智能柔性船用減搖裝置設計*

瞿 芳，李勇輝，劉奧銘，徐嘉偉

(江蘇海事職業技術學院 船舶與海洋工程學院，江蘇 南京 211170 )

0 引 言

船舶搖晃一直是船舶航行的最大困擾。 配備減搖裝置，能夠提高船舶的安全性，改善船舶的適航性，提升船舶乘員的舒適性。 現有船用減搖裝置存在影響船舶操縱、適用于高速航行、體積大等缺陷。 筆者利用陀螺減搖和自動控制原理，提出了一種新型船用減搖裝置設計方案。 筆者主要闡述了該裝置的工作原理、關鍵技術和控制系統設計，所設計的船用減搖裝置能夠實現柔性減搖、零航速減搖，能夠實現船舶小角度搖晃甚至無搖晃，有廣泛的應用價值。

1 現有船用減搖裝置優缺點比較

目前，船舶減搖通用的方式是加裝舭龍骨、減搖鰭、減搖水倉、減搖舵等裝置。

舭龍骨是沿船長方向在舭部安裝的連續型材，結構簡單，可減搖30%左右，航行時減搖效能更加顯著，但會降低船舶的可操縱性。 舭龍骨減搖應用廣泛，多用于方形系數小的船舶。

減搖鰭又稱側舵，象機翼伸出船體外。 它依靠水流對其產生的作用力減搖，減搖效果取決于航速，低速航行時，基本起不到減搖作用，且結構復雜，造價較高，多用于高速船舶。

減搖水艙利用左右舷側水艙液位高度差產生復原力矩減搖，低速航行能進行減搖，但只有減搖水艙的自搖頻率高于船舶自搖頻率時才能實現減搖，且減搖水艙在船上占據很大空間。

減搖舵利用操舵時產生的橫搖力矩進行減搖，造價低，占用船內空間少，使用維修方便，但需要高速操縱器，低船速時減搖效果差。

近年來，出現了舵-鰭、減搖鰭-減壓水艙、舵-可控被動水艙等船舶綜合減搖裝置，減搖效能得到改善，但只有在船舶行駛狀態下才有效[1-2]。

2 新型船用減搖裝置的工作原理

2.1 陀螺減搖原理

一個大慣量高速轉動的轉子，當其隨船體搖晃時，高速轉子會隨著船舶擺動而產生一個巨大的與船舶搖擺方向相反的反作用力矩，此反作用力矩與推動船舶搖晃的波浪力矩相抵消，最終實現船舶減搖[3]。隨著新技術的發展，特別是高速飛輪在真空下運轉技術的應用，船用陀螺減搖得到廣泛應用。

2.2 柔性減搖原理

根據船舶大小配置一定慣量的轉子，再將轉子拆分成多組小慣量轉子，并由多個電機分別驅動。 根據船舶搖晃角度大小分別啟動相應的電機及轉子，實現柔性減搖[4]。

2.3 智能控制原理

用GPS 信息和大數據技術計算出船舶搖晃角度，再通過位移傳感器送達可編程控制器，由事先編制的程序自動控制電機的開或停，實現多機并車機械的柔性傳動[5]。 智能柔性船用減搖裝置原理如圖1所示。

圖1 工作原理

3 新型船用減搖裝置的關鍵結構設計

3.1 總體結構

智能柔性陀螺減搖裝置主要由固定底座、轉盤軸承、支撐架、電機、轉子、阻尼油缸、控制器、電渦流位移傳感器、感應探頭等組成。

如圖2 所示，固定底座1 上置轉盤軸承9，轉盤軸承上置支撐架2，支撐架上置電機5，電機前端設置活動軸4，電機外側設置轉子6。 電機的數量為四組，呈矩形陣列排布。 阻尼油缸8 的數量為若干組。 控制器接線孔11 的數量為四組，呈線性排布。 控制器10 的輸入端口B 與電渦流位移傳感器12 的輸出端口A 電性連接。

圖2 總體結構示意圖

固定底座與轉盤軸承活動連接，與控制器、電渦流位移傳感器、阻尼油缸等固定連接。 轉盤軸承與支撐架固定連接，支撐架外側設置轉軸3，轉子與轉軸3固定連接，轉軸與支撐架活動連接。 活動軸通過轉槽與電機活動連接，活動軸與轉軸之間設置皮帶7，轉軸通過皮帶與活動軸活動連接。

