一种攻角可控的液压驱动式减纵摇T型水翼的制作方法

本发明属于船舶减摇附体装置领域，具体涉及一种攻角可控的液压驱动式减纵摇t型水翼。

背景技术：

船舶在海上航行时，由于风、浪等海洋环境的干扰，船体会发生纵摇和垂荡，这种负面影响对于广泛应用的高速双体船尤为突出。为了抑制这种不良扰动，通常在船体上加装减摇附体，t型水翼就是一种常见的减纵摇附体装置。它的减摇原理是使流体通过上下翼面的流速不同而生成压力差，从而产生抵抗风浪干扰的纵向力矩。t型水翼在流体中的升力可表示为：

其中：l为水翼升力，ρ为流体密度，v为流体相对于水翼的流速，s为水翼面积，cl为无因次升力系数(当水翼的攻角α较小时，cl与α呈线性关系)。所以，在船舶的航速和所处海洋环境一定时，只有水翼的面积s值或攻角α值发生变化，t型水翼产生的扶正力矩才会改变。在船舶工程的实际应用中，基于实用性和工程造价的考虑，一般采用改变水翼攻角α值的设计方案。

由于海洋环境扰动的随机性和船体自身的振荡特性，船体在不同情况下所需要的纵摇、垂荡扶正力矩并不相同。为了取得良好的减摇效果，保证船舶的安全性、稳定性和适航性。就需要根据船体的纵摇角度、纵摇角速度、升沉位移、升沉速度等实际航行姿态和航速，适时地驱动t型水翼以产生期望的纵摇和升沉扶正力矩。即：要求水翼可以实现自动控制，以保持舰体航态的平衡。

现有的自控式水翼装置可分为三大类型：机械式、通气式和电液式。机械式自控水翼(如：“稳定浮子”装置、savitsky支柱翼装置等)通过一定的机械结构，根据水翼距水面的深浅调整水翼的攻角，以获取期望升力。该类型水翼机械结构简单、制造成本低，但产生升力有限、控制效果并不理想，只适用于小型舰艇；通气式自控水翼，其原理是在水翼上部的边缘加装通气孔，通过调节通气孔的供气气压来控制水翼产生升力。该类型水翼的供气系统能耗较高，但机械结构相对简单、可靠性强，适用于大型船舶；电液式自控水翼，由传感器、控制器和电液伺服系统组成。电液伺服系统可以提供稳定可靠的较大驱动力，配以高性能控制器、传感器，可以获得较为理想的减摇效果。该类型水翼对电子技术、机械制造工艺要求较高，但可控性好、稳定性高，适合高性能船舶的实际应用。随着电子技术迅猛的发展和机械制造工艺的不断提高，该类型水翼的发展前景令人期待。

然而，要使水翼具有可变的攻角α，且通过在水翼中安装精密的传感器以检测其姿态，需要设计者重点考虑以下四方面的问题：一是在高速航行时，水翼翼首处发生的空泡会导致水翼流体动力特性的恶化；二是高精密的传感器对工作环境要求苛刻，水翼需要达到极高标准的密封、防潮和防振等级；三是水翼的结构需要保障传感器供电、传输线路的安全、稳定；四是水翼的结构较为复杂，整体性较差，设计、制造的成本较高且维修困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有较高稳定性、可靠性和实用性的攻角可控的液压驱动式减纵摇t型水翼。

本发明的目的是这样实现的，一种攻角可控的液压驱动式减纵摇t型水翼包括：翼体、机械传动部件和液压传感装置三个部分，翼体包括：柱翼、水平固定翼和襟尾翼，柱翼上端通过连接板安装在船体艏部龙骨下方，柱翼下端与水平固定翼垂直焊接，左右两个襟尾翼通过转轴对称地内嵌在水平固定翼中且可同步摆动，襟尾翼与水平固定翼之间留有摆动间隙；机械传动部件包括：转轴、液压缸接口、支臂、销轴和液压缸活塞杆，液压缸接口上端连接液压缸活塞杆，液压缸接口下端通过销轴与支臂铰链连接，支臂上端开有销轴的滑孔，下端与襟尾翼和转轴刚性连接；液压传感装置包括位置磁环、测量杆、传感器头，位置磁环和测量杆安装在密闭的液压缸缸体中。

