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陀螺减摇——将船舶打造成海上陆地!

发布日期:2016-11-23 17:52:15  来源:矶怃科技

“海风你轻轻地吹,海浪你轻轻地摇,远航的水兵多么辛劳,回到了祖国母亲的怀抱,让我们的水兵好好睡觉……”悠扬的军港之夜在80年代红遍中国,也将海上舰艇在风浪中剧烈摇摆、官兵无法入眠的现实间接地展示在我们眼前。坐船出过海的人或多或少都有晕船的经历,个中滋味自己体会,谁晕谁知道。古往今来,人们为了减轻船舶摇摆进行了各种尝试,比如三国时期的曹操就想到了把舰船首尾相连的办法,结果大家都知道了。后来,船舶减摇界出现了舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、减摇陀螺、舵减摇、减摇重块等技术。

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减摇水舱的原理主要是利用其左右舷侧水舱液位高度不同而产生的横摇复原力矩来抵消波浪扰动力矩。减摇水舱只有达到一定的容积,才能产生足够的横摇复原力矩,所以使得减摇水舱在船上占据很大空间,却只能获得很有限的减摇效果,一般在30-40%左右,而这种减摇效果人们往往感受不到。另外减摇水舱的自摇频率必须高于船舶横摇的自摇频率,才能实现横摇减摇,否则不但不会减摇,反而会产生增大横摇作用,这在很大程度上限制了减摇水舱的使用范围。

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减摇水舱

 
减摇鳍装于船中两舷舭部,剖面为机翼形。当水流过减摇鳍时,通过操纵机械装置控制减摇鳍的转动,使水流在上产生作用力,从而形成减摇力矩,减少船体横摇。但是,0航速时,减摇鳍上没有水流作用,也就起不了减摇作用了。航速越高,水流产生的作用力越大,减摇效果越好。但也并非航速越高越好,高航速下减摇鳍又会引起很大的附加阻力,因此,减摇鳍的适用范围比较小。减摇鳍设备结构复杂,对安装位置要求严格,造价较高,适应性不强,导致有很多需要减摇的船舶无法安装。

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减摇鳍

减摇陀螺主要是利用高速转子自身的稳定性实现减摇。其核心为设备内部高速转动的机械陀螺转子。当高速转子沿着一个方向摇摆时(称之为进动),高速转子会在与此进动轴垂直的方向输出一个力矩,此力矩的大小与高速转子的转速、转子在自转轴方向的转动惯量、及进动速度成正比。因此,陀螺转子尺寸越大,转速越高,进动速度越快,此力矩就越大。利用此力矩作为设备的输出,我们称之为陀螺转子输出力矩。目前利用高速陀螺转子的输出力矩,很多种设备在各种场合下实现成功应用。陀螺旋转产生的输出力矩可以用来抵抗重力的作用实现转子自身的稳定,比如在桌面上转陀螺,刚开始陀螺会有些摇晃,不久就会自动调整角度立直在桌面上旋转了。

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转子自身稳定

 
陀螺减摇在其他领域也有成功应用。采用力矩电机推动高速陀螺转子进动,可以利用此输出力矩实现空间站的姿态控制。NASA为国际空间站配套的4个控制力矩陀螺,就是用来实现国际空间站的姿态控制。在外太空,没用任何外力作用下,这是完成姿态控制的最佳方案。

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NASA空间站控制力矩陀螺

采用伺服电机推动高速陀螺转子进动,可以利用此输出力矩实现两轮车的稳定。如下图所示为Lit Motor公司生产的两轮电动车。车内配置了2个转动方向相反的高速陀螺转子,通过伺服系统控制陀螺转子进动,可以实现各种工况下两轮电动车的稳定。

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陀螺控制两轮电动车平衡

陀螺稳定平台其核心为4个高速转动的陀螺转子,采用纯被动控制,当高速陀螺转子随载体一同摇摆时,任其在一定范围内自由进动,可以实现顶部云台的稳定,可以在浮动的载体如飞机和船舶等之上,搭建一个稳定的平台,隔离载体的各种运动干扰。

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陀螺稳定平台

当高速陀螺转子尺寸足够大,转速足够高时,其进动产生的输出力矩将会非常大,可以实现万吨巨轮的减摇。利用此原理实现的陀螺减摇装置在大型军舰及豪华邮轮上得到成功应用。陀螺减摇装置一般采用可控被动控制策略,将高速转子进动约束在一定的速度和角度范围内。其减摇能力的大小主要以转子角动量标识,即转子转动惯量与转速的乘积。陀螺减摇装置的转动惯量越大,其输出的减摇力矩越大,减摇能力越强,反之,则减摇能力越弱。

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美军一艘运输船USS Henderson (AP-1),船长147m,满载排水量达12400t,配备的2台陀螺减摇装置,设备总重达80 t,每台设备转子直径达2.74m,重26 t,转速达1100 rpm。每台设备配备的转子直驱电机功耗达45kW。在多次的越大西洋航行测试中,最恶劣的海况下,陀螺减摇装置可以将船舶横摇抑制在3°以内。

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美军运输船USS Henderson (AP-1)

豪华邮轮 SS Conte di Savoia船长248m,满载排水量达48000t,配置的3台陀螺减摇装置。单台设备重量达200t,陀螺减摇装置转子直径达4m,转速达910rpm,在恶劣海况下可以保持船舶横摇在3°以内。

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乘客与豪华邮轮 SS Conte di Savoia正在运行中的陀螺减摇装置

陀螺减摇装置由于其高昂的造价,以前主要应用于军工领域。随着技术的不断进步,陀螺减摇装置相比以前,设备重量和成本都已有大幅度降低,设备整体结构也有大幅度的精简。以前的陀螺减摇装置都采用庞大笨重的齿轮传动系统和能耗制动系统实现,模块重量占据设备总重量接近1/3。若采用当前可控被动式液压阻尼系统,此模块重量在设备总重量的占比几乎可以忽略不计。转子支承系统和转子材料性能的提升也使得在相同重量下,现代的陀螺减摇装置相比以前其减摇能力可以获得成倍的提升。随着人们生活水平的提高,对乘船舒适性要求也越来越高。陀螺减摇装置由于其安装便利,任意位置均可安装,任意工况下均可减摇且减摇效果可以预期等优势,逐渐发展为游艇的标配产品,很多民船及公务船也开始配备陀螺减摇装置。

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上海矶怃科技有限公司致力于船舶陀螺减摇,采用最先进的陀螺减摇技术几乎可以消除船舶的摇摆,最大化实现船舶稳定,极大提升乘船舒适感。为充分实现设备民用化,矶怃科技对减摇产品进行不断的再设计,最大限度的提升性能,降低成本,为陀螺减摇装置获得广泛使用做不懈努力。矶怃科技目前的陀螺减摇装置产品系列能够满足200 t以下各种船型的减摇需求,矶怃科技JW-5型陀螺减摇装置正在做最后的出厂调试。

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矶怃科技JW-5型陀螺减摇装置

2016年初,矶怃科技与中船重工第七0一研究所正式签订合作协议,联合开发大型陀螺减摇装置,预计在2年内开发完成覆盖3000 t以下各种船型的陀螺减摇产品系列。满足在恶劣海况下仍然要出海工作的船舶,如超级游艇、浮动平台、科考船、调查船、公务船及军舰等减摇需求。矶怃科技期待社会各界优秀人才加入,在中国船舶减摇事业中施展你的才华!

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公司携JW-1型陀螺减摇装置参加海事展