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救助案例
 
 
高速双体船的横移操纵

  徐敏  吴瞻健

(交通运输部东海救助局)

 

摘要:本文通过对穿浪双体船的结构特点和操作特性上的分析,并结合联合控制系统,简要详细说明了双体船在横移靠泊过程中的操作要领。作为我局陆续列编的穿浪双体救助船,全面的掌握此船型操纵性能显得尤为重要。为相关操作人员提供理论支持以提高操作安全性。

关键词:高速船,双体船,操纵

 

0.引言

高速双体船是随着海上高速客运发展起来的一种船型,近几十年来双体船中发展迅速、应用也越来越广泛。而以高速双体船为基础派生了许多新型的双体船型,较著名的有小水线面双体船和穿浪双体船等。于2006年入列我局的“东海救201”,是世界上首次应用穿浪双体设计的专业救助船。本文通过力学分析双体船横向移动原理及操纵方法。

 

1.穿浪双体船的结构特点

穿浪双体船是在高速双体船的基础上渐渐发展起来的,现今的穿浪双体船虽然经过小水线面双体船的跨度,我们依然能从中看到高速双体船的特点:为了减轻重量保持高速而使用的高强度轻金属材料(铝合金或玻璃钢)、减小兴波阻力的双片体结构、连接片体的宽甲板。穿浪双体船的片体狭长呈深V型,前部细长的如尖刀,支柱截面呈双凸流线型,提高耐波性。中央船体艏部龙骨采用下沉方式,外形呈深V形构造,使得艏底部缓解海浪砰击的同时还可以为船体提供额外的储备浮力。

 

2.喷水推进装置

谈到穿浪双体船的操纵,就不得不提到其特有喷水推进动力装置。从现今的发展趋势看,喷水推进装置已经成为高速船舶的主流动力装置,特别是对穿浪双体船这种吃水较小的高速船。喷水推进装置的设备结构和设计原理与传统的螺旋桨推进装置有着显著的不同。喷水推进器实质就是一个水泵,通过喷嘴向后喷射水柱产生反作用力,当合上离合器后,喷泵始终处于工作状态,不能停车,更不能倒转。喷水推进器没有传统船舶的正倒车和舵。所有正车、倒车、停车和舵的功能,都是通过控制喷嘴和倒航装置的位置来实现的。

喷嘴可以在液压系统控制下左右摆动以改变推力方向,随着角度增大造成能量损耗,推力有所下降。和由舵产生偏转力不同,喷水推进器是直接改变推力方向使船舶转向的。

倒航装置,也叫倒航翻斗,倒车戽等,结构也不尽相同。但是归根结底作用只有一个:就是把原来由喷嘴向后喷射出的水柱,进入这个装置后改变了方向,向前喷射,形成倒航推力。倒航装置会损失推力6070%的能量。倒航装置一般是和喷嘴联动的,因此这个倒航推力也是可以改变方向的。这使得船舶在倒车时也能灵活的控制运动方向,相当于倒车也有舵效,这点与螺旋桨推进有显著的区别。

倒航装置也是由液压系统控制的,一般是在喷嘴前上下运动。从没有阻挡(打开),到完全覆盖(关闭)这个过程中,进入倒航装置的水量由零到最大,反向推力也由零到最大,同时喷嘴向后喷射的水量由最大到零,正向推力由最大到零。这个过程中产生的推力是正向推力和反向推力的差值。可以看出由最大正向推力到最大反向推力是一个无级变化过程,可以通过设定倒航装置位置来产生任意推力值。无论正向还是反向推力值达到最大后,都可以加大主机转速来进一步增加推力。

喷水推进器能够在前后二个扇区中的任意方向提供推力,但推力的分布并不恒定(在相同的主机转速情况下)。

倒航装置有一个特殊位置(大约覆盖喷嘴60%左右)正向推力等于反向推力,我们把这个位置定义为零位,即停车位。这时正反推力互相完全抵消,没推力输出。因此停车时即使船舶对水有前进速度也是没有舵效的。

