CN105015728A - 一种船舶气囊式抗倾覆装置 - Google Patents

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孙玉清
李文华
王生海
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Abstract

本发明涉及一种船舶气囊式抗倾覆装置，它包括触发控制模块、气体发生装置和安全气囊；触发控制模块用于实时测量船舶横倾角、船舶横倾角速度和船舶横倾角加速度参数，且其内设置各参数相应的阈值，当任意一个参数超过相应阈值时，触发控制模块发送控制信号给气体发生装置；气体发生装置采用不与CO2反应的不活泼气体和CO2为安全气囊充气，且CO2来自船舶自身的应急消防灭火***。当船舶因恶劣天气或操作不当失去稳性时，安全气囊会自动启动，在很短的时间内向气囊充气使气囊膨胀，防止船舶发生进一步的倾覆乃至倒扣现象，可有效提高船舶遇险时的生存能力，保护乘员生命和财产安全。因此，本发明可以广泛用于船舶应急抗倾覆领域。

Description

一种船舶气囊式抗倾覆装置
技术领域
本发明涉及一种抗倾覆装置，特别是关于一种船舶气囊式抗倾覆装置。
背景技术
根据IMO(International Maritime Organization，国际海事组织)相关规定，当船舶瞬时横倾角超过30°或3分钟内的平均倾斜角超过20°，船舶即处于倾覆状态。
随着我国内河航运的发展以及船舶运输体系的逐步完善，客滚运输方式迅速发展，自2010年起，全国累计完成了水路客运量2.24亿人次，同比增长0.3％。但由于客滚船舶其结构存在特殊性，在恶劣天气下很难保持船舶稳性，由此引发了多起海难事故，严重危害了旅客和船员的生命安全和财产损失。以2015年6月1日发生在长江中游监利水域的“东方之星”船舶倾覆事故为例，遇难442人，仅12人获救。因此，设计一种船舶防倾覆安全保护装置是及其必要的，可在船舶舶遭遇恶劣天气及遇到其他突发状况时让船舶有效保持稳性，避免倾覆事故的发生。
目前，针对船舶倾覆问题，船上通常采用以下措施来提高船舶的防倾覆性能：(1)减摇水舱、舭龙骨、减摇鳍及回转仪减摇装置和舵减摇装置。(2)减摇装置、纵向舱壁、增大船舶的宽度吃水比。以上装置和措施均可在一定程度上提高船舶的防摇性和防倾覆性能，以减摇鳍为例，该装置运用了仿生学的知识，模仿了鱼类的鳍在水中发挥的作用，减摇鳍布置在船中两舷舭部，通过操纵机构转动减摇鳍，使水流在上产生作用力，从而形成减摇力矩，以此减小船舶的摇晃，因此可在一定程度上减小横倾；增大船舶的宽度吃水比，相当于将船舶的稳心降低，船舶在发生横倾时所受到的倾覆力矩会相应减小，因此也可在一定程度上提高船舶的防摇性。但存在以下缺陷：(1)各装置功能单一，不能兼顾防摇性和防倾覆性。(2)各装置在发挥各自性能时均存在一定限制条件，以减摇鳍为例，由于鳍安装时其外展不能超出船截面的框线，因此鳍的面积不能无限扩展，鳍所提供的升力有限，所能提供的扶正力矩不能完全抵消倾覆力矩，而且船舶在一定的航速下，减摇鳍才能够发挥作用；以被动式减摇水舱为例，由于其有效区域比较窄，在非谐摇区可能会出现增摇情况，反而使得船舶的抗倾覆性能减弱。(3)加装以上装置均会给船舶正常航行带来副作用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种船舶气囊式抗倾覆装置，当船舶遭遇恶劣天气或其他原因下导致失稳时，安装在船舶两舷的安全气囊可在很短时间内迅速充气，为船舶提供抗倾力矩，有效的提升船舶遇险状况下的防倾覆性能，防止船舶发生进一步的倾覆现象。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：它包括触发控制模块、气体发生装置和安全气囊，且所述触发控制模块电连接所述气体发生装置，所述气体发生装置通过管路连接所述安全气囊；所述触发控制模块用于实时测量船舶横倾角、船舶横倾角速度和船舶横倾角加速度参数，且其内设置各参数相应的阈值，当任意一个参数超过相应的阈值时，所述触发控制模块发送控制信号给所述气体发生装置；所述气体发生装置采用不与CO2反应的不活泼气体和CO2为所述安全气囊充气，防止其摇晃或倾覆，且CO2来自船舶自身的应急消防灭火***。
