一种中大型船舶防撞气囊的动态展开装置

1.本发明涉及一种中大型船舶防撞气囊的动态展开装置，属于船舶防护技术领域。


背景技术：

2.随着船舶运输业的发展，国际贸易交流愈加密切，以及对能源需求的日益强烈。船舶散货船、集装箱船、以及油船等能源运输船都在朝着更大的装载量设计建造。随着载重量以及体积的变大，以及贸易批次的增加，中大型船舶的破撞事故发生的频率就随之增加。船舶碰撞事故不仅会引起船舶损伤、经济损失、甚至还会造成环境污染和生命损失。因此船舶的防撞耐撞设计，是船舶行业的一个重点课题。小型船舶不仅在自身结构上有耐撞设计，对于外部的防撞装置也有成熟的发展，而对于伴随着巨大经济价值的中大型船舶一旦发生事故其损失更是比小型船舶碰撞事故产生的损失除了自身结构设计加强外，主动防撞装置的设计还远远不够；以及现存用于小型船舶的主动防撞装置不能直接用于中大型船舶。例如小型游艇上安装的环绕船体一周的防撞护舷，在中大型船舶如此大规模安装不太现实。而对于现有的充气防撞气囊，大多数设计其位置固定且用于小型船舶，防撞区域以及防撞效果有限，不能防护中大型船舶的大面积船体结构。综合上述种种要点，中大型船舶急需设计一种在有限体积下且能够防护船体较大区域的主动气囊防护装置；在具有碰撞危险时，能够迅速计算出碰撞区域，将气囊递送到预测区域，为该区域提供有效的气囊碰撞防护；该装置在无危险时，也能够收纳起来，在船舶上占据较小位置和体积。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对上述问题，提供一种中大型船舶防撞气囊的动态展开装置，适用于中、大型船舶，为了解决现有技术中存在的缺点，采用高压钢瓶作为气源，快速传动装置组合运作，在具有碰撞风险时，通过智能计算，将气囊快速运送到即将碰撞区域，并驱动高压气体使气囊膨胀开来，进而来为船舷侧即将碰撞区域提供缓冲和防护本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种中大型船舶防撞气囊的动态展开装置，用于船舶，包括框架、机械传动模块，所述框架内设有供气模块、电子控制模块、防撞气囊模块，所述防撞气囊模块包括气囊，气囊是一种不漏水、不漏气材质气囊，且能够承受足够的外部冲击而不破坏、不漏气。所述供气模块为气囊供气；所述机械传动模块将气囊快速递送到预测碰撞区域，抵抗外界碰撞；所述电子控制模块用于发送工作指令给机械传动模块将气囊被送到预定位置时，并且当气囊被运送完毕后立即发送充气指令给供气模块，迅速给气囊充气。
4.利用传动装置将可以快速充气膨胀的气囊递送到预测碰撞区域，抵抗外界碰撞，防护船舶舷侧结构，电子控制模块通过对从图像采集传感器和红外测距仪所获取的船舶航行水域风向、风速、浪高等环境信息和碰撞物的相对位置，相对速度，相对方位等信息数据采集处理，预测中大型船舶可能发生碰撞的区域，电子控制模块将获取的信息传递给机械传动模块，机械传动模块通过横向轨道和垂向传动将气囊快速递送到预定位置，并制动锁
死；气囊递送到预定位置后，供气模块中的高压钢瓶放开气阀，高压气囊通过管道进入并膨胀气囊各个气室。膨胀后的防撞气囊为碰撞区域提供防护，充分吸收碰撞产生的能量，为船舶碰撞区域提供防护。
5.优选的，所述供气模块位于框架内上层左侧位置，所述供气模块包括高压钢瓶、电动气密阀门、软质输气管、硬质输气通道，所述高压钢瓶通过软质输气管与电动气密阀门连接，所述硬质输气通道一端连接电动气密阀门，硬质输气通道另一端连接防撞气囊模块，为气囊充气。