两个片体喷水推进器的控制系统可以联动操作,也可以分开独立操作,后着通常应用于靠离泊操纵。

为了叙述方便在下文中提到的舵、舵角、进车、倒车和停车等,只是对应普通船舶操纵的名称,并不代表喷水推进器有这些装置设备,只是功能相近。

 

3.双体船横移靠离泊

1、穿浪双体船平移靠泊的意义

传统螺旋桨船舶在靠离泊时,根据实际风流情况合理选择横距,使船艏与码头保持合适的小角度,而船逐渐变窄呈锥形的艏部在靠泊时也更有利于贴合码头。在保证舵效的情况下以尽可能低的速度抵近码头泊位,通过连续操舵、用车来逐步调整靠拢角,慢慢进入泊位。

穿浪双体船的结构而言,为了减轻重量而使用铝合金制造而成的船身整体强度不如钢铁;其作为浮体的两个片体都是长直型的,船艏斜靠码头容易使片体的刀状前端与码头擦碰变弯。而船艉斜靠码头容易将船尾的喷泵和倒车斗碰坏。所以对于穿浪双体船来说,平移靠离码头是一种比较理想的方式。以下是在静水理想条件下,通过控制喷水推进器实现向右平移时力学的分析。

2、受力位置分析

首先假设船舶自转中心点与几何中心点重合(下文详述)。

如图3所示。设立如下点和矢量值:

①设以船舶的中心点(o)为基点首尾线为y轴,横向线为x轴直角坐标系

②左喷泵(p)点,正车矢量推力F

③右喷泵(s)点,倒车矢量推力B

FB的交点(a)即合力N作用点

⑤左舵角α、右舵角β

先用力的可传性(作用在刚体上某点的力,可沿其作用线移动,而不改变它对刚体的作用)原理把这两个力FB移动到交点(a)上。再用力的平行四边形定则合成一个合力N。若船体需要向右横移,交点(a)必须落在x轴上,N应与x轴完全重合,x轴上的合力向右,即在y轴上的分力为零。如果左右喷泵对调正倒车则效果相反,即合力向左。

喷水推进器操纵原理就是力的平衡过程:

控制进车矢量F和倒车矢量B合成横向力N

横向力N方向总是指向倒车舷。

横向力N的延长线经过中心点o才能保持不偏转。

横向力N作用点a点在o点之前,向倒车舷偏转,在o点之后则向进车舷偏转。

建立平衡很难,打破平衡却很容易。

3、横向力的分析

在船舶水平向右横移时,横向作用力N的大小会因为力FB的大小、角度变化而出现变化。

Ny轴上的分力为零,并且a点落在x轴上,船体便能实现水平横移。因为作用力FB的大小和舵角α、β可以自由控制,只要使两力在y轴上的分力为零,交点ax轴任意一点便可。如图3所示,因三角形⊿asp与力学矢量三角形相似,可得:

                             (1)

N—两喷泵合力;ps—两喷泵间距;as—右喷泵到合力交点距离;B—右喷泵倒车推力(因倒车推力B仅为正车推力F60%70%,故N大小由B大小决定)。

从公式中我们可以得出二个结论:

两喷泵间距(船的宽度)越大横向推力越大。即:ps→N

中心点到两喷泵连线距离(船的长度)越短横向推力越大。即:as→N

4、二个特殊位置的探讨(均以横向力向右为例)

1)当α=β时,左舵向左,右舵向右,开门舵。左车进,右车退。

如图4所示,当喷泵舵角α、β相等,则a点必然落在y轴上。为了不使船舶出现偏转,a点还需要落在x轴上,因此ao重合。此时α=β= (定值)。为了实现船舶水平横移,两作用力在y轴上的分力为零,即作用力FB的大小相等。在向右合力N作用下,船舶保持艏向不变向右横移。要改变N大小只要同时改变FB大小即可,但是要使F=B。船舶在靠离码头时在横移的同时还要应对风流影响或前后位置调整,因此除了横向力外还需要随时添加一个向前或向后的力。由于合力N作用点a与中心点o重合,此时只需调整其中一个力的大小便可实现。如图4所示,单独将作用力F增大至F′后,其水平横移的N便调整为斜前移动的力N,并且不会出现船体的偏转现象。

