本發(fā)明屬于船舶減搖附體裝置領(lǐng)域，具體涉及一種攻角可控的液壓驅(qū)動(dòng)式減縱搖t型水翼。

背景技術(shù)：

船舶在海上航行時(shí)，由于風(fēng)、浪等海洋環(huán)境的干擾，船體會(huì)發(fā)生縱搖和垂蕩，這種負(fù)面影響對(duì)于廣泛應(yīng)用的高速雙體船尤為突出。為了抑制這種不良擾動(dòng)，通常在船體上加裝減搖附體，t型水翼就是一種常見的減縱搖附體裝置。它的減搖原理是使流體通過上下翼面的流速不同而生成壓力差，從而產(chǎn)生抵抗風(fēng)浪干擾的縱向力矩。t型水翼在流體中的升力可表示為：

其中：l為水翼升力，ρ為流體密度，v為流體相對(duì)于水翼的流速，s為水翼面積，cl為無因次升力系數(shù)(當(dāng)水翼的攻角α較小時(shí)，cl與α呈線性關(guān)系)。所以，在船舶的航速和所處海洋環(huán)境一定時(shí)，只有水翼的面積s值或攻角α值發(fā)生變化，t型水翼產(chǎn)生的扶正力矩才會(huì)改變。在船舶工程的實(shí)際應(yīng)用中，基于實(shí)用性和工程造價(jià)的考慮，一般采用改變水翼攻角α值的設(shè)計(jì)方案。

由于海洋環(huán)境擾動(dòng)的隨機(jī)性和船體自身的振蕩特性，船體在不同情況下所需要的縱搖、垂蕩扶正力矩并不相同。為了取得良好的減搖效果，保證船舶的安全性、穩(wěn)定性和適航性。就需要根據(jù)船體的縱搖角度、縱搖角速度、升沉位移、升沉速度等實(shí)際航行姿態(tài)和航速，適時(shí)地驅(qū)動(dòng)t型水翼以產(chǎn)生期望的縱搖和升沉扶正力矩。即：要求水翼可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持艦體航態(tài)的平衡。

現(xiàn)有的自控式水翼裝置可分為三大類型：機(jī)械式、通氣式和電液式。機(jī)械式自控水翼(如：“穩(wěn)定浮子”裝置、savitsky支柱翼裝置等)通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)水翼距水面的深淺調(diào)整水翼的攻角，以獲取期望升力。該類型水翼機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，但產(chǎn)生升力有限、控制效果并不理想，只適用于小型艦艇；通氣式自控水翼，其原理是在水翼上部的邊緣加裝通氣孔，通過調(diào)節(jié)通氣孔的供氣氣壓來控制水翼產(chǎn)生升力。該類型水翼的供氣系統(tǒng)能耗較高，但機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、可靠性強(qiáng)，適用于大型船舶；電液式自控水翼，由傳感器、控制器和電液伺服系統(tǒng)組成。電液伺服系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定可靠的較大驅(qū)動(dòng)力，配以高性能控制器、傳感器，可以獲得較為理想的減搖效果。該類型水翼對(duì)電子技術(shù)、機(jī)械制造工藝要求較高，但可控性好、穩(wěn)定性高，適合高性能船舶的實(shí)際應(yīng)用。隨著電子技術(shù)迅猛的發(fā)展和機(jī)械制造工藝的不斷提高，該類型水翼的發(fā)展前景令人期待。