6.优选的，所述高压钢瓶为四个，四个所述高压钢瓶以电动气密阀门为中心对称分布，所述电动气密阀门设有四个小气密接口和一个大气密接口，小气密接口通过软质输气管与高压钢瓶连接，大气密接口设置于电动气密阀门正下方连接硬质输气通道；所述硬质输气通道设置在框架一侧；软质输气管两端接口处、硬质输气通道两端接口处均设有橡胶气密垫圈。
7.框架内设置钢瓶支架，高压钢瓶放置在钢瓶支架上，钢瓶支架上设置衬垫，可以减少高压钢瓶晃动，提高安全性。采用硬质输气通道与软质输气管混用方式，可以方便高压钢瓶的更换，也保证充气效率。
8.优选的，所述电子控制模块位于框架内上层中间位置，所述电子控制模块包括图像采集传感器、红外测距仪、中央处理器和若干导线，导线连接机械传动模块，所述图像采集传感器用于收集并辨别出周围潜在的碰撞物以及船舶所在水域附近的海况信息，所述红外测距仪配合图像采集传感器将环境信息（波浪流向、流速、波浪高度等）和障碍物信息（相对方位、相对速度、相对高度差等）发送给中央处理器，中央处理器先初步计算预测即将碰撞的位置点，再加上环境因素将碰撞点扩大成预测碰撞区域，最后将预测区域转换成横向以及垂向运动数据传递给机械传动模块，横向轨道配合垂向传动装置将气囊拉出框架，递送到中央处理器给定的位置后，垂向横向全部刹车卡死固定，防止在遭受撞击时，气囊发生滑移，待气囊被运送到预定位置时，立即发送充气指令给供气模块，给气囊充气。
9.优选的，所述防撞气囊模块位于框架下层，所述防撞气囊模块还包括气密轴、滚动轴，所述气密轴为一端开口的内部中空结构，所述气密轴沿其长度方向设有若干出气孔，所述气囊上方设有若干充气通道并与气囊贯通，出气孔与充气通道连接贯通，气囊卷在气密轴上；所述气密轴开口一端转动连接供气模块并贯通，供气模块将高压气体通过气密轴输入气囊内，使气囊充气膨胀，气密轴另一端转动连接框架一侧，所述气囊下方设有轻质硬杆，所述滚动轴转动设置在框架内，所述滚动轴一端穿出框架一侧并与机械传动模块传动连接，机械传动模块带动滚动轴转动，所述轻质硬杆与滚动轴传动连接，滚动轴转动带动轻质硬杆向下牵引，使气囊快速展送到预测碰撞区域。
10.优选的，所述气密轴沿其长度方向设有三个出气孔，所述气囊包括九个安全气室，九个安全气室按照3
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3排布，有利于气囊快速膨胀，以及在遭受碰撞冲击时，安全气室内气体在多个气室内快速流动，迅速转移消散破坏船体结构的能量。每两个相邻的安全气室之间设有圆形气体通孔，气囊上部的三个安全气室分别设有充气孔，充气孔连接充气通道，所述充气通道呈漏斗型，充气通道的小口连接贯通出气孔，充气通道的大口连接贯通充气孔；所述气密轴两端分别设有轴承并做密封处理。
11.优选的，所述框架下方两侧均设有支撑板，所述支撑板上方设有第一滑轮组，第一
滑轮组包括大滑轮、两个小滑轮、第一滑轮组支架，所述第一滑轮组支架设置在支撑板一侧，第一滑轮组支架外侧设置大滑轮，第一滑轮组支架内侧设置两个小滑轮，所述支撑板下方设有第二滑轮组，第二滑轮组包括定滑轮和第二滑轮组支架，所述第二滑轮组支架设置在支撑板一侧，第二滑轮组支架上设置定滑轮，所述轻质硬杆两端分别设有尼龙绳，尼龙绳另一端连接滚动轴，尼龙绳缠绕第一滑轮组、第二滑轮组实现轻质硬杆与滚动轴传动连接。尼龙绳缠绕方式，尼龙绳一端系结在轻质硬杆上，穿过大滑轮，再通过第二滑轮组的定滑轮，最后穿过两个小滑轮，然后系结在滚动轴上。滚动轴转动时，尼龙绳往上运动，拉动卷在气密轴上的气囊，气囊往下移动直至达到垂向预测位置，可以使气囊位置不再固定，能够在垂向一定范围内移动，提供更大区域的防护，并且节约经济成本。
