基于可控矢量噴水裝置的船舶快速轉(zhuǎn)向和自主精準(zhǔn)靠岸系統(tǒng)

胡雪梅 萬(wàn)玉春 黎武鑫 蔣偉 鄧立斌 彭月琳

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)展和一帶一路海上絲綢之路的倡議，海上運(yùn)輸貨物量不斷增加，船舶日趨向大型化方向發(fā)展，近年來(lái)船舶轉(zhuǎn)向和靠岸過(guò)程中發(fā)生的一些安全事故，使船舶轉(zhuǎn)向和靠岸的快速性、安全性面臨著新的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向;靠岸;快速性;安全性

1 項(xiàng)目背景

隨著航運(yùn)的不斷發(fā)展，船舶進(jìn)出港口越來(lái)越頻繁，船舶的保養(yǎng)和維護(hù)頻率也越來(lái)越密集。船舶靠岸是船舶進(jìn)港裝卸貨和修船停泊的主要步驟之一，船舶能否快速、安全地靠岸直接影響修造船的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。大型船舶在靠岸時(shí)受到各種環(huán)境條件的限制，如拖輪大小、拖輪數(shù)量、碼頭附近水流、波浪以及風(fēng)等，這些環(huán)境條件在船舶靠岸時(shí)會(huì)產(chǎn)生安全影響。為了解決這一問題我們提出了基于可控矢量噴水裝置的船舶快速轉(zhuǎn)向和自主精準(zhǔn)靠岸這一系統(tǒng)。

2 項(xiàng)目介紹及其工作原理

2.1 項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目針對(duì)船舶靠岸和轉(zhuǎn)向目前存在的問題，而設(shè)計(jì)出了一套基于矢量噴水裝置的船舶快速轉(zhuǎn)向和自主精準(zhǔn)靠岸系統(tǒng)，主要由以下三個(gè)子系統(tǒng)組成：1）船舶儲(chǔ)水系統(tǒng);2）船舶水動(dòng)力系統(tǒng);3）船舶動(dòng)力中央統(tǒng)一調(diào)配系統(tǒng)。當(dāng)中央控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)向式自主靠岸系統(tǒng)指令時(shí)，儲(chǔ)水系統(tǒng)和水動(dòng)力系統(tǒng)相互配合，使位于水線以下的旋轉(zhuǎn)矢量噴水裝置開始運(yùn)作;同時(shí)，由傳感器構(gòu)成的側(cè)傾探測(cè)系統(tǒng)可感知重心變化，輸送信號(hào)到PLC控制系統(tǒng)。如果出現(xiàn)了側(cè)傾危險(xiǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)至儲(chǔ)水系統(tǒng)及水動(dòng)力系統(tǒng)。自動(dòng)控制電機(jī)可帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行微調(diào)節(jié)，從而防止船舶側(cè)傾，并順利達(dá)到快速轉(zhuǎn)向和自主靠岸功能。

其中，船舶儲(chǔ)水系統(tǒng)可有由船舶自帶壓載水系統(tǒng)改進(jìn)而來(lái)，也可以額外加裝。本套系統(tǒng)采用船尖艙加船尾艙的方式，配套船舶水動(dòng)力系統(tǒng)使用。船舶儲(chǔ)水系統(tǒng)在船舶不依靠船舶水動(dòng)力的情況下可作為壓載水水艙使用，一旦船舶需要依靠水動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向或停靠碼頭或船體平衡微控時(shí)可作為水動(dòng)力系統(tǒng)的水源來(lái)源。

船舶水動(dòng)力系統(tǒng)是船舶除去螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)以外的，輔助船舶航向的另外一套動(dòng)力系統(tǒng)。本套系統(tǒng)由四個(gè)超大水泵組成。每個(gè)水泵組由多個(gè)可調(diào)控的水泵組成，我們稱之為有源可控水泵組，每個(gè)組的水泵都可單獨(dú)工作也可一同工作，即可產(chǎn)生可調(diào)控大小的動(dòng)力源。

2.2 工作原理

1）關(guān)于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)信息。為方便描述，將四個(gè)有源可控水泵組編號(hào)分別編上1.2.3.4。船舶動(dòng)力系統(tǒng)位于船舶水線以下，以保證為船舶提供可靠的動(dòng)力。

2）關(guān)于船舶依靠該系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的基本原理。當(dāng)船體要實(shí)現(xiàn)快速逆時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，位于船體的4號(hào)有源可控水泵組為噴水狀態(tài)，位于船體的2號(hào)有源可控水泵組也為噴水狀態(tài)。1號(hào)有源可控水泵組和3號(hào)有源可控水泵組為待機(jī)狀態(tài)，以隨時(shí)為船體保持平衡提供動(dòng)力。當(dāng)船體要實(shí)現(xiàn)快速順時(shí)針轉(zhuǎn)向時(shí)，位于船體的3號(hào)有源可控水泵組為噴水狀態(tài)，位于船體的1號(hào)有源可控水泵組也為噴水狀態(tài)。其余兩組有源可控水泵組微控使船體平衡

3）關(guān)于船舶依靠該系統(tǒng)停靠碼頭的基本原理。船舶于距碼頭兩百米處停止工作，船身依靠改系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向功能實(shí)現(xiàn)船體與碼頭平行。依靠該系統(tǒng)的微調(diào)平衡工作使船體保持靜止。然后開啟靠向有源可控水泵組為抽水工作狀態(tài)，遠(yuǎn)離碼頭一側(cè)的有源可控水泵組為噴水工作狀態(tài)，依靠中央船舶動(dòng)力中央統(tǒng)一調(diào)配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船體平穩(wěn)靠岸。當(dāng)船體距碼頭百米處，兩側(cè)有源可控水泵組工作狀態(tài)相反，即使船體減速靠岸。