所述触发控制模块包括检测单元、信号处理单元和手动操作控制面板；所述检测单元用于实时测量船舶六自由度运动信号，并将相应的信号传送给所述信号处理单元；所述信号处理单元内设置船舶横倾角阈值、船舶横倾角速度阈值和船舶横倾角加速度阈值，所述信号处理单元实时将接收到的信号与其内设置的阈值相比对，当所接收的信号中任意一个超过相对应的阈值时，所述信号处理单元判断船舶有倾覆风险时，所述信号处理单元发出触发信号给所述气体发生装置为所述安全气囊充气；所述手动操作控制面板为当船舶驾驶人员根据气象观察和驾驶台航行数据判断有险情发生的可能性时，所述手动操作控制面板发送触发信号给所述气体发生装置为所述安全气囊充气。
所述检测单元采用MRU实时测量船舶六自由度运动信号。
所述信号处理单元采用PLC。
所述气体发生模块包括化学式气体发生装置和CO2气体充气装置；所述化学式气体发生装置包括电点火引爆机构、充气药剂和过滤冷却机构，且所述电点火引爆机构电连接所述信号处理单元；所述CO2气体充气装置包括CO2储气瓶、消防充气转换管路和启闭阀门，且所述消防充气转换管路连接所述CO2储气瓶和所述安全气囊，并在该管路上设置所述启闭阀门，所述启闭阀门电连接所述信号处理单元；所述CO2储气瓶和所述消防充气转换管路采用船舶自身的应急消防灭火***；所述化学式气体发生装置中的所述电点火引爆机构接收所述信号处理单元发出的控制信号后，引爆并点燃所述充气药剂产生大量气体，该气体经过所述过滤冷却机构后通过管路迅速向所述安全气囊充气；同时，所述启闭阀门接收到所述信号处理单元发出的控制信号后，所述启闭阀门开启，所述CO2储气瓶迅速向所述安全气囊充气。
所述充气药剂采用叠氮化钠(NaN3)或硝酸铵(NH4NO3)。
所述安全气囊沿船舶首尾方向在船舶首部、船舶中部和船舶尾部位置两舷对称设置；并且所述安全气囊隐藏设置在船舷两侧。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括触发控制模块、气体发生装置和安全气囊；触发控制模块用于实时测量船舶横倾角、船舶横倾角速度和船舶横倾角加速度参数，且其内设置各参数相应的阈值，当任意一个参数超过相应的阈值时，触发控制模块发送控制信号给气体发生装置；气体发生装置采用不与CO2反应的不活泼气体和CO2为安全气囊充气，安全气囊胀出船体，系固在船体两侧，相当于增大船舶的宽度吃水比，因此可有效提高船舶的防摇性能；当船舶发生险情时，安全气囊浮于水面之上，提供浮力，防止船舶沉没；当船舶发生倾覆时，膨胀的安全气囊可提供一较大的扶正力矩，使船舶回到稳态，可有效提高船舶的抗倾覆性能，从而有效提高船舶遇险时的生存能力，保护乘员生命和财产安全。因此，本发明可以有效提高船舶防摇、防沉、防倾覆性能。2、本发明采用在船舶两侧对称设置若干存放安全气囊的箱体，因此加装该装置不会对船舶进行大的改装，有效改善船舶性能的同时不带来其他副作用，相对其他设备结构简单。3、当船舶发生倾覆时安全气囊会进行充气作业，而当船舶再次恢复稳性时可对安全气囊的进气口与管路分开即可进行排气作业，工作过程中并无限制条件，且该装置可在生命周期内循环多次使用，受外界因素影响较小，可靠性较高且最大限度发挥经济效益。4、针对安全气囊充气目前采用空压机和高压气瓶充气，但是空压机的充气效率低，速度慢，不能在短时间内完成充气作业，从而影响其抗倾覆的效率；采用高压气瓶需要另外在船上布置气瓶，占用空间，并且需要定时对气瓶状态进行检查，增加船员的工作量。另外，本发明采用船舶自身的应急消防灭火***中的CO2和化学产生气体的方式为安全气囊充气，充分利用了船上已有的资源，简化整体装置的结构。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于船舶应急抗倾覆领域。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图