3.2 與船艙的連接

智能柔性減搖裝置與船艙的連接如3 所示。 船艙連接板21 與固定底座通過螺栓桿20 連接，螺栓桿上部設置螺栓頭16，同時設置自緊墊圈17 和防滑面18。 自緊墊圈的數量為兩組，自緊墊圈的下端面設置固定鋸齒19，固定鋸齒與自緊墊圈固定連接。

圖3 與船艙的連接

3.3 延伸電纜設計

電渦流位移傳感器另側設置延伸電纜14，延伸電纜一端設置轉接頭13，另一端設置感應探頭15，如圖4 所示。

圖4 延伸電纜

3.4 控制器設計

控制器設置有控制面板101、顯示屏102、按鍵103、保護罩104、合頁105 等，如圖5 所示。 控制器前端外表面設置顯示屏，顯示屏一側設置按鍵，按鍵的數量為九組，呈矩形陣列排布。 顯示屏與按鍵的輸入端口均與控制面板的輸出端口電性連接。

圖5 控制器

3.5 減搖過程的實現

工作時，通過感應探頭探測船體搖擺幅度，延伸電纜將信號傳遞給電渦流位移傳感器(型號為:hg3200)，電渦流位移傳感器將信號傳遞至控制器(型號為:SL—GL01B)，控制器根據電信號啟動一定數量的電機運轉。 電機帶動活動軸轉動，活動軸通過皮帶帶動轉軸旋轉，從而控制轉子的旋轉，轉子輸出穩定的動量矩以減少船舶的搖擺角度。

4 新型船用減搖裝置的控制系統設計

4.1 開發運行環境

智能柔性船用減搖裝置的控制系統開發環境:i7 7700 3.0GHzCPU， 8GB 內存，GTX1060 顯卡，1TB 硬盤，Visual Studio 2008，.net3.5；運行要求:2 GHz 以上CPU，1GB 以上內存，20G 以上硬盤空間，.net3.5。

4.2 實現的功能模塊

智能柔性船用減搖裝置的控制系統采用大數據技術、C/S 模式，針對多組電機，通過更改分頻數使得電機的實際轉速與需要的轉速一致。

整個系統設置了基本配置、參數設置、控制區域、行駛控制、報警信息、用戶管理、幫助等功能，如圖6所示。 基本配置主要進行串口設置及其擺動范圍確認；參數控制主要是對電動機信息、GPS 信息、空速油門值、PI 控制等進行設置；控制區域主要設置行駛狀態和更改行駛速度；行駛控制主要是對行駛路線的設置[5-6]。

圖6 控制系統

4.3 程序設計

智能柔性船用減搖裝置的控制系統用C＃語言編寫，源程序代碼9680 行如下:

/ / /＜summary＞串口配置標志＜/summary＞

public String Flags {get；set；}

/ / /＜summary＞主機。 當前節點對應的主機＜/summary＞

public String Master {get；set；}

/ / /＜summary＞范圍確認數據狀態＜summary＞

public Int32 LinkState {get；set；}

/ / /＜summary＞是否從節點＜/summary＞

public Boolean Slave {get；set；}

/ / /＜summary＞控制參數當前節點的從節點集合＜/sum

mary＞

public IList＜Node＞Slave {get；set；}

/ / /＜summary＞本節點位置視圖數據槽＜/summary＞

5 結 語

通過虛擬樣機實驗驗證說明，此設計裝置可以根據船舶搖晃角度大小分別啟動一組或幾組電機從而實現船舶柔性減搖，在船舶零航速下可以實現減搖，可以實現船舶±5°搖晃。 該裝置已獲國家實用新型專利(ZL2018219505410. 0) 授權和軟件著作權(2021SR1940917)登記。

通過對自動控制多機并車柔性傳動的船用減搖裝置設計方案的分析及試驗，可有效解決船舶的搖晃問題，實現了設計目標。 此裝置不會影響船舶的航行，體積較小，質量較輕，擺放位置隨意，特別是與船舶的航行速度無關，能夠實現零航速下的船舶減搖，能夠實現船舶小角度搖晃甚至無搖晃，通過增減電機及轉子的方式使其可以用于任何船型和尺寸的船舶，尤其適于舒適性要求較高的豪華游艇。 此設計為進一步推廣船用減搖裝置應用提供了理論依據。