一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍
阅读说明：本技术 一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍 (Improved retractable deformation fin stabilizer applicable to full navigational speed ) 是由 陈悦 崇健斌 谢仪 余佳豪 朱姣姣 赵新飞 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍,包括鳍体,鳍体设于船体(1)舷部的安装槽口内,鳍体包括主鳍组件(2)和副鳍组件(3),主鳍组件(2)设有用于容纳副鳍组件(3)的储存空腔(28),主鳍组件(2)包括转动组件、鳍轴(26)、鳍轴壳(29)和主鳍翼(27),还包括压力传感器(4)、角速度陀螺仪(5)和鳍角实时控制系统,压力传感器(4)和角速度陀螺仪(5)分别连接鳍角实时控制系统,角速度陀螺仪(5)设于主鳍翼(27)上；本发明既有船舶静止或低航速下的减摇作用,又有在中高航速下减摇的作用,能够通过实时升力的测量,进行调整,提高了减摇效果。(The invention provides an improved retractable deformation fin stabilizer applicable to full navigational speed, which comprises a fin body, wherein the fin body is arranged in an installation groove of a ship side of a ship body (1), the fin body comprises a main fin component (2) and an auxiliary fin component (3), the main fin component (2) is provided with a storage cavity (28) for accommodating the auxiliary fin component (3), the main fin component (2) comprises a rotating component, a fin shaft (26), a fin shaft shell (29) and a main fin wing (27), the fin body further comprises a pressure sensor (4), an angular rate gyroscope (5) and a fin angle real-time control system, the pressure sensor (4) and the angular rate gyroscope (5) are respectively connected with the fin angle real-time control system, and the angular rate gyroscope (5) is arranged on the main fin wing (27); the invention has the anti-rolling function under the static or low navigational speed of the ship and the medium and high navigational speed, and can be adjusted by measuring the real-time lifting force, thereby improving the anti-rolling effect.)
技术领域
本发明涉及一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，属于船舶设备技术领域。
背景技术
