减摇装置及船舶的制作方法

本发明涉及减摇装置，尤其是抑制船舶摇摆的减摇装置或搭载有该减摇装置的船舶。

背景技术：

已知存在抑制船舶摇摆的减摇装置。

作为相关技术，专利文献1记载的是用于得到最佳阻尼效果的减摇装置。在专利文献1记载的减摇装置中，作为使常平架的旋转运动衰减的机构，使用的是弹簧或制动器。另外，在专利文献1记载的减摇装置中，在整个常平架的重心和常平架的旋转轴之间存在规定的距离(偏差)。而且，通过调节该距离(偏差)，调节相当于弹簧常数的参数。

另外，专利文献2记载的是摇摆阻尼装置。在专利文献2记载的阻尼装置中，利用角速度传感器检测常平架的角速度。控制器根据常平架的角速度控制向电磁制动器提供的励磁电流。通过对该励磁电流的控制，控制常平架的角速度。

另外，专利文献3记载有减摇装置。在专利文献3记载的减摇装置中，作为使常平架的旋转运动衰减的机构，使用油阻尼器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平10－246636号公报

专利文献2：特开平7－127685号公报

专利文献3：特开2003－54491号公报

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种具备被动式阻尼器的减摇装置，即使在减摇对象物的摇摆角速度小的情况下，也能够使该摇摆良好地衰减。

本发明的上述目的、其他目的及有益效果，通过下面的说明和附图能够容易地确认。

一些实施方式的减摇装置具备：基座，固定于减摇对象物；常平架，可绕第一轴旋转自如地被所述基座支承；阻尼机构，使所述常平架相对于所述基座的相对旋转运动衰减；飞轮，构成所述常平架的一部分，可绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转自如；电动机，使所述飞轮旋转。所述阻尼机构为被动式阻尼机构。所述常平架的角速度为第一角速度时的所述阻尼机构的阻尼系数的第一值比所述常平架的所述角速度为小于所述第一角速度的第二角速度时的所述阻尼机构的所述阻尼系数的第二值大。

根据本发明，能够提供一种具备被动式阻尼器的减摇装置，即使在减摇对象物的摇摆角速度小的情况下，也能够使该摇摆良好地衰减。

附图说明

为了有助于实施方式的说明，在本说明书中编入附图。此外，对于附图，不应理解成将本发明限定在图示例及说明例中。

图1是示意地表示一些实施方式的船舶的立体图。

图2是示意地表示一些实施方式的减摇装置的主视图。

图3是一些实施方式的减摇装置的概略剖面图。

图4涉及比较例的线性阻尼器，是表示常平架的角速度与阻尼器输出转矩之间的关系的函数曲线图。

图5涉及一些实施方式的非线性阻尼器，是表示常平架的角速度与阻尼器输出转矩之间的关系的函数曲线图。

图6是图3的k－k向剖面图。

图7a是比较例的节流部的纵剖面图。

图7b是一些实施方式的节流部的纵剖面图。

图7c是一些实施方式的节流部的纵剖面图。

图7d是示意地表示搭载有一些实施方式的非线性阻尼器的减摇装置的减摇效果和搭载有比较例的线性阻尼器的减摇装置的减摇效果的曲线图。

图8涉及一些实施方式的非线性阻尼器，是表示常平架的角速度与阻尼器输出转矩之间的关系的函数曲线图。

具体实施方式

在下面的详细说明中，为了全面理解实施方式，出于说明的目的而公开了许多详细的特定事项。但是，一个或多个实施方式很显然没有这些详细的特定事项就可执行。下面，参照附图对一些实施方式的减摇装置进行说明。在下面的说明中，对减摇对象物为船舶时的例子进行说明。但是，减摇对象物例如也可以是由支承部件摇摆自如地支承的缆车。

(坐标系的定义)

