船舶自动稳性测定仪的设计理念

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摘 要 ：船舶稳性对船舶安全至关重要.在开航前我们必须对船舶进行稳性校核,以保证船舶的航行安全.然而在航行过程中,由于燃料消耗、打排压载水等操作会随时对船舶稳性产生影响,且这些影响是我们不容易觉察到的,也是不容易计算的.需要强调的是,这种影响有时是非常危险的.为了保证船舶安全,应该随时对船舶的稳性进行监测.

关 键 词 ：船舶 稳性 测定仪设计理念

前 言

利用船舶横摇周期来判断船舶稳性的大小在理论上是可行的,但是观测横摇周期需要掌握一定的技巧并需要连续观测,所花的时间较多,因此对值班驾驶员来说很不方便.利用横摇周期与船舶稳性的有关理论,通过角度敏感装置自动测定船舶横摇周期,结合船舶的实际装载情况,将稳性计算公式通过设计电路实现随时计算,使船舶稳性值即时显示出来,可以帮助值班驾驶员随时监测本船稳性的变化,又节约了时间,简化了繁琐的计算过程,对于避免航行过程中温性不足的事故有着十分重要的作用.

国内外对于利用横摇周期判断船舶稳性的研究有很多,但是目前利用自动测定横摇周期来即时监测船舶稳性的仪器并不多见.本文主要以GW-I型船舶自动稳性监测仪为例,阐述利用横摇周期监测船舶稳性的原理、监测仪的结构及其部分功能,以期对利用横摇周期监测船舶稳性的实际应用提供借鉴.

1.横摇周期与船舶稳性的关系.

正浮于静水上的船舶,在受到一个短期横向外力F后,船舶会倾斜,横倾角度θ会逐渐增加.由于船舶的回复力矩W的作用,船舶横倾的趋势逐渐减弱,最后在θ处停止.此时回复力矩大于外力矩,船舶必然回摇.这样的一个往复过程就是船舶横摇周期.考虑到不计及水阻尼的影响,船舶在静水中的横摇就是自由横摇.船舶自由横摇中横摇周期的计算可以根据力矩相等的原理推导如下：

1）中国船检局《法定规则》推荐公式.

虽然船舶航行在波浪中的摇摆幅度会有所改变,且实际航行中由于水阻尼的影响,横摇周期的大小也会发生改变.但是我们完全可以通过多观察几次,求取平均横摇周期的方法消除摆幅及瞬时周期波动带来的影响.《法定规则》推荐的船舶横摇周期与GM得关系为我国《法定规则》中采用的公式:

Tθ等于fB/GM1/2(3-38)

式中：f――系数,根据船宽吃水比B/d查表3-5可得；

B――船舶型宽,m；

d――船舶型吃水,m；

KG ――所核算状态下的船舶重心距基线高度,m；

GM――所核算状态下的船舶未经自由液面修正的初稳性高度,m.

2）IMO《稳性规则》推荐公式.

对于船长不超过70m的船舶,《IMO船舶完整稳性规则》中的经验公式：

GM等于（fB/ Tθ）1/2（3-39）

式中：f――船舶横摇周期系数,其值与船舶大小、形状及装载状况、重量分布等因素有关.对一般货船,f取0.73～0.88.

船舶在开航后可以选择风浪较小的时机,连续测定船舶横摇周期总,计算船舶横摇周期,可以用以下公式计算船舶所核算状态下的未经自由液面修正的初稳性高度GM（m）.

2.船舶自动稳性监测仪的结构设计.

根据我们选定的计算公式,船舶稳性自动监测仪由横摇周期测定装置、船舶参数输入装置、船舶稳性计算和船舶稳性显示四部分组成.通过光敏测定实时测定船舶横摇周期并将其值输入稳性计算装置.在船舶参数装置部分设计f和B的输入窗口,f和B的信号也输入稳性计算装置.在稳性计算装置设计合适的电路,依据公式计算出平均横摇周期和船舶GM值,并输出到显示装置上.

1）横摇周期测定装置的设计.

设计一个灵活摆动的扇形页面,在扇形页面前方固定一个光敏观测器.扇形页面要求要有一定的重量并悬挂在一个灵活转动轴上,以保证随着船舶的摇摆而自由摆动.扇形页面设计成夹角为96°的扇形.扇形页面的半径要根据监测仪器的实际高度确定.在夹角1/2处做垂线,该垂线左右分别漆成黑白色,便于光敏监测.光敏监测是固定的,最好固定位置偏离扇形中心线3°处,利于监测有效横摇周期,提高观测精度.

2）船舶参数输入装置的设计.

船舶参数主要涉及到f和B两项.为了便于操作可以设计在显示面板上.参数输入装置除设置数字键之外,还应设置小数点、清零、确认等按键.整个输入装置要有良好的操作界面,便于驾驶员检查修正,以得到准确的稳性值.

3）船舶稳性计算的设计.

光敏观测得到的周期需要计算5次横摇的平均周期.该平均值一路输入显示装置,一路输入计算装置.根据参数输入装置传输的参数信号和横摇周期测定装置输入的平均横摇周期,根据公式进行计算就可得到船舶平均GM值,输出到显示装置.

3.船舶稳性的显示与监测.

在显示装置中显示1）船舶横摇周期平均值,该平均值每5次横摇更新一次；2）船舶GM值,该值随着横摇周期的更新而更新；3）船舶参数值,该值需要根据船舶实际运营情况进行输入更新.

1）根据横摇周期的变化监测船舶稳性的变化.由于船舶周期越大表明GM值越小,通过观察横摇周期的变化可以判断本船的稳性的变化情况.

2）根据GM值的大小判断船舶稳性的变化.GM值直接反映了船舶稳性的大小,通过观察GM值的极端变化可以判断出本船稳性的变化情况.需要指出的是显示GM值与参数输入有着非常大的关系,需要经常总结参数的规律,对照开航时计算的GM值,逐步总结f值的取值.通过总结得出正确的f值就可以保证GM显示的精度.

4.结束语.

横摇周期与GM之间的关系是个非常复杂的计算过程.在观测横摇周期的过程中也需要掌握一定的技巧,需要花费一定的时间.通过船舶稳性自动检测仪就可以避免以上的弊端,方便地求出本船的GM值,从而保证船舶的航行安全.

[参考文献]

中国船舶检验局《法定规则》1998

《IMO船舶完整稳性规则》

《用横摇周期检验船舶稳性的使用研究》 任孔愚 青岛远洋船员学院学报1996.1

(张伟：男,1971.2.5四川江津、大学本科、武汉交通大学船舶工程专业、现任重庆市涪陵区港航管理局船舶工程工程师)