12.尼龙绳由抗拉、抗冲击、耐磨损、柔韧轻软等性能的合成纤维构成，且两端长度一样。由于在尼龙绳在快速拉动时候会发生明显的抖动以及也会与船体舷侧发生摩擦，不仅影响传动装置的工作效率，甚至由于长期摩擦，在工作使用时会产生绷断的风险。设置支撑板、滑轮组可以避免此现象发生。第一滑轮组的组合结构可以避免尼龙绳在快速运动与船体舷侧结构摩擦，提高安全性和保护舷侧结构。
13.优选的，所述轻质硬杆两端分别设有第一穿孔，所述滚动轴的两端分别设有第二穿孔，尼龙绳的一端穿过第一穿孔并系结，尼龙绳的另一端穿过第二穿孔并系结。尼龙绳的两端分别穿过第一穿孔、第二穿孔并系结，可以防止尼龙绳在滚动牵引时出现在滚动轴或轻质硬杆上打滑现象。
14.优选的，所述滚动轴穿出框架一侧的一端设有从动轮，所述从动轮上设有皮带，从动轮通过皮带传动连接机械传动模块。
15.优选的，所述机械传动模块包括横向传动装置和垂向传动装置，所述横向传动装置包括双轨道，所述双轨道的每个轨道端部均设有小型电动机，所述双轨道的每个轨道上均设有两块滑块，所述双轨道设置在船舶的舷侧，滑块上设置框架，小型电动机用于横向移动以及在到达预定的横向位置后具有紧急制动功能；所述垂向传动装置包括高速电机，高速电机位于框架上层右侧，高速电机的输出轴穿过框架一侧并设有主动轮，主动轮与防撞气囊模块传动连接。
16.小型电动机包含紧急制动和抱死装置，能为在扩大气囊的横向防护范围，并且能够在预测横向位置处抱死制动，增加防护，防止气囊移动脱离防护位置。
17.本发明具有以下有益效果：（1）本发明中气囊被卷在气密轴上，利用垂向传动装置使气囊展开，供气模块为气囊充气，气囊在未展开时能够收纳，空间紧凑，在船舶上占据较小位置和体积，解决现有在中大型安装环绕船体一周的防撞护舷不现实的问题，节约经济成本。
18.（2）本发明采用电机控制模块获取船舶周围环境信息和碰撞物信息，并将信息传递给机械传动模块和供气模块，机械传动模块通过横向和垂向传动装置将气囊快速递送到预定位置，并制动锁死，可以防止气囊在受到撞击时滑移，气囊到达预定位置后供气模块迅速给气囊充气，实现船舶舷侧结构的防护，实现一种气囊快速展开，能够根据计算出的碰撞区域，横向和垂向调整递送气囊，能够动态精准防护，现有的防护位置固定，解决了固定位置防护的局限性。
19.（3）本发明采用硬质输气通道与软质输气管混用方式，可以方便更换高压钢瓶，提
高充气效率；采用两种类型的滑轮组并采用先穿过大滑轮、再穿过第二滑轮组、最后穿过小滑轮的缠绕方式，可以避免尼龙绳在快速拉动时产生的抖动以及与船体舷侧发生摩擦，防止影响传动装置的工作效率，避免尼龙绳长时间摩擦绷断的风险。
附图说明
20.图1是本发明装置在舷侧示意图；图2是本发明的整体结构示意图主视图；图3是本发明的整体结构示意图侧视图；图4是本发明的上第一滑轮组处细节放大图；图5是本发明的第一滑轮组结构示意图；图6是本发明的第二滑轮组结构示意图；图7是本发明气囊展开示意图；图8是本发明气囊展开内部结构示意图；图9是本发明动态防撞流程图。
