船舶自動應急抗沉減搖防傾覆裝置設計

船舶自動應急抗沉減搖防傾覆裝置設計

0防傾覆裝置的設計對于海上航行的船舶，如果在緊急情況下未及時采取措施，船體會發(fā)生嚴重的傾斜、沉降、貨物損失和人為災害?！?1.24”海上事故就是一個痛苦的例子。為了提高船的抗沉、沉降、傾斜和防傾斜性能，船舶應以高度穩(wěn)定、抗沉、傾斜和防傾斜性能為例，并應考慮減少振動裝置。（1）降低速度的設備包括降低速度的水壓、允許的框架、降低振動、返回和轉(zhuǎn)向的減速器和轉(zhuǎn)向減速器。（2）除傾斜裝置和措施外，船底、水密封閉道墻、提高框架高度。（3）防災裝置和措施包括減少搖晃裝置、垂直座椅壁和增加船寬的吞咽比。這些設備和措施可以在各自的船上發(fā)揮更好的作用，但也存在以下明顯的缺點：（1）不同的設備功能不能考慮。（2）船的抗沉、沉降和抗傾斜性能密切相關，但設備不能同時提高三種性能。（3）不同設備的效率受到限制（4）增加這些裝置的目的是提高船的性能，但通常會出現(xiàn)其他缺點。基于模擬理論，將頭部調(diào)整到水中運動時，并在水中移動時失去身體，以控制魚在水中的升力。在這項工作中，我們將現(xiàn)有的抗沉、沉降和反傾斜裝置結合起來，以在緊急情況下提高船的抗沉、沉降和邊坡防護，以確保航行安全，設計方便的設備和各種船舶的自動應急抗傾斜防護裝置。1設備的組成原理和應用1.1空氣截止閥、電磁閥、內(nèi)壓閥組成本裝置的機械部分如圖1所示.主要由安裝在船上的空氣壓縮機1、空氣截止閥2、空氣瓶3、液控單向閥4、電磁閥5、7、氣囊6和抽氣機8組成.本裝置中的空氣壓縮機和空氣瓶不需專設,利用船舶柴油機壓縮空氣起動裝置中現(xiàn)有的空氣壓縮機、空氣瓶即可.空氣截止閥用來控制壓縮空氣的進出,單向閥控制空氣單向通過,電磁閥用來控制空氣流向、截止狀態(tài)及空氣供停時刻.氣囊平時疊放在船兩舷內(nèi)凹的箱體內(nèi),氣囊及箱體的數(shù)量依據(jù)船的大小而定,并沿船首、尾方向分別在船首、船中、船尾附近的干舷中部位置、滿載水線下位置、空載水線以下位置兩舷對稱布置.在緊急情況下氣囊充氣后系固在船的兩舷,當船破艙進水時用來增大船舶的儲備浮力,提高船舶抗沉性;當船舶搖蕩劇烈時,用來增大減搖力矩提高船舶的減搖性能,當船舶發(fā)生傾斜時,用來增大抗傾力矩,提高船舶的防傾覆能力.抽氣機安裝在機艙內(nèi),當緊急狀態(tài)解除后,用來將氣囊內(nèi)的空氣抽出,以便把氣囊收回,裝置恢復到備用狀態(tài).1.2縱傾角度傳感器圖2為該裝置的自動控制系統(tǒng)組成框圖.在自動控制系統(tǒng)中各元件的作用如下:橫搖角速度傳感器用來檢測船舶橫搖角速度的大小;縱搖角速度傳感器用來檢測船舶縱搖角速度大小;橫傾角度傳感器用來檢測船舶橫傾角度的大小及橫傾的方向;縱傾角度傳感器用來檢測船舶縱傾角度的大小及縱傾的方向;吃水傳感器用來檢測其所在部位的吃水大小;檢漏傳感器用來檢測漏泄的部位及漏泄速度;氣囊壓力傳感器用來檢測氣囊內(nèi)氣體壓力的大小.