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摘 要：设计一种新型船舶液压减摇装置，应用于船上的生活区和工作区，起到局部减摇作用，能为海员提供平稳安全的工作、生活环境，同时保障旅客的航行舒适性。着重叙述该装置的特点、结构、工作原理和减摇效果。
关键词：液压；局部减摇；强度分析；减摇效率
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）10-0396-01
船舶在海上航行时，经常会遇到恶劣的气候条件，引起剧烈的摇摆，使船员大量消耗体能、极度疲劳，这样持续的工作，安全隐患极大。如果船员体质差或适应能力弱，容易引起严重的晕浪现象，威胁海员的身心健康。特别在客轮上，船舶剧烈的摇荡对旅客航行的舒适性产生很不利的影响。
减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、舭龙骨等现有船舶减摇技术多采用全船减摇，但并不能完全消除摇摆。本装置则是从船舶舾装设备对船员工作条件、身体健康和旅客航行舒适性的影响来考虑，运用液力平衡原理实现船舶局部减摇。解决因船体摇晃给船舶安全生产、船员休息、航行舒适性带来的问题。本装置机构简洁、实用可靠、节能环保，维护管理方便，属人性化的船舶舾装产品，能改善船舶操控人员的工作和居住条件，保障旅客的航行舒适性。
1 工作原理
局部减摇装置的结构如图1所示，实物如图2所示。本装置由上平板1、顶部储油盒2、主支撑柱3、四个套筒4和柱塞5及下平板6组成。上下平板间由主支撑柱固定连接，四个柱塞和套筒均匀分布在主支撑柱周围，柱塞头部与下平板处于滑动状态，用油脂润滑。四个套筒间由顶部储油盒连通，四个柱塞和主支撑柱的头部均为起万向转动作用的球铰。当船舶摇摆时,上表面支撑物就给某个方向上的柱塞一个压力,在顶板压力作用下,球铰和柱塞轴向受压,柱塞就推动油缸内的液压油向压力低的一侧流动进而推动，另一侧液压油缸中的柱塞上升。反向摇摆时是同一个方式作用,以此来达到减摇的目的。在初稳性压力下，船体倾斜带动柱塞升降，液体流动支撑上平板保持平衡。
选用液体作为传动介质，可以保证本装置对外界摇摆做出及时准确的反应。当外界有摇摆时，与下平板连接的球铰带动柱塞升降，迫使柱塞内连通的液体流动，并且其周期与船的摇摆运动周期同步，方向相反，从而达到削减摇摆幅度的目的，能很好地实现其减摇功能。中间的主支撑柱分担了四个工作柱塞的部分压力负荷，对他们起到了保护作用，保证本装置正常持久工作。摇摆时柱塞头上的球铰在下平板设计的槽道内向两侧滑动，使柱塞升降自如。四个连通柱塞互相配合，可以减弱任意方向上的摇摆。
2 元件强度分析
在整体系统中采用四柱塞交叉联通的方式,以此来达到液力平衡,达到减摇目的。每个柱塞密封面所能承受的最大压力为32Mpa，正常平衡状态下柱塞外伸高度2.0cm，套筒内高度 4.0cm。倾斜最大角度时球铰相对上平板伸长量0.6cm，柱塞最大高度差5.0cm。 因为柱塞在油缸内的部分全部浸沉在工作介质中,呈悬浮状态,故称该种柱塞支撑方式为柱塞悬浮式联通液压减摇系统。
此系统中，柱塞和油缸在承受内压时，柱塞还承受轴向压力，油缸则承受轴向拉力。柱塞插在油缸内的部分,作用在其内外表面上的液压力相互平衡。
圆筒或圆环的环向应力如图3所示，在实际应用中,油缸所受的轴向力比柱塞的小得多，由于柱塞操作不当或顶板和底板不平行等情况的影响,柱塞可能收到难以确定的偏载,使柱塞和油缸受到一定弯矩的作用，因而柱塞和油缸要有足够的融合长度。
综上所述，液压柱塞采用了悬浮工作原理,技术可行、可靠；柱塞行程大,扩大了柱塞的使用范围,使用灵活方便,保证了器材的正常工作；柱塞为无缝柱塞,不仅柱塞强度和稳定性得到提升,而且结构工艺得到大大简化,零件的数量也得以减少,生产成本降低。
3 减摇效果的分析
对于减摇装置的减摇性能，目前主要是以横摇幅值的減小来评定减摇效果，通常以减摇效率的形式表示，其中较合理的是按不规则波中得到的减摇效率加以评定。