船舶在海上航行会遇到风浪的作用，并产生摇摆现象，这种现象会严重影响到船舶正常的航行性能，船体的结构和船内物件也会受到影响，船舶的横向摇摆会降低船舶的适航性,损坏船体结构,影响设备、仪表的正常工作,还会导致货物移位或撞击损坏，也可能会造成乘客昏晕等不良影响。减摇鳍作为目前效果最好的减摇装置，经常被用来作为船舶的有效减摇装置，然而传统减摇鳍鳍上产生的升力与来流速度的平方近似成正比，导致零低航速下减摇鳍不能提供足够的稳定力矩，使减摇鳍在零、低航速下不能减摇。
事实上，船舶在静止或低航速的情况下也会发生摇晃，然而目前能在静止或低航速情况下达到显著减摇效果的减摇装置并不多。现有的减摇鳍在无需使用时由收放装置将减摇鳍收到船体内部，当需要使用减摇鳍时,又由收放装置将减摇鳍伸到船体外面,这种减摇鳍的不足之处是减摇鳍的面积不能过大，不能占用太多船体内部空间,目前可收放面积较小的船用减摇鳍尚不多见。理想状态下，如果减摇鳍的控制力矩完全抵消扰动力矩，则横摇运动停止，因此产生精准的控制力矩成为减横摇的关键。
控制力矩需要根据扰动来确定，但海洋环境异常恶劣，如何准确有效地检测实际扰动力矩成为一个难题。在减摇鳍受到的动态水动力作用中，对船体起减摇作用的是升力。升力作用线垂直于水流相对速度和减摇鳍的轴线。所以，减摇鳍系统的控制问题很大程度上取决于如何精准检测和运用实际升力。目前对于减摇鳍的控制系统主要是根据船体发生横摇是的鳍角变化以及航速的信号通过PID系统分析得出大概的鳍轴转动信号，从而实现减摇效果，这样得出的升力并不能通过系统的控制得到与之一致的升力。
船舶在静止或低航速的情况下也会发生摇晃，如何设计一种不仅能在中、高航速下进行减摇，又能在静止或低航速情况下进行减摇的减摇鳍是一个急需解决的问题。
例如，授权公告号为CN 109018238 B，名称为《一种船舶减摇鳍》的发明专利，所描述的一种船舶减摇鳍,包括减摇鳍本体,还包括转动体、转鳍油缸、转轴、电动机一和基座,减摇鳍本体和转动体连接,减摇鳍本体包括本体和翼板,本体上开设有储存腔,储存腔的底部设置有电磁铁,翼板上设有永磁铁,永磁铁和电磁铁相对设置,储存腔内的相对两侧面上均设置有滑槽,翼板的两侧均设置有滑块,滑块和滑槽一一对应并且所述滑块滑动设置在相对应的滑槽中，在不同海况下可调整减摇鳍本体的受力面积,进一步提高船舶航行的安全性。该发明专利采用矩形鳍，中、高航速下升力系数低，诱导阻力较高，水动力性能不理想，同时该专利缺少对升力进行具体测量的装置，存在一定的误差，不能较为准确的进行减摇控制。
又如，授权公告号为CN 203727622 U，名称为《船舶静态减摇鳍》的专利，所描述的船舶静态减摇鳍，包括船体、鳍轴、鳍翼、单端输出推拉液压装置。船舶静态摇摆时，单端输出推拉液压装置通过连杆对鳍翼实施推动或拉动，使鳍翼围绕鳍轴上下摆动，通过鳍翼对水的作用力抵抗船体的摇摆,而在船舶航行时，又能使鳍翼保持在某一位置并固定，减少船舶航行时的摇摆。但是，该专利只考虑静态状态下对船体的减摇，而且减摇效果不佳，同时该专利也缺少对升力进行具体测量装置，存在一定的误差，不能较为准确的进行减摇控制，装置不太实用。
上述问题是在减摇鳍的设计与加工过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明的目的是要提供一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，可根据风浪大小、航速以及船舶摇摆幅度调整主鳍翼转动角度以及副鳍翼的展开来实现船舶在全航速下减摇的作用，同时根据实时的升力大小，对减摇装置进行微调，从而进一步提高船舶航行的安全性，解决现有技术中存在的减摇效果不佳，难以较为准确的进行减摇控制的问题。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，包括鳍体，鳍体设于船体舷部的安装槽口内，鳍体包括主鳍组件和副鳍组件，主鳍组件设有用于容纳副鳍组件的储存空腔，主鳍组件包括转动组件、鳍轴、鳍轴壳和主鳍翼，鳍轴的一端穿过鳍轴壳并通过转动组件连接船体内部的电机的输出端，鳍轴的另一端连接主鳍翼，还包括压力传感器、角速度陀螺仪和鳍角实时控制系统，角速度陀螺仪设于主鳍翼上，角速度陀螺仪用于测得瞬时船摇摆角，鳍轴内设有微动轴承，微动轴承的两端分别设有微动轴承支座，且微动轴承与微动轴承支座间设有压力传感器，微动轴承支座和鳍轴设于鳍轴壳内，压力传感器和角速度陀螺仪分别连接鳍角实时控制系统。
