船舶减摇装置专利技术综述
基于陀螺减摇装置的船舶横摇减摇研究
DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2022.04.124基于陀螺减摇装置的船舶横摇减摇研究刘 义１，２ 夏召丹１，２ 汤雅敏１ 张杰杰１ 范佘明１，２（１． 上海市船舶工程重点实验室 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１；２． 喷水推进技术重点实验室 上海２００２４０）［摘 要］ 船舶在航行过程中需要减摇系统来抵抗风浪，从而使其能够稳定作业，并提高安全性和船员的舒适度。
陀螺减摇装置作为一种非常有效的减摇装置，其优点是其完全在船体内发挥作用，不需要足够的可移动质量来产生控制力矩。
该文首先建立了船舶在随机海浪中的非线性波浪力扰动模型，并结合陀螺减摇装置工作原理，建立船舶与陀螺减摇装置联合动力学模型，分别为自然驱动和控制器驱动的2种陀螺稳定器模型，构造了相应的MATLAB Simulink船舶运动控制仿真框图。
仿真结果表明：自然驱动和控制器驱动的陀螺稳定器都能通过轮子高速旋转和进动角变化的陀螺效应来减小横摇。
与自然驱动的陀螺稳定器相比，控制器驱动的陀螺稳定器能更有效地减少船舶非线性横摇运动。
［关键词］船舶横摇；陀螺减摇装置；不规则波浪；控制；进动角［中图分类号］ U661.2+2 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2022）04-0124-08On Ship Roll Stabilization Based on GyrostabilizerLIU Yi1,2 XIA Zhaodan1,2 TANG Yamin1 ZHANG Jiejie1 FAN Sheming1,2(1. Shanghai Key Laboratory of Ship Engineering, Marine Design & Research Institute of China, Shanghai200011, China; 2.Science and T echnology on Water Jet Propulsion Laboratory, Shanghai 200240, China) Abstract: Stabilizing systems are necessary for the ship in wind and waves to ensure stable operations and improve the safety and comfort of the crew.As an effective stabilizer, gyrostabilizer acts entirely within the hull without requiring sufficient movable weight to generate a control moment. The nonlinear wave force disturbance model of the ship in random waves is firstly established. The combined dynamic model of the ship and the gyrostabilizer is then built together with the working principle of the gyrostabilizer. The corresponding MATLAB Simulink block diagramsof the ship motion control are constructed for two kinds of gyrostabilizer models, i.e., the natural-driven gyrostabilizer model and the controller-driven gyrostabilizer model. The results show