所述t型水翼采用液压缸驱动，液压缸通过连接板及基座固定在船体艏部龙骨处，襟尾翼由液压缸活塞杆经机械传动部件驱动，襟尾翼偏转角范围为±15°。

所述t型水翼的水平固定翼的翼展比为2.5。

所述t型水翼的柱翼和水平固定翼为空体结构，襟尾翼为全封闭空体结构，在水平固定翼的翼展方向对称地布置两组纵向加强筋，在中间两个加强筋之间的前后缘各布置一个横向加强筋。

所述t型水翼在转轴与水平固定翼接触的位置安装防水胶圈。

所述t型水翼的襟尾翼和支臂的固连夹角为145°。

本发明能对水翼攻角进行较为精确的控制，在保障水翼控制精度的同时，相比在翼体中直接安装精密传感器以监测其偏转姿态信息的技术方案，优化了水翼的结构，增强了水翼的稳定性、可靠性和实用性，极大地降低了水翼的制造、维修难度，大幅减少设计、制造和维修成本。而且该t型水翼可以与其它减摇附体联合使用，再配以伺服阀、高精度陀螺、高性能控制器及灵活高效的控制算法组成联合减摇系统，可以使船舶的减摇效果得到极大提升。

附图说明

图1为t型水翼的实船安装位置示意图；

图2为t型水翼的整体示意图；

图3为t型水翼的侧剖图；

图4为位移传感器的安装示意图；

图5为水平固定翼与襟尾翼的俯视图；

图6为水平固定翼的加强筋分布示意图；

具体实施方式

所述整体技术方案为t型水翼由液压缸驱动，液压缸活塞杆的伸缩经机械传动部件转化为两个襟尾翼的同步偏转，因各机械传动部件尺寸、连接方式固定，活塞杆的伸缩量与襟尾翼偏转角α呈定量关系，在活塞杆上安装位移传感器以测量活塞杆的伸缩量，通过对活塞杆伸缩量的控制就可以实现对t型水翼攻角α的半闭环控制，从而获得预期的纵摇和升沉扶正力矩。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为t型水翼的实船安装位置示意图，图2为t型水翼的整体示意图。翼体主要包括：柱翼1、基座2、连接板3、水平固定翼4、襟尾翼5、转轴6和液压缸接口7及机械传动部件。具体连接形式：柱翼1上端通过连接板3安装在船体艏部12龙骨下方，下端与水平固定翼4垂直焊接，使水翼拥有良好的结构刚度和整体性，同时也保障了翼体的水密性；柱翼1为空体结构，且由耐腐蚀材料构成；柱翼1对水平固定翼4和内部的机械传动部件起支撑和保护作用，液压缸接口7在柱翼1中；两个襟尾翼5通过转轴6对称地内嵌在水平固定翼4中，并在两侧留有很小的间隙，便于襟尾翼5摆动。采用内嵌可摆动襟尾翼的模式，可以有效地避免：在高速航行状态下，水翼翼首处发生的空泡现象所引起的水翼流体动力特性的恶化；水平固定翼增大了船舶纵向运动阻尼，优化了船舶的纵向稳定性，同时也弱化了兴波阻力对襟尾翼摆动的影响；水平固定翼与柱翼焊接，增加了t型水翼的整体结构强度。