进一步地，在船舶中高航速情况下，通过鳍角实时控制系统进行主鳍翼角度的调整，具体调整角度由鳍角实时控制系统所收到的鳍角信号决定；在船舶零航速或较低航速下打开副鳍翼，在中高航速下收起副鳍翼。
进一步地，通过角速度陀螺仪测得瞬时船摇摆角，并反馈给鳍角实时控制系统；通过结合航速信号，鳍角实时控制系统得到鳍角信号，最终通过液压机组驱动，带动鳍转动从而实现减摇鳍的角度变化，实现减摇；具体为，当波浪力矩作用在船上时，船将产生横摇角，减摇鳍装置中的角速度陀螺仪测得横摇角速度，并发送给鳍角实时控制系统处理,同时船的航速信号也被发送给鳍角实时控制系统，形成转鳍指令信号调整电液伺服阀，进而由转鳍油缸实现鳍轴的旋转。
进一步地，微动轴承在主鳍翼受到升力后带动鳍轴发生微小运动，并与安装在两侧的微动轴承支座接触，由微动轴承与微动轴承支座间的压力传感器测出压力值，即实际升力，并反馈实际升力给鳍角实时控制系统，鳍角实时控制系统结合实际升力调整电液伺服阀，进而由转鳍油缸实现鳍轴的旋转。
进一步地，在零航速或低航速下，副鳍翼在电机带动转轴下展开后，主鳍翼的摆动角度和摆动周期由鳍角实时控制系统进行控制，由主鳍翼上的角速度陀螺仪传递给鳍角实时控制系统，得到摆动周期，在干扰力矩越大时，主鳍翼的角速度越大，即摆动周期越小。
进一步地，副鳍组件包括副鳍翼、转轴、金属盖板和若干电磁铁，副鳍翼的端部通过转轴连接在储存空腔内，储存空腔设于主鳍翼的端部，金属盖板活动连接储存空腔的腔口处，副鳍翼的侧部设有若干用于吸附金属盖板来盖合储存空腔的电磁铁。
进一步地，副鳍翼采用扇形副鳍翼。
进一步地，主鳍翼的储存空腔处设有毛刷，储存空腔分别设有充气阀和排水孔。
进一步地，转动组件包括单端输出的液压装置、连杆、转体、主电机和转鳍油缸，单端输出的液压装置连接船体内部的电机的输出端，单端输出的液压装置的输出端通过连杆连接转体，转体内设有主电机和转鳍油缸，主电机通过转鳍油缸连接鳍轴。
进一步地，鳍角实时控制系统采用PID控制器，主鳍翼采用平行四边形鳍翼。与矩形鳍相比，平行四边形鳍由于翼型具有后掠角，还可提高中、高航速下升力系数，降低诱导阻力，改善水动力性能。
本发明具有如下技术效果：
一、该种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，既有船舶静止或低航速下的减摇作用，又有在中高航速下减摇的作用，通过实时升力的测量，进行调整，提高了减摇效果，结构较为简单，容易实现。
二、该种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，通过改进鳍轴机构，实现升力的实时测量，并结合鳍角、以及航速估算得出的升力，进而调整实际升力与所需升力间的差距，从而降低系统的整体误差，达到更好的减摇效果。
附图说明
图1为本发明实施例改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍的结构示意图。
图2为实施例中主鳍翼、转体和船体的结构示意图。
图3为实施例中主鳍组件和副鳍组件的结构示意图。
图4为实施例中主鳍翼、鳍轴和副鳍组件的结构示意图。
图5为实施例中鳍轴、鳍轴壳、微动轴承和微动轴承支座的结构示意图。
图6为实施例中副鳍翼和电磁铁的结构示意图。
图7为实施例中主鳍翼和副鳍翼的结构示意图。
图8为实施例中、高航速下鳍角实时控制系统的说明示意图。
图9为实施例零、低航速下鳍角实时控制系统的说明示意图。
图10为实施例转鳍油缸的结构示意图。
图中，1-船体，2-主鳍组件，3-副鳍组件，4-压力传感器，5-角速度陀螺仪；
21-单端输出的液压装置，22-连杆，23-转体，24-主电机，25-转鳍油缸，26-鳍轴，27-主鳍翼，28-储存空腔，29-鳍轴壳；
31-副鳍翼，32-转轴，33-微动轴承，34-微动轴承支座，35-电磁铁，36-金属盖板，37-充气阀，38-排水孔，39-毛刷；
