船舶横倾平衡自动控制系统和方法

摘要

本发明提供了一种船舶横倾平衡自动控制系统和方法，且该自动控制系统中设有多台可独立工作的抗横倾泵和多对抗横倾压载舱，使船舶在系泊状态和各种航速，如在中高航速、低航速和零航速、各种遭遇浪向下都能有效地减小横摇，并快速地补偿船舶由于装载不平衡，局部舱室破损和风压等各种因素引起的横倾和纵倾，使得铺管船等特种工程船具备经济风险小、能适应恶劣环境条件、同时具有海上工作的操作安全性等特点，有很好的推广使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶横倾平衡自动控制系统和方法，特别是针对特种工程船港口作业及海上作业工作的船舶横倾平衡自动控制系统和方法，属于船舶技术领域。

背景技术

目前，铺管船等特种工程船舶的综合平衡是一个古老而又有生命力的一个课题。铺管船作为一个海上的移动工作平台，对其综合平衡尤为重要。随着船舶使命的复杂性的提高和高技术装备的应用，作为海面上活动平台的大型水面船舶，要求其在海浪中的摇摆尽可能地小，使其能安全的在工作海域操作和完成既定的工作任务。特别是对于铺管船等特种工程船更是如此。船舶在风浪中不可避免地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。因此，尽可能的减少横摇是现代船舶设计的迫切需求。

随着人类开发海洋工程项目规模的不断扩大，铺管船、风车安装船等特种工程船的横倾平衡系统是在装卸货过程中和上海操作运行时，为保持船舶的横向平衡，保证正常的装卸货作业、上海操作和运行的重要设备。横倾平衡控制系统通过检测横倾角度、进行平衡水舱的水量调载，产生复原力矩纠正船舶倾斜。如图1所示，用船舶压载水舱的储水实时调拨来控制船舶在航行途中、装卸货过程中和操作工作中配载变化引起的横向倾斜，其原理主要是通过对船舶左右舷二个平衡水舱中的水相互调拨，使左右平衡水舱中水的重量发生相应改变，从而产生与船舶横倾相反的力矩来纠正船舶的平衡，使船舶处于正浮状态，从而保证了船舶的航行安全，但对于船首载货与船尾载货相差较大引起的船舶纵倾并不能够进行相关补偿，纵倾分为首倾与尾倾，尤其是首倾之后会严重影响船舶稳性、强度以及航行的速度，存在很大的安全隐患。

然而船舶在外力作用下横向倾斜的角度的存在将使复原力矩减小，稳性降低，对船舶不利。减摇鳍是目前最常用且应用最成功的船舶主动式减横摇装置，减摇效果可达90％以上，但是减摇鳍只有船舶的航速较高时，才可以有效地减摇，在低航速或零航速情况下，减摇鳍几乎不能进行减摇。而减摇水舱可以弥补这一方面的缺陷，但是减摇水舱体积大，重量大，只能在船舶的谐摇频率附近有较好的效果，而且减摇效果一般只能达到50%左右，在多数情况下并不能满足船舶的平衡指标。现有技术中，针对减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷，并基于计算机技术设计有船舶调载控制系统，该系统一般是采用自动与手动交互配载方式，且系统中的泵组与蝶阀为联控式，根据船舶静力学原理，按照船舶作业要求来对压载水舱的水量进行配载，以控制船舶的纵倾、横倾等，从而使得船舶达到安全作业的要求，但如果泵组中的任何一个泵或蝶阀出现问题将会导致船舶不能完成抗横倾的需求，存在很大的安全隐患。且船舶起重机在作业工程中的工况复杂，特别是对于大吨位的船舶起重机，要依靠人工经验调载来满足作业的安全与可靠性非常困难。而现有技术提供的这种船舶调载控制系统一般针对散货船和油船而设计，由于散货船和油船的作业工况不同于船舶起重机，因此，现有技术提供的船舶调载控制系统无法应用于船舶起重机中，使得船舶起重机只能依靠人工经验进行调载，可靠性低、安全性差，操作困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服船舶的横倾与纵倾及减摇鳍在低航速或零航速情况下不能进行减摇、减摇水舱减摇效果较低和现有船舶调载控制系统中的联控式泵组和蝶阀的安全隐患及不能应用于船舶起重机，而使得船舶起重机依靠人工经验进行调载，可靠性低、安全性差且操作困难的缺陷，提供了一种以减摇鳍、减摇水舱和抗横倾的平衡水舱组合的可逆转轴流泵控式的船舶综合平衡系统以及智能的综合控制方法，且该综合平衡系统中设有多台可独立工作的抗横倾泵和多对抗横倾压载舱，使船舶在系泊状态和各种航速（中高航速、低航速和零航速、各种遭遇浪向）下都能有效地减小横摇，并快速补偿船舶由于装载不平衡，局部舱室破损和风压等各种因素引起的横倾和纵倾，使得铺管船等特种工程船具备经济风险小、能适应恶劣环境条件、同时具有海上工作的操作安全性等特点。