微處理器是自動控制系統(tǒng)的中心,把從各傳感器接收來的信號與規(guī)定參數(shù)進行比較,然后發(fā)出指令,使控制單元各執(zhí)行機構按指令操作.在控制單元中,氣源控制用來控制氣瓶出氣閥給裝置供氣,當氣瓶壓力不足時,起動空氣壓縮機給氣瓶補充壓縮空氣.液壓控制用來控制氣囊箱蓋的開、關以及液控單向閥的通流方向.電源控制用來控制電磁閥的通電方向,以控制閥芯的位置.抽氣機控制用來控制抽氣機的起動和停車,即控制何時從氣囊抽氣,何時停止.電磁閥用來控制氣囊充氣、抽氣、停氣三種狀態(tài).1.3氣動控制動作以船舶發(fā)生右橫傾為例,說明裝置的工作原理.當船舶發(fā)生右傾時,橫傾角傳感器和吃水傳感器就會把橫傾角度大小及方向和吃水大小的信號反饋至微處理器,與設定的參數(shù)進行比較,如橫傾角大于最大允許橫傾角,為了防止橫傾繼續(xù)惡化乃至傾覆,微處理器發(fā)出指令,液壓控制動作,打開氣囊箱蓋,氣源控制動作,空氣瓶出氣閥打開,電磁閥芯移至氣囊充氣位置,如果因貨物移位等導致重心偏移,發(fā)生橫傾,則控制右舷氣囊的電磁閥閥芯移至充氣位置,并迅速為右舷氣囊充氣.氣囊充氣后脹出船體并象浮桶一樣系固在船舷上,并部分或全部浸在水中,浸在水中部分就會產(chǎn)生一個向上的浮力及正面阻力,由于力臂較長,該浮力就形成一個較大的抗傾力矩(附加穩(wěn)性力矩),阻止船舶繼續(xù)橫傾或使其逐步復位,當氣囊壓力傳感器檢測到氣囊內(nèi)氣壓達到設定值時,電磁閥斷電動作,閥芯移至中間停氣位置,并將氣囊內(nèi)氣體封閉.當船復位或狀態(tài)穩(wěn)定后,控制系統(tǒng)就控制電磁閥閥芯回到抽氣位置,液控單向閥傳來液壓信號,允許氣囊內(nèi)氣體流出,抽氣機起動并將氣囊中空氣抽出,當氣囊壓力傳感器檢測到氣囊壓力為足夠低時,停抽氣機,然后把氣囊收回,氣囊箱蓋關閉,整個裝置又回到備用狀態(tài).2關于裝置的理論研究2.1表中對軍艦的壓力分析(1)密封車身在水中行駛時的主要支撐類型如下浮力、升力、阻力、壓力、拖力、重力.其中對船舶穩(wěn)性、抗沉性、搖擺性和防傾覆性影響較大的是浮力、升力和正面水阻力.(2)船舶在航行中的壓力如下推力(或拉力,是由螺旋槳產(chǎn)生的)、重力、浮力、傾力、阻力.其中對船舶穩(wěn)性、抗沉性、搖擺性和抗傾覆性影響較大的是浮力、重力和傾力.2.2由于囊腫引起的穩(wěn)定型力2.2.1氮氣含量及抗縱傾力(1)船舶發(fā)生橫傾時,傾斜一舷的氣囊投入使用時(吃水大的一舷),氣囊產(chǎn)生的穩(wěn)性力矩(即抗橫傾力矩)主要由氣囊產(chǎn)生的浮力F和升力L的合力形成.該抗傾力矩的大小為合力與合力作用點距船舶中縱剖面垂直距離r的乘積,即MCT=(F+L)?r=(Vg+12v2∞CLA)ρr(1)ΜCΤ=(F+L)?r=(Vg+12v∞2CLA)ρr(1)故氣囊可產(chǎn)生較大的抗橫傾力矩,使船舶具有較高的抗橫傾能力.