41-齿条活塞杆，42-并联缸体，43-活塞，44-齿轮，45-油口。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，如图1和图2，包括鳍体，鳍体设于船体1舷部的安装槽口内，鳍体包括主鳍组件2和副鳍组件3，主鳍组件2设有用于容纳副鳍组件3的储存空腔28，如图3，主鳍组件2包括转动组件、鳍轴26、鳍轴壳29和主鳍翼27，鳍轴26的一端穿过鳍轴壳29并通过转动组件连接船体1内部的电机的输出端，鳍轴26的另一端连接主鳍翼27，还包括压力传感器4、角速度陀螺仪5和鳍角实时控制系统，角速度陀螺仪5设于主鳍翼27上，角速度陀螺仪5用于测得瞬时船摇摆角，如图5，鳍轴26内设有微动轴承33，微动轴承33的两端分别设有微动轴承支座34，且微动轴承33与微动轴承支座34间设有压力传感器4，微动轴承支座34和鳍轴26设于鳍轴壳29内，压力传感器4和角速度陀螺仪5分别连接鳍角实时控制系统。
该种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，既有船舶静止或低航速下的减摇作用，又有在中高航速下减摇的作用，通过实时升力的测量，进行调整，提高了减摇效果，结构较为简单，容易实现。
在船舶中高航速情况下，通过鳍角实时控制系统进行主鳍翼27角度的调整，具体调整角度由鳍角实时控制系统所收到的鳍角信号决定。在船舶零航速或较低航速下打开副鳍翼31，在中高航速下收起副鳍翼31，从而达到最大的升力效果，以到较好的减摇效果。
如图8，主鳍翼27上装有测量横摇角速度的角速度陀螺仪5。通过角速度陀螺仪5测得瞬时船摇摆角，并反馈给鳍角实时控制系统；通过结合航速信号，鳍角实时控制系统得到鳍角信号，最终实现减摇鳍的角度变化，实现减摇目的。
在船舶中高航速情况下实现减摇的原理说明如下：波浪产生的横摇干扰力矩为:MB＝DHγSin(2πt/T)式中:H为初稳心高；D为船舶排水量；γ为波倾角。在中、高航速下,减摇鳍产生的减摇力矩为:Mcr＝ρAfV2CL(α)R t·m式中:Af为鳍的面积；V为船舶航速；CL为鳍升力系数。由公式可知，此力矩与鳍面积Af和航速V的平方成正比。在鳍型参数及航行速度一定的情况下，减摇力矩Mcr只由转鳍角α来确定。当MB与Mcr相等时，即减摇鳍减摇力矩与海浪干扰力矩相互抵消时，船舶横摇运动将停止。装有减摇鳍的船舶，其鳍型参数是确定不变的,那么鳍所获得的稳定力矩将只由航行速度和转鳍角来决定。在保持稳定的航速时，则可以通过改变转鳍角α来改变稳定力矩，从而达到对稳定力矩的控制。
微动轴承33在主鳍翼27受到升力后带动鳍轴26发生微小运动，并与安装在两侧的微动轴承支座34接触，由微动轴承33与微动轴承支座34间的压力传感器4测出压力值，即实际升力，并反馈实际升力给鳍角实时控制系统，从而得到一个新的鳍角信号，再次通过伺服放大器、电液伺服阀、转鳍油缸进行鳍轴26角度的微调，从而实现更好的减摇效果。新的鳍角信号可根据实际升力与所需升力间的差值计算得出。即通过上一步的方法得出初步的鳍角α，通过压力传感器测出实际升力，同时得出与所需升力间的差值F，即可得到所需的力矩差值M，从而得到一个调整鳍角α1，通过鳍角信号转换发送系统发送给电液伺服阀，进而控制转鳍油缸对鳍轴角度进行微调。鳍角实时控制系统结合实际升力调整电液伺服阀。从而达到更好的减摇效果。轴承支座通过对鳍内部的传感器施加一定的预应力，这样避免可能出现空隙而带来死区问题，同时保证轴承座在平衡受力后结构稳定。
在零航速或低航速下，副鳍翼31在电机带动转轴使其展开后，主鳍翼27的鳍翼摆动角度与摆动周期也由鳍角实时控制系统进行控制，由主鳍翼27上的角速度陀螺仪5传递给控制系统，并结合实时航速计算出主鳍翼27的鳍翼摆动角度与摆动周期，再将转动信号传递给鳍轴26，以实现主鳍翼27的周期性摆动，实现减摇目的，达到最好的减摇效果。
在船舶零航速或低航速下实现减摇的原理说明如下：主鳍翼27上的角速度陀螺仪传递给鳍角实时控制系统，由于零航速下减摇鳍的鳍角作用可以忽略不计，其升力仅与角速度有关，主鳍翼27的转动将转动周期信号传递给转鳍油缸25并带动鳍轴26，以实现鳍翼的摆动，实现减摇目的。减摇鳍上下拍动的竖直平面，对鳍的拍动规则做简单化处理，忽略船舶横摇对鳍的影响，认为鳍的运动方式为正弦规律运动。则减摇鳍的运动位置方程用攻角可大致表示为：α(t)＝Asin(ωt)式中，A为减摇鳍中切面与水平面的最大夹角，ω为减摇鳍拍动周期的角频率，对上式求时间导数，得到鳍拍动的角速度运动方程为：dα(t)/dt＝Aωcos(ωt)。可知当拍动周期一定时，拍动角度越大，鳍上产生的升力越大；当拍动角度一定时，周期变长，产生的升力反而越小。在减摇鳍一个拍动周期内，鳍上的升力在T/4和3T/4时达到最大值，此时鳍攻角为零，即鳍处在水平位置。当鳍的攻角为零时，此刻鳍的角速度最大，由此可知，鳍上的升力与鳍的角速度有正相关对应关系，因此本装置在零、低航速下仅考虑鳍角速度因素，当干扰力矩越大时，鳍的角速度越大，即摆动周期越小。
