一种气推式减摇鳍及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种气推式减摇鳍，包括鳍本体，所述的鳍本体的内部设有高压空气通道，高压空气通道通过气管连接船舶压缩空气系统，鳍本体的底壁上嵌穿有多个喷气角度可调的止回喷气阀，止回喷气阀的进气口位于高压空气通道内，止回喷气阀的喷气口位于鳍本体底壁的外面。本发明还提供了气推式减摇鳍的控制方法。本发明的减摇鳍采用高压空气产生提升力矩，通过实时检测角度、角速度、角加速度信号，然后计算克服横摇力矩所需的升力矩的大小和止回喷气阀所需要调节的角度，再实时调控止回喷气阀的喷气角度和喷气压力，实时性好，调控精确度高，系统容易控制，鳍的减摇效果好。
【专利说明】一种气推式减摇鳍及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶减摇装置【技术领域】，具体地说，是一种气推式减摇鳍及其控制方法。
【背景技术】
[0002]由于船舶横摇运动阻尼很小，所以船舶在风浪中会产生剧烈的横摇、纵摇和艏摇，严重影响船舶的推进性能和操纵性能。减摇鳍是减少横摇运动的一种装置，固定在船舶两舷的舭部，在鳍容量和鳍型以及相应的随动系统确定后，减摇鳍的使用效果与采取的控制策略密切相关。减摇鳍分为主动减摇(可调鳍)和被动减摇(固定鳍)两种。
[0003]可调鳍通过角度传感器、角速度传感器和角加速度传感器得到角度、角速度和角加速度信号，并通过信号处理装置将处理后的信号传输给液压控制系统，推动一对或多对鳍同步运动，增加船舶横摇阻尼，从而减小横摇运动，其控制过程如图1所示。可调鳍已经应用了七十多年，减摇效果已经得到大众的认可。但是，可调鳍的控制问题一直是研究的热点，此外，还有很多科研人员在对可调鳍的控制进行详细的研究。
[0004]可调鳍在减摇效果方面，存在诸多不足。目前，减摇鳍大多采用鳍角反馈控制，虽然可以起到一定的减摇效果，但是鳍上的升力和鳍角的对应关系主要从鳍的水动力试验得至IJ，动态条件下，水动力实验误差很大，因此控制力矩产生的升力无法很好地抵消横摇力矩。此外，在复杂的船舶航行环境中，由于液压机构的存在，增加了减摇系统的时间常数，影响了系统调节控制的实时性，减弱了船舶减摇效果，并且降低了系统的稳定性。
[0005]固定鳍由于不可调节，只能被动减摇，减摇效果较差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种气推式减摇鳍，以解决复杂航行环境中普通减摇鳍不能及时动作、难以控制鳍的难题。
[0007]本发明的再一的目的是，提供一种气推式减摇鳍的控制方法。
[0008]为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是:
一种气推式减摇鳍，包括鳍本体，所述的鳍本体的内部设有高压空气通道，高压空气通道通过气管连接船舶压缩空气系统，鳍本体的底壁上嵌穿有多个喷气角度可调的止回喷气阀，止回喷气阀的进气口位于高压空气通道内，止回喷气阀的喷气口位于鳍本体底壁的外面。
[0009]进一步地，所述的止回喷气阀包括阀体和位于阀体空腔内的上支撑板、下支撑板、托杠、挡板和弹簧，上支撑板固设在阀体的上部并开有多个进气孔，下支撑板固设在阀体的底部并开有多个喷气孔，上支撑板和下支撑板的外周壁均与阀体内壁密封，托杠的两端分别固定在上支撑板和下支撑板上，挡板和弹簧穿设在托杠上，弹簧的两端分别固定在挡板和下支撑板上，挡板在其外周与阀体内壁接触处固设有密封圈。