图3为t型水翼的侧剖图。机械传动部件主要包括：转轴6、液压缸接口7、支臂8、销轴9和液压缸活塞杆10、固定螺孔11、船体艏部12。具体连接形式：液压缸是t型水翼的动力部件，液压缸通过基座2和连接板3经固定螺孔11螺栓固定于船体艏部12上；液压缸接口7上端连接液压缸活塞杆10，下端通过销轴9与支臂8铰链连接；支臂8上端开有销轴9的滑孔，下端与襟尾翼5和转轴6刚性连接；襟尾翼5和支臂8的固连夹角为145°，该夹角可以降低驱动襟尾翼所需的活塞杆伸缩量。当液压缸活塞杆10在竖直方向有伸缩时，就会通过支臂8和转轴6带动襟尾翼5转动，同时，支臂8会根据活塞杆的伸缩量通过上端的滑孔，调节其有效长度以匹配活塞杆与转轴之间的距离。由于各机械传动部件尺寸、连接方式固定，因此可以确定活塞杆的伸缩量与襟尾翼偏转角度之间的定量关系。这样就可以通过对活塞杆伸缩量的控制完成对襟尾翼偏转角度的控制。因为当水翼的攻角α较小时，cl与α呈线性关系，为保证线性关系，襟尾翼偏转角范围为±15°。

图4为位移传感器的安装示意图。位移传感器主要包括：位置磁环14、测量杆15、六角法兰16、传感器头17。具体连接形式：位置磁环14通过测量杆15放置在液压缸活塞杆10指定位置中，具体说是：液压缸活塞杆10端部设置有凹槽，位置磁环14位于所述凹槽中，且位置磁环14套在测量杆15上。测量杆15通过六角法兰16螺栓固定在液压缸缸体13上。液压缸缸体包括缸筒和端盖。当活塞杆10做伸缩运动时，会使位置磁环14在测量杆15上的位置发生变化，因而产生了磁场信号，传感器头17可以将位置磁环因活塞杆伸缩产生的磁场信号转化为电信号。液压缸可以为水翼提供稳定可靠的大驱动力，液压缸缸体具备良好的密封性，由于位移传感器是直接安装在密闭的液压缸缸体中，因而便于传感器的安装、校准和维修，且避免了外置传感器带来的漏电风险，提高了系统的稳定性、整体性和可靠性。采用通过对活塞杆伸缩量检测与反馈以获取襟尾翼偏转姿态信息的技术方案，避免了在襟尾翼中直接安装传感器以测量其姿态信息所带来的复杂的水翼结构和高昂的造价等不利因素。该技术方案在工程应用上有较好的可操作性。

图5为水平固定翼与襟尾翼的俯视图。通过转轴6在水平固定翼4中对称地内嵌两个襟尾翼5；襟尾翼5和水平固定翼4之间留有一定间隙，以便襟尾翼灵活调节。所述翼体的结构特征：水平固定翼4和襟尾翼5的翼体由耐腐蚀材料构成，襟尾翼5为全封闭空体结构。所述翼体密封特征：在转轴6接触的位置安装防水胶圈18(不同位置略有不同，以18-1和18-2区分)，增强水平固定翼的密封性，避免因海水内漏到翼体中而增大水翼的转动惯量。

图6为水平固定翼的加强筋分布示意图。加强筋主要包括：纵向加强筋19和水平加强筋20-1、20-2。所述水翼采用空体结构并进行纵向加强。连接方式：在水平固定翼的翼展方向对称地布置两组加强筋19，同时在中间两个加强筋之间的前后缘各布置一个横向加强筋20-1、20-2，前后略有不同。由两组对称的纵向加强筋19和横向加强筋20-1、20-2组成整个水平固定翼的框架，采用耐腐蚀材料作为翼面，使翼体为空体结构，以保障水翼结构的强度能适应一定程度较为恶劣的海洋环境，同时减轻液压系统的供油压力和流量的负载。

本发明是针对高性能双体船设计的一种减纵摇t型水翼，能对其攻角α进行较为精确的控制。水翼自动控制的实质是：通过位移传感器监测液压缸活塞杆的伸缩量，实现对伸缩量的闭环控制，由于机械传动部件将活塞杆的伸缩量定量地转化为襟尾翼的偏转角，最终实现对襟尾翼偏转角的半闭环控制。本发明相比在翼体中直接安装精密传感器以监测其偏转姿态信息的技术方案，优化了水翼的结构，增强了水翼的稳定性和可靠性，同时获得了实现较为理想的控制效果，大幅减少设计、制造和维修成本。另外，本发明的兼容性较强，可以和其它减摇装置联合使用组成联合减摇控制系统，应用前景令人期待。