作者常用的方法是籍谱分析得到的无减摇装置时有义横摇幅值的减少作为比较的基础，给出减摇效率为：
η=1-((a)1/3s(a)1/3u%（5）
式中（a)1/3s、（a)1/3u分别表示船有减摇装置和无减摇装置时的有义横摇幅值。
由式（7）得出的减摇效率η，对于好的被动式减摇水舱一般在40-50%，而减摇鳍一般在80%以上。
图4为作者利用计算机软件得到局部减摇器在工作状态下的仿真动作。当船舶未发生摇摆时,任意方向上的柱塞都是平衡的,未发生相对滑动.此时,减摇器处于平衡状态，各零件部分承受的就是垂向方向上的力。当船舶摇摆时，和船体固定的下平板也随之倾斜，此时，上表面支撑物就给某个方向上的柱塞一个压力,使得一侧的柱塞下降，根据U型管机理，另一测柱塞相应上升。由于密封液压腔体内选用的液压介质的不可压缩, 因此,减摇器最终的两侧的柱塞水平高度是一致,那么,通过球铰连接在上面的上平板也是平衡的。
液压减摇器的实体模型在上平板载荷小于200 kg时，能随着船体的摇摆，相应地调整其下平板的倾斜角度，始终保持上平板处于水平状态，使得上表面的支撑物或人免受船舶摇摆的影响，达到减摇效果。实验过程中测得减摇器下平板的倾斜角度在0~27°，在国际海事组织规定的船舶安全倾角范围之内。该装置在无需动力设备的条件下对船舶摇摆振动的变化时作出反应，保持上平板平衡，这种自适应式的调节方式，受舰船装载条件的复杂性及海洋环境不确定性的影响较小。
本装置在船舶整体减摇技术的基础上配合使用，起局部减摇作用，能达到更好的减摇效果。
4 结论
本装置从船舶舾装设备对船员工作条件、身体健康和旅客航行舒适性的影响来考虑，将减摇的设计理念由整体转变为局部，将液压技术直接用于船舶减摇，不论在设计理念还是技术应用方面都有很大的创新。通过对系统的技术分析，证明了该装置的科学性和可行性。而且本装置轻便简单，节能环保，在交通运输、工程生产和医疗卫生等领域有广泛的应用推广范围。在船舶整体减摇的基础上配合以局部减摇，以此达到更好的减摇效果。
参考文献
［1］李状元.液压元件与系统［M］.北京：机械工业出版社, 1991.
关键词：液压；局部减摇；强度分析；减摇效率
中图分类号：TH文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）10-0396-01
船舶在海上航行时，经常会遇到恶劣的气候条件，引起剧烈的摇摆，使船员大量消耗体能、极度疲劳，这样持续的工作，安全隐患极大。如果船员体质差或适应能力弱，容易引起严重的晕浪现象，威胁海员的身心健康。特别在客轮上，船舶剧烈的摇荡对旅客航行的舒适性产生很不利的影响。
减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、舭龙骨等现有船舶减摇技术多采用全船减摇，但并不能完全消除摇摆。本装置则是从船舶舾装设备对船员工作条件、身体健康和旅客航行舒适性的影响来考虑，运用液力平衡原理实现船舶局部减摇。解决因船体摇晃给船舶安全生产、船员休息、航行舒适性带来的问题。本装置机构简洁、实用可靠、节能环保，维护管理方便，属人性化的船舶舾装产品，能改善船舶操控人员的工作和居住条件，保障旅客的航行舒适性。
1 工作原理
局部减摇装置的结构如图1所示，实物如图2所示。本装置由上平板1、顶部储油盒2、主支撑柱3、四个套筒4和柱塞5及下平板6组成。上下平板间由主支撑柱固定连接，四个柱塞和套筒均匀分布在主支撑柱周围，柱塞头部与下平板处于滑动状态，用油脂润滑。四个套筒间由顶部储油盒连通，四个柱塞和主支撑柱的头部均为起万向转动作用的球铰。当船舶摇摆时,上表面支撑物就给某个方向上的柱塞一个压力,在顶板压力作用下,球铰和柱塞轴向受压,柱塞就推动油缸内的液压油向压力低的一侧流动进而推动，另一侧液压油缸中的柱塞上升。反向摇摆时是同一个方式作用,以此来达到减摇的目的。在初稳性压力下，船体倾斜带动柱塞升降，液体流动支撑上平板保持平衡。