that both the natural-driven and controller-driven gyrostabilizer are able to reduce the rolling motion through the gyroscopic effect of high-speed spinning and precession angel variation. The controller-driven gyrostabilizer can reduce the nonlinear rolling motion of the ship more effectively than the natural-driven gyrostabilizer.Keywords:roll; gyrostabilizer; irregular waves; control; precession angle收稿日期：2022-06-05 ；修回日期： 2022-06-18作者简介：刘 义（1988-），女，博士，高级工程师。
减摇水舱技术的工作原理和应用_周亚兰
NAVIGATION 65航海NAVIGATION船舶横摇对船舶的安全和舒适性影响很大，通过不同的方式来减轻船舶横摇对船舶的影响是船舶设计者一直考虑的问题。
被动可控式减摇水舱，因其减摇效果显著、清洁节能的优点正被广泛应用在各类船舶上。
减摇装置 减摇鳍 减摇水舱 被动可控式减摇水舱 为了使船舶在各种航速下均有很好的减摇效果，近年来，零航速减摇鳍得到了充分的重视和发展，这种减摇鳍的运动方式和执行机构与传统减摇鳍有很大不同，利用新的运动机理使得翼面在零航速也可产生对抗海浪干扰力矩的升力，国外已有少数船只应用的实例。
但这种零航速减摇装置结构复杂，制造还有许多问题需做进一步的改进和研究。
减摇水舱作为一种全航速下的减摇装置，不仅在各种船舶航速下均有减摇效果，适用于集装箱船、轮渡、滚装船、海洋工程船、科学考察船等。
另外，减摇水舱具有结构简单、造价周亚兰（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200240）减摇水舱技术的工作原理和应用 图1 波浪、船舶和减摇水舱的相位时序图 低廉、便于保养维护等优点，这使得减摇水舱被越来越多的船东所接受，市场前景看好。
2 减摇水舱的分类 减摇水舱按照其控制特点可分为主动式减摇水舱、被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱等三种类型。
主动式减摇水舱具有减摇效果高、响应速度快等优点，但其系统复杂，造价较航海NAVIGATION66Marine Technology 航海技术剧。
相反，如果船上的人员比船的横摇周期晚一拍左右移动几次，船的横摇将会变缓。
可控被动式减摇水舱工作原理就是把上述的船上人员换作液体，巧妙地利用这种液体流动的时间和力矩，来减轻船的摇动。
船的一次横摇周期用360°角度来表示时，船的摇动起始点总是比波浪遭遇点滞后90°的角度，这种现象的反复出现会加剧船的横摇。
如果减摇水舱中液体的固有周期和船的横摇周期相同的话，减摇水舱中液体的移动起始点将一直比船的摇动起始点滞后90°的角度。
船用减摇装置原理
船用减摇装置原理船用减摇装置是一种用于减少船舶在海上航行时的摇晃和颠簸的装置。
它通过一系列的物理原理和工程设计来实现这一目标。
船舶在海上航行时容易受到风浪的影响，造成船体的摇晃，给船上的人员和货物带来不便和危险。
因此，船用减摇装置的设计和应用对于提高船舶的航行稳定性和舒适性至关重要。
船用减摇装置的原理是基于减少船舶受到外部力的影响，从而减少船体的摇晃。
其主要原理包括抗摇力原理、阻尼原理和控制原理。
抗摇力原理是通过向船体施加一个与船舶受到的摇晃力相反的力来抵消船体的摇晃。
船体的摇晃力是由于外部的风力和浪力引起的，通过船用减摇装置产生的抗摇力可以减小或抵消这些外部力，从而减少船体的摇晃。
抗摇力可以通过安装在船舶侧面的减摇翼、减摇板或减摇球等装置来产生。
阻尼原理是通过增加船舶的摇晃阻尼来减少船体的摇晃。
