減搖陀螺在船舶上的應(yīng)用分析

郭遠(yuǎn)志，羅殿軍，韓 健，李 磊，張兆德

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022;3.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

減搖陀螺在船舶上的應(yīng)用分析

郭遠(yuǎn)志1,2，羅殿軍1，韓 健3，李 磊1,2，張兆德1,2

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022;3.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

針對某沿海小型科考船搖擺運(yùn)動(dòng)過大的問題，對其加裝減搖陀螺。為測試減搖陀螺的減搖性能，使用差分GPS數(shù)據(jù)采集儀對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)海測試分析。測量過程中基于不同船速和減搖陀螺是否運(yùn)轉(zhuǎn)，采用了4種工況。測試結(jié)果表明：該減搖陀螺在零航速時(shí)縱搖減搖率為26.24%，橫搖減搖率為48.82%，航速4 kn時(shí)縱搖減搖率為11.70%，橫搖減搖率為69.27%，該減搖陀螺具有良好的減搖性能。

減搖陀螺；船舶減搖；實(shí)海測試

船舶在海上航行時(shí)受到波浪、海流和海風(fēng)等力的作用下產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)。船舶的搖擺是衡量船舶性能的一個(gè)重要因素，劇烈的搖擺會(huì)影響船舶的穩(wěn)性、操縱性、舒適性以及安全性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，抑制船舶搖擺的技術(shù)也得到很大的發(fā)展。目前，比較常用的船舶減搖裝置[1]有舭龍骨、減搖水艙、減搖陀螺、減搖鰭等。這些裝置各有特點(diǎn)，同時(shí)也存在各自的局限性。其中，減搖陀螺曾因性價(jià)比不高而被棄用，后隨著技術(shù)的改進(jìn)，其減搖性能大幅提升。與其他減搖裝置相比，減搖陀螺適用的限制因素較?。慌c普通減搖鰭相比，減搖陀螺可以實(shí)現(xiàn)任意航速下減搖；與減搖水艙相比，減搖陀螺的減搖效果更明顯。

減搖陀螺最早由德國設(shè)計(jì)師施力克發(fā)明，是一個(gè)兩自由度的減搖陀螺[2]。近年來，技術(shù)都在向著人機(jī)交互的方向發(fā)展，目前的減搖陀螺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“不下艙，全數(shù)字控制”，所有項(xiàng)目都在駕駛室的操控面板上完成[3]。尤方駿等[4]建立了船體和減搖陀螺的運(yùn)動(dòng)方程，研究其組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行了仿真分析，得到了一些有益的結(jié)論。朱航[5]等人對陀螺減搖器在漁業(yè)船舶上的應(yīng)用進(jìn)行了探討，分析了利弊和可行性。陸建輝等人提出一種基于控制力矩陀螺的橫搖抑制裝置，仿真結(jié)果表明其可以有效抑制船體的非線性橫搖。陳少楠[6]等人基于L2增益控制律，設(shè)計(jì)出抑制船舶橫搖的裝置，仿真結(jié)果表明抑制效果良好。吳振亞[7]等人研究旋轉(zhuǎn)葉片式液壓阻尼器為進(jìn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的陀螺，同樣得到了良好的抑制船舶橫搖效果。

鑒于以往對減搖陀螺的研究均采用仿真模擬的方法，本文針對加裝在某沿海小型科考船上的SSGS2000型減搖陀螺，使用差分GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集船舶的搖擺數(shù)據(jù)，對其性能進(jìn)行實(shí)海測試。

1 數(shù)學(xué)模型

減搖陀螺利用陀螺進(jìn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩來減搖，其減搖效果不受船只速度的影響。船只在搖擺時(shí)，根據(jù)船只的搖晃幅度及速度，減搖陀螺會(huì)繞進(jìn)動(dòng)軸做進(jìn)動(dòng)，在液壓阻尼系統(tǒng)的控制作用下，減搖陀螺內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生與船只搖晃方向相反的力矩作用在船體上來抵消或減少船只搖晃，進(jìn)動(dòng)速度越快，產(chǎn)生的抵消力矩越大。在每一進(jìn)動(dòng)循環(huán)中，陀螺減搖器進(jìn)動(dòng)由電子控制器和液壓制動(dòng)器主動(dòng)控制，以使陀螺減搖器能夠提供最大的減搖力矩，同時(shí)制動(dòng)器能將陀螺進(jìn)度角度限制在±60°的范圍內(nèi)，并起緩沖限位作用。

為對減搖陀螺進(jìn)行詳細(xì)表述，將陀螺減搖器簡化建立相應(yīng)坐標(biāo)系（圖1）：O為轉(zhuǎn)子軸的軸心與轉(zhuǎn)子軸心的交點(diǎn)，其中坐標(biāo)系O-xyz是隨船舶的橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)的相對坐標(biāo)系，而坐標(biāo)系Oξηζ是絕對坐標(biāo)系，不隨船體轉(zhuǎn)動(dòng)。假定船舶轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ω0，船舶傾斜角為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子相對于進(jìn)動(dòng)軸的進(jìn)動(dòng)角為β。根據(jù)歐拉方程可得出減搖陀螺的相對運(yùn)動(dòng)方程是：

圖1 系統(tǒng)坐標(biāo)系Fig.1 System coordinate system

式中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，h0為動(dòng)量矩常量省略二階小量后，式子可簡化為：

根據(jù)兩坐標(biāo)的關(guān)系，進(jìn)行力矩分量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到絕對坐標(biāo)系下的動(dòng)力學(xué)方程：