图2为本发明在船舶正常航行状态时的安全气囊布置图
图3为本发明在船舶非正常航行状态时的安全气囊布置图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括触发控制模块1、气体发生模块2和安全气囊3。
触发控制模块1包括检测单元11、信号处理单元12和手动操作控制面板13。
其中，检测单元11用于实时测量船舶六自由度运动信号，并将相应的信号传送给信号处理单元12。信号处理单元12内设置船舶横倾角阈值、船舶横倾角速度阈值和船舶横倾角加速度阈值，信号处理单元12实时将接收到的信号与其内设置的阈值相比对，当所接收的信号中任意一个超过相对应的阈值时，信号处理单元12判断船舶有倾覆风险时，信号处理单元12发出触发信号给气体发生模块2为安全气囊3充气。手动操作控制面板13为当船舶驾驶人员根据气象观察和驾驶台航行数据判断有险情发生的可能性时，手动操作控制面板13发送触发信号给气体发生模块2为安全气囊3充气。
上述实施例中，检测单元11优选采用MRU(Motion Reference Unit，运动参考单元)实现实时测量船舶六自由度运动信号，特别是挪威KONGSBERG公司MRU5。
上述实施例中，信号处理单元12优选采用PLC(Programmable LogicController，可编程式逻辑控制器)实现信号对比，并发送触发信号，特别是德国西门子公司S7-300PLC。
气体发生模块2包括化学式气体发生装置21和CO2气体充气装置22。
其中，化学式气体发生装置21包括电点火引爆机构211、充气药剂212和过滤冷却机构213，且电点火引爆机构211电连接信号处理单元12。CO2气体充气装置22包括CO2储气瓶221、消防充气转换管路222和启闭阀门223，且消防充气转换管路222连接CO2储气瓶221和安全气囊3，并在该管路上设置启闭阀门223，启闭阀门223电连接信号处理单元12。上述CO2储气瓶221和消防充气转换管路222为船舶CO2应急消防灭火***中现有的设备，因此不必需要再添加额外的装置增加成本，且合理利用船舶上的资源。
化学式气体发生装置21中的电点火引爆机构211接收信号处理单元12发出的控制信号后，引爆并点燃充气药剂212，短时间内产生大量气体，该气体经过过滤冷却机构213过滤和冷却处理后通过管路迅速向安全气囊3充气。同时，启闭阀门223接收到信号处理单元12发出的控制信号后，启闭阀门223开启，CO2储气瓶221迅速向安全气囊3充气，因CO2储气瓶221内存储的气量很大，结合二者可以完成在很短时间内完成对安全气囊3的充气作业。
上述实施例中，充气药剂212可以采用叠氮化钠(NaN3)或硝酸铵(NH4NO3)，当信号处理单元12发出控制信号时，电点火引爆机构211引爆，使得充气药剂212迅速发生分解反应，产生大量气体，其中叠氮化钠(NaN3)分解产生氮气和固态钠；硝酸铵(NH4NO3)分解产生一氧化二氮气体(N2O)和水蒸气。化学式气体发生装置21产生的气体均为不活泼气体，不会与CO2气体发生化学反应。
如图2、图3所示，安全气囊3设置在船舶两侧箱体内，该安全气囊3上方设置有罩盖以便安全气囊3膨胀展开，安全气囊3的个数依据船舶的大小不同，沿船舶首尾方向分别在船舶首部、船舶中部和船舶尾部位置两舷对称布置，当船舶横倾角信号超过船舶横倾角阈值时，气体发生模块2对安全气囊3进行快速充气，使安全气囊3突破罩盖膨胀展开，安全气囊3膨胀后胀出船体并像浮筒一样系固在船舶两舷，部分浸在水中，由此产生向上的浮力，因力臂较长，此浮力可形成一个较大的抗倾力矩，进而产生扶正力矩，阻止船舶发生进一步的横倾或扶正船舶。当船舶再次恢复稳性时可对安全气囊3进行排气作业，排气时只需将安全气囊3与化学式气体发生装置21中的管路分离即可，简答方便。
