摘 要

航运作为三大运输方式之一，在客运和货运方面都扮演着重要的角色，特别是在货运方面，更是不可或缺。航运的特点是运量大，费用低，承担了半数以上的国际间货物运输任务。但是航运也容易受到天气的影响，遇到风浪时船舶会摇摆甚至倾覆，威胁到船员及货物的安全。因此，在船舶控制领域中研究如何减小船舶的横摇具有十分重要的意义。

船舶鳍机是目前最有效的减少船舶横摇的装置，其作用机理是通过操纵机构改变减摇鳍的迎角，使水流在鳍叶上产生不同的作用力，以对抗外界环境作用在船体上的横摇力矩，减少船体横摇。进行船舶鳍机模拟装置液压系统的设计与分析，研究更高效可靠的船舶减摇鳍，对提高船舶的安全性、改善船舶的适航性和船员的工作条件与效率、以及降低研究费用具有重要作用。

本文简述了减摇鳍的结构及作用机理，介绍减摇鳍的发展历史，列举了一些当前减摇鳍研究领域取得的成果，说明减摇鳍研究对航运的意义。根据所给设计技术要求，对船舶鳍机模拟装置液压系统进行设计，利用MATLEB对液压系统动态特性进行分析，参考已有的研究成果，对该液压系统的设计和分析进行了详细描述。得到满足要求的液压系统设计方案，对于船舶鳍机液压系统的设计具有重要的参考意义。

关键词：鳍机；模拟装置；液压系统；比例控制

Abstract

As one of the three major modes of transportation, shipping plays an important role in both passenger and cargo transportation, practically in the latter one. Shipping is characterized by large volume of cargo and low costs, undertaking more than half of the international cargo transportation businesses. However, shipping is also vulnerable to weather. In the event of storms, ships will sway and even overturn, threatening the safety of crew and cargo. Therefore, it is of great significance to study how to reduce the ship's roll in the field of ship control.

The fins of ships are the most effective devices to reduce the ship's roll. The mechanism of fin devices is to change the angle of attack of the fins through the steering mechanism, so that the water flow generates different forces on the fins to cope with the external environment on the hull, so as to reduce the ship's rolling. Therefore，the design and analysis of the hydraulic system of the fins simulator to develop the more efficient and reliable ship stabilizing fins is of great importance in improving the safety and the navigability of ships and working conditions and efficiency of crew, and in reducing research costs.

This paper not only briefly describes the structure and mechanism of the fin stabilizer and the development of it, but also lists some of the achievements made in the current research of fin stabilizers and present the significance of studying the ship anti-rolling fin. According to the requirements of the given design technology, the author designed the hydraulic system of the ship fin simulator and analyzed the dynamic characteristics of the hydraulic system by using MALETB. The design and analysis of the hydraulic system are also described in detail with reference to the existing research results. As a sequence, a design scheme of the hydraulic system that meets the requirements has been made out, which may serve as an important reference to the design of the hydraulic system

Key Words：fin stabilizer；simulator；hydraulic system；proportional contral

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 减摇鳍简介 1

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 研究目的与意义 3

1.4 本文研究内容 4

第2章 船舶鳍机模拟装置的机构设计 5

2.1 船舶鳍机模拟装置负载特性分析 5

2.1.1 船舶鳍机模拟装置液压系统设计初始设计参数 5

2.1.2 船舶鳍机模拟装置负载特性分析 5

2.2 船舶鳍机模拟装置主要部件的设计计算 6

2.2.1 鳍叶 6

2.2.2 底座 6

2.2.3 加载弹簧 7

2.2.3 力传感器及角位移传感器 7

2.3 船舶鳍机模拟装置的总体结构 7

第3章 船舶鳍机模拟装置液压系统设计 8

3.1 主要技术参数计算 8

3.1.1 系统压力计算 8

3.1.2 系统流量计算 9

3.2 液压系统原理图的拟定 9

3.2.1 液压系统功能描述 9

3.2.2 液压系统原理图 10

3.3 液压元件的选型计算 10

3.3.1 主要元件选型 10

3.3.2 液压辅件选型 14

第4章 液压泵站的结构设计 16

4.1 液压泵站的结构型式 16

4.2 液压泵站的总体结构 16

4.3 油箱的设计计算 16

4.3.1 油箱的分类 16

4.3.2 油箱的设计要点 17

4.3.3油箱容量的计算 19

第5章 船舶鳍机模拟装置液压系统仿真 21

5.1 液压系统数学模型的建立 21

5.1.1 各部分组件传递函数的确定 21

5.2 液压系统的数值仿真 22

5.1.1 液压系统方框图 22

5.3 液压系统的仿真结构分析 24

第6章 经济性与环保性分析 26

第7章 总结与展望 27

7.1 论文总结 27

7.2 工作展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

船运历来都是重要的交通运输手段，从十五世纪人类开始远航后，航运更是在交通运输中扮演了不可或缺的角色。可以说，在没有飞机前，航运几乎承担了所有隔海国家之间的交流及运输任务。时至今日，在其他交通方式同样发达的情况下，航运还是依靠其自身的特点，依旧在运输领域有着重要地位。为了改善航行过程中的生活条件，从事船舶控制领域研究的人员从未停止研究，有近百种不同的产品面世。现今被广泛采用的仅是减摇水舱、舭龙骨和减摇鳍，其中减摇鳍居于垄断地位，其减摇效果最佳，应用范围最广。^[1]

