無擺式船用機械傾斜儀設(shè)計

江儒敏，蔣祖星

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海事學(xué)院，廣州 510800)

艦船傾斜數(shù)值作為航行和停泊時船體態(tài)勢的重要度量指標(biāo)，其精度關(guān)系著船舶航行安全和貨運質(zhì)量。目前，船舶傾斜數(shù)值主要依靠對吃水的實地勘察獲取，作業(yè)風(fēng)險和成本較高，勞動強度大；利用船用傾斜儀指示實現(xiàn)傾斜狀態(tài)的數(shù)值讀取成為重點研究方向。傳統(tǒng)船用機械式傾斜儀的指示精度一般為1°，船用鐘式傾斜儀的分度值達(dá)到5°，精度低、誤差大；陸用高精度傾斜儀由于船舶在不均布載荷和海浪的隨機作用下發(fā)生不規(guī)則橫傾運動，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，無法使用于船舶?，F(xiàn)有研究中，為提高測量精度，對機械式傾斜儀主要通過加長擺臂、管/艙式連通等方法，存在構(gòu)造復(fù)雜、使用和維護(hù)成本高等問題；船用電子橫傾儀主要通過高精度液位測量儀比對液艙液面以提高精度，高壓電源的應(yīng)用難以滿足船舶應(yīng)急條件下使用和便攜性的需要；部分電子傾斜儀通過電容敏感器件和光電檢測雙色扇擺技術(shù)監(jiān)測船舶的橫搖頻率，對傾角的精度更是沒有考究。為克服已有的研究難以兼顧精確性、可靠性和便捷性的不足，基于機械傾斜儀原理提出無擺船用機械傾斜儀的設(shè)計方案，利用重球或浮球與弧線軌道的結(jié)合實現(xiàn)無擺設(shè)計，通過擺臂半徑的放大提高精度，利用浮力形成懸浮效果以減小系統(tǒng)誤差，以滿足船舶實際需求。

1 設(shè)計思路

1.1 無擺式設(shè)計

無擺傾斜儀系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 無擺式機械傾斜儀系統(tǒng)組成

該設(shè)備由一段半徑與船寬成一定比例的圓弧形剛性石英玻璃管，管上帶有以mm為單位的刻度線，并在刻度線上端和下端分別標(biāo)示船舶發(fā)生傾斜的橫傾角度和兩舷吃水的差值；管內(nèi)裝有液體，以提供浮力和阻尼；一顆黑色玻璃珠放置于玻璃管內(nèi)，黑色玻璃珠半徑小于玻璃管內(nèi)徑，且內(nèi)部按需設(shè)置中空，使其相對密度稍大于管內(nèi)液體的密度。管路的上部連通具有固定弧形、儲備液體和大傾角橫搖時調(diào)整管內(nèi)液體阻尼的作用。按需配置設(shè)備底板以提高設(shè)備總體強度以適于運輸和安裝，水平管一端開口并帶有保持水密的封閉蓋，以便于初始安裝和后期的維護(hù)保養(yǎng)。

該設(shè)備在船上安裝時需嚴(yán)格對準(zhǔn)設(shè)備鉛垂線與船舶平正時的水線面垂線，并安裝在船舶的某一橫截面的墻壁上。當(dāng)船舶發(fā)生靜態(tài)橫傾時，黑色玻璃珠受到重力矩作用在管內(nèi)移動，液體的阻尼將抵消船舶的不規(guī)則擾動和搖晃，黑色玻璃珠重心所指示的刻度即是船舶橫傾的角度和兩舷吃水的差值。

1.2 無擺設(shè)計原理

無擺傾斜儀沿用擺錘式傾斜儀原理，擺錘式傾斜儀實物圖和原理分析見圖2。

圖2 擺錘式傾斜儀實物及原理示意

圖2中，對比左右圖，為傾斜儀的擺心，為擺臂，其長度為擺長，點為傾斜儀的0位，為船舶平正時水線面，其長度等于船寬，為船舶平正時的鉛垂線；當(dāng)船舶向右橫傾角后，擺錘受重力矩作用，移動到位置，并與新的水線面垂直，并與形成夾角。在船舶傾斜過程中，實際水面并沒有改變，點為與原水線面的交點，點為船舶傾斜后擺錘的頂點位置(即橫傾后傾斜儀擺錘所指的數(shù)值刻度)，點為與傾斜后水線面的交點。