一种船舶横倾平衡自动控制系统，包括防横倾系统，其特征在于，所述防横倾系统包括多个防横倾泵和多对防横倾压载边舱，所述多对防横倾压载边舱分别布置在船的左右舷边，每一对防横倾压载边舱通过多个交叉线路连接，每个交叉线路中各设有一台防横倾泵，所述多台防横倾泵是互相独立的。

所述防横倾泵为3台，所述防横倾压载边舱为3对，每一对防横倾压载边舱通过三个交叉线路连接。所述防横倾泵为轴向可逆轴流泵，流量为2000 m³ / h ，压力为1.5 bar。

所述防横倾系统通过检测横倾角度与纵倾角度来进行平衡水舱的水量调载，所述横倾角度的限值为5°。所述防横倾系统和液位测量系统、遥控阀系统、船舶管理系统和光电倾角传感器、起重机的操作和控制系统直接或间接的相连。

所述起重机旋转操作的设计载荷为1000公吨30米，回转速度是20分钟90度角。

所述船舶横倾平衡自动控制系统设置有安全保护系统和报警系统，还包括减摇鳍和减摇水舱。

一种船舶横倾平衡自动控制方法，其特征在于设置多台防横倾泵和多对防横倾压载边舱构成防横倾系统，并将多对防横倾压载边舱设置于船的左右弦边，通过多个交叉线路使每一对防横倾压载边舱相连，将一防横倾泵设置与每个交叉线路中，且将所述多台防横倾泵设置为互相独立的。

所述防横倾泵为3台，所述防横倾压载边舱为3对，每一对防横倾压载边舱通过三个交叉线路连接。

所述防横倾系统通过分配的防横倾舱来进行内部转移压载水，根据倾角传感器给出的船舶倾斜信号及液位传感器检测的液位信号，自动远程控制抗横倾泵及遥控阀系统，并在辅助检测设备中实时显示船舶横倾与纵倾状态及抗横倾系统设备的工况，实现对船舶横倾与纵倾的平衡控制。

所述倾角传感器给出的船舶倾斜信号为横倾信号时，相应的遥控蝶阀自动打开，开启抗横倾泵，根据实际情况进行左右抗横倾压载舱的水量调拨，直至达到船舶的平衡，自动关闭抗横倾泵及遥控蝶阀。所述横倾信号为左倾时，抗横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“左舷→右舷”，将左抗横倾压载舱的水驳运到右抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至船舶平衡，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀；所述横倾信号为右倾时，抗横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“右舷→左舷”，将右抗横倾压载舱的水驳运到左抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至船舶平衡，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀。

所述倾角传感器给出的船舶倾斜信号为纵倾信号时，相应的遥控蝶阀自动打开，开启抗横倾泵，根据实际情况泵入海水并进行船首与船尾抗横倾压载舱的水量调拨，直至达到船舶的平衡，自动关闭抗横倾泵及遥控蝶阀。所述纵倾信号为首倾时，防横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“船首→船尾”，同时将海水泵入接近船尾的抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至船舶平衡，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀；所述纵倾信号为尾倾时，防横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“船尾→船首”，同时将海水泵入接近船首的抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至船舶平衡，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀。