21.图中：1高压钢瓶、2框架、3软质输气管、4电动气密阀门、5中央处理器、6高速电机、7主动轮、8皮带、9气囊、10气密轴、11从动轮、12尼龙绳、13第二滑轮组、14滚动轴、15轻质硬杆、16第一滑轮组、17滑块、18小型电机、19硬质输气通道、20小滑轮、21大滑轮、22出气口、23充气通道、24红外测距仪、25双轨道、26支撑板、28船舶。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明进行进一步的说明。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.如图1-9所示，一种中大型船舶防撞气囊的动态展开装置，用于船舶28，包括框架2，所述框架2内上层从左往右依次设有供气模块、电子控制模块、高压电机6，框架2内下层设有防撞气囊模块，所述供气模块为气囊9供气；所述机械传动模块包括横向传动装置和垂向传动装置，机械传动模块将气囊9快速递送到预测碰撞区域，抵抗外界碰撞，保护船舶舷侧结构；电子控制模块通过对从图像采集传感器和红外测距仪24所获取的船舶航行水域风向、风速、浪高等环境信息和碰撞物的相对位置，相对速度，相对方位等信息数据采集处理，预测中大型船舶可能发生碰撞的区域，所述电子控制模块用于发送工作指令给机械传动模块，通过横向和垂向传动装置将气囊9送到预定位置，当气囊9被运送完毕后立即发送充气指令给供气模块，迅速给气囊9充气。
24.所述防撞气囊模块包括气囊9，气囊9是一种不漏水、不透气材质气囊，且能够承受足够的外部冲击而不破坏、不漏气；气囊9有九个安全气室，九个安全气室以3行3列并行排布，每两个相邻的安全气室之间设置圆形气体通孔，图5所示，安全气室相接触的一侧均设有圆形气体通孔，使高压气体迅速填充每个腔室，有利于气囊9的快速膨胀，以及在遭受碰撞冲击时，安全气室内气体在多个安全气室内快速流动，迅速转移消散破坏船体结构能量，提高防撞气囊囊体部分的耐撞性能。所述气囊9在未展开时预设在框架2内下层，框架2内下层设有气密轴10，气囊9被卷在气密轴10上。
25.所述气密轴10为左侧开口、内部为中空的结构，气密轴10沿其长度方向设有三个出气孔22，所述气囊9的上方三个安全气室分别设有充气孔，充气孔安装有充气通道23，所述充气通道23呈漏斗型，充气通道23的小口连接贯通出气孔22，并用气密垫圈和螺帽进行连接，螺母内缠上气密生料带增加连接处的气密性，充气通道23的大口连接贯通充气孔，漏斗型设计有利于高压气体的迅速充入九个气室。
26.所述气密轴10左端通过轴承与供气模块的硬质输气通道19转动连接并贯通，在轴承连接处做气密性处理，防止漏气，供气模块将高压气体从硬质输气通道19、气密轴10输入气囊9内，使气囊9充气膨胀；气密轴10另一端通过轴承转动连接框架2一侧，并做密封处理所述气囊9下方连接轻质硬杆15，方便拉出，轻质硬杆15由铝合金制成。
27.所述供气模块包括四个高压钢瓶1、电动气密阀门4、四根软质输气管3、硬质输气通道19；四个所述高压钢瓶1以电动气密阀门4为中心对称分布，所述电动气密阀门4设有四个小气密接口和一个大气密接口，每个气密接口处都设置橡胶气密垫圈，保证高压钢瓶输出的高压气体在连接端不产生泄露，保证充气效率和安全。在电动气密阀门4两侧对称分布的高压钢瓶1通过软质输气管3与电动气密阀门4的小气密接口连接，大气密接口设置在电动气密阀门4正下方，用于连接硬质输气通道19。
28.所述硬质输气通道19与软质输气管3不同，是形状固定的特定输气管道，固连焊接在框架一侧，硬质输气通道19一端连接电动气密阀门4正下方的大气密接口，硬质输气通道19的另一端通过轴承转动连接气密轴10开口一端，将高压气体从上层输送到下层气密轴10内。软质输气管3两端接口处、硬质输气通道19两端接口处均设有橡胶气密垫圈。