2)当α≠β时,左舵向左,右舵正舵。

通过调整作用力FB的方向,交点a点在x轴上自由移动,α、β的组合可以有无数种,通过对公式(1)中的变量asB的大小变化,求得横向力N的极大值。如图5所示,当β=0时, a点位于x轴与作用力B反向延长线交点时,可以确定此时as最小;且喷泵β=0°时,倒车推力B最大,故此时的水平横向力N最大。

故我们取β=0°横向力N最大做探讨。为了使N最大,右车应全速倒车使B最大。根据相似三角形,FB的比值等于线段pasa比值。此时FB大,可以看出各种船型会略有差别。实际上F可以达到B1.5倍左右,所以一般来说左车是不用全速进就能满足上述比例要求。

要前后位置调整,如果和上述方法一样只改变其中一个力的大小,新合力N′会在a点向前或后偏转,其延长线也会偏离中心点o,船体会出现偏转现象。如图5所示,将力F增大至F′合力N′的延长线偏在中心点o后面,船舶左转。需要减小α值,即减小左舵舵角,使a点前移,新的斜向合力N′的反向延长线经过中心点o,方可使船体获得斜向力N′的同时不出现船体偏转运动。实际操纵时就是增加左主机转速后,马上左舵减小舵角进行航向把定。

5、实际操纵中的选择

喷水推进器的操纵并不像普通船舶那么直观。我们通过控制喷水推进器的主机转速、倒航装置和喷嘴位置,这六个数值,来设定FB的大小和方向,最终使这两个力达到平衡。从原理上来说其六个数值中任何一个值发生变化,必定需要另外一个或几个数值的相应改变以达到新的平衡。也就是说这些数值互相关联互相牵制。因此喷水推进器的操纵比普通船要复杂得多。

靠离码头操纵是一项整体操纵技能要求较高,对于操作人员要求沉着冷静,胆大心细。对于在复杂的情况下,简单易行的操作方式往往是驾驶员的首选。我们从操纵简易度方面对上述两种情况进行探讨。

1)对横向力要求不高时,用第一种方法(图4)。

这种操纵方式相对简单方便。控制左右舵角相同并指向中心点,实质就是用开门舵进行航向把定。通过几次操纵应该就能掌握这个舵角到底是几度了。无论要向哪一舷横移都是开门舵,且舵角也是相同的。车一进一倒,调整主机转速到没有前进后退速度,船就能向倒车一舷移动。要调整船前后位置时,只需增减进车的转速就能实现。在横移的同时如果要调整航向,可以同时减小左右舵角α、β,并使α=β,a点在y轴上移动到中心点o之前,横向力N前移,力的值有所减小,但平行于x轴,在N作用下船向横移同时向移动方向这舷偏转。若同时增加左右舵角α、β,并使α=β,a点在y轴上移动到o点后,可向另一舷转偏转。这种操纵方法如果α≠β也能产生偏转力,但合力N不平行于x轴,也就是在y轴是有分力,船舶同时会产生前后移动。