[0010]进一步地，所述的止回喷气阀的顶端设有臂架，喷气角度调节机构连接臂架而带动止回喷气阀旋转，进而改变喷气角度。
[0011]进一步地，所述的喷气角度调节机构包括电动机、两个齿轮和连杆，连杆包括一根总连杆和多个分支连杆，总连杆的外表面设有螺纹，电动机的转轴连接齿轮一，齿轮一的外齿与齿轮二的外齿啮合，齿轮二套设在总连杆上并且它们之间螺纹匹配，总连杆带动多个分支连杆一起直线运动，止回喷气阀的臂架连接在分支连杆上。
[0012]作为一种实施方式，所述的止回喷气阀的臂架铰接在分支连杆上。
[0013]作为另一种实施方式，所述的止回喷气阀的臂架的顶端固设有插槽，分支连杆在对应插槽的位置上固设有横截面为圆形的插杆，插杆插在插槽内。
[0014]为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是:
一种气推式减摇鳍的控制方法，在船舶上安装上述的减摇鳍，由设置在船舶上的角度、角速度、角加速度检测装置检测船舶横摇时的角度、角速度和角加速度，通过信号处理装置计算克服横摇力矩所需要的升力矩的大小和止回喷气阀所需要调节的角度，通过喷气角度调节机构控制止回喷气阀的喷气角度，并且通过压缩空气控制系统控制鳍本体高压空气通道内的气体压强，进而给予减摇鳍一定的提升力矩，角度、角速度、角加速度检测装置在减摇过程中实时反馈检测信号。
[0015]进一步地，所述的角度、角速度、角加速度检测装置为角度、角速度、角加速度传感器。
[0016]进一步地，所述减摇鳍的左鳍和右鳍分别设置喷气角度调节机构和压缩空气控制系统。
[0017]进一步地，所述的喷气角度调节机构在工作过程中使止回喷气阀喷出的高压空气所产生的升力始终垂直于海平面。
[0018]本发明的减摇鳍采用高压空气产生提升力矩，通过实时检测角度、角速度、角加速度信号，然后计算克服横摇力矩所需的升力矩的大小和止回喷气阀所需要调节的角度，再实时调控止回喷气阀的喷气角度和喷气压力，实时性好，调控精确度高，系统容易控制，鳍的减摇效果好。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]附图1是现有技术中减摇鳍的控制过程图。
[0020]附图2是本发明气推式减摇鳍结构的剖面图。
[0021]附图3是气推式减摇鳍底壁的仰视图。
[0022]附图4是一种止回喷气阀的结构示意图。
[0023]附图5是另一种止回喷气阀的结构示意图。
[0024]附图6是止回喷气阀旋转一定角度后的示意图。
[0025]附图7是喷气角度调节机构的结构示意图。
[0026]附图8是分支连杆与止回喷气阀配合的示意图。
[0027]附图9是船舶横摇时分支连杆调节止回喷气阀喷气角度的示意图。
[0028]附图10是本发明气推式减摇鳍的系统控制框图。
[0029]附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示:
1.鳍本体2.底壁 3.高压空气通道4.止回喷气阀
5.阀体6.上支撑板
7.进气孔8.下支撑板
9.喷气孔10.托杠
11.弹簧12.挡板
13.密封圈14.臂架
15.插槽16.电动机
17.转轴18.齿轮一
19.齿轮二20.总连杆
21.分支连杆22.插杆。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图对本发明提供的【具体实施方式】作详细说明；本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0031]请结合图2和图3，该气推式减摇鳍的鳍本体I的内部设有高压空气通道3，高压空气通道3可通过气管连接船舶压缩空气系统。鳍本体I的底壁2上嵌穿有多个喷气角度可调的止回喷气阀4，止回喷气阀4的进气口位于高压空气通道3内，止回喷气阀4的喷气口位于鳍本体I底壁2的外面。止回喷气阀4通过原位旋转调节喷气角度，且只能出气，不能进水。止回喷气阀4有规律的布满鳍本体I的底壁2，相邻止回喷气阀4之间的间距根据鳍本体I的大小和实际应用环境来确定。