参照图1进行坐标系的定义。将船舶1(减摇对象物)的一个摇摆轴定义为“x轴”。在图1所示的例子中，x轴是横摇轴，即，平行于船舶的长度方向的轴。将构成减摇装置10的常平架的旋转轴定义为“y轴”。y轴相对于x轴垂直。在图1所示的例子中，y轴是平行于船宽方向的轴。将垂直于x轴及y轴的轴定义为“z轴”。

(术语的定义)

在本说明书中，“主动式”是指使用角速度传感器等状态量测定传感器和运算装置对控制对象进行控制的形式。例如，在专利文献2中，使用角速度传感器(状态量测定传感器)和电磁制动器控制器(运算装置)，进行对励磁电流(控制对象)的控制。因而，专利文献2的“电磁制动器”可以说是“主动式电磁制动器”。另一方面，在本说明书中，“被动式”是指主动式以外的形式。在“被动式”中，不需要“状态量测定传感器”和“运算装置”中的至少一方(典型的是双方)。“被动式阻尼机构”例如包括：不通过来自运算装置(控制装置)的控制信号控制阻尼特性的形式的阻尼机构、不使用运算装置而是机械地自动进行阻尼特性控制的形式的阻尼机构。

在本说明书中，“旋转”包含绕规定轴的“摇摆”。

接着，参照图1至图8，对一些实施方式的减摇装置进行说明。

图1是示意地表示船舶1的立体图。实施方式中的减摇装置10设置于作为减摇对象物的船舶1，与电源装置3电连接。电源装置3向减摇装置10提供电力。减摇装置10利用从电源装置3提供的电力驱动后述的电动机等。

图2是示意地表示减摇装置10的主视图。即，图2是沿着从图1的x轴正侧朝向负侧的方向观察减摇装置10时的减摇装置10的主视图。减摇装置10具备固定于船舶1的底板的基座20。基座20例如具备：具备螺栓孔等的安装配件22、支架24、框架26等。在图2所示的例子中，为了覆盖后述的常平架等，在框架26上安装有罩部件28。另外，在图2所示的例子中，以阻尼机构30的至少局部从框架26及罩部件28露出的方式配置有阻尼机构30。但也可以是，整个阻尼机构30都配置于框架26或罩部件28的内侧。

图3是减摇装置10的概略剖面图(yz平面的剖面图)。此外，在图3中未明确显示x轴，但x轴穿过后述的第一轴ra和第二轴rb的交点。除具备基座20及阻尼机构30以外，减摇装置10还具备常平架40、飞轮50、电动机60。

常平架40由基座20旋转自如地支承。更具体地说，常平架40以相对于基座20可绕常平架的旋转轴(即，第一轴ra)相对旋转自如的方式被支承于基座20。在图3所示的例子中，第一轴ra与y轴一致。常平架40相对于基座20的相对旋转通过在常平架40和基座20之间配置多个第一轴承42来实现。

常平架40包含飞轮50。换句话说，飞轮50构成常平架40的一部分。飞轮50以相对于常平架40的框体41可绕垂直于第一轴ra的第二轴rb相对旋转自如的方式支承于框体41。飞轮50相对于框体41的相对旋转通过在常平架40的框体41和飞轮50之间配置多个第二轴承44来实现。

电动机60对飞轮50施加绕第二轴rb的旋转力。电动机60具备定子62和转子64。定子62固定于常平架40的框体41。定子62具备铁芯部62a，该铁芯部62a具备绕组，从上述的电源装置3向绕组提供电力。在图3所示的例子中，转子64固定于飞轮50。基于向电动机60提供的电力，飞轮50相对于常平架40的框体41进行相对旋转。飞轮50的旋转例如是角速度的大小为恒定的等角速度旋转。