(2)船舶發(fā)生縱傾時(以首傾為例),吃水大的一端(船首方向)的氣囊投入使用,氣囊產(chǎn)生的抗縱傾力矩主要由氣囊浮力F與升力L的合力形成,其大小為合力與合力作用點距船舶重心所在橫剖面的垂直距離Lx的乘積,即MCL=(F+L)Lx=(Vg+12v2∞CLA)ρLx(2)ΜCL=(F+L)Lx=(Vg+12v∞2CLA)ρLx(2)故氣囊可產(chǎn)生較大的抗縱傾力矩,使船舶具有較高的抗縱傾能力.2.2.2氮氣投入使用的減縱搖力(1)船舶發(fā)生橫搖時,氣囊投入使用后,氣囊產(chǎn)生的減橫搖力矩主要由浮力F、升力L、正面阻力Rn三者的合力形成,其大小為合力與合力作用點距船舶中縱剖面垂直距離r的乘積,如式(1)所示.故氣囊投入使用會產(chǎn)生較大的減橫搖力矩.(2)船舶發(fā)生縱搖時,氣囊投入使用后,氣囊產(chǎn)生的減縱搖力矩主要由其浮力F、升力L、正面阻力Rn三者的合力形成,其大小為合力與合力作用點距船舶中橫剖面垂直距離Lx的乘積,如式(2)所示.故氣囊投入使用會產(chǎn)生較大的減縱搖力矩.2.2.3氮氣投入使用的穩(wěn)定性船舶破艙進水下沉時,如破艙位置不對稱,船舶會出現(xiàn)傾斜(包括縱傾和橫傾),根據(jù)不同破艙位置及大小,決定使用氣囊的位置和數(shù)量.(1)氣囊產(chǎn)生的橫穩(wěn)性力矩MCTW(抗橫傾力矩)如式(1)所示.(2)氣囊產(chǎn)生的縱穩(wěn)性力矩MCLW(抗縱傾力矩)如式(2)所示.(3)氣囊產(chǎn)生的剩余儲備浮力為F=Vaρg(3)F=Vaρg(3)由上述三式可看出,當船舶破艙進水下沉時,氣囊投入使用,既可產(chǎn)生較大的抗傾力矩,提高船舶抗傾覆能力和破艙穩(wěn)性,又可增大船舶儲備浮力,使船舶具有“再生”的抗沉性.3實船各參數(shù)設計為節(jié)省人力、物力,縮短研究周期,確定最佳實施方案,進一步論證裝置的可靠性,采用高級連續(xù)系統(tǒng)仿真語言(ACSL)對本裝置系統(tǒng)的理論公式進行了仿真計算.用于仿真計算的實船各參數(shù)為:船總長99.9m;設計水線長96.4m;型寬16.8m;型深7.8m;設計吃水5.3m;排水量6007t;結構吃水6.1m;排水量7125t;空船吃水2.22m;空船排水量2250t.3.1模擬計算傾斜船舶的數(shù)字3.1.1貨物重心橫向位移對各種橫傾情況進行仿真計算得出如下結果:(1)重物突然橫移引起的橫傾:在船不動時,若1500t貨物重心橫移0.3m,僅需45.23m3氣囊投入使用;若2000t貨物重心橫移0.2m,僅需40.65m3氣囊投入使用,即可抵抗重物偏移引起的橫傾.在船速為13.6kn時,1500t貨物重心橫移0.3m,僅需41.24m3氣囊投入使用;若2000t貨物重心橫移0.2m,僅需36.15m3氣囊投入使用.(2)風力引起的橫傾:在船不動時,若受正橫風風級為10級,風壓為8.2MPa,則需16.38m3氣囊投入使用抵抗橫傾,若受風風級為12級,風壓為12.6MPa,則需25.24m3氣囊投入使用來抵抗橫傾.3.1.2氣動抗縱傾和重心事基性以貨物水平縱移為例,計算結果為:1000t貨物重心水平縱移0.5m,僅需與貨物重心偏移反方向兩舷對稱的2個氣囊(2×10m3)投入使用,選用氣囊距船舶重心所在橫剖面21m處,即可抵抗縱傾.