然而，要使水翼具有可變的攻角α，且通過在水翼中安裝精密的傳感器以檢測其姿態(tài)，需要設(shè)計(jì)者重點(diǎn)考慮以下四方面的問題：一是在高速航行時(shí)，水翼翼首處發(fā)生的空泡會(huì)導(dǎo)致水翼流體動(dòng)力特性的惡化；二是高精密的傳感器對(duì)工作環(huán)境要求苛刻，水翼需要達(dá)到極高標(biāo)準(zhǔn)的密封、防潮和防振等級(jí)；三是水翼的結(jié)構(gòu)需要保障傳感器供電、傳輸線路的安全、穩(wěn)定；四是水翼的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整體性較差，設(shè)計(jì)、制造的成本較高且維修困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性的攻角可控的液壓驅(qū)動(dòng)式減縱搖t型水翼。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種攻角可控的液壓驅(qū)動(dòng)式減縱搖t型水翼包括：翼體、機(jī)械傳動(dòng)部件和液壓傳感裝置三個(gè)部分，翼體包括：柱翼、水平固定翼和襟尾翼，柱翼上端通過連接板安裝在船體艏部龍骨下方，柱翼下端與水平固定翼垂直焊接，左右兩個(gè)襟尾翼通過轉(zhuǎn)軸對(duì)稱地內(nèi)嵌在水平固定翼中且可同步擺動(dòng)，襟尾翼與水平固定翼之間留有擺動(dòng)間隙；機(jī)械傳動(dòng)部件包括：轉(zhuǎn)軸、液壓缸接口、支臂、銷軸和液壓缸活塞桿，液壓缸接口上端連接液壓缸活塞桿，液壓缸接口下端通過銷軸與支臂鉸鏈連接，支臂上端開有銷軸的滑孔，下端與襟尾翼和轉(zhuǎn)軸剛性連接；液壓傳感裝置包括位置磁環(huán)、測量桿、傳感器頭，位置磁環(huán)和測量桿安裝在密閉的液壓缸缸體中。

所述t型水翼采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸通過連接板及基座固定在船體艏部龍骨處，襟尾翼由液壓缸活塞桿經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)，襟尾翼偏轉(zhuǎn)角范圍為±15°。

所述t型水翼的水平固定翼的翼展比為2.5。

所述t型水翼的柱翼和水平固定翼為空體結(jié)構(gòu)，襟尾翼為全封閉空體結(jié)構(gòu)，在水平固定翼的翼展方向?qū)ΨQ地布置兩組縱向加強(qiáng)筋，在中間兩個(gè)加強(qiáng)筋之間的前后緣各布置一個(gè)橫向加強(qiáng)筋。

所述t型水翼在轉(zhuǎn)軸與水平固定翼接觸的位置安裝防水膠圈。

所述t型水翼的襟尾翼和支臂的固連夾角為145°。

本發(fā)明能對(duì)水翼攻角進(jìn)行較為精確的控制，在保障水翼控制精度的同時(shí)，相比在翼體中直接安裝精密傳感器以監(jiān)測其偏轉(zhuǎn)姿態(tài)信息的技術(shù)方案，優(yōu)化了水翼的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水翼的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性，極大地降低了水翼的制造、維修難度，大幅減少設(shè)計(jì)、制造和維修成本。而且該t型水翼可以與其它減搖附體聯(lián)合使用，再配以伺服閥、高精度陀螺、高性能控制器及靈活高效的控制算法組成聯(lián)合減搖系統(tǒng)，可以使船舶的減搖效果得到極大提升。