船体的摇晃是由于外部力的作用下，船体的摇晃频率接近其固有频率而产生的。
通过在船舶上安装减摇装置，可以增加船舶的摇晃阻尼，使其固有频率与外部力的频率不匹配，从而减少船体的摇晃。
阻尼可以通过液压系统、摇摆阻尼器或摇摆阻尼球等装置来实现。
控制原理是通过自动控制船用减摇装置的工作来实现船体的稳定。
通过监测船舶的运动状态和外部环境的变化，控制系统可以根据预设的参数和算法来自动调整船用减摇装置的工作状态，以达到减少船体摇晃的效果。
控制原理可以通过传感器、控制算法和执行器等组成的控制系统来实现。
船用减摇装置的原理是基于抗摇力、阻尼和控制原理来减少船舶在海上航行时的摇晃和颠簸。
通过合理的工程设计和装置安装，船舶的航行稳定性和舒适性可以得到显著改善。
船用减摇装置的应用对于提高船舶的航行安全性和舒适性具有重要意义，对于船舶行业的发展和航海技术的进步有着积极的促进作用。
船舶减摇技术现状及发展趋势
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.34 Supplement 2 2012 总第34卷，2012年增刊2船舶减摇技术现状及发展趋势洪超1,陈莹霞2（1．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2．上海船舶设计研究院，上海 201203）摘 要：传统的船舶减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、减摇陀螺、减摇重块等，本文介绍了这些传统的减摇装置的发展现状及近年来出现的新型减摇装置，包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、减纵摇、船舶姿态控制系统等，并对未来的新型减摇装置进行了预测。
关键词：减摇鳍；减摇水舱；舵减摇；陀螺；减摇发展中图分类号：U664.7 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2012) Z2-0236-09Current Situation and Tendency of Development ofShip Stabilizer TechniqueHONG Chao1, CHEN Ying-xia2(1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. Shanghai Merchant Ship Design andResearch Institute, Shanghai 201203, China)Abstract: The traditional ship stabilizer includes fin stabilizer, anti-rolling tank, rudder roll stabilizer，moved mass stabilizer etc..this paper introduces the development status of these traditional stabilizers and some new stabilizers developed in recent years, such as fin stabilizer at zero speed, rudder-fin stabilizer, tank-fin stabilizer, Magnus Effect rotor stabilizer, pitch stabilizer and ship motion control system. And the prospective ship stabilizers are forecasted at the last part of this paper.Key words: fin stabilizer; anti-rolling tank; rudder roll stabilizer; gyro roll stabilizer; development1 概述人类从19世纪初的帆船年代的舭龙骨开始，就已经开始了船舶减摇的努力和斗争，前后共提出了350余种不同类型的减摇装置，其中用于了实践的达20几种[1]。