阻尼机构30具有使绕常平架40的第一轴ra(即，y轴)的角速度衰减的功能(在此，若设常平架40绕y轴的旋转角为θy，角速度则为dθy/dt)。在以下说明中，“角速度(包含摇摆角速度)”简称为“角速度”。阻尼机构30对基座20和常平架40之间的相对旋转运动赋予阻力。在一些实施方式中，阻尼机构30的阻尼系数随着基座20和常平架之间的相对旋转速度的增大而增大(详细内容后面进行描述)。此外，在阻尼系数大时，对基座20和常平架40之间的相对旋转运动的阻力比阻尼系数小时更大。

在图3所示的例子中，常平架40的轴部件46和阻尼机构30的移动部件(例如，后述的隔离部件39)机械连接。另外，基座20和阻尼机构30的固定部件(例如，后述的壳体32)机械连接。而且，对阻尼机构30的移动部件(隔离部件39)和阻尼机构30的固定部件(壳体32)之间的相对移动赋予阻力。详细内容后面进行描述。

(发明人的认知事项)

接着，对发明人的认知事项进行说明。首先，对常平架40绕y轴的运动方程进行考察。在将船舶1绕x轴的摇摆角(旋转角)定义为φx，将船舶1绕x轴的角速度定义为dφx/dt，并将常平架40绕y轴的旋转角定义为θy，将常平架40绕y轴的角速度定义为dθy/dt时，绕y轴的运动方程如下式(1)所示。此外，式(1)的左边第二项是阻尼机构30的输出转矩td(阻尼机构30赋予常平架40的转矩)。

[式1]

在此，

ig是常平架40绕y轴的惯性力矩；

d是阻尼机构30的阻尼系数；

m是常平架40的质量与飞轮50的质量之和；

g是重力加速度；

ε是常平架40的重心与常平架旋转轴(即，第一轴ra)之间的距离(在常平架的重心位于常平架旋转轴的下方时，ε为正值)；

h是飞轮50的绕第二轴rb的角动量。

在式(1)中，如果将左边的第一项作为微小量而忽略，θy＝0弧度(rad)时的平衡如下式(2)所示。

[式2]

接着，对常平架40的输出转矩进行考察。减摇装置10将船舶绕x轴的摇摆转换为常平架40绕y轴的角速度，将常平架40绕y轴的角速度转换为降低船舶绕x轴的摇摆的转矩(输出转矩)。如果将常平架40的输出转矩(绕x轴的输出转矩)定义为t，则输出转矩t如下式(3)所示。

[数3]

将式(2)代入式(3)，得到下式(4)。

[数4]

此外，在减摇装置10为减横摇装置(arg：anitrollinggyro)的情况下，式(4)的输出转矩t为arg输出转矩。

参照式(4)可知，阻尼机构30的阻尼系数d越小，常平架40绕y轴的输出转矩t越大。由此可知，若要加大减摇装置10的输出转矩t(降低摇摆的转矩)，减小阻尼机构30的阻尼系数d即可。

但是，从设计方面考虑，阻尼系数d难以不受限制地减小。下面，参照图4进一步进行详细说明。图4涉及线性阻尼器，是表示常平架的角速度dθy/dt(弧度/秒)和阻尼器输出转矩td之间的关系的函数td＝f(dθy/dt)的曲线图。需要说明的是，线性阻尼器是指阻尼系数d恒定而不依赖于常平架的角速度的阻尼器。在此，阻尼系数d的大小对应于图4所示的函数f的斜率。

从设计方面考虑，常平架的角速度dθy/dt的最大值a(在图4所示的例子中，3.0弧度/秒)要考虑与在浪高大时假定的船舶绕x轴的最大摇摆角速度相对应的阻尼器输出转矩值b来确定。然后，考虑最大值a和阻尼器输出转矩值b之间的关系，确定阻尼系数d(函数f的斜率)。因此，不能无限制地减小阻尼系数d。特别是在图4所示的例子中，因为阻尼系数d(函数f的斜率)为恒定，所以浪高小时的常平架的角速度值e＝dθy/dt被限制为小值。其结果是，在浪高小时，不能加大减摇装置10的输出转矩t(参照式(3))。例如，在通常的游轮中，在浪高小时不能加大减摇装置10的输出转矩t(降低摇摆的转矩)，所以在浪高小的平常时，有乘客会感到不适。

