狀態(tài)，航行期間是不可以運(yùn)行的，這是因?yàn)闅鈩?dòng)式抗橫傾裝置開始工作的角度很小，一般為1°～3°，而船舶在海上航行時(shí)經(jīng)常遇到風(fēng)浪的干擾，船舶處于搖擺狀態(tài)，這必然會(huì)導(dǎo)致橫傾控制閥的開關(guān)動(dòng)作頻繁切換，使整個(gè)系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)浪干擾頻率與氣動(dòng)式抗橫傾裝置的工作頻率發(fā)生共振時(shí)，將會(huì)增加船舶的橫搖幅度，嚴(yán)重時(shí)造成船舶傾覆。因此船舶航行期間，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，各橫傾控制閥關(guān)閉，整套裝置處于“待機(jī)”狀態(tài)，見圖6a)。

船舶在進(jìn)行起重、裝卸或補(bǔ)給前，首先手動(dòng)將抗橫傾裝置置于“運(yùn)行”狀態(tài)，此時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)打開橫傾控制閥組中的0lP、02P、01S、02S閥門，繼而打開水艙連通道中的蝶閥(05)，左右平衡水艙連通。隨后起動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)。圖6中04閥是系統(tǒng)排氣閥，處于常開狀態(tài)。在船舶橫傾角超出設(shè)定范圍之前，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣體經(jīng)由閥0lP、02P、01S、02S、04排向大氣，閥03S、03P處于關(guān)閉狀態(tài)，水艙兩邊無壓力差，水不流動(dòng)。見圖6b)。

圖6 氣動(dòng)式抗橫傾裝置工作狀態(tài)示意

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

從工作原理和基本結(jié)構(gòu)可以看出，氣動(dòng)式抗橫傾裝置與水泵驅(qū)動(dòng)式和閥門切換式裝置相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)式抗橫傾裝置從系統(tǒng)開始動(dòng)作到系統(tǒng)到達(dá)最大補(bǔ)償速度僅需5～10 s，而可逆平衡水泵式和閥門切換式大概需要20 s以上。

2)橫傾補(bǔ)償率高。氣動(dòng)式抗橫傾裝置的橫傾補(bǔ)償速度可以達(dá)到4 000 (t·m)/min；而受限于泵的排量，可逆平衡水泵式和閥門切換式的橫傾補(bǔ)償速度最大不超過1 000 (t·m)/min。

3)動(dòng)力元件連續(xù)工作，不會(huì)因頻繁啟停造成水艙內(nèi)水流沖擊,氣動(dòng)式抗橫傾裝置的動(dòng)力元件為馬達(dá)帶動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間風(fēng)機(jī)一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，平衡水的移動(dòng)流量和方向受控于橫傾控制閥;可逆平衡水泵式在每個(gè)抗橫傾回合中都要換向，閥門切換式的每個(gè)閥門都要開合，因?yàn)楸玫拿哭D(zhuǎn)排量有限，要得到快的補(bǔ)償速度就必須提高泵的轉(zhuǎn)速，從而導(dǎo)致水流通道及平衡水艙內(nèi)水流過快，水流沖擊增大，給船舶帶來不利影響。

4)所有運(yùn)動(dòng)部件均不與水接觸，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。氣動(dòng)式抗橫傾裝置的運(yùn)動(dòng)元件只有馬達(dá)帶動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)和受PLC控制的橫傾控制閥，它們都不與水接觸，可靠性較高。而可逆平衡水泵式和閥門切換式的運(yùn)動(dòng)部件是水泵和閥門，它們都浸在水中，容易產(chǎn)生汽蝕和腐蝕，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

而與可逆平衡水泵式和閥門切換式抗橫傾裝置相比，氣動(dòng)式抗橫傾裝置明顯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴且故障難于檢修。

3 結(jié)束語

艦船浮態(tài)調(diào)整對艦船安全至關(guān)重要。文章通過對浮態(tài)調(diào)整控制技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸納整理，綜述了艦船浮態(tài)調(diào)整控制技術(shù)的現(xiàn)狀，著重分析了氣動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)的功能組成和運(yùn)行原理。氣動(dòng)式抗橫傾裝置具有反應(yīng)靈敏、可靠性好、易于控制操作等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)率的提高，氣動(dòng)式抗橫傾系統(tǒng)將有廣闊的世界市場。

[1] 張富民.船舶橫傾平衡系統(tǒng)及設(shè)備開發(fā)控制[J].機(jī)電設(shè)備，2012(5):12-13.

[2] 楊 輝，宋金龍.船舶減搖方式介紹及發(fā)展趨勢[J].江蘇船舶，2007(8):6-7.

[3] 董美華，馬汝建，趙 東.船舶減搖技術(shù)研究進(jìn)展[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008(4):17-18.

[4] 徐 鵬.船舶氣動(dòng)式抗橫傾裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)控制策略的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[5] 李 帥.船舶氣動(dòng)式抗橫傾裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

[6] 呂 川.船舶氣動(dòng)式抗橫傾裝置的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.