船舶輪機(jī)自動(dòng)化機(jī)艙動(dòng)力裝置與系統(tǒng)

文盛

摘 要：船舶輪機(jī)動(dòng)力裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足船用條件、符合國(guó)際公約或規(guī)則、相關(guān)法律法規(guī)、考慮動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部以及外部裝置的協(xié)同與相互作用，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮設(shè)計(jì)模塊化、參數(shù)化、規(guī)范化，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中齒輪箱、助推柴油機(jī)需布局緊湊。船舶輪機(jī)動(dòng)力裝置與系統(tǒng)自動(dòng)化能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測(cè)量、指示、調(diào)整、變換與控制等工作，設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行船舶動(dòng)力系統(tǒng)選型計(jì)算，而后設(shè)計(jì)與之匹配的自動(dòng)化系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：船舶輪機(jī)；自動(dòng)化；機(jī)艙；動(dòng)力裝置；動(dòng)力系統(tǒng)

船舶輪機(jī)自動(dòng)化是船舶發(fā)展的趨勢(shì)，能夠有效的提高機(jī)輪的工作效率，延長(zhǎng)輪機(jī)的使用壽命，縮短人工操作的流程，提高船舶的可操作性，降低駕駛風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力裝置與系統(tǒng)是整個(gè)船舶中的核心組成部分，也是自動(dòng)化水平發(fā)展最快的部分，動(dòng)力裝置與系統(tǒng)的建設(shè)水平一定程度代表整個(gè)船舶的建造工藝水平、設(shè)計(jì)理念。本次研究就船舶輪機(jī)自動(dòng)化機(jī)艙動(dòng)力裝置與系統(tǒng)發(fā)展情況進(jìn)行概述。

1 船舶的動(dòng)力裝置與系統(tǒng)

船舶的動(dòng)力系統(tǒng)是確保船舶正常航行、作業(yè)、停泊以及乘客、駕駛者工作與生活所需的系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備工程系統(tǒng)。一個(gè)理想的動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①需要符合船用條件，滿足船舶的環(huán)境、空間、使用、運(yùn)行與保障條件；②符合國(guó)際公約或規(guī)則、相關(guān)法律法規(guī)，符合全面系統(tǒng)以及綜合設(shè)計(jì)思想；③考慮動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部裝置的協(xié)同、相互作用，同時(shí)考慮與整個(gè)船舶其他設(shè)備、系統(tǒng)的相互關(guān)系。機(jī)艙動(dòng)力裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要可分為并行設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等方法，其中虛擬設(shè)計(jì)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，以仿真、產(chǎn)品全壽命周期建模為基礎(chǔ)，采用人工智能、并行工程等多種先進(jìn)技術(shù)于一體設(shè)計(jì)方法，極大的提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了設(shè)計(jì)周期與設(shè)計(jì)成本，在海軍船舶設(shè)計(jì)與建造中發(fā)揮重要作用。當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品呈多樣化發(fā)展，船舶的動(dòng)力裝置可供選擇的品種較多，船舶的零件中還能多，功能結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一個(gè)企業(yè)往往無(wú)法生產(chǎn)，在船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，便需要采用一定的約束條件，選擇合適的組件，進(jìn)行組合，以滿足整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮設(shè)計(jì)模塊化、參數(shù)化、規(guī)范化，同時(shí)滿足多樣化與個(gè)體化的用戶需求。船舶的動(dòng)力系統(tǒng)一般分為主推動(dòng)柴油機(jī)、齒輪箱兩個(gè)部分，也是主機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成部分，主推進(jìn)柴油機(jī)是主動(dòng)力系統(tǒng)的心臟。以3600DWT供油船舉例，其屬于高速柴油機(jī)，適合在小型船舶上安裝。齒輪箱是傳動(dòng)設(shè)備，包括齒輪變速器、離合器、彈性聯(lián)軸器、線性聯(lián)軸器等，功能上助推柴油機(jī)與齒輪箱是完整的，布局緊湊。