减轻船舶摇摆的新型装置
减轻船舶摇摆
的新型装置
节能阔鳍船
美 国专家设计了一种新型船舶。这种船 利用刚性阔鳍代替传统的螺旋桨， 通过 模仿企鹅的划动方式向前航行。与螺旋桨船相 比，这种船的“鳍”引起的紊流要小一些，因 此，较多的“鳍能”可用于驱动船只前进。在 一定的速度下，该船所消耗的能量要比同样大 小的螺旋桨船少 １ ７ ％ 左右。
目前已经制造了船身为 ４ 米的实验性小 船，并正在研制 ４ ５ 米长的原型船。据设计者 称，美国的船舶即使只有一小部分用这种高效 动力设备改装，每年便可节约几亿加伦的燃 油 。（ 李 有 观 ）
２６
美 国佛勒克特公司研究出一种减少船用柴 油机烟尘的方法。该公司制成了一种双 轴超旋风分离器，船用柴油机装上这种分离器 后，排除的烟尘在此分离器内被惯性分离。据 称，使用这种装置，可分离烟尘中 ９ ０ ％ 以上的 粒子，从而使覆盖甲板的烟尘大大减少，减轻 了 烟 尘 对 甲 板 的 腐 蚀 。（ 李 有 观 ）
知识天地 ＫＮＯＷＬＥＤＧＥ ＵＮＩＶＥＲＳＥ
我国第一艘小水线面科考船顺利交船
２００９ 年 ４ 月 １５ 日下午，渤海船舶重工建造 的新型综合科考船“实验 １ ”号顺利交船，并 举行了隆重的交船仪式。该船舶由渤船重工为 中国科学院建造，中国船级社秦皇岛分社检 验，是我国自主设计制造的第一艘小水线面双 体科考船，也是中国船级社第一艘入级小水线 面科考船，比较国际上同类型船舶， 达到了国 际先进水平。
船用减摇装置原理
船用减摇装置原理船舶在航行过程中会受到海浪的影响，从而产生摇晃的运动，这种摇晃会给船舶和船员带来很大的安全隐患。
为了解决这个问题，船舶上通常会安装减摇装置，以减小船体的摇晃幅度，提高船舶的稳定性和航行安全性。
船用减摇装置的原理主要包括水动力原理和控制原理两个方面。
水动力原理是指利用水的力量来抵消船舶的摇晃运动。
船用减摇装置通常由一个或多个减摇槽组成，这些减摇槽位于船舶的两侧，沿船体纵向分布。
当船舶受到侧向波浪的作用时，水会穿过减摇槽，形成与波浪相位相反的力，从而产生一个与船舶摇晃方向相反的力矩。
这样，船舶受到的摇摆力矩就会减小，从而减小了船体的摇晃幅度。
控制原理是指通过一系列的控制系统来实时监测船体的摇晃情况，并根据监测结果调整减摇装置的工作状态。
控制系统通常由传感器、计算机和执行机构组成。
传感器用于感知船体的摇晃情况，如倾斜角度、加速度等；计算机用于处理传感器采集到的数据，并根据一定的控制算法计算出减摇装置的工作状态；执行机构则根据计算机的指令，调整减摇装置的工作参数，如减摇槽的开启程度、开启时间等。
船用减摇装置的工作过程可以简单概括为以下几个步骤：1. 传感器感知船体的摇晃情况，将采集到的数据发送给计算机；2. 计算机根据传感器采集到的数据，通过控制算法计算出减摇装置的工作状态；3. 执行机构根据计算机的指令，调整减摇装置的工作参数；4. 减摇装置开始工作，水流通过减摇槽产生与船体摇晃方向相反的力，从而减小船体的摇晃幅度；5. 一段时间后，计算机重新采集船体的摇晃情况，并根据新的数据调整减摇装置的工作状态；6. 重复以上步骤，不断监测和调整减摇装置的工作状态，以保持船体的稳定性。
船用减摇装置通过水动力原理和控制原理的相互配合，能够有效减小船体的摇晃幅度，提高船舶的稳定性和航行安全性。
目前，船用减摇装置已广泛应用于各类大型船舶，如客船、油轮、货船等。
在未来，随着技术的不断发展，船用减摇装置的性能将进一步提升，为航行中的船舶提供更加稳定和安全的环境。
减摇装置介绍
减摇装置介绍近百余年来，人们一直致力于研究减缓船舶摇摆的措施。
世界各国先后研究了近百种不同形式的减摇装置。
但目前世界上广泛采用的仅是减摇水舱、舭龙骨和减摇鳍，其中居垄断地位的是减摇鳍，其减摇效果最佳。
下面分别对上述三种减摇装置进行介绍。
一．减摇水舱减摇水舱主要分为被动式减摇水舱和主动式减摇水舱两种。
A．被动式减摇水舱将靠近船舯部两舷的水舱在底部用管道连接起来，舱内注入适量的水。