由公式（3）可見，在理論上，減搖陀螺在三個(gè)方向上都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩以減小搖晃，也就是說，船舶在只受到側(cè)向波浪力矩的時(shí)候，減搖陀螺在減小橫搖的同時(shí)會(huì)使船舶產(chǎn)生艏搖。實(shí)際的減搖要求中，一般布置兩個(gè)減搖陀螺（圖2），以抵消產(chǎn)生的艏搖力矩。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

本文以某沿海小型科考船為實(shí)測船舶，船長35.77 m，垂線間長33.10 m。對該船進(jìn)行搖擺數(shù)據(jù)采集所選的海域?yàn)闁|海烏沙水道。減搖陀螺的設(shè)計(jì)規(guī)格為40 kN·m·s，最大減搖力矩56 kN·m，進(jìn)動(dòng)最大角度60°。

對減搖陀螺進(jìn)行性能分析時(shí)，主要是通過安裝在船體中部的差分GPS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集船舶在當(dāng)時(shí)海況下的橫搖和縱搖數(shù)據(jù)。對振動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)的測量主要是通過傳感器將橫搖、縱搖轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，利用采用放大器和濾波器等對信號(hào)作適當(dāng)調(diào)節(jié)，并對測量結(jié)果進(jìn)行顯示和記錄。實(shí)際操作時(shí)，實(shí)船測量時(shí)根據(jù)科考船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和陀螺儀運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，選取了以下四種工況進(jìn)行測量：（1）零航速，減搖陀螺不運(yùn)行；（2）零航速，減搖陀螺以額定功率運(yùn)行（2 800 r/min）；（3）4 kn航速，減搖陀螺不運(yùn)行（2 800 r/min）；（4）4 kn航速，減搖陀螺以額定功率運(yùn)行；

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，分別擇取了1 min內(nèi)4種工況下的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，處理后得到如3～6圖的船舶縱搖、橫搖數(shù)據(jù)曲線圖：

圖2 減搖陀螺工作原理Fig.2 Working theory of gyrostabilizer

圖3 工況1下的搖擺曲線Fig.3 Rocking curve of case1

圖4 工況2下的搖擺曲線Fig.4 Rocking curve of case2

圖5 工況3下的搖擺曲線Fig.5 Rocking curve of case3

圖6 工況4下的搖擺曲線Fig.6 Rocking curve of case4

將上述曲線的特征值形象化，通過搖擺有義值確定船舶在啟用減搖陀螺前后的搖擺幅度差異，得到結(jié)果見表1。

表1 不同工況下的搖擺有義值Tab.1 The significant value of rock in different case

由表1統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（4）計(jì)算減搖陀螺的減搖效果。

式中，θs為船舶減搖陀螺未運(yùn)行時(shí)搖擺角有義值；θu為船舶減搖陀螺滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)搖擺角有義值。

通過計(jì)算，得到零航速時(shí)減搖陀螺的減搖率分別為縱搖26.24%、橫搖48.82%；4節(jié)航速時(shí)減搖陀螺的減搖效果分別為縱搖11.70%、橫搖69.27%。由此可得減搖陀螺對該小型科考船橫搖和縱搖的減搖效果顯著。

3 結(jié)論

本文針對加裝在某沿海小型科考船上的減搖陀螺，選取不同船速和減搖陀螺是否運(yùn)轉(zhuǎn)4種工況，對其減搖性能進(jìn)行實(shí)海測試，得到以下結(jié)論：

（1）該減搖陀螺在零航速時(shí)縱搖減搖率為26.24%，橫搖減搖率為48.82%，4 kn航速時(shí)縱搖減搖率為11.70%，橫搖減搖率為69.27%；

（2）該科考船零航速時(shí)搖擺幅度大于航行時(shí)的搖擺幅度，同時(shí)，減搖陀螺的減搖性能在零航速時(shí)優(yōu)于航行時(shí)減搖性能；

（3）該減搖陀螺的橫搖減搖性能優(yōu)于縱搖減搖性能。

[1]盛振邦,劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.

[2]陳少楠.船舶陀螺減搖裝置設(shè)計(jì)及控制研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2012.

[3]洪 超,陳瑩霞.船舶減搖技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].船舶工程,2012(增刊):236-244.

[4]尤方駿,馬維良,郭佳慧.船舶減搖陀螺裝置理論探討及仿真研究[J].船舶工程,2012(增刊):287-290.

[5]朱 航,陳少楠.陀螺減搖器在漁業(yè)船舶上的應(yīng)用探討[J].中國水運(yùn)月刊,2014,14(7):149-152.

[6]陳少楠,陸建輝.基于L2增益控制律的船舶橫搖抑制研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2012,24(12):2 567-2 571.

[7]吳振亞,楊麗紅,陳少楠,等.抑制船舶非線性橫搖的液壓阻尼陀螺減搖裝置[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2016(2):65-68.

Sea-keeping Analysis of Gyrostabilizer on Ship

GUO Yuan-zhi1,2,LUO Dian-jun1,HAN Jian3,et al
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022;3.Shanghai Zhenhua Heavy Industries,Shanghai 200125,China)

In order to solve the over-rocking problem of a small coastal research vessel,it is installed a gyrostabilizer.Using the differential GPS data acquisition instrument to test the stabilization of the gyroscope in the sea.During the testing,there are four conditions based on different speeds of ship and whether turning on the gyrostabilizer.And the results indicate that at zero speed,the gyrostabilizer can reduce 25.51 percent of pitching and 44.63 percent of rolling,and at 4 knots speed,it can reduce 19.29 percent of pitching and 34.12 percent of rolling,which prove the good stabilization performance of the gyrostabilizer.

gyrostabilizer;ship stabilization;real sea test

U664.7

A

1008－830X(2017)03－0274－04

2017-03-01

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51379189）

郭遠(yuǎn)志（1991-），男，河南項(xiàng)城人，碩士研究生，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力分析.E-mail:1391538708@qq.com