2 船舶動(dòng)力裝置與系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

2.1 基本理念

近年來(lái)船舶的自動(dòng)化水平飛速發(fā)展，被廣泛用于動(dòng)力系統(tǒng)之中，在選擇動(dòng)力裝置、設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，在前文提到的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，需要考慮是否能夠進(jìn)行自動(dòng)化的改造，與其他自動(dòng)化系統(tǒng)匹配。動(dòng)力系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)需要能夠?qū)?dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測(cè)量、指示、調(diào)整、變換與控制等工作。與其他系統(tǒng)一樣，船舶的自動(dòng)化是指能夠通過(guò)智能技術(shù)，綜合分析整個(gè)船舶各系統(tǒng)情況、行駛狀態(tài)、外部環(huán)境等因素，向動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，目前尚沒(méi)有完全不依賴于人的船舶系統(tǒng)，但在部分船舶早已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航功能。自動(dòng)系統(tǒng)中控制器、控制對(duì)象（動(dòng)力系統(tǒng)）是兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，當(dāng)前船舶的動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化控制已實(shí)現(xiàn)局部控制化向全面自動(dòng)化轉(zhuǎn)變歷程，技術(shù)越來(lái)越完善。

船舶的動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化功能主要包括：①操作縱向轉(zhuǎn)換位置判斷、自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)起始等功能邏輯控制；②轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制：轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生速率限制和負(fù)荷程序等功能；③安全保護(hù)、應(yīng)急操作；④系統(tǒng)故障自檢；⑤功能模擬操作等。常用的元器件主要包括氣動(dòng)元器件、機(jī)械元器件、液壓元器件、繼電器元件等，隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，船舶主機(jī)自動(dòng)控制已初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)綜合控制化。

2.2 設(shè)計(jì)方法

首先，需要進(jìn)行船舶動(dòng)力系統(tǒng)選型計(jì)算，主推進(jìn)柴油機(jī)、齒輪箱型號(hào)需綜合考慮匹配問(wèn)題，初步匹配需要考慮船體的主尺度、船舶有效功率、船舶航速、螺旋槳直徑、螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速等所需主機(jī)功率，而后確定船舶能夠達(dá)到的最高航速、螺旋槳直徑等，確定齒輪箱的型號(hào)參數(shù)。需注意的是，有些主柴油機(jī)、齒輪箱是不適合自動(dòng)化控制的，配件本身自動(dòng)化水平低。

其次，設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)，前文提到了部分常見(jiàn)的自動(dòng)化功能配置。現(xiàn)代建造的船舶動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)可分為電動(dòng)部分與氣動(dòng)部分兩個(gè)組成部分，船舶動(dòng)力系統(tǒng)廠家一般提供氣動(dòng)部分，在建造船舶時(shí)，會(huì)建成完整的動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)遙控裝置系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)的核心柴油機(jī)，基本的自動(dòng)化配元件包括空分器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、高壓油泵換向機(jī)構(gòu)、高壓油泵、氣壓檢測(cè)、主機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)，其中高壓油泵又連接調(diào)速器轉(zhuǎn)換器、VIT執(zhí)行器，換向機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)操作系統(tǒng)連接，變速元件與電子調(diào)速器連接，整個(gè)船舶能夠通過(guò)主機(jī)遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)駕駛操作、集控操作、機(jī)旁操作。船舶主機(jī)自動(dòng)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要包括航行速度、螺旋槳轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器，轉(zhuǎn)速設(shè)定值以及指令發(fā)射器6個(gè)環(huán)節(jié)，調(diào)速器是實(shí)現(xiàn)恒速控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)主要經(jīng)過(guò)磁脈沖測(cè)速裝置完成。調(diào)速器是完成調(diào)速和執(zhí)行的裝置，通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)電子調(diào)速器逐漸取代了機(jī)械調(diào)速器。以3600DWT供油船為例，控控制系統(tǒng)為雙機(jī)、雙槳，可在駕駛室、集控室、機(jī)旁進(jìn)行調(diào)速變向，貨控室、機(jī)旁控制貨油泵，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)雙用。

3 小結(jié)

當(dāng)前，船舶輪機(jī)動(dòng)力裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念、方法不斷進(jìn)步發(fā)展，設(shè)計(jì)師的工作負(fù)荷明顯減輕，但自動(dòng)化的設(shè)計(jì)所涉及的領(lǐng)域只是也越來(lái)越廣，跨學(xué)科理念作用越來(lái)越明顯，設(shè)計(jì)師們不能固步自封，在堅(jiān)持基本的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，了解當(dāng)前柴油機(jī)元器件的特性，堅(jiān)持科學(xué)設(shè)計(jì)原則，同時(shí)勇于創(chuàng)新，設(shè)計(jì)具有自身特殊的自動(dòng)化動(dòng)力系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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[2]袁偉，陳紅衛(wèi)，俞孟蕻.船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，（4）：68-71.

（作者單位：常州玻璃鋼造船廠有限公司）