減搖鰭裝置節(jié)能控制技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 健，白旭東，鄧啟亮

（1. 上海衡拓船舶設(shè)備有限公司，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

減搖鰭裝置是一種減小船舶在風(fēng)浪中橫搖的自動控制裝置，分為收放式減搖鰭和非收放式減搖鰭，收放式減搖裝置見圖1。目前國內(nèi)已成功攻克國外壟斷的大型減搖鰭裝置技術(shù)，自主研發(fā)設(shè)計(jì)的大型減搖鰭裝置性能已達(dá)到國際先進(jìn)技術(shù)水平并且已成功進(jìn)入國際高端船舶市場，逐漸在國外船東和總體設(shè)計(jì)單位中產(chǎn)生積極的影響。目前國際高端船舶市場的船東不僅關(guān)注設(shè)備的性能，還關(guān)注設(shè)備的節(jié)能參數(shù)，節(jié)能控制技術(shù)優(yōu)化研究可以使減搖鰭裝置更好地適應(yīng)國際市場，滿足國際市場提出的新要求。

圖1 收放式減搖裝置

通過了解國外減搖鰭裝置資料，深入學(xué)習(xí)國外減搖鰭裝置技術(shù)并與之對比，目前國外含有節(jié)能模式的減搖鰭裝置多采用定量泵，但國內(nèi)的減搖鰭裝置采用的是變量泵，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)已考慮到節(jié)能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制技術(shù)優(yōu)化，提高減搖鰭裝置節(jié)能性能。著重研究海況自動識別，以海況為輸入核心，減搖鰭裝置在自動模式下自動進(jìn)行邏輯判斷并切換為常規(guī)模式減搖（雙鰭工作）或節(jié)能模式減搖（單鰭工作）。該設(shè)計(jì)方案為減搖鰭裝置在節(jié)能環(huán)保方向邁出重要的一步。

1 節(jié)能模式下減搖效果

常規(guī)模式下雙鰭工作，在海況良好時(shí)進(jìn)入節(jié)能模式即單鰭工作。若不更改控制策略，減搖鰭裝置的減搖能力將減半，這勢必會影響減搖效果。根據(jù)減搖力學(xué)原理研究發(fā)現(xiàn)：

1.1 當(dāng)實(shí)際航速V≤設(shè)計(jì)航速V0

1）α1為設(shè)計(jì)航速下的最大工作鰭角，當(dāng)轉(zhuǎn)鰭角度α≤α1/2，進(jìn)入單鰭工作時(shí)，通過對陀螺儀信號處理，使陀螺儀信號增大至原來的2倍，轉(zhuǎn)鰭角度可以放大2倍，減搖效果能達(dá)到雙鰭工作的效果。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)鰭角度α在α1/2＜α≤α1范圍內(nèi)，進(jìn)入單鰭工作時(shí)，通過對陀螺儀信號處理，使陀螺儀信號增大至原來的2倍，但因電氣限幅作用，轉(zhuǎn)鰭角度最大只能達(dá)到α1。雖然可以提高減搖能力，但是隨著轉(zhuǎn)鰭角度增大提高減搖能力的幅度將越小，當(dāng)轉(zhuǎn)鰭角度達(dá)到α1時(shí)便沒有提升減搖能力的效果。所以此時(shí)不能達(dá)到雙鰭工作時(shí)的減搖能力，但可以提升減搖能力。

1.2 當(dāng)實(shí)際航速V＞設(shè)計(jì)航速V0 時(shí)

所以當(dāng)海況良好，雙鰭工作下轉(zhuǎn)鰭角度α普遍小于最大工作鰭角α1，進(jìn)入節(jié)能模式，通過對陀螺儀信號處理，使陀螺儀信號增大至原來的兩倍可以有效提高減搖能力，確保在節(jié)能的狀態(tài)下，保證減搖效果。

2 節(jié)能控制技術(shù)設(shè)計(jì)