因此，发明人考虑使用非线性阻尼器(阻尼系数d依赖于常平架的角速度而变化的阻尼器)作为阻尼机构30。

图5涉及非线性阻尼器的一个例子，是表示常平架的角速度dθy/dt(弧度/秒)和阻尼器输出转矩td之间的关系的函数f’的曲线图。与图4所示的例子同样，考虑常平架的角速度dθy/dt的最大值a(在图5所示的例子中，3.0弧度/秒)和与浪高大时假定的船舶绕x轴的最大摇摆角速度相对应的阻尼器输出转矩值b来确定常平架的角速度为最大值a时的阻尼器的阻尼系数d。在图5所示的例子中，常平架的角速度为第一角速度(例如，最大值a)时的阻尼系数d的值d1(点g处的函数f’的斜率)比常平架的角速度为小于第一角速度的第二角速度(例如，第二角速度的值e’＝1.8)时的阻尼系数d的值d2(点h处的函数f’的斜率)大。因此，浪高小时的常平架的角速度值e’＝dθy/dt＝1.8成为比图4的示例中的常平架的角速度值e＝1.2更大的值。其结果是，在浪高小时，能够加大减摇装置10的输出转矩t(参照式(3))。

例如，在通常的游轮中，通过在浪高小时加大减摇装置10的输出转矩t(降低摇摆的转矩)，提高浪高小的平常时的乘客的舒适性。因而，可得到图5所示的阻尼特性，是优选的。

此外，在图5所示的例子中，常平架的角速度为第一角速度时的阻尼系数d的值d1(点g处的函数f’的斜率)比常平架的角速度为小于第一角速度的第二角速度时的阻尼系数d的值d2(点h处的函数f’的斜率)的1.0倍更大。例如，常平架的角速度为第一角速度时的阻尼系数d的值d1可以是常平架的角速度为小于第一角速度的第二角速度时的阻尼系数d的值d2的1.1倍以上、1.5倍以上、或1.8倍以上。此外，d1/d2值的最大值任意(例如，d1/d2值的最大值可以是10以下的任意值)。

作为一个例子，在设第一角速度为常平架的设计上的容许最大角速度，且设第二角速度为该容许最大角速度的3/5时，如果第一角速度时的阻尼系数d的值d1比第二角速度时的阻尼系数d的值d2的1.0倍大，则浪高小的平常时的减摇效果比使用线性阻尼器时的减摇效果大。在设第一角速度为常平架的设计上的容许最大角速度，且设第二角速度为该容许最大角速度的3/5时，如果第一角速度时的阻尼系数d的值d1为第二角速度时的阻尼系数d的值d2的1.1倍以上、1.5倍以上、或1.8倍以上，浪高小的平常时的减摇效果比使用线性阻尼器时的减摇效果显著得大。

作为替代例也可以是，在诸如函数f’可通过二次函数近似的情况下，例如，常平架的角速度(从规定的第二角速度起)达到5/3倍时的阻尼系数d的值成为大于规定的第二角速度时的阻尼系数值的1.0倍的值、1.1倍以上、1.5倍以上、或1.8倍以上。

(阻尼器的结构)

接着，对用于得到图5所示的阻尼特性的阻尼机构30的结构进行考察。作为一个例子，假定阻尼机构30包含液体阻尼器(例如，油阻尼器)的情况。图6是图3的k－k向剖面图。阻尼机构30具备：壳体32、隔离部件39(例如，隔离壁)、第一液体室33、第二液体室34、流路35。

在图3及图6所示的例子中，壳体32是不能相对于基座20进行相对移动的固定部件。另外，隔离部件39是可相对于基座20进行相对移动的移动部件。在图3及图6所示的例子中，壳体32固定于基座20，隔离部件39固定于常平架40。