2)遇到横风较大时,需要更大的横向力,只能选择第二种方法(图5)。

此种操纵可使船舶获得较大的横向作用力,但在非单纯横向运动时,操纵较为复杂,需要不断针对实时情况进行计算调整。船同样是向倒车一舷移动。一舷正舵全速倒车,另一舷进车并向外侧打舵把定航向,并调整转速到船舶不进不退,在调整过程中船会发生偏转,要不断操舵进行把定,直到航向稳定,前后方向也没有速度。这时说明合力N已经平衡,并作用在中心点o上。要前后移动加减进车后,要重新把定航向,以达到新的平衡。在横移的同时如果要调整航向。减小进车舷舵角使a点前移,产生新的合力N′不平行与x轴,有向前的分力。在N′作用下船向右横移同时向移动方向这舷偏转,还有前进趋势。增进车舷舵的使a点后移,产生新的合力N′同样不平行与x轴,有向后的分力。在N′作用下船向右横移同时进车舷偏转,还有向后趋势。因此用这种方法调整航向,必须同时调整主机转速才能保证不产生前后位移。而且调整主机转速又打破了平衡,又需要再次把定航向。可能需要反复多次进行调整,才能找的平衡点。

可以看出第二种方法相对复杂,大有牵一发而动全身的感觉。不过随着技术的进步,联合控制系统的出现与算法的完善,通过微电脑程序自动计算控制舵角和推力大小,便可获得我们所需要方向上的最大合力。

 

4.中心点探讨

前文提到中心点直接影响横推力的大小,越靠后推力越大,靠前则减小。这个中心点,即不是几何尺度的中心点,也不是质量的中心点,而是船舶运动时总阻力的中心点。因为外力只有作用在阻力的中心点上,才能保持船舶运动时不发生偏转。总阻力由水阻力和风阻力合成。

水阻力我们把它分解成纵向阻力和横向阻力。由于两个片体是对称的,只要没有横傾,纵向阻力点必定在纵向中心线上。由于两个片体前窄后宽,而且一般来说船舶都是有点艉傾的,横向阻力点落在尺度的中心点稍后面一点。这对于操纵是有利的。

水线以上的风阻力同样分解成纵向阻力和横向阻力。上层建筑和设备基本上是左右对称的,因此纵向阻力点也应该在纵向中心线上。

水线以上横截面决定力横向阻力点的位置。从操纵角度来考虑风阻力点和水阻力点重合是最好的,这样就不用考虑阻力中心点变化的问题了。但是设计师会从用途、美观等角度出发,难以做到这两个阻力点的重合。有一定的偏离,或偏前或偏后,造成在各种情况下总阻力中心点不在同一个位置,大大增加了操纵的难度。偏移量越大操纵的难度也越大。

横向水阻力和风阻力的合成运用的是杠杆原理:两个力矩(力与力臂的乘积)大小必须相等。即以o为支点时上述两个力达到平衡状态,不发生偏转。如图6所示。

横向风阻力×O2O=横向水阻力×O1O

横向风阻力+横向水阻力=横向力

如果两个力相等合成的中心点o在中间,不相等时会偏向力大的一边。

这里只讨论水阻力和风阻力同向的情况,因为如果是反向说明方向与要横移的方向一致,即吹拢风靠码头或吹开风离码头,此时完全可以利用风来进行靠离。

由于水的密度远远大于空气,在风力不大的情况下,风阻力可以忽略不计。只有风力足够强大时才会产生影响。因为船舶横移速度都是比较小的,相对大风来说风阻力基本恒定。水阻力在没有横移速度时为零,随着横移速度的增加逐渐加大。这时总的阻力中心点会从风阻力中心点向水阻力中心点移动,只有不断调整使合力N始终作用在移动的中心点o上,才能保证船舶横移时不偏转,操纵难度就更大了。

根据公式(1)中as值来分析。如果风阻力中心点在水阻力中心点后,风力大,总阻力中心点会偏后,能提高横向推力,对操纵有利。最不利的情况就是风阻力中心点在前面,这时风力越大,总阻力中心点越靠前,横向推力越小。我们现有的高速救助船上层建筑相对靠前,恰恰属于这种情况。在还没有横移速度时水阻力为零,横风强烈时o点前移到风阻力点,横向推力减小,难以抵抗风压,导致靠离泊失败。所以从操纵层面来说这是个失败的设计。

 