以收放式減搖鰭裝置為目標(biāo)設(shè)備，以控制器為邏輯控制核心、在HMI進(jìn)行人機(jī)交互[2]，提出一套減搖鰭裝置節(jié)能控制技術(shù)設(shè)計(jì)方案，節(jié)能控制系統(tǒng)流程圖見圖2。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加手動模式和自動模式?？刂葡到y(tǒng)默認(rèn)在手動模式，手動模式下只可根據(jù)人工判斷手動控制進(jìn)入單鰭模式或者雙鰭常規(guī)模式；自動模式下控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際海況，自動判斷進(jìn)入何種工作模式。

圖2 減搖鰭節(jié)能控制系統(tǒng)流程圖

2.1 手動節(jié)能模式設(shè)計(jì)

在駕駛室操作面板上的觸摸屏（HMI）增加手動/自動節(jié)能模式彈出界面，增加手動操作軟按鈕功能以及切換手/自動節(jié)能模式等功能軟按鈕，增加自動節(jié)能模式和手動節(jié)能模式狀態(tài)顯示，系統(tǒng)默認(rèn)在手動節(jié)能模式，當(dāng)控制權(quán)限在駕駛室操作面板時(shí)，用戶可根據(jù)實(shí)際節(jié)能需求點(diǎn)擊對應(yīng)軟按鈕啟停對應(yīng)的減搖鰭。

2.2 自動節(jié)能模式設(shè)計(jì)

2.2.1 自動節(jié)能模式鰭角參考值選擇1）當(dāng)實(shí)際航速V≤設(shè)計(jì)航速V0

設(shè)置α2為鰭角參考值，當(dāng)實(shí)際航速V≤設(shè)計(jì)航速V0時(shí)，轉(zhuǎn)鰭角度不經(jīng)航速調(diào)節(jié)，故鰭角參考值α2也不需要進(jìn)行航速調(diào)節(jié)。

2）當(dāng)實(shí)際航速V＞設(shè)計(jì)航速V0

2.2.2 轉(zhuǎn)鰭角度幅值計(jì)算

在自動節(jié)能模式下選擇單鰭工作或雙鰭工作時(shí)，需要根據(jù)轉(zhuǎn)鰭角度的大小來判斷海況。以收放式減搖鰭為例，假設(shè)設(shè)計(jì)航速下最大工作轉(zhuǎn)鰭角度幅值為20°，若船自搖周期為14 s，當(dāng)船以幅值3°的正弦信號橫搖運(yùn)動時(shí)，陀螺儀輸出船舶橫搖信號給控制系統(tǒng)，使減搖鰭減搖轉(zhuǎn)鰭角度達(dá)到最大工作角度20°，見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)鰭角度波形圖

在自動選擇常規(guī)模式和節(jié)能模式時(shí)，實(shí)施解算鰭角平均幅值，并與鰭角參考值進(jìn)行比較，求出大于鰭角參考值的百分比。

2.2.3 海況自動識別和自動模式節(jié)能控制

啟動機(jī)組，當(dāng)需要進(jìn)入自動節(jié)能模式，切換控制權(quán)限至駕駛室操作面板，點(diǎn)擊HMI上啟動節(jié)能模式軟按鈕切換到自動節(jié)能模式，同時(shí)系統(tǒng)判斷當(dāng)前是否是單鰭工作，當(dāng)是單鰭工作時(shí)，系統(tǒng)自動放出鰭箱里的另一只減搖鰭，雙鰭同時(shí)工作。