4）關(guān)于船舶依靠該系統(tǒng)保持平穩(wěn)的工作原理。該系統(tǒng)在海況惡劣情況下，可以四套有源可控水泵組為抽水工作狀態(tài)，此時(shí)船體會(huì)降低重心，可調(diào)控有源可控水泵組的流速，可使得不同有源可控水泵組產(chǎn)生不同大小的力，即可使得船體產(chǎn)生一個(gè)可連續(xù)性的穩(wěn)定性。

3 項(xiàng)目特色與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 項(xiàng)目特色

本項(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)船舶轉(zhuǎn)向和靠岸現(xiàn)狀存在的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及模塊化集成控制原理解決目前存在的問題。

目前船舶靠岸現(xiàn)狀：

1）主要通過(guò)自身確定好泊位，通過(guò)調(diào)節(jié)船舶的速度慢慢靠向泊位，根據(jù)具體情況分別用靜水靠泊、逆水靠泊、順?biāo)坎?。這些靠岸方式都是依靠螺旋槳和舵來(lái)完成的。傳統(tǒng)船舶靠岸中，螺旋槳受風(fēng)向和水流速度的影響較大，舵在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中其作用效果關(guān)鍵在于舵效，所以都存在一定的局限性;速度過(guò)快會(huì)對(duì)碼頭和港口產(chǎn)生碰撞，會(huì)損壞港口措施。

2）采用拖輪協(xié)助的靠岸方式，但是目前進(jìn)出國(guó)內(nèi)外的港口的船舶越來(lái)越多，進(jìn)出的船舶噸位也越來(lái)越大。雖然拖輪的功能越來(lái)越先進(jìn)，馬力也越來(lái)越大，但還是跟不上進(jìn)出港船舶的發(fā)展?，F(xiàn)今進(jìn)出大型港口船舶的密度越來(lái)越大，進(jìn)出的船舶大型化。目前拖船很難滿足所有船舶安全快捷的進(jìn)出港，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。此外靠拖輪進(jìn)出港口的影響條件很多，安全靠岸系數(shù)不高。

目前船舶轉(zhuǎn)向現(xiàn)狀：

依靠側(cè)推器產(chǎn)生的推力進(jìn)行轉(zhuǎn)向，但存在一定的局限性;側(cè)推力的大小船速和船舶載況有關(guān)，其中船速是最主要的因素。船舶靜止（無(wú)縱向運(yùn)動(dòng)速度）時(shí)，流的方向基本垂直于船舶首尾線，發(fā)出的側(cè)推力也垂直于船舶首尾線。但有船速時(shí)，槽道出口的流體不是垂直于船舶的縱中拋面，而是彎向船體的后方，則發(fā)出的側(cè)推力也不是垂直于船舶首尾線，則有效側(cè)推力有所降低。隨著船速的增加，這種流體的彎曲程度越加嚴(yán)重，它所產(chǎn)生的有效側(cè)推力將顯著下降。在高速航行時(shí)，基本不產(chǎn)生側(cè)推力。同樣，尾側(cè)推器的側(cè)推力也受船速的影響，但由于所處的位置不同，其影響程度要小一些。因此，槽式側(cè)推器在船速為零時(shí)能產(chǎn)生最大的側(cè)推力，有航速時(shí)有效推力下降。這是它的主要缺點(diǎn)。此外，側(cè)推器的側(cè)推力大小還與船舶載重狀態(tài)有關(guān)，同一船速下，壓載時(shí)側(cè)推器的效率比滿載時(shí)的效率低，這是由于兩種狀態(tài)下側(cè)推器的不同沉深造成的。

3.2 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)以上情況我們作出更好地改進(jìn)，我們研究的基于矢量噴水裝置的船舶快速轉(zhuǎn)向和自主精準(zhǔn)靠岸系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）矢量噴頭。是指噴口可以向不同方向偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生不同方向的推力的一種噴水噴頭。

2）智能性。船舶動(dòng)力中央統(tǒng)一調(diào)配系統(tǒng)為基于矢量噴水裝置的船舶快速轉(zhuǎn)向和自主精準(zhǔn)靠岸系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，由分布在船舶各處的數(shù)據(jù)采集器和中央電腦處理器組成。通過(guò)分析船舶儲(chǔ)水系統(tǒng)和船舶水動(dòng)力系統(tǒng)和船舶螺旋槳系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)采集器得知船體動(dòng)力狀況，通過(guò)中央控制系統(tǒng)可自動(dòng)化控制船舶水動(dòng)力和船舶儲(chǔ)水系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3）惡劣海況下抗風(fēng)浪性。該系統(tǒng)在海況惡劣情況下，可以四套有源可控水泵組為抽水工作狀態(tài)，此時(shí)船體會(huì)降低重心，可調(diào)控有源可控水泵組的流速，可使得不同有源可控水泵組產(chǎn)生不同大小的力，即可使得船體產(chǎn)生一個(gè)可連續(xù)性的穩(wěn)定性，防止船舶因風(fēng)浪大而發(fā)生傾斜。

參考文獻(xiàn)

[1]劉恩旭.現(xiàn)代造船模式下大型船舶建造工法研究[D].船舶與海洋工程哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[2]羅忠卿.大型甲板貨船參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)屈服屈曲強(qiáng)度直接計(jì)算研究[D].船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造武漢理工大學(xué)，2009.

[3]王剛，王彥全.基于紅外線目標(biāo)跟蹤與無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的研究[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（01）：52-55.

[4]吳斌.船舶電氣火災(zāi)的發(fā)生及預(yù)防[J].中國(guó)水運(yùn)，2016（06）：27.