參見文獻(xiàn)[3]的論證和結(jié)論，根據(jù)直角三角形相似定理推斷出：∠=∠，并且線段長度比例∶=∶，即傾斜儀的擺角等于船舶的橫傾角，擺錘在劃過的切線段與船舶傾斜后兩舷吃水差值的比等于擺臂長度與船寬之比。

綜合考慮所用材料、設(shè)備原理和船舶生活甲板層高，設(shè)置設(shè)備的弧形半徑為2.50 m左右，根據(jù)現(xiàn)有海船的船寬范圍為9.00～56.40 m，測算設(shè)備的放大比在1∶(3.60～22.56)區(qū)間，由于設(shè)備弧度最小刻度為1.00 mm，可確定設(shè)備數(shù)值精度范圍為0.11～14.10 mm(6.8′～8.5′)，完全滿足船用傾斜儀設(shè)計規(guī)范±1°誤差的標(biāo)準(zhǔn)要求，符合海船實際應(yīng)用的精度需求。

1.3 系統(tǒng)誤差的核定與修正

1)設(shè)計原理誤差。無擺傾斜儀以弧的長度代替了線段長度作為傾斜數(shù)據(jù)，存在設(shè)計原理上的系統(tǒng)誤差。船舶靜態(tài)作業(yè)時橫傾值一般控制在±3°，以目前最大海船的寬度56.40 m為例，船舶室內(nèi)層高2.50 m，設(shè)備比例1∶20，擺長設(shè)計為2 820 mm，系統(tǒng)誤差計算如下。

由計算結(jié)果判定，在船舶常態(tài)靜傾角計算中利用擺弧替代橫傾差值參數(shù)原理誤差甚小，滿足艦船的使用要求。

2)靜摩擦力誤差。無擺傾斜儀利用黑色玻璃珠代替擺錘，在船舶微傾時其與玻璃管內(nèi)壁摩擦力的存在，會影響船舶微傾感應(yīng)的靈敏度。解決方案如下：①通過加注液體增加浮力以減小重力和摩擦系數(shù)的影響。不透明石英玻璃密度范圍為2.02～2.18 g/cm，水密度為1.00 g/cm。②通過使用空心玻璃珠，空心部分約占50%，以形成近似懸浮條件，消除摩擦力引起的系統(tǒng)誤差。石英玻璃珠的摩擦系數(shù)為0.10，設(shè)定黑色玻璃珠半徑為3.00 mm，擺長為2.50 m。計算得到抵消靜摩擦力所需的橫傾角為=4′，由此所形成的船舶傾斜數(shù)值誤差11.60 mm

據(jù)此，該誤差滿足船舶傾斜儀的規(guī)范±1°的要求，完全達(dá)到適合艦船使用的±2.00 cm的需要。加之，船舶漂浮狀態(tài)下的橫傾擾動更有利于消除船舶靜摩擦力的影響，實際精度優(yōu)于精度計算結(jié)果。

2 測試與驗證

2.1 靈敏度和精度測試

經(jīng)過營運船舶修船和靠泊期間的多次測試，實驗狀態(tài)及次數(shù)見表1。

術(shù)后處理：兩組術(shù)后切口常規(guī)換藥，術(shù)后第2 d開始在不負(fù)重狀態(tài)下進(jìn)行患肢肌肉等長收縮訓(xùn)練和關(guān)節(jié)活動；待X線片檢查提示有骨痂跨越骨折斷端后開始部分負(fù)重（體重的10%～15%）訓(xùn)練，根據(jù)骨折類型和骨痂生長情況逐漸過渡至完全負(fù)重。

表1 實驗狀態(tài)及次數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)與材質(zhì)參數(shù)比對

參照CB-T 3376—2005《船用傾斜儀》的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，統(tǒng)計現(xiàn)有5種不同類型船用機械式傾斜儀的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 5種傾斜儀結(jié)構(gòu)與材質(zhì)

實驗以實際勘測水尺的橫傾數(shù)值參數(shù)為基準(zhǔn)，通過與現(xiàn)有各型號傾斜儀的橫傾數(shù)值參數(shù)進(jìn)行比對，核算船舶的綜合性誤差，以獲得靈敏性、精確性和穩(wěn)定性等參數(shù)。以巴拿馬型船舶為主，船寬3 226 mm，設(shè)計擺長2 151 mm(比例1∶15)，擺錘式傾斜儀表盤半徑200 mm，鐘式傾斜儀表盤半徑100 mm。為便于性能比對，將角度參數(shù)統(tǒng)一換算成等效弧長數(shù)值參數(shù)。對比見表3。