若3500t貨物重心水平縱移0.1m,僅需距船舶重心在橫剖面大約15m附近,且與貨物偏移反方向兩舷對稱的兩個氣囊投入使用即可抵抗縱傾.3.2浮風和浪使船舶橫向搖力以橫搖時數(shù)字仿真計算為例(縱搖較輕,在此不作詳細計算).假設風浪聯(lián)合作用,且設風和浪使船舶橫搖的方向相同(此時橫搖力矩最大),經(jīng)計算得出即使在12級風、300m波長、8.5m波高的海浪沖擊下,110m3氣囊投入使用后產(chǎn)生的減橫搖力矩就足以抵消風浪聯(lián)合作用產(chǎn)生的橫搖力矩.3.3氮氣催化作用假定共設置20個氣囊(其中空載水線附近設4個,滿載水線下設6個,干舷中間設10個),每個氣囊體積為10m3,航速為13.6kn,經(jīng)仿真計算可知,全部氣囊可產(chǎn)生的浮力增大量為3.41%,單個氣囊能產(chǎn)生的橫穩(wěn)性力矩為1.098×106N·m,單個氣囊產(chǎn)生的縱穩(wěn)性力矩隨氣囊所在位置不同而不同,如氣囊合力作用點距船舶重心所在中橫剖面垂直距離為45m,則能產(chǎn)生5.2×106N·m縱穩(wěn)性力矩.4模型試驗為直觀、定性、確切地分析氣囊投入使用后使船舶抗沉、減搖、防傾覆能力,可通過模型試驗的方法來驗證.4.1船舶傾斜試驗4.1.1水平傾斜試驗(1)右傾側血氣形貌,左、右傾角出現(xiàn)后,左、右傾角出現(xiàn)左傾把船模放入試驗水池,在船?？v中心位置放一重物,標出此時船模兩舷及首尾吃水,然后把重物向右舷移一段距離,船模發(fā)生右傾,標出此時左、右舷吃水及右傾角度.這時給右舷中部水下氣囊充氣,看到隨氣囊體積逐漸增大,右舷吃水逐漸減小,右傾角逐漸減小,船模逐漸復位.(2)由于風浪，船體結構發(fā)生了傾斜把船模放入風洞中,作風洞試驗;當右舷來風時,船模發(fā)生左傾,給左舷氣囊充氣,隨氣囊體積的增大,左傾角度逐步減少,船模逐步復位.4.1.2船首、尾水壓、縱傾角度把船模放入試驗水池中,在船模中橫剖面中心位置放一重物,標出首、尾吃水、縱傾角度,把重物向船首方向水平移動,船模出現(xiàn)首傾,標出首、尾吃水,縱傾角度,這時給首部兩舷氣囊充氣,隨氣囊體積增大,首傾逐步減少,船舶逐漸復位.4.2船模橫搖控制把船模放入試驗水池中處于靜止狀態(tài),當啟動造波機和風機時會發(fā)現(xiàn)船模搖擺,船模橫搖時,給兩舷氣囊(調(diào)至水面附近)充氣后,橫搖逐漸減輕.當縱搖時,給首尾部位兩舷氣囊(調(diào)至水面附近)充氣后,發(fā)現(xiàn)縱搖逐步減輕.當縱、橫搖同時存在時,給首尾和兩舷的氣囊(調(diào)至水面附近)均充氣后,發(fā)生搖擺逐漸減弱.4.3內(nèi)要素船模下沉,未進入煙氣氣流的狀態(tài)在試驗水池中,船?？v向不對稱破艙進水,船模