所述辅助检测设备包括带倾斜仪的主控制站，还有与主控制站相连的船舶管理系统及货控式的遥控控制板。所述主控制站还与装载计算机、自动控制管理站以及第一次级控制站、第二次级控制站、第三次级控制站相连接。

所述控制方法具有自动控制、机旁手动及远程遥控三种控制方式。

所述船舶横倾平衡自动控制方法，还包括设置有减摇鳍和减摇水舱与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种以减摇鳍、减摇水舱和抗横倾的平衡水舱组合的可逆转轴流泵控式的船舶综合平衡系统以及智能的综合控制方法，结合了减摇鳍和减摇水舱的优点，使得船舶在各种工况和航速下达到很好的减摇效果，且所述船舶综合平衡系统中设置有多台互相独立工作的防横倾泵和多对抗衡倾压载舱，不仅对船舶在任何航情下产生的横倾与纵倾有很好的控制，而且多台抗横倾泵和多对抗衡倾压载舱具有很高的时效性，可以尽快使船舶回到最好的平衡状态，也便于更好的对吊车进行相应的操作，同时也减轻了减摇鳍和减摇水舱联合减摇装置在纠横倾方面的负担，并使船舶保持于较好的航行姿态，改善了船舶的航行性能，增强了海上作业人员的安全性。

附图说明

图1是现有技术中采用左右舷二个平衡水舱中的水相互调拨的系统；

图2是船舶横倾平衡自动控制系统构成概要图；

图3是船舶横倾平衡自动控制系统构成模块示意图；

图4是监测辅助系统示意图；

图5是监测辅助系统模块示意图。

具体实施方式

本发明的第一具体实施方式中，提供了一种以减摇鳍、减摇水舱和抗横倾的平衡水舱组合的船舶综合平衡系统，用以最大限度的平衡船舶。

减摇鳍的鳍由船体两弦伸出船体，安装于水线下的一定深度处，它的外形和舵相似。一对减摇鳍应该布置在船舶最宽的同一横截面上，使减摇鳍的鳍轴中心线与船舶摇轴线相交。当船在风浪中航行产生横摇运动时，鳍在减摇鳍控制系统的控制下，根据海浪扰动的规律作相应的转动，船舶装备减摇鳍后，通过控制器作用于减摇鳍可以改变船舶的固有频率和横摇阻尼，从而改变船舶对海浪扰动的横摇响应。

减摇水舱在船舶长方向的布置对横摇运动的影响较小，而减摇水舱在垂直方向的布置对减摇水舱性能具有很大影响，减摇水舱布置离船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的横摇质量惯性矩的增量越大，其复原力臂也越大，横摇复原系数增量也就越大，减摇水舱的固有频率减小量也越大，从而提供最大的减摇量。

这种综合平衡系统可以结合减摇鳍和减摇水舱的优点，使得船舶在各种工况和航速下达到很好的减摇效果，同时减摇水舱的体积相对船舶单一使用减摇水舱的体积减小。而且减摇鳍和减摇水舱联合使用，可以增大船舶减摇的安全系数。当减摇鳍和减摇水舱两个系统中的任何一个犹豫机械或者控制系统出现故障时，船舶还具有一定的减摇能力。当船舶低航速时，单水舱在某些频率段之内不能很好的减摇时，安装多个减摇水舱可以使得水舱在更宽的频率段都能起到很好的效果，如需要更好的平衡状态，加装一对或多对减摇鳍可满足船舶的平衡需求。同时，在使用减摇鳍的基础上加装减摇水舱的联合减摇，减摇鳍的控制系统只需改变和减摇水舱相牵连的软件，硬件装置基本不变，减小了设备投入。

