一種新型船舶液壓減搖裝置研究

摘 要：設計一種新型船舶液壓減搖裝置，應用于船上的生活區和工作區，起到局部減搖作用，能為海員提供平穩安全的工作、生活環境，同時保障旅客的航行舒適性。著重敘述該裝置的特點、結構、工作原理和減搖效果。

關鍵詞：液壓；局部減搖；強度分析；減搖效率

中圖分類號：TH文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）10-0396-01

船舶在海上航行時，經常會遇到惡劣的氣候條件，引起劇烈的搖擺，使船員大量消耗體能、極度疲勞，這樣持續的工作，安全隱患極大。如果船員體質差或適應能力弱，容易引起嚴重的暈浪現象，威脅海員的身心健康。特別在客輪上，船舶劇烈的搖蕩對旅客航行的舒適性產生很不利的影響。

減搖鰭、減搖水艙、舵減搖、舭龍骨等現有船舶減搖技術多采用全船減搖，但并不能完全消除搖擺。本裝置則是從船舶舾裝設備對船員工作條件、身體健康和旅客航行舒適性的影響來考慮，運用液力平衡原理實現船舶局部減搖。解決因船體搖晃給船舶安全生產、船員休息、航行舒適性帶來的問題。本裝置機構簡潔、實用可靠、節能環保，維護管理方便，屬人性化的船舶舾裝產品，能改善船舶操控人員的工作和居住條件，保障旅客的航行舒適性。

1 工作原理

局部減搖裝置的結構如圖1所示，實物如圖2所示。本裝置由上平板1、頂部儲油盒2、主支撐柱3、四個套筒4和柱塞5及下平板6組成。上下平板間由主支撐柱固定連接，四個柱塞和套筒均勻分布在主支撐柱周圍，柱塞頭部與下平板處于滑動狀態，用油脂潤滑。四個套筒間由頂部儲油盒連通，四個柱塞和主支撐柱的頭部均為起萬向轉動作用的球鉸。當船舶搖擺時，上表面支撐物就給某個方向上的柱塞一個壓力，在頂板壓力作用下，球鉸和柱塞軸向受壓，柱塞就推動油缸內的液壓油向壓力低的一側流動進而推動，另一側液壓油缸中的柱塞上升。反向搖擺時是同一個方式作用，以此來達到減搖的目的。在初穩性壓力下，船體傾斜帶動柱塞升降，液體流動支撐上平板保持平衡。

選用液體作為傳動介質，可以保證本裝置對外界搖擺做出及時準確的反應。當外界有搖擺時，與下平板連接的球鉸帶動柱塞升降，迫使柱塞內連通的液體流動，并且其周期與船的搖擺運動周期同步，方向相反，從而達到削減搖擺幅度的目的，能很好地實現其減搖功能。中間的主支撐柱分擔了四個工作柱塞的部分壓力負荷，對他們起到了保護作用，保證本裝置正常持久工作。搖擺時柱塞頭上的球鉸在下平板設計的槽道內向兩側滑動，使柱塞升降自如。四個連通柱塞互相配合，可以減弱任意方向上的搖擺。

2 元件強度分析

在整體系統中采用四柱塞交叉聯通的方式，以此來達到液力平衡，達到減搖目的。每個柱塞密封面所能承受的最大壓力為32Mpa，正常平衡狀態下柱塞外伸高度2.0cm，套筒內高度 4.0cm。傾斜最大角度時球鉸相對上平板伸長量0.6cm，柱塞最大高度差5.0cm。 因為柱塞在油缸內的部分全部浸沉在工作介質中，呈懸浮狀態，故稱該種柱塞支撐方式為柱塞懸浮式聯通液壓減搖系統。

此系統中，柱塞和油缸在承受內壓時，柱塞還承受軸向壓力，油缸則承受軸向拉力。柱塞插在油缸內的部分，作用在其內外表面上的液壓力相互平衡。

圓筒或圓環的環向應力如圖3所示，在實際應用中，油缸所受的軸向力比柱塞的小得多，由于柱塞操作不當或頂板和底板不平行等情況的影響，柱塞可能收到難以確定的偏載，使柱塞和油缸受到一定彎矩的作用，因而柱塞和油缸要有足夠的融合長度。

綜上所述，液壓柱塞采用了懸浮工作原理，技術可行、可靠；柱塞行程大，擴大了柱塞的使用范圍，使用靈活方便，保證了器材的正常工作；柱塞為無縫柱塞，不僅柱塞強度和穩定性得到提升，而且結構工藝得到大大簡化，零件的數量也得以減少，生產成本降低。

3 減搖效果的分析

對于減搖裝置的減搖性能，目前主要是以橫搖幅值的減小來評定減搖效果，通常以減搖效率的形式表示，其中較合理的是按不規則波中得到的減搖效率加以評定。

作者常用的方法是籍譜分析得到的無減搖裝置時有義橫搖幅值的減少作為比較的基礎，給出減搖效率為：

η=1-((a)1/3s(a)1/3u%（5）

式中（a)1/3s、（a)1/3u分別表示船有減搖裝置和無減搖裝置時的有義橫搖幅值。

由式（7）得出的減搖效率η，對于好的被動式減搖水艙一般在40-50%，而減搖鰭一般在80%以上。

圖4為作者利用計算機軟件得到局部減搖器在工作狀態下的仿真動作。當船舶未發生搖擺時，任意方向上的柱塞都是平衡的，未發生相對滑動.此時，減搖器處于平衡狀態，各零件部分承受的就是垂向方向上的力。當船舶搖擺時，和船體固定的下平板也隨之傾斜，此時，上表面支撐物就給某個方向上的柱塞一個壓力，使得一側的柱塞下降，根據U型管機理，另一測柱塞相應上升。由于密封液壓腔體內選用的液壓介質的不可壓縮， 因此，減搖器最終的兩側的柱塞水平高度是一致，那么，通過球鉸連接在上面的上平板也是平衡的。

液壓減搖器的實體模型在上平板載荷小于200 kg時，能隨著船體的搖擺，相應地調整其下平板的傾斜角度，始終保持上平板處于水平狀態，使得上表面的支撐物或人免受船舶搖擺的影響，達到減搖效果。實驗過程中測得減搖器下平板的傾斜角度在0~27°，在國際海事組織規定的船舶安全傾角范圍之內。該裝置在無需動力設備的條件下對船舶搖擺振動的變化時作出反應，保持上平板平衡，這種自適應式的調節方式，受艦船裝載條件的復雜性及海洋環境不確定性的影響較小。

本裝置在船舶整體減搖技術的基礎上配合使用，起局部減搖作用，能達到更好的減搖效果。

4 結論

本裝置從船舶舾裝設備對船員工作條件、身體健康和旅客航行舒適性的影響來考慮，將減搖的設計理念由整體轉變為局部，將液壓技術直接用于船舶減搖，不論在設計理念還是技術應用方面都有很大的創新。通過對系統的技術分析，證明了該裝置的科學性和可行性。而且本裝置輕便簡單，節能環保，在交通運輸、工程生產和醫療衛生等領域有廣泛的應用推廣范圍。在船舶整體減搖的基礎上配合以局部減搖，以此達到更好的減搖效果。

參考文獻

［1］李狀元.液壓元件與系統［M］.北京：機械工業出版社， 1991.