壳体32的内部空间由隔离部件39划分为第一液体室33和第二液体室34。在第一液体室33及第二液体室34内收纳有液体(例如，油)。隔离部件39配置于第一液体室33和第二液体室34之间，相对于壳体32能够相对旋转自如。此外，隔离部件39的旋转轴与图3的第一轴ra同轴。

流路35将第一液体室33和第二液体室34连结。在图6所示的例子中，流路35形成于壳体32。作为替代方案，流路35也可以形成于隔离部件39。在图6所示的例子中，当隔离部件39向r向旋转时，第二液体室34内的一部分液体就经由流路35移动到第一液体室33。另一方面，当隔离部件39向与r向相反的方向旋转时，第一液体室33内的一部分液体就经由流路35移动到第二液体室34。依靠在流路35内流动的液体的粘性和流路35的小的截面积，阻尼机构30起到液体阻尼器的作用。

在图6所示的例子中，在流路35设有节流部36。在图6所示的例子中，节流部36的数量为1个，但作为替代方案，节流部的数量也可以为2个以上。在节流部36设有流路截面积比流路35的其他部分小的部分，即，设有窄路部37。此外，流路截面积是垂直于流路35的长度方向的流路截面积。此外，在流路35为弯曲流路的情况下，流路的长度方向是指在流路的各位置处的流路切线方向。窄路部37例如通过向流路35突出的环状突出部38来规定。此外，在流路35的截面为圆形的情况下，环状突出部38为圆环状的突出部，在流路35的截面为矩形的情况下，环状突出部38为矩形框状的突出部。节流部36的材质，特别是突出部38的材质例如为金属。

图7a至图7c是图6的节流部36的放大图。图7a至图7c所示的节流部36为固定式节流部。在固定式节流部，不存在通过控制装置的控制进行移动的部件或部分，即，不存在通过控制装置的控制而相对于设置有节流部的部件(例如，壳体32)进行移动的部件或部分。

图7a表示的是比较例的节流部36。在图7a所示的例子中，窄路部37a的流路截面积恒定。而且，在窄路部37a流动的液体流量q与第一液体室33的液压和第二液体室34的液压之间的压差p成比例(q＝ap，a为常数)。因此，液体阻尼器是线性阻尼器，不呈现图5所示的阻尼特性。

在图7b所示的例子中，窄路部37b的流路截面积沿着流路35的长度方向而连续变化。更具体地说，突出部38的第一端部(第一液体室33侧的端部)具备第一倾斜面38－1，突出部38的第二端部(第二液体室侧的端部)具备第二倾斜面38－2。第一倾斜面38－1形成为流路截面积随着朝向第二端部而减小，第二倾斜面38－2形成为流路截面积随着朝向第一端部而减小。另外，在图7b所示的例子中，在垂直于流路35的长度方向的流路截面积成为最小的部分，设有环状的边缘部38b。而且，在窄路部37b流动的液体的流量q与第一液体室33的液压和第二液体室34之间的液压压差p的平方根大致成比例(q²＝bp，b为常数)。因此，液体阻尼器是非线性阻尼器，呈现图5所示的阻尼特性。

在图7c所示的例子中，窄路部37c的流路截面积至少在窄路部37c的第一端部37ca和第二端部37cb沿着流路35的长度方向连续变化。此外，在图7c所示的例子中，突出部38(或窄路部)的形状为相对于中央对称面pl对称的形状。图7c所示的例子中的窄路部37c可起到图7a所示的例子的窄路部37a所起的作用和图7b所示的例子的窄路部37b所起的作用的中间作用。因此，液体阻尼器是非线性阻尼器，呈现图5所示的阻尼特性。