29.所述高压钢瓶1为标准40l二氧化碳钢瓶，四个高压钢瓶1设置在钢瓶支架中，钢瓶支架固定于框架2内，且钢瓶支架上设置有衬垫，减少高压钢瓶的晃动。采用软质输气管3和硬质输气通道19混用方式，既可以方便高压钢瓶的更换，也保证了充气效率。
30.所述垂向传动装置包括高速电机6，高速电机6位于框架2上层右侧，用螺栓固定在框架2底部，所述高速电机6的输出轴穿过框架2一侧并设有主动轮7，高速电机6通过导线与电子控制模块相连，用于传输电信号的导线被布置在框架底部，不仅排线美观，更为了设备拆卸的安全与便捷。该导线传输电机的启动和制动数据信号，高效的将预测位置转换为高速电机的运动数据信号。主动轮7通过皮带8传动连接下层框架中的滚动轴14上的从动轮11。
31.所述防撞气囊模块中的滚动轴14转动设置在框架2内，滚动轴14的两端通过轴承与框架2侧壁转动连接，所述滚动轴14的右侧穿出框架2一侧并设有从动轮11。滚动轴14用于缠绕绑定气囊的尼龙绳12，为防止尼龙绳在滚动牵引时出现在滚动轴上打滑的现象，在滚动轴14两端分别设有第二穿孔，尼龙绳12一端穿过第二穿孔并系结。尼龙绳由抗拉、抗冲击、耐磨损、柔韧轻软等性能的合成纤维构成，且两端长度一样。由于在尼龙绳在快速拉动时候会发生明显的抖动以及也会与船体舷侧发生摩擦，不仅影响传动装置的工作效率，甚至由于长期摩擦，在工作使用时会产生绷断的风险。因此，在框架2下方两侧均设有支撑板26，支撑板26一侧设有两种类型的滑轮组，将尼龙绳缠绕在滑轮组上，同时轻质硬杆15两端均设有第一通孔，尼龙绳12另一端穿过第一穿孔并系结。尼龙绳缠绕方式，尼龙绳系结在轻质硬杆上，穿过大滑轮，再通过第二滑轮组的定滑轮，最后穿过两个小滑轮，然后系结在滚动轴上。所述支撑板26上方设有第一滑轮组16，第一滑轮组16包括一个直径约5cm的大滑轮
21、两个直径约2cm的小滑轮20、第一滑轮组支架，所述第一滑轮组支架设置在支撑板26一侧，第一滑轮组支架外侧设置大滑轮21，第一滑轮组支架内侧设置两个小滑轮20，这样组合的第一滑轮组可以避免尼龙绳在快速运动与船舶舷侧结构的摩擦，提高安全性和保护舷侧结构；所述支撑板26下方设有第二滑轮组13，第二滑轮组13包括一个直径约5cm的定滑轮和第二滑轮组支架，所述第二滑轮组支架设置在支撑板26一侧，第二滑轮组支架上设置定滑轮，尼龙绳12缠绕在第一滑轮组、第二滑轮组，轻质硬杆15通过第一滑轮组16、第二滑轮组13与滚动轴14传动连接。
32.所述电子控制模块位于框架2内上层中间位置，用于发送工作指令给机械传动模块和供气模块，所述电子控制模块包括图像采集传感器、红外测距仪24、中央处理器5和若干导线，导线连接机械传动模块，所述图像采集传感器用于收集并辨别出周围潜在的碰撞物以及船舶所在水域附近的海况信息，红外测距仪24配合图像采传感器将环境信息：波浪流向、流速、波浪高度等和障碍物信息：相对方位、相对速度、相对高度差等发送给中央处理器5，中央处理器5先初步计算预测即将碰撞的位置点，再加上环境因素将碰撞点扩大成预测碰撞区域，最后将预测区域转换成横向以及垂向运动数据传递给机械传动模块，横向滑轨配合垂向传动装置将气囊拉出框架，递送到中央处理器给定的位置后，垂向横向全部刹车卡死固定；为防止在遭受撞击时，气囊发生滑移，待气囊被运送到预定位置时，立即发送充气指令给供气模块，迅速给气囊充气。