1.1 减摇鳍简介

目前船舶上装备的减摇效果最好装置是减摇鳍。减摇鳍又称侧舵，装在船中两舷舭部，如图1-1所示。其作用机理是通过操纵机构改变减摇鳍的迎角，从而改变水流在鳍叶上产生的作用力，以对抗外界环境作用在船体上的横摇力矩，减少船体横摇。配备减摇装置的船只，能很大程度上改善船舶的横摇状况。安装减摇装置对提高船舶航行的安全性有很大的帮助。船舶在航行过程中，如果横摇的幅度过大，首先受到影响的就是船上的工作人员。大幅度的摇摆会使他们感到不适，从而影响他们的工作效率和工作质量。另外，船舶横摇还会对船上设备的正常使用造成影响甚至损坏。不仅如此，横摇还船上的货物也会产生影响甚至不可逆反的损害，如磕碰、撞击、掉落等。恶劣的航行条件对直升飞机起降，观测仪器准确使用等也有严重影响。而这些都可以通过安装减摇鳍，减小横摇得到改善。^[2-3]

图1-1 减摇鳍

减摇鳍分为可收放式减摇鳍和不可收放式减摇鳍，而收放式减摇鳍又分为伸缩收放式减摇鳍和折叠收放式减摇鳍。

船舯的舭部是船上安装减摇鳍最理想的位置，此时减摇鳍和横摇中心之间可以有最大距离。为避免不可收放式鳍遭遇碰撞，需将鳍限制在船外框线以内，舭部成了唯一可安装的地方。安装不可收放式鳍需考虑是否满足如下条件：鳍叶迎碰角是否大于5度；鳍安装后是否会与船舶操舵运动的相互影响；将鳍尽可能安装在水下更深的位置，避免鳍上发生空泡。当鳍不得已要安装在船舯以外的位置时，安装位置要向前而不能向后。原因在于船体前半部分的周围流场受扰动较小，边界层较薄，对有效鳍面积影响也相对较小。^{[4] [6]}

不可收放式减摇鳍因为其结构简单、体积小、重量轻、可靠性高及成本低等优点而被广泛地应用于各类船舶，特别是军用船舶。通常情况下，只安装一对不可收放式减摇鳍即可能满足小排水量船舶（）的减摇要求。船截面框线对减摇鳍面积的限制，使得单对鳍提供的升力有限的。显然，对于排水量超过1000t的大型船舶来说，单对鳍所能产生的最大力矩是不够的，无法达到船对抗风浪横摇力矩的扶正力矩要求。因此，往往通过安装两对不可收放式减摇鳍的方式来满足大型船舶的减摇要求。

在两对鳍的减摇系统中，前后两对鳍并不能发挥出同样的性能。原因在于后鳍的性能会因为前鳍的水动力干扰、船体边界层以及船的运动等而受到影响，使后鳍能够产生的升力下降。为了减少后鳍的升力损失，发挥出两对鳍的最大的功用，采用了增加前后鳍间距和增加鳍的展向尺寸(鳍面积)的方法。前者可以减小前鳍对后鳍间的干扰，后者则可减小船体边界层影响。但是这两个方法也存在一定局限性，一是由于鳍的安装位置需尽量靠近船体纵向的中间部位，则前后鳍间距受到限制；二是船体框线限制了不可收放式鳍的展长，那么鳍的展向尺寸亦受到限制。^[6]

1.2 国内外发展现状

作为目前世界上最重要的货运手段之一，航运在全球的经济发展过程中扮演着不可或缺的角色。如何能够提高船舶航行过程中的安全性和舒适性，一直是人们想要解决的难题。从事该方面研究的人员不断钻研，提出了各种相关的理论，以追求在船舶减摇领域的研究取得突破。

1.2.1 国外研究现状

国内外研究人员从事对减摇装置研究时将减摇鳍主要对象，设计多种不同翼型的鳍叶。目前，国外被广泛采用的是以下几种典型的减摇鳍：（1）沃斯泼（）中小型舰船不可收放式减摇鳍（2）丹尼-布朗（)中型舰船可伸缩减摇鳍。（3）丹尼-布朗-可收放式减摇鳍。（4）斯贝利（)可收放式减摇鳍。^[11-12]

1937年世界上第一套减摇装置诞生，该减摇鳍是收放式的，由英国布朗兄弟公司生产。在流行一段时间后，收放式减摇鳍的位置逐渐被不可收放式减摇鳍取代。相比之下，不可收放式减摇鳍结构更简单，故障率低，对液压系统要求低，且减摇鳍系统正常运行与否对船舶的停靠影响甚小。而收放式减摇鳍在液压系统出现问题时会因为鳍叶无法收回而不能停靠，这对船舶的影响很大。减摇鳍研制初期，减摇鳍系统采用带襟翼的鳍叶，通过提高升力系数的办法来提高升力。这种结构的减摇鳍虽然升力更大，但是增加了减摇鳍结构复杂程度，在尺寸、重量、价格都不具市场竞争力，最终被淘汰。^[13-15]

1.2.2 国内研究现状

我国从六十年代开始减摇鳍的研制，1966年，国内首次减摇鳍样机的台架实验由哈尔滨工程大学完成，从那时起国内在减摇鳍领域的研究已经取得了很多成就。1975年海军首次批准设计定型并立即生产型减摇鳍。此后，型和型减摇鳍先后被海军批准设计定型，其中型减摇鳍在国内首次采用二对固定式鳍。中船重工704所衡拓船舶设备公司研发的全航速减摇鳍，是中国第一款自主研发生产的实现低航速和零航速减摇的减摇鳍。该款减摇鳍是上海衡拓公司在减摇领域50多年研发沉淀的成果，在相同航速下减摇效果可达其它普通减摇鳍减摇效果的倍。目前，国内研发的各种型号的减摇鳍被广泛应用并远销国外。随着技术不断发展和成熟，减摇鳍也开始逐渐被应用到民用方面。^[9-10]

1.3 研究目的与意义

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