选用液体作为传动介质，可以保证本装置对外界摇摆做出及时准确的反应。当外界有摇摆时，与下平板连接的球铰带动柱塞升降，迫使柱塞内连通的液体流动，并且其周期与船的摇摆运动周期同步，方向相反，从而达到削减摇摆幅度的目的，能很好地实现其减摇功能。中间的主支撑柱分担了四个工作柱塞的部分压力负荷，对他们起到了保护作用，保证本装置正常持久工作。摇摆时柱塞头上的球铰在下平板设计的槽道内向两侧滑动，使柱塞升降自如。四个连通柱塞互相配合，可以减弱任意方向上的摇摆。
2 元件强度分析
在整体系统中采用四柱塞交叉联通的方式,以此来达到液力平衡,达到减摇目的。每个柱塞密封面所能承受的最大压力为32Mpa，正常平衡状态下柱塞外伸高度2.0cm，套筒内高度 4.0cm。倾斜最大角度时球铰相对上平板伸长量0.6cm，柱塞最大高度差5.0cm。 因为柱塞在油缸内的部分全部浸沉在工作介质中,呈悬浮状态,故称该种柱塞支撑方式为柱塞悬浮式联通液压减摇系统。
此系统中，柱塞和油缸在承受内压时，柱塞还承受轴向压力，油缸则承受轴向拉力。柱塞插在油缸内的部分,作用在其内外表面上的液压力相互平衡。
圆筒或圆环的环向应力如图3所示，在实际应用中,油缸所受的轴向力比柱塞的小得多，由于柱塞操作不当或顶板和底板不平行等情况的影响,柱塞可能收到难以确定的偏载,使柱塞和油缸受到一定弯矩的作用，因而柱塞和油缸要有足够的融合长度。
综上所述，液压柱塞采用了悬浮工作原理,技术可行、可靠；柱塞行程大,扩大了柱塞的使用范围,使用灵活方便,保证了器材的正常工作；柱塞为无缝柱塞,不仅柱塞强度和稳定性得到提升,而且结构工艺得到大大简化,零件的数量也得以减少,生产成本降低。
3 减摇效果的分析
对于减摇装置的减摇性能，目前主要是以横摇幅值的減小来评定减摇效果，通常以减摇效率的形式表示，其中较合理的是按不规则波中得到的减摇效率加以评定。
作者常用的方法是籍谱分析得到的无减摇装置时有义横摇幅值的减少作为比较的基础，给出减摇效率为：
η=1-((a)1/3s(a)1/3u%（5）
式中（a)1/3s、（a)1/3u分别表示船有减摇装置和无减摇装置时的有义横摇幅值。
由式（7）得出的减摇效率η，对于好的被动式减摇水舱一般在40-50%，而减摇鳍一般在80%以上。
图4为作者利用计算机软件得到局部减摇器在工作状态下的仿真动作。当船舶未发生摇摆时,任意方向上的柱塞都是平衡的,未发生相对滑动.此时,减摇器处于平衡状态，各零件部分承受的就是垂向方向上的力。当船舶摇摆时，和船体固定的下平板也随之倾斜，此时，上表面支撑物就给某个方向上的柱塞一个压力,使得一侧的柱塞下降，根据U型管机理，另一测柱塞相应上升。由于密封液压腔体内选用的液压介质的不可压缩, 因此,减摇器最终的两侧的柱塞水平高度是一致,那么,通过球铰连接在上面的上平板也是平衡的。
液压减摇器的实体模型在上平板载荷小于200 kg时，能随着船体的摇摆，相应地调整其下平板的倾斜角度，始终保持上平板处于水平状态，使得上表面的支撑物或人免受船舶摇摆的影响，达到减摇效果。实验过程中测得减摇器下平板的倾斜角度在0~27°，在国际海事组织规定的船舶安全倾角范围之内。该装置在无需动力设备的条件下对船舶摇摆振动的变化时作出反应，保持上平板平衡，这种自适应式的调节方式，受舰船装载条件的复杂性及海洋环境不确定性的影响较小。
本装置在船舶整体减摇技术的基础上配合使用，起局部减摇作用，能达到更好的减摇效果。
4 结论
本装置从船舶舾装设备对船员工作条件、身体健康和旅客航行舒适性的影响来考虑，将减摇的设计理念由整体转变为局部，将液压技术直接用于船舶减摇，不论在设计理念还是技术应用方面都有很大的创新。通过对系统的技术分析，证明了该装置的科学性和可行性。而且本装置轻便简单，节能环保，在交通运输、工程生产和医疗卫生等领域有广泛的应用推广范围。在船舶整体减摇的基础上配合以局部减摇，以此达到更好的减摇效果。
参考文献
［1］李状元.液压元件与系统［M］.北京：机械工业出版社, 1991.