附圖說明

圖1為t型水翼的實(shí)船安裝位置示意圖；

圖2為t型水翼的整體示意圖；

圖3為t型水翼的側(cè)剖圖；

圖4為位移傳感器的安裝示意圖；

圖5為水平固定翼與襟尾翼的俯視圖；

圖6為水平固定翼的加強(qiáng)筋分布示意圖；

具體實(shí)施方式

所述整體技術(shù)方案為t型水翼由液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸活塞桿的伸縮經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)化為兩個(gè)襟尾翼的同步偏轉(zhuǎn)，因各機(jī)械傳動(dòng)部件尺寸、連接方式固定，活塞桿的伸縮量與襟尾翼偏轉(zhuǎn)角α呈定量關(guān)系，在活塞桿上安裝位移傳感器以測量活塞桿的伸縮量，通過對(duì)活塞桿伸縮量的控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)t型水翼攻角α的半閉環(huán)控制，從而獲得預(yù)期的縱搖和升沉扶正力矩。下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1為t型水翼的實(shí)船安裝位置示意圖，圖2為t型水翼的整體示意圖。翼體主要包括：柱翼1、基座2、連接板3、水平固定翼4、襟尾翼5、轉(zhuǎn)軸6和液壓缸接口7及機(jī)械傳動(dòng)部件。具體連接形式：柱翼1上端通過連接板3安裝在船體艏部12龍骨下方，下端與水平固定翼4垂直焊接，使水翼擁有良好的結(jié)構(gòu)剛度和整體性，同時(shí)也保障了翼體的水密性；柱翼1為空體結(jié)構(gòu)，且由耐腐蝕材料構(gòu)成；柱翼1對(duì)水平固定翼4和內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)部件起支撐和保護(hù)作用，液壓缸接口7在柱翼1中；兩個(gè)襟尾翼5通過轉(zhuǎn)軸6對(duì)稱地內(nèi)嵌在水平固定翼4中，并在兩側(cè)留有很小的間隙，便于襟尾翼5擺動(dòng)。采用內(nèi)嵌可擺動(dòng)襟尾翼的模式，可以有效地避免：在高速航行狀態(tài)下，水翼翼首處發(fā)生的空泡現(xiàn)象所引起的水翼流體動(dòng)力特性的惡化；水平固定翼增大了船舶縱向運(yùn)動(dòng)阻尼，優(yōu)化了船舶的縱向穩(wěn)定性，同時(shí)也弱化了興波阻力對(duì)襟尾翼擺動(dòng)的影響；水平固定翼與柱翼焊接，增加了t型水翼的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3為t型水翼的側(cè)剖圖。機(jī)械傳動(dòng)部件主要包括：轉(zhuǎn)軸6、液壓缸接口7、支臂8、銷軸9和液壓缸活塞桿10、固定螺孔11、船體艏部12。具體連接形式：液壓缸是t型水翼的動(dòng)力部件，液壓缸通過基座2和連接板3經(jīng)固定螺孔11螺栓固定于船體艏部12上；液壓缸接口7上端連接液壓缸活塞桿10，下端通過銷軸9與支臂8鉸鏈連接；支臂8上端開有銷軸9的滑孔，下端與襟尾翼5和轉(zhuǎn)軸6剛性連接；襟尾翼5和支臂8的固連夾角為145°，該夾角可以降低驅(qū)動(dòng)襟尾翼所需的活塞桿伸縮量。當(dāng)液壓缸活塞桿10在豎直方向有伸縮時(shí)，就會(huì)通過支臂8和轉(zhuǎn)軸6帶動(dòng)襟尾翼5轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，支臂8會(huì)根據(jù)活塞桿的伸縮量通過上端的滑孔，調(diào)節(jié)其有效長度以匹配活塞桿與轉(zhuǎn)軸之間的距離。由于各機(jī)械傳動(dòng)部件尺寸、連接方式固定，因此可以確定活塞桿的伸縮量與襟尾翼偏轉(zhuǎn)角度之間的定量關(guān)系。這樣就可以通過對(duì)活塞桿伸縮量的控制完成對(duì)襟尾翼偏轉(zhuǎn)角度的控制。因?yàn)楫?dāng)水翼的攻角α較小時(shí)，cl與α呈線性關(guān)系，為保證線性關(guān)系，襟尾翼偏轉(zhuǎn)角范圍為±15°。