利用船本身的横摇运动而引起水舱内水的物理运动来产生稳定力矩。
它不要任何动力，所以称为被动式减摇水舱。
它是各类减摇装置中比较简单、造价较便宜的一种。
被动减摇水舱（以下简称被动水舱）最常用的是U型水舱和槽型水舱（见右图）。
被动水舱的工作原理是使设计的水舱内振荡的固有频率等于船横摇的固有频率，这样在共振的情况下，水舱是随船一起运动，而水舱里的水的运动滞后横摇角90度。
同时，当船横摇的固有频率等于波浪的扰动力距频率时，也发生共振，这时船的横摇角滞后波浪力距90度。
这样水舱力的水的运动就滞后波浪扰动力矩180度。
也就是说水舱里的水的重量引起的稳定力矩方向恰好和波浪扰动力矩方向相反，从而使共振区横摇减小。
这就是所谓的“双共振减摇原理”。
被动减摇水舱仅在中等海况和在船舶初稳心高h限定范围以内，以很接近船舶固有频率附近提供有限的减摇效果，最好的减摇效果可达60~70%。
离开共振区效果显著下降，在较长的遭遇周期上使横摇角增加。
它的优点使设备简单、费用低及在任何航速下均有一定的减摇效果。
为了改善被动水舱的减摇性能，还有一种是可控被动减摇水舱。
主要是在水舱通道上安装节流阀，通过横摇传感装置调节阀门开启和关闭的程度，控制水的流量，使这种减摇水舱比被动水舱能在较宽的频率范围内有效工作。
B．主动式减摇水舱为了克服被动式减摇水舱的一些不足，有人提出了主动式减摇水舱。
主动式减摇水舱原理是依靠角速度陀螺感应船的横摇角速度信号，控制阀伺服机构，控制阀张开的大小由泵将水从一舷打到另一舷的水量建立稳定力矩。
减摇原理的三种形式及对应的减摇装置
减摇原理的三种形式及对应的减摇装置嘿，朋友们！今天咱们聊聊一个可能你没听过但又超有意思的话题——减摇原理！你可能会想，减摇这俩字跟我有什么关系？别急，听我慢慢道来。
无论你是在海上航行，还是坐在游轮上，摇晃的感觉总是让人恼火。
可这个减摇原理，就像个聪明的小帮手，能让我们在波涛汹涌的海面上保持一份平静。
现在，就让咱们深入探讨一下这三种减摇的形式，还有它们各自的神器装置吧！1. 主动减摇系统说到主动减摇系统，想象一下你在海上，船身随着浪潮上下摇摆，简直就像在坐过山车。
但是，这种主动减摇系统就像一位勇敢的骑士，随时准备出手相助。
它通过传感器实时监测船体的运动，利用机械装置，比如油压或电动装置，来调整船体的姿态，减少摇晃。
这种方式的好处是反应迅速，简直就是海上飞毛腿，瞬间就能让你感觉像在平坦的道路上行驶。
不过呢，话说回来，主动系统可不便宜，安装和维护成本都让人皱眉。
不过嘛，钱花得值，能让你舒舒服服的在海上玩乐，心情自然就好啦。
1.1 舵机系统在这个主动减摇的大家庭里，舵机系统可是个不可或缺的角色。
它通过控制舵叶的角度，来抵消船体的摇晃。
就像在骑自行车时用力转动把手，瞬间就能调整方向。
舵机的反应速度极快，简直就像那让人眼花缭乱的魔术表演，令你在波涛中安然无恙！1.2 自动控制装置自动控制装置呢，就像一位技术宅高手，时时刻刻盯着船的状态，确保一切正常。
它通过复杂的算法，分析船体的运动数据，然后自动调节减摇装置，让你觉得就像在进行一场无声的舞蹈，优雅而自如。
2. 被动减摇系统接下来咱们聊聊被动减摇系统。
这个系统就像老派的智慧，依靠船体的设计和重心的布局来减少摇晃。
想象一下，船的底部设计成特殊的形状，像个流线型的飞鱼，能有效抵御海浪的侵袭。
这种方式省心又省钱，不用太多的科技含量，大家都能接受。
2.1 阻尼器被动减摇里，阻尼器就像一位安静的守护者。
它能吸收船体运动时产生的能量，减少摇晃。
你可以想象成在舞会上，那个总是站在角落却默默支持你的人，虽不显眼，但却是你最可靠的后盾！2.2 减摇鳍减摇鳍就更有趣了，像个翅膀，伸出水面，帮助船只抵抗波浪。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
船舶减摇装置专利技术综述
随着绿色造船对环境安全与舒适性的要求越来越高，减少船舶摇晃、保证货物和船员的安全成为现代船舶设计的焦点之一。
文章分析了减摇装置的专利主要申请国和专利申请量，并进一步分析了其技术演进过程及发展方向，以期对我国减摇技术的发展提供一定的指导作用，促进我国船舶减摇技术的发展。