需要说明的是，针对安全气囊3充气目前采用空压机和高压气瓶充气，但是空压机的充气效率低，速度慢，不能在短时间内完成充气作业，从而影响其抗倾覆的效率；采用高压气瓶需要另外在船上布置气瓶，占用空间，并且需要定时对气瓶状态进行检查，增加船员的工作量。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：它包括触发控制模块、气体发生装置和安全气囊，且所述触发控制模块电连接所述气体发生装置，所述气体发生装置通过管路连接所述安全气囊；
所述触发控制模块用于实时测量船舶横倾角、船舶横倾角速度和船舶横倾角加速度参数，且其内设置各参数相应的阈值，当任意一个参数超过相应的阈值时，所述触发控制模块发送控制信号给所述气体发生装置；
所述气体发生装置采用不与CO2反应的不活泼气体和CO2为所述安全气囊充气，防止其摇晃或倾覆，且CO2来自船舶自身的应急消防灭火***。
2.如权利要求1所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述触发控制模块包括检测单元、信号处理单元和手动操作控制面板；
所述检测单元用于实时测量船舶六自由度运动信号，并将相应的信号传送给所述信号处理单元；所述信号处理单元内设置船舶横倾角阈值、船舶横倾角速度阈值和船舶横倾角加速度阈值，所述信号处理单元实时将接收到的信号与其内设置的阈值相比对，当所接收的信号中任意一个超过相对应的阈值时，所述信号处理单元判断船舶有倾覆风险时，所述信号处理单元发出触发信号给所述气体发生装置为所述安全气囊充气；所述手动操作控制面板为当船舶驾驶人员根据气象观察和驾驶台航行数据判断有险情发生的可能性时，所述手动操作控制面板发送触发信号给所述气体发生装置为所述安全气囊充气。
3.如权利要求2所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述检测单元采用MRU实时测量船舶六自由度运动信号。
4.如权利要求2所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述信号处理单元采用PLC。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述气体发生模块包括化学式气体发生装置和CO2气体充气装置；所述化学式气体发生装置包括电点火引爆机构、充气药剂和过滤冷却机构，且所述电点火引爆机构电连接所述信号处理单元；所述CO2气体充气装置包括CO2储气瓶、消防充气转换管路和启闭阀门，且所述消防充气转换管路连接所述CO2储气瓶和所述安全气囊，并在该管路上设置所述启闭阀门，所述启闭阀门电连接所述信号处理单元；所述CO2储气瓶和所述消防充气转换管路采用船舶自身的应急消防灭火***；
所述化学式气体发生装置中的所述电点火引爆机构接收所述信号处理单元发出的控制信号后，引爆并点燃所述充气药剂产生大量气体，该气体经过所述过滤冷却机构后通过管路迅速向所述安全气囊充气；同时，所述启闭阀门接收到所述信号处理单元发出的控制信号后，所述启闭阀门开启，所述CO2储气瓶迅速向所述安全气囊充气。
6.如权利要求5所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述充气药剂采用叠氮化钠(NaN3)或硝酸铵(NH4NO3)。
7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述安全气囊沿船舶首尾方向在船舶首部、船舶中部和船舶尾部位置两舷对称设置；并且所述安全气囊隐藏设置在船舷两侧。
8.如权利要求5所述的一种船舶气囊式抗倾覆装置，其特征在于：所述安全气囊沿船舶首尾方向在船舶首部、船舶中部和船舶尾部位置两舷对称设置；并且所述安全气囊隐藏设置在船舷两侧。
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