[0032]请见图4所示的一种止回喷气阀4的结构，图中箭头表示高压空气的流动方向。止回喷气阀4它包括阀体5和位于阀体5空腔内的上支撑板6、下支撑板8、托杠10、挡板12和弹簧11。上支撑板6固设在阀体5的上部并开有多个进气孔7，下支撑板8固设在阀体5的底部并开有多个喷气孔9，上支撑板6和下支撑板8的外周壁均与阀体5内壁密封。进气孔7的设置一方面不影响进气，另一方面由于孔径的限制可以阻挡高压空气通道3内可能存在的大尺寸杂质进入阀体5内部而影响空气流通性和阀的密封性。喷气孔9的设置一方面不影响出气，另一方面由于水本身的张力作用而不能穿过喷气孔9进入阀体5内。
[0033]托杠10的两端分别固定在上支撑板6和下支撑板8上，挡板12和弹簧11穿设在托杠10上，弹簧11的两端分别固定在挡板12和下支撑板8上，挡板12在其外周与阀体5内壁接触处固设有密封圈13。高压空气穿过进气孔7进入阀体5上部，在气压的作用下，挡板12压缩弹簧11往下运动使得挡板12外周与阀体5内壁之间产生空隙，高压空气流过空隙后从喷气孔9喷出，气压越大，挡板12外周与阀体5内壁之间的空隙越大。没有空气流动时，在弹簧11的作用下使得挡板12向上顶住阀体5的内壁，密封圈13可有效保证气密性。
[0034]止回喷气阀4的顶端设有臂架14，臂架14为镂空结构，不影响高压空气通道3内的气体进入阀体5,喷气角度调节机构连接臂架14而带动止回喷气阀4旋转,进而改变喷气角度。
[0035]在图4所示的止回喷气阀4中，臂架14的顶端固设有插槽15，采用插接的方式与喷气角度调节机构连接。在图5所示的另一种止回喷气阀4中，臂架14的顶端设有铰接孔，采用铰接的方式与喷气角度调节机构连接。
[0036]请见图6，在喷气角度调节机构的控制下，止回喷气阀4通过原位旋转改变喷气角度，进而改变减摇鳍的提升力矩。
[0037]请参照图7所示的喷气角度调节机构的结构示意图，所述的喷气角度调节机构包括电动机16、齿轮一 18、齿轮二 19和连杆，连杆包括一根总连杆20和多个分支连杆21，总连杆20的外表面设有螺纹。电动机16的转轴17连接齿轮一 18，齿轮一 18的外齿与齿轮
二19的外齿啮合，齿轮二 19套设在总连杆20上并且它们之间螺纹匹配，最终旋转运动转换为直线运动，总连杆20带动多个分支连杆21 —起直线运动。分支连杆21插入鳍本体I的高压空气通道3内，止回喷气阀4的臂架14连接在分支连杆21上。
[0038]请见图8，当止回喷气阀4是图4所示的结构时，分支连杆21在对应插槽15的位置上固设有横截面为圆形的插杆22，插杆22插在插槽15内。当止回喷气阀4是图5所示的结构时，臂架14铰接在分支连杆21上，就采用普通的铰接方式，该方式未用附图示出。
[0039]图9所示为船舶横摇时分支连杆21调节止回喷气阀4喷气角度的示意图，箭头表示分支连杆21的运动方向，虽然鳍本体I摇摆不定，但是可通过分支连杆21带动止回喷气阀4原位旋转，进而改变喷气角度，产生所需的升力距。