自動節(jié)能模式下，系統(tǒng)自動記錄左右鰭工作時(shí)間，同時(shí)自動判斷進(jìn)入單鰭或雙鰭工作模式，當(dāng)鰭角平均幅值X80%＜參考值，系統(tǒng)判斷當(dāng)前海況較好，進(jìn)入單鰭工作模式；當(dāng)鰭角平均幅值X60%＞參考值，系統(tǒng)判斷當(dāng)前海況較為惡劣，進(jìn)入雙鰭工作模式。當(dāng)進(jìn)入單鰭工作時(shí)，自動收回工作時(shí)間較長的一只減搖鰭。當(dāng)左右鰭工作時(shí)間相同時(shí)，收回左鰭。當(dāng)進(jìn)入雙鰭工作模式，放出鰭箱里的一對減搖鰭。

2.3 安全控制

1）收放式減搖鰭裝置鰭放出時(shí)，鰭葉會超出船身范圍，具有一定的危險(xiǎn)性，特別是?？看a頭的過程中和停靠在碼頭時(shí)，若自動放出，將產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。針對安全問題提出解決方案：

（1）減搖鰭裝置必須啟動機(jī)組后，才能在操作面板點(diǎn)擊“啟動節(jié)能模式”軟按鈕，進(jìn)入自動節(jié)能模式。

（2）在航速4 kn～6 kn時(shí)，減搖鰭裝置自動收鰭停機(jī)，確保在?？看a頭的過程中和?？吭诖a頭時(shí)的安全。

（3）當(dāng)接收到側(cè)推信號時(shí)，減搖鰭裝置自動收鰭停機(jī)，確保在停靠碼頭的過程中的安全。

2）使用頻率

在單鰭使用過程中，有可能會使減搖裝置兩只鰭使用頻率偏差較大。根據(jù)減搖鰭裝置的可靠性要求，各部件都有固定的更換和使用周期，長期單鰭使用不利于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，更不利于裝置的可靠性，需保持左右鰭技術(shù)狀態(tài)、使用頻率基本一致。

（1）在系統(tǒng)中，增加左右機(jī)組各自工作時(shí)間，在進(jìn)入單鰭模式下，系統(tǒng)對左右鰭運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較，收回工作時(shí)間較長的一只減搖鰭。若左右機(jī)組運(yùn)行時(shí)間一致，則收回左側(cè)減搖鰭。

（2）加強(qiáng)船東培訓(xùn)，指導(dǎo)船東正確操作，幫助船東樹立安全使用觀念，保持左右機(jī)組使用技術(shù)狀態(tài)一致。

3 優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)價(jià)值及意義

液壓機(jī)組采用變量泵，在海況良好時(shí)，機(jī)組啟動未轉(zhuǎn)鰭時(shí)，以75 kW的電機(jī)為例，電源電壓為400 V，未減搖時(shí)的電流表顯示為50 A～60 A，此部分為機(jī)組運(yùn)行但未減搖消耗的能量，關(guān)停機(jī)組此部分的消耗的能量可以節(jié)約，達(dá)到節(jié)能的效果。

從船舶整體分析，收放式減搖鰭裝置在使用過程中，鰭從鰭箱內(nèi)放出之后，船舶行駛過程中會產(chǎn)生阻力，不僅影響船舶行駛速度而且船舶克服該阻力會消耗能量，特別是高航速工況下。若是在海況良好的情況下收回一只減搖鰭到鰭箱內(nèi)可節(jié)約該部分的能量，有助于減小船舶阻尼。

4 結(jié)論

該節(jié)能技術(shù)在減搖效果有保障的前提下進(jìn)行節(jié)能環(huán)保，經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，減搖效果和節(jié)能效果均達(dá)到預(yù)期的效果，得到船東以及設(shè)計(jì)院的認(rèn)可。目前在全球都提倡節(jié)能減排的情況下，在設(shè)計(jì)減搖鰭裝置時(shí)也需要考慮到節(jié)能環(huán)保。隨著減搖裝置進(jìn)入國際高端船舶市場，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。在交流碰撞中應(yīng)吸納國外先進(jìn)理念為已所用，豐富減搖裝置的功能，跟上時(shí)代發(fā)展的步伐成為減搖領(lǐng)域的引領(lǐng)者。