表3 靜止傾斜誤差對照

2.3 綜合性能分析

5種不同類型船用機械傾斜儀綜合性能分析見表4。

表4 綜合的性能分析

針對7項關(guān)鍵參數(shù)，依照性能優(yōu)劣進(jìn)行5分制評分。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)核定該設(shè)計的便捷性，可靠性；實船實驗的靈敏度和精度等參數(shù)核定該設(shè)計的精確性；最終通過便捷性，可靠性和精確性等綜合得分作為設(shè)計合理性的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3 功能改進(jìn)與拓展方案

3.1 浮力式改進(jìn)

利用浮球代替設(shè)計方案中的玻璃珠，將設(shè)備倒置，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可改進(jìn)為浮力式無擺傾斜儀，見圖3。

圖3 浮力式無擺傾斜儀

圖3中的浮球由于受到浮力作用球心與設(shè)備圓心連線的反向延長線將垂直于水面，適用于設(shè)備原理。浮球與管內(nèi)壁的壓力較重力小可有效減小摩擦力，有利于提高設(shè)備精度?？紤]到設(shè)備中液體的熱脹冷縮，設(shè)備開口應(yīng)調(diào)整到頂端0刻度位置，并設(shè)置玻璃密閉蓋，通過設(shè)置水密蓋的角度保證管內(nèi)的光滑程度，降低對設(shè)備精度的影響。

3.2 傾角信號輸出

通過在弧形管內(nèi)側(cè)鑲?cè)?段電阻絲，分別為左舷段(P)、右舷段(S)和回路段(M)，并引出測量端口。以擺球鋼珠作為導(dǎo)體，鋼珠所在位置不同則回路的電阻值不同，以電阻值的數(shù)值表達(dá)傾角的數(shù)值，從而實現(xiàn)傾角信號的轉(zhuǎn)換與輸出?？紤]到設(shè)備中的電路安全問題，要求內(nèi)部阻尼液體具有絕緣特性(油類)，或者犧牲設(shè)備的精度不使用液體。原理見圖4。

圖4 傾斜角信號輸出系統(tǒng)設(shè)計

3.3 構(gòu)造與功能拓展

1)從構(gòu)造拓展上看。本設(shè)計可以用水銀滴替代設(shè)備中的黑色玻璃珠或鋼球，或用氣泡代替浮力式傾斜儀的浮球以實現(xiàn)同樣的功能和效果。

2)從功能拓展上看。①本設(shè)計在艦船航行過程中可提供實時橫搖角度和初步周期參數(shù)；②本設(shè)計若被安裝在平行于船舶中縱剖面的立面上，則可提供船舶實時的縱傾角和數(shù)值，即為縱傾儀；③本設(shè)計可以廣泛應(yīng)用于吊桿、平臺等易傾斜和擺動的設(shè)備；④本設(shè)計輸出的傾角信號經(jīng)過單片機進(jìn)行處理后，可求算出船舶的橫搖頻率，從而實現(xiàn)對艦船橫搖頻率和穩(wěn)性的監(jiān)控。

4 結(jié)論

1)無擺式設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，機械結(jié)構(gòu)不依賴電源，石英玻璃材料環(huán)保、成本低廉，液體阻尼設(shè)計慣性擺幅小，擺的半徑放大讀取誤差??；本設(shè)計滿足船舶對傾斜儀便捷性、可靠性和精確性的綜合要求。

2)船舶傾斜數(shù)值作為無因次搖蕩狀態(tài)下的平均值，為降低所用液體溫度及黏性對傾斜數(shù)值時效性和橫搖周期準(zhǔn)確性的影響，應(yīng)使用黏度較小的煤油或水和酒精的混合液體，并按需設(shè)定適用溫度范圍。

3)基于機械系統(tǒng)摩擦的影響，設(shè)計精準(zhǔn)有待結(jié)合浮力式設(shè)計進(jìn)行提高。各型號無擺式船用機械傾斜儀均需要進(jìn)一步完成形式論證與檢測。

4)該設(shè)計傾角信號輸出與橫搖周期測量功能有待進(jìn)一步研究、實驗、完善與論證，結(jié)合現(xiàn)有電子設(shè)備與器件實現(xiàn)對船舶穩(wěn)性的監(jiān)控。

5)無擺式設(shè)計打破了傳統(tǒng)傾斜儀的結(jié)構(gòu)定式，為進(jìn)一步探明應(yīng)用機械原理克服艦船6個自由度無因次搖蕩等復(fù)雜影響，實現(xiàn)船舶傾斜數(shù)據(jù)由測量改為讀取的可行性。