圖4為位移傳感器的安裝示意圖。位移傳感器主要包括：位置磁環(huán)14、測量桿15、六角法蘭16、傳感器頭17。具體連接形式：位置磁環(huán)14通過測量桿15放置在液壓缸活塞桿10指定位置中，具體說是：液壓缸活塞桿10端部設(shè)置有凹槽，位置磁環(huán)14位于所述凹槽中，且位置磁環(huán)14套在測量桿15上。測量桿15通過六角法蘭16螺栓固定在液壓缸缸體13上。液壓缸缸體包括缸筒和端蓋。當(dāng)活塞桿10做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使位置磁環(huán)14在測量桿15上的位置發(fā)生變化，因而產(chǎn)生了磁場信號(hào)，傳感器頭17可以將位置磁環(huán)因活塞桿伸縮產(chǎn)生的磁場信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。液壓缸可以為水翼提供穩(wěn)定可靠的大驅(qū)動(dòng)力，液壓缸缸體具備良好的密封性，由于位移傳感器是直接安裝在密閉的液壓缸缸體中，因而便于傳感器的安裝、校準(zhǔn)和維修，且避免了外置傳感器帶來的漏電風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、整體性和可靠性。采用通過對(duì)活塞桿伸縮量檢測與反饋以獲取襟尾翼偏轉(zhuǎn)姿態(tài)信息的技術(shù)方案，避免了在襟尾翼中直接安裝傳感器以測量其姿態(tài)信息所帶來的復(fù)雜的水翼結(jié)構(gòu)和高昂的造價(jià)等不利因素。該技術(shù)方案在工程應(yīng)用上有較好的可操作性。

圖5為水平固定翼與襟尾翼的俯視圖。通過轉(zhuǎn)軸6在水平固定翼4中對(duì)稱地內(nèi)嵌兩個(gè)襟尾翼5；襟尾翼5和水平固定翼4之間留有一定間隙，以便襟尾翼靈活調(diào)節(jié)。所述翼體的結(jié)構(gòu)特征：水平固定翼4和襟尾翼5的翼體由耐腐蝕材料構(gòu)成，襟尾翼5為全封閉空體結(jié)構(gòu)。所述翼體密封特征：在轉(zhuǎn)軸6接觸的位置安裝防水膠圈18(不同位置略有不同，以18-1和18-2區(qū)分)，增強(qiáng)水平固定翼的密封性，避免因海水內(nèi)漏到翼體中而增大水翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖6為水平固定翼的加強(qiáng)筋分布示意圖。加強(qiáng)筋主要包括：縱向加強(qiáng)筋19和水平加強(qiáng)筋20-1、20-2。所述水翼采用空體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行縱向加強(qiáng)。連接方式：在水平固定翼的翼展方向?qū)ΨQ地布置兩組加強(qiáng)筋19，同時(shí)在中間兩個(gè)加強(qiáng)筋之間的前后緣各布置一個(gè)橫向加強(qiáng)筋20-1、20-2，前后略有不同。由兩組對(duì)稱的縱向加強(qiáng)筋19和橫向加強(qiáng)筋20-1、20-2組成整個(gè)水平固定翼的框架，采用耐腐蝕材料作為翼面，使翼體為空體結(jié)構(gòu)，以保障水翼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能適應(yīng)一定程度較為惡劣的海洋環(huán)境，同時(shí)減輕液壓系統(tǒng)的供油壓力和流量的負(fù)載。

本發(fā)明是針對(duì)高性能雙體船設(shè)計(jì)的一種減縱搖t型水翼，能對(duì)其攻角α進(jìn)行較為精確的控制。水翼自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)是：通過位移傳感器監(jiān)測液壓缸活塞桿的伸縮量，實(shí)現(xiàn)對(duì)伸縮量的閉環(huán)控制，由于機(jī)械傳動(dòng)部件將活塞桿的伸縮量定量地轉(zhuǎn)化為襟尾翼的偏轉(zhuǎn)角，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)襟尾翼偏轉(zhuǎn)角的半閉環(huán)控制。本發(fā)明相比在翼體中直接安裝精密傳感器以監(jiān)測其偏轉(zhuǎn)姿態(tài)信息的技術(shù)方案，優(yōu)化了水翼的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水翼的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)獲得了實(shí)現(xiàn)較為理想的控制效果，大幅減少設(shè)計(jì)、制造和維修成本。另外，本發(fā)明的兼容性較強(qiáng)，可以和其它減搖裝置聯(lián)合使用組成聯(lián)合減搖控制系統(tǒng)，應(yīng)用前景令人期待。