[0040]本发明气推式减摇鳍的控制方法，是在船舶上安装上述的减摇鳍，由设置在船舶上的角度、角速度、角加速度检测装置检测船舶横摇时的角度、角速度和角加速度，通过信号处理装置计算左鳍和右鳍克服横摇力矩所需要的升力矩的大小和止回喷气阀所需要调节的角度，通过喷气角度调节机构控制止回喷气阀4的喷气角度，并且通过压缩空气控制系统控制鳍本体I高压空气通道3内的气体压强，进而给予减摇鳍一定的提升力矩，角度、角速度、角加速度检测装置在减摇过程中实时反馈检测信号。系统控制框图请见图10，本发明气推式减摇鳍实时调控止回喷气阀4的喷气角度和喷气压力，实时性好，调控精确度高，系统容易控制，鳍的减摇效果好。
[0041]优选地,所述的角度、角速度、角加速度检测装置为角度、角速度、角加速度传感器。当然，所述减摇鳍的左鳍和右鳍可以分别设置喷气角度调节机构和压缩空气控制系统，互相不影响并相互协调作用。船舶在横摇过程中，所述的喷气角度调节机构在工作过程中使止回喷气阀4喷出的高压空气所产生的升力始终垂直于海平面，可在最短时间内抵消横摇力矩。
[0042]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【权利要求】
1.一种气推式减摇鳍，包括鳍本体，其特征在于,所述的鳍本体的内部设有高压空气通道，高压空气通道通过气管连接船舶压缩空气系统，鳍本体的底壁上嵌穿有多个喷气角度可调的止回喷气阀，止回喷气阀的进气口位于高压空气通道内，止回喷气阀的喷气口位于鳍本体底壁的外面。
2.根据权利要求1所述的气推式减摇鳍，其特征在于，所述的止回喷气阀包括阀体和位于阀体空腔内的上支撑板、下支撑板、托杠、挡板和弹簧，上支撑板固设在阀体的上部并开有多个进气孔，下支撑板固设在阀体的底部并开有多个喷气孔，上支撑板和下支撑板的外周壁均与阀体内壁密封，托杠的两端分别固定在上支撑板和下支撑板上，挡板和弹簧穿设在托杠上，弹簧的两端分别固定在挡板和下支撑板上，挡板在其外周与阀体内壁接触处固设有密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的气推式减摇鳍，其特征在于，所述的止回喷气阀的顶端设有臂架，喷气角度调节机构连接臂架而带动止回喷气阀旋转，进而改变喷气角度。
4.根据权利要求3所述的气推式减摇鳍，其特征在于，所述的喷气角度调节机构包括电动机、两个齿轮和连杆，连杆包括一根总连杆和多个分支连杆，总连杆的外表面设有螺纹，电动机的转轴连接齿轮一，齿轮一的外齿与齿轮二的外齿啮合，齿轮二套设在总连杆上并且它们之间螺纹匹配，总连杆带动多个分支连杆一起直线运动，止回喷气阀的臂架连接在分支连杆上。
5.根据权利要求4所述的气推式减摇鳍，其特征在于，所述的止回喷气阀的臂架铰接在分支连杆上。
6.根据权利要求4所述的气推式减摇鳍，其特征在于，所述的止回喷气阀的臂架的顶端固设有插槽，分支连杆在对应插槽的位置上固设有横截面为圆形的插杆，插杆插在插槽内。
7.一种气推式减摇鳍的控制方法，其特征在于，在船舶上安装权利要求1所述的减摇鳍，由设置在船舶上的角度、角速度、角加速度检测装置检测船舶横摇时的角度、角速度和角加速度，通过信号处理装置计算克服横摇力矩所需要的升力矩的大小和止回喷气阀所需要调节的角度，通过喷气角度调节机构控制止回喷气阀的喷气角度，并且通过压缩空气控制系统控制鳍本体高压空气通道内的气体压强，进而给予减摇鳍一定的提升力矩，角度、角速度、角加速度检测装置在减摇过程中实时反馈检测信号。
【文档编号】B63B39/08GK103935483SQ201410167162
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】刘彬, 沈爱弟, 褚建新, 兰熙, 张帅, 闫石, 张兵 申请人:上海海事大学