如图3、图4和图6，副鳍组件33包括副鳍翼31、转轴32、金属盖板36和若干电磁铁35，副鳍翼31的端部通过转轴32连接在储存空腔28内，储存空腔28设于主鳍翼27的端部，金属盖板36活动连接储存空腔28的腔口处，副鳍翼31的侧部设有若干用于吸附金属盖板36来盖合储存空腔28的电磁铁35。副鳍翼31采用扇形副鳍翼31。在零航速或低航速行驶的情况下，主鳍翼27内部的副鳍翼31通过转轴32向外转动，以增加主鳍翼27展开面积，达到更好的减摇目的。同样的，当航速处于中、高航速时，主鳍翼27内部的副鳍翼31通过转轴32向内转动，使得副鳍翼31储存于储存空腔28内，从而达到中、高航速下的最好减摇效果。
如图7，金属盖板36安装在主鳍翼27储存空腔28口两侧，当船舶处于中高航速时通过副鳍翼31上的电磁铁35将位于两侧的金属盖板36吸附在副鳍翼31上，阻止了中高航速下外界水流进入存储空腔，避免水流进入影响减摇效果。
如图7，主鳍翼27的储存空腔28处设有毛刷39，毛刷39安装在主鳍翼27内存储空腔口内壁的上下两侧，当副鳍翼31收回或展开时可帮助清理副鳍翼31表面的杂质。储存空腔28分别设有充气阀37和排水孔38。充气阀37装在主鳍翼27内的存储空腔内，当船舶处于中高航速副鳍翼31收入储存空腔28内时，通过充气阀37向储存空腔28内充入气体，气压升高可以使得储存空腔28内部的水和杂质通过排水孔38排出，从而提高减摇效果。
如图2和图3，转动组件包括单端输出的液压装置21、连杆22、转体23、主电机24和转鳍油缸25，单端输出的液压装置21连接船体1内部的电机的输出端，单端输出的液压装置21的输出端通过连杆22连接转体23，转体23内设有主电机24和转鳍油缸，主电机24通过转鳍油缸连接鳍轴26。通过控制船体1内电机来实现对鳍体的收放。在不需要减摇时可通过液压装置将其收放到船体1内部，以减小空间的占用。
在要使用减摇装置的时候，通过单端输出的液压装置21使得转体23从船体1舷部的安装槽口内移动到外部，实现整个鳍体的展开。
鳍体安装在船舷两侧，主鳍翼27安装在鳍轴26上。鳍轴26位置一般选择在距离主鳍翼27首缘1/6-1/5弦长处。主鳍翼27采用平行四边形鳍翼，主鳍翼27的一端通过鳍轴26与转体23相连，主鳍翼27的内部设有转轴32以及储存空腔28。与矩形鳍相比，平行四边形鳍由于翼型具有后掠角，还可提高中、高航速下升力系数，降低诱导阻力，改善水动力性能。
如图9，转鳍油缸主要由齿条活塞杆41、并联缸体42、活塞43、齿轮44、以及油口45等组成。上下两个液压缸相互独立，当鳍角实时控制系统得到鳍角信号传递到转鳍油缸时，压力油从油口45通入，上缸的活塞43左移，下缸的活塞43右移，通过齿条活塞杆41带动齿轮44逆时针旋转，输入扭矩，再通过齿轮44和鳍轴26之间的键连接，将扭矩传给鳍轴26，从而实现鳍轴26的逆时针旋转，当压力油反向时，齿轮44顺时针转动，相应地，鳍轴26也作顺时针旋转。
该种改良的适用于全航速可收放变形减摇鳍，主鳍翼27在转体23内主电机24作用下可随着鳍轴26进行转动，具体转动角度由鳍角实时控制系统根据具体航速和风浪来确定，副鳍翼31通过主鳍翼27内的转轴32实现转动，在零航速或较低航速时可将储存于主鳍翼27内部储存空腔28内的副鳍翼31展开，以增大鳍翼面积达到更好的减摇效果。在中高航速时可将外部的副鳍翼31收放到主鳍翼27内部的储存空腔28内，以达到更好的减摇效果。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改、补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
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