标签：减摇装置；船舶；专利分析
1 概述
船舶从古至今都是很重要的水上运输、作战、作业的工具。
船舶在海上航行时，由于受到海浪、海风及海流等因素的影响，不可避免地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。
剧烈的摇荡对舰船的适航性、安全性、以及设备的正常工作、货物的固定和乘员的舒适性都会有很大的影响。
一直以来人们都在寻求减小船舶摇荡的方法，各类减摇装置虽然在形式、结构上有很大差别，但是原理基本相似：都是产生一个与摇摆方向相反的稳定力矩，使摆幅减小、摇摆周期增大，以达到缓和摇摆的目的。
目前使用最为广泛的减摇装置有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍等。
文章主要从全球专利情况出发，研究减摇装置的发展情况。
2 国内外专利申请概况
2.1 全球申请趋势分析
减摇技术的起源很早，图1为通过CNABS、SIPOABS、DWPI专利数据库检索得到的减摇装置相关专利文献的数量图。
在1907年就有了相关申请，是德国人佛拉姆的一项关于减摇水舱的申请，公开号为DE227134C；其后相关专利的申请量一直在稳步上升，这一阶段属于技术的萌芽发展期；到1960年的时候，进入了第一次快速的发展期，然后1980年左右进入一个瓶颈期，申请量有所下降；1990年开始，进入了第二个快速发展期，仅仅2000年到2010年的相关专利申请量就达到了1900多件，中国的专利申请量也是此时开始大幅度增加。
2.2 主要申请国家分析
图2显示了主要国家的专利申请量。
为了便于分析，仅仅提取了全球申请量排名前几位的国家进行研究，分别是美国、德国、日本、中国、韩国、挪威和荷兰。
从图中可以看出，美国的申请量占这几个国家总申请量的38%左右，而其他的传统造船强国，如挪威、德国和荷兰，总申请量也达到33%，剩下的中国、日本和韩国分别占有14%、10%和5%，由此可见，中国在该领域的研究较美国、德国而言还需加大研究力度。
下面就美国、德国、日本和中国的申请量趨势进一步分析，如图3。
从图3中可以看到美国和德国的技术发展很早，其次是日本，最后是中国。
美国与德国几乎同时开始相关的减摇技术研究，在德国1907年的减摇水舱的基础上，美国人提出了一种槽型平面水舱，如专利公开号US3054373A所示；在20世纪60年代美国与德国的申请量快速增长时，日本开始提出相关专利申请，起步发展较快；中国起步较晚，但是2000年左右开始快速发展，申请量逐步赶超上述几国。
2.3 主要技术路线
对目前公开的减摇装置的全球专利申请进行分析梳理，将不同的减摇装置作为一级分支，每一类型的装置的不同发展作为二级分支，得出该领域的主要技术分支发展路线图如图4。
对于减摇装置的发展路线分析可以看出，减摇水舱与减摇鳍是目前全球研究最多的两种减摇装置，其贯穿了整个减摇技术的进程；而在最近几年，减摇陀螺的研究也逐步增多；而新的船型，如海上大型采油平台等对减摇装置具有特殊要求的船舶、海上平台也促进了新型减摇装置的研究，如DE10315294B4针对船舶艏摇开发的艏摇减摇装置、JP特开平5-139374中的喷水舭龙骨减摇装置、CN1586984A中的磁流体减摇器。
3 结束语
通过对减摇装置的全球专利申请以及相关减摇装置的研究分析，可以发现国内的减摇装置在申请量方面在逐步增加，而随着我国海上石油、天然气开采的兴起，海上平台、海上机场等大型浮体以及各种军舰的研发，对减摇技术也会有新的需求，相关的减摇装置也将会是今后的重要发展方向。
这些新型的减摇装置有的是新技术在减摇领域的应用，有的是传统减摇技术的新组合，关于此类减摇装置我国还有很大的发展和开发空间，需进一步加强自主创新意识，促进我国船舶行业的发展。
参考文献
[1]洪超，陈莹霞.船舶减摇技术现状及发展趋势[J].船舶工程，2012（2）：236-298.
[2]马维良，蕉侬，贾正余，等.船舶减摇水舱控制技术现状与展望[J].船舶工程，2011（6）：1-5.
常杰（1989，2-），女，硕士，目前从事通用机械发明专利实质审查工作。
常杰对文章的贡献等同第一作者。