5.联合控制系统

联合控制系统,由一个矢量控制杆和一个转向器组成。这是一套计算机程序,把矢量控制杆和转向器发出的指令,计算转化成左右喷水推进器的主机转速、倒航装置和喷嘴位置数值并控制其运行到位。矢量控制杆是一个万向摇杆,摇杆的方向和幅度分别表示作用在中心点o上推力矢量的方向和大小,可以使船舶在保持船艏向不变的同时,向任何方向移动。这大大简化了船舶横向移动操纵的难度。转向器相当于舵,但是和舵还是有所区别,前文提到过喷水推进器停车时没有舵效。对于转向器就不存在这个问题,只要转向器发出指令,计算机会控制喷水推进器一进一倒进行转向。而且当船舶后退转向时通常应该反向操舵。但是用转向器时,计算机发出的已经就是反向舵指令,并不需要反向操舵。

联合控制系统也有缺陷或弱点,在操纵时应多加注意。

首先,程序要控制左右喷水推进器的主机转速、倒航装置和喷嘴位置,这六个数值的计算误差,实际运行误差,单一和组合误差,最终导致推力矢量误差。即使在出厂调试中消除了某些方向上的误差,也难以做到在任何方向上都生成准确无误的矢量推力。就船舶操纵层面来考虑主要是矢量方向的准确性。例如:我们需要在停车时向右横移。把矢量控制杆向右推。发现船向右横移时还有后退现象,这时要在矢量控制杆原来向右位置的基础上再向前推一点,抵消船后退趋势。应对的方法是:及时发现方向误差,并不断修正,直到准确为止。矢量控制杆没有刻度,很难确定其细微位置变化,也很难回到原来的位置。建议操纵时尽量用小幅度,在进行方向误差修正时幅度要更小。

其次,这六个数值误差同样导致程序难以保证任何方向矢量推力始终作用于o点,更何况前文已论述o点并非在固定不变位置上。最终结果导致航向发生偏转。应对方法是用舵反方向来抑制偏转,把定航向。

最后,操纵时我们会根据需要操纵矢量控制杆和舵由一个旧指令到一个新指令,计算机根据这个新指令计算出新的六个变量,要同时协调地改变六个变量到新的状态,几乎是不可能完成的任务,必定存在时间差。例如:我们需要停车原地转向时。初始状态是左右主机待速500转,正舵,停车。当把操纵舵从零位转到右满舵时。计算机计算出新的状态是:左舷右满舵,进车,主机1000转;右舷左满舵,倒车,主机1500转(倒车损耗)。首先是进车(要运行60%)比倒车(运行40%)来得慢,船有点后退。然后左主机(加500转)比右主机(加1000转)加速快,船会向前。最后设备运行到位稳定后,船才能保持原地转向。应对方法是慢慢扳动矢量控制杆和舵杆,化整为零让设备一点一点运行,基本是可以解决不协调问题的,必要时还可以用前面提到的修正误差方法进行修正。

矢量控制杆最大的弊端就是没有刻度,操纵者很难知道其准确的位置,操纵后要想回到操纵前的位置是极其不容易的。需要操纵者经过长期操纵摸索,才能凭感觉找到你想要的位置。在没有找到这种“人机合一”的感觉前,还是那句话:化整为零、步步为营。走一步,看一步。调整好步伐后再走下一步。步伐越大,越难以调整,越容易乱了方寸。

 

6.结束语

穿浪双体船作为新型高速船,在我国还属于刚起步不久的新型船。对于穿浪双体船而言,其高速性和耐波性对客运有着很强的潜力;相信在不久的将来,会有越来越多的穿浪双体船被广泛应用。因此,驾驶员对穿浪双体船的性能和操纵特点应该要有所了解,我局陆续列编的穿浪双体救助船也要求我们要直观全面的掌握此船型操纵性能。同时,我们在平时操纵中要积极对经验进行累积总结,以便形成一套行之有效的操纵规程。

 

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