如图2所示，本发明的抗横倾系统由抗横倾压载舱和抗横倾泵10两个基本单元组成，具体地说，如图3中所示，本发明中设置有多对抗衡倾压载舱，减轻了减摇鳍和减摇水舱联合减摇装置在纠横倾方面的负担，并使船舶保持于较好的航行姿态，改善了船舶的航行性能。且多对抗横倾压载舱分别布置在船舶的左右舷边，每一对左右舷横倾压载边舱通过多个交叉线路连接。每个交叉管道设有一防横倾泵，优选为轴流可逆式泵，由于一般的轴流泵只能单方向打水，而本发明采用的可逆转轴流泵不仅可以双向打水，且在双向打水时的流量基本相同，可以满足船舶快速平衡的需求，抗横倾泵的流量可达2000m³/h，压力为1.5bar,每台抗横倾泵上均设有压力表20，安装在抗横倾泵两侧的管路上，用于指示抗横倾泵的工作状态，且多台防横倾泵是完全独立的。

优选地，如图3所示，抗横倾泵为P1、P2、P3共3台，抗横倾压载舱为抗横倾压载舱1、抗横倾压载舱2、抗横倾压载舱3共3对，3对抗横倾压载舱分别布置在船舶的左右舷边，每一对左右舷横倾压载边舱通过三个交叉线路连接，每个交叉线路设有一台防横倾泵，共3台防横倾泵，且3台防横倾泵互相独立工作。

本发明的防横倾系统是通过检测横倾角度与纵倾角度来进行平衡水舱的水量调载，故该系统与倾角传感器和遥控阀系统相连，该倾角传感器为光电倾角传感器，通过感受船舶的横倾角与纵倾角，将光信号变成电信号传送给图4中带倾斜仪的主控制站。本发明的控制系统预先设定船舶的横倾角限值为5°，当船态左倾超过横倾角限制时，倾斜仪的指针便会向左倾斜，抗横倾系统便将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“左舷→右舷”，将左抗横倾压载舱的水驳运到右抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至达到船舶最好的平衡后，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀，当船态右倾超过横倾启动角时，倾斜仪的指针向右倾斜，抗横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“右舷→左舷”，将右抗横倾压载舱的水驳运到左抗横倾压载舱，校正船舶的横倾，直至达到船舶最好的平衡后，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀，此时倾斜仪指针竖到垂直的位置。

本发明的防横倾系统不仅可以对船舶的横倾起到很好的防横倾效果，对于船舶的纵倾也有很好的控制效果。当船舶的船首载货多于船尾时，船舶会向船首倾斜，当纵倾角超过限值时，倾斜仪会作出相应指示，防横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“船首→船尾”，同时也将海水泵入接近船尾的抗横倾压载舱，以便更快的使船达到平衡状态；当船舶的船尾载货多于船首时，船舶会向船尾倾斜，纵倾角超限时，倾斜仪作出与首倾时相反的指示，防横倾系统将信号传递至遥控阀系统，自动打开遥控蝶阀，开启抗横倾泵，并指示“船尾→船首”，同时将海水泵入接近船首的抗横倾压载舱内，直至达到船舶最好的平衡后，自动停止驳运，关闭抗横倾泵及遥控蝶阀。

现有技术中的防横倾系统所用水泵和蝶阀为联控式，若在船舶运行或船舶的起重机工作中，任一个遥控蝶阀、抗横倾泵失控或局部舱室出现破损，就会导致船舶横倾系统工作失常，严重威胁船舶上的工作人员的安全以及可能带来的巨大的经济损失。而本发明中的3台抗横倾泵互相独立工作，并与各自相应的遥控蝶阀具有连锁控制功能，对船舶的横倾与纵倾都很好的控制，这样不仅可以在防横倾系统中做到三台泵独立运转，互不影响，以提高时效性，而且如果其中某个泵、蝶阀工作失常或局部舱室出现破损，对船舶的防横倾与纵倾功能不会造成太严重的影响，其他的抗横倾泵和抗横倾压载舱依旧可以工作来保证船舶在工作中的稳定和安全，大大增大了船舶的安全性能，为海上作业人员的生命安全提供了保障。