因此，搭载有图7b或图7c所示的阻尼机构30(非线性阻尼器)的减摇装置10，即使在作为减摇对象物的船舶1的摇摆角速度(例如，绕x轴的摇摆角速度)小的情况下，也能够使该摇摆良好地衰减。此外，图7d是示意地表示搭载有实施方式的非线性阻尼器的减摇装置10的减摇效果和搭载有比较例的线性阻尼器的减摇装置的减摇效果的曲线图。如果参照图7d可知，搭载有实施方式的非线性阻尼器的减摇装置10在低浪高区域的减摇效果更大。

此外，具有图7b或图7c所示的节流部36的非线性阻尼器的特性不易受到收纳于第一液体室33及第二液体室34的液体(油)粘性的影响。因此，阻尼器输出转矩因阻尼器的温度变化或阻尼器周围的温度变化而发生的波动较小。因而，能够得到对于船舶的摇摆角速度(输入)稳定的常平架角速度(dθy/dt)。即，在图7b或图7c所示的例子中，阻尼系数不会因阻尼器的温度上升(油的粘性下降)而过度减小。其结果是，可抑制因阻尼系数过度减小而发生常平架的角速度超过限制值的情况，减摇装置10不会受损。

此外，代替图5记载的阻尼特性，阻尼机构30也可以呈现图8所示的阻尼特性。在图8所示的例子中，同样地，常平架40的角速度为第一角速度(例如，最大值a)时的阻尼系数d的值d1(点g处的函数f”的斜率)比常平架40的角速度为小于第一角速度的第二角速度时的阻尼系数d的值d2(点h处的函数f’的斜率)大。因此，浪高小时的常平架的角速度的值e’＝dθy/dt＝1.8成为比图4所示的例子中的常平架的角速度的值e更大的值。其结果是，在浪高小时，能够加大减摇装置10的输出转矩(参照式(3))。

图5所示的阻尼特性和图8记载的阻尼特性在阻尼系数d的值(函数f’的斜率或函数f”的斜率)随着常平架的角速度增大而(广义地)单调增大这一点上相同。这里，“广义地”的意思是也可以包含常平架的阻尼系数d的值相对于常平架的角速度的增大为恒定的部分(函数f”的斜率为恒定的部分)。

此外，图8记载的阻尼特性例如可通过采用机械调节的节流部(可动式节流部)来实现，机械调节根据第一液体室33的液压和第二液体室34的液压之间的压差p的大小进行，以使窄路部37的最小截面积阶段性地(至少以两阶段)变化。因为这种机构可由本领域技术人员容易实现，所以省略详细说明。作为替代方案或者追加方案，也可以具备能够阶段性地(至少以两阶段)改变阻尼器的阻尼系数d的手动输入装置。

此外，为了实现如图5或图8所示的阻尼特性，也考虑使用检测船舶的摇摆角速度的传感器和输入来自传感器的信号并输出变更阻尼特性的控制信号的运算装置，从而主动地控制阻尼特性。在本说明书中，这种形式的阻尼机构被定义为主动式阻尼机构。主动式阻尼机构存在构成控制机构的构成零件数量多的问题。另外，在采用主动式阻尼机构的情况下，如果发生故障，减摇装置有可能会振荡。进而，因为控制机构利用的是电信号的输入或输出等，所以要求具有较高的防水特性。相比之下，因为一些实施方式的阻尼机构都是被动式阻尼机构(主动式以外的阻尼机构)，所以即使在发生了故障的情况下，减摇装置也不会振荡。另外，因为实施方式的被动式阻尼机构无需电运算装置(控制装置)就能够实现，所以从耐水性方面是优选的。

本发明不限于上述各实施方式，很显然在本发明的技术构思的范围内，各实施方式都可适当变形或变更。另外，各实施方式或变形例所用到的各种技术，只要不产生技术矛盾，也可应用于其他实施方式或变形例。

本申请要求具有以2015年7月7日申请的日本国专利申请第2015－136531号为基础的优先权，通过引用而将该基础申请公开的全部内容都编入本申请中。