33.电子控制模块，对于潜在碰撞物：图像采集传感器配合中央处理器推算出与船体舷侧高度落差，与船体舷侧相对方位，并通过红外测距仪测得碰撞物与船体的相对速度；对于环境海况：图像采集传感器配合红外测距仪测得波浪的流向和浪的流速。最后中央处理器通过一定算法和概率计算，推算出可能发生的区域，并且将位置信息转换为横向传动数据以及垂向传动数据，待垂向和横向传动装置执行完信息后，立刻锁紧抱死，防止因为船体摇晃或其他因素改变位置。当位置锁死后，供气模块随机接收打开气阀信号，迅速充气，高压气体将九个气囊囊腔充到额定压强后，随机关闭充气阀并锁死，防止在碰撞缓冲过程中，气体回流到高压钢瓶，损坏供气模块。
34.框架2下方设置有横向传动装置，横向传动装置包括双轨道25，所述双轨道25的每个轨道端部均设有小型电动机18，所述双轨道的每个轨道上均设有两块滑块17，所述双轨道25设置在船舶28的舷侧，滑块17采用固定螺栓连接框架2，小型电动机18用于横向移动以及在到达预定的横向位置后具有紧急制动功能。
35.海警船试用本装置时，应在框架外再布置与船体漆面相近颜色的蒙皮，再遇到恶意碰撞事件时，具有一定的隐蔽性，并且保护装置遭受海水锈蚀。
36.工作原理：本装置包括船用防撞气囊模块，供气模块，电子控制模块，以及机械传动模块。正常航行情况下，整个装置布置于舷侧区域，气囊卷缩折叠放置于下层框架内，当船只舷侧附近安全距离内有其他物体，包括堤岸以及堤岸建筑，其他船只，桥墩等障碍物时；红外测距仪配合图像采集传感器将获取的碰撞场景相关信息发送给中央处理器，将此情况判定为具有碰撞危险状态，并播放即将碰撞信息。中央处理器对收集到的信息处理计算预测出即将碰撞的区域，并将预测区域换算成机械传动装置的横向垂向移动数据，中央处理器分别将启动信号发送给框架内电机和双轨道上的两个小型电动机，气囊被垂向拉出框架，横向双轨道也迅速移动到预定横向位置。气囊被传动装置递送到预定区域后垂向传
动和横向滑轨制动停止，并抱死锁定位置。随即中央控制器发送电信号让电动阀门打开，高压气体迅速充入各个安全气室，气囊膨胀打开为船体舷侧结构提供防护。
37.下面列举并对本方案进行说明：现在一艘大型散货船，满载矿沙刚驶离出港，因操作失误加上恶劣天气，船舶安全区域内出现中型货轮，此时图像采集传感器和红外测距仪已经采集到中型货轮信息，将该信息发送给中央处理器，处理器处理发现中型货轮已在安全距离内，立即发出警报信息：“船舶安全距离内存在碰撞危险，请校正航行，注意安全！”我方船员以及中型货轮的船员在报警信号的提示下，迅速调整航行方向和航行速度，并做好防护措施，以及撤离危险位置。但是由于巨大的载重量赋予船舶的巨大惯性，以及恶劣天气的影响，两船距离不断接近。在此情况下，图像采集传感器配合红外测距仪将中型货轮与散货船的相对位置、相对速度、航行相对方向、中型货轮距离散货船最近结构与散货船的高度差；以及环境因素的波浪速度、波浪高度、波浪方向等信息传递给中央处理器，中央处理器先计算出即将发生碰撞的位置，并将环境因素并入计算当中，将可能发生碰撞的位置变成具有碰撞风险的区域范围，并将气囊递送到风险系数最高的碰撞区域。气囊经由传动装置递送到预定位置后，瞬即传动装置横向垂向抱死，供气模块随即受到工作指令，打开电动控制阀门，高压气体从几组钢瓶中经由输气管汇入气密轴，通过出气孔涌入气囊，使气囊迅速膨胀起来，迎接即将发生的碰撞。我方船舶的预测位置与中型货轮船头相撞，由于防撞气囊精准的预测和出色的缓冲防护能力，气囊很好的吸收了大部分的能量，剩余的能量传递转化给大范围的船体舷侧结构，使船体结构不发生严重的破坏，仅是微小的轻微变形，极大地降低了财产损失。
[0038] 最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。