本发明的防横倾系统还与液位测量系统相连，液位传感器安装在各抗横倾舱上，通过液位传感器进行液位测量，并将信号传送到控制工作站，来显示液位的高度。液位传感器还起着限位开关的作用，为高、低液位开关，在左右抗横倾压载舱驳运时，如出现低液位开关动作，表明其相应抗横倾压载舱的液位已较低，如继续调驳，则抗横倾泵会吸入空气，造成损坏，因此低液位开关动作，自动停泵；若驳运时出现高液位开关动作，表明其相应的抗横倾压载舱将满，如继续调驳，将导致抗横倾压载舱溢流，因此高液位开关动作，也自动停泵，实时对抗横倾压载舱的水量进行监控和显示，对抗衡倾系统进行保护。

本发明的船舶横倾平衡自动控制系统还包括起重机，且防横倾系统的管理是通过最大负载循环应用和执行以时间为框架的操作，该横倾系统在船舶实际的横倾和纵倾的安全范围内引导和限制起重机操作。旋转操作的设计载荷为1000公吨30米，回转速度是20分钟90度角。现代集装箱船停靠码头装卸箱时，船态，特别是船舶的横倾与纵倾程度是不断变化的，当横倾超过一定角度时，会在导轨和箱体之间产生较大的摩擦，集装箱就不能再从大舱的导轨上吊进或者吊出，甚至卡死；吊车在装卸货箱时也会出现船尾与船首载货量相差较大引起首倾或尾倾的现象，如不能尽快使船舶恢复正浮状态，船舶便会倾覆，危机船上人员生命。本发明的防横倾系统可以自动补偿船舶装卸箱时的横倾与纵倾，当甲板重吊在负载重物工作转动过程中，抗衡倾泵把通过压载泵已压入的海水相互调拨，从左舷到右舷或者右舷到左舷，从船首到船尾或从船尾到船首，可根据实际的情况做出相应的具体命令，保证船态的平衡，实现集装箱的正常调运，且本发明中特有的3台独立工作的抗横倾泵和3对抗横倾压载舱具有很高的时效性，可以尽快使船舶回到最好的平衡状态，同时便于更好的对吊车进行相应的操作。

本发明的另一实施方式中提供了一种船舶横倾平衡自动控制方法，如图4和图5中所示的防横倾系统的辅助检测设备，该辅助检测设备包括带倾斜仪的主控制站，还有与主控制站相连的船舶管理系统及货控式的遥控控制板，船舶管理系统可直接控制左右抗横倾压载舱，且与货控式的遥控控制板都与可逆抗横倾泵、蝶阀直接或间接连接，同时，主控制站还与装载计算机、自动控制管理站以及第一次级控制站、第二次级控制站、第三次级控制站相连接，这样的控制方法可以控制防横倾系统、液位测量系统、遥控阀系统、吊车等主要的控制系统，且各系统间连接简单，操作方便及时。通过该控制方法，可以根据倾角传感器给出的船舶倾斜信号及液位传感器检测的液位信号，自动远程控制抗横倾泵及遥控阀系统，同时在主控制站1实时显示船舶横倾与纵倾状态及抗横倾系统设备的工况，实现对船舶横倾与纵倾的平衡控制。

优选地，上述控制方法具有自动控制、机旁手动及远程遥控多种控制方式。当系统处于手动遥控操作方式时，操作者可直接手动启停平衡水泵，进行左右抗横倾压载舱的水量调拨，纠正船舶的横倾状态；当系统处于自动控制方式时，通过各个系统和辅助检测设备，自动进行左右抗横倾压载舱的水量调拨，实现船舶的横向平衡控制；当系统处于手动控制方式时，操作者可在机舱直接起动或遥控起动，直接控制抗横倾泵的启停。对于起重机而言，控制方式同上，可实现吊车的操作与防横倾系统的完美配合，提高装卸效率。

优选地，在本发明的另一具体实施例中，该船舶综合平衡系统中设置有安全保护系统和报警系统，不仅具有抗横倾压载舱溢流、抗横倾泵气蚀、电机过载、电机防潮等保护，还具有倾斜角超限报警、电机过载、失电警报、抗横倾压载舱高低液位报警装置，为船舶的安全航行提供了更全面的监测，提高了船上人员的安全性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。