船模阻力試驗測量系統(tǒng)在適航水深試驗研究中的應(yīng)用

張瑞波，龐啟秀

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

船模阻力試驗測量系統(tǒng)在適航水深試驗研究中的應(yīng)用

張瑞波，龐啟秀

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

利用適航水深技術(shù)首先要確定適航淤泥重度值，主要通過流變試驗和船舶試驗來確定。在目前尚無實船試驗條件的前提下，應(yīng)用船模阻力試驗測量系統(tǒng)測定船模阻力與淤泥重度的關(guān)系是一種較為直觀的方法。船模阻力試驗測量系統(tǒng)由計算機(jī)控制船模以不同速度在試驗?zāi)鄻又泻叫?，通過拉壓力傳感器及多功能數(shù)據(jù)采集卡采集阻力數(shù)據(jù)，船模阻力數(shù)據(jù)可以通過船模阻力換算公式換算為阻力值；系統(tǒng)配有泥樣攪拌裝置，可將泥樣攪拌均勻。通過參數(shù)標(biāo)定，系統(tǒng)的速度控制誤差及阻力測量誤差均小于1%。通過試驗實例說明，船模阻力試驗測量系統(tǒng)可以為合理確定適航重度提供可靠依據(jù)。

船模阻力試驗系統(tǒng)；適航水深；適航淤泥重度；轉(zhuǎn)換公式；參數(shù)標(biāo)定

我國有眾多大中型的淤泥質(zhì)海港，如天津港、連云港、上海港、寧波港、汕頭港、廣州港、深圳港和臺山電廠煤港等，其中一些港口泥沙回淤嚴(yán)重，維護(hù)疏浚量大，給港口企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力，甚至某些港口在臺風(fēng)或寒潮作用下還會產(chǎn)生驟淤現(xiàn)象，給船舶的正常通航帶來困難。淤積物主要由黏性細(xì)顆粒泥沙組成，密實緩慢，淤泥重度垂線分布不均勻，由表向下逐漸增大，表層淤泥密度小，導(dǎo)致維護(hù)疏浚效率低；另一方面，表層重度較小的淤泥具有類似于水的流動特性，船舶航行與停泊作業(yè)過程中，船底龍骨與其接觸并不會受到傷害，船舶操作性能也無明顯影響，因而可作為水深使用，以增加港口的水深，同時也可避免資源浪費［1］，即適航水深技術(shù)。

利用適航水深技術(shù)首先需要確定適航淤泥重度值［2］。主要是通過流變試驗和船舶試驗來確定。但目前尚沒有進(jìn)行實船試驗的條件，而應(yīng)用適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)測定船模在實際淤泥中運動所受阻力的變化狀況，是一種較為直觀的試驗方法，為合理確定適航水深的標(biāo)準(zhǔn)重度提供更可信賴的依據(jù)［3］。

圖1 船模阻力試驗測量系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of shipmodel resistancemeasurement system

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

本適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)安裝于交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所內(nèi)，專利號：ZL201220612876.8，船模行程10m，船模速度范圍10～80 cm/s，阻力量程200 N，它由控制計算機(jī)、阻力數(shù)據(jù)采集模塊、測速電機(jī)、拖拽小車、導(dǎo)軌滑塊系統(tǒng)、船模、泥漿攪拌裝置及試驗水槽組成，其控制框圖及結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1～圖2所示。

圖中：1為測速電機(jī)，2為后限位塊，3為后防撞塊，4為拖拽小車，5為前防撞塊，6為前限位塊，7為前限位傳感器，8為導(dǎo)軌，9為滑塊，10為后限位傳感器，11為船模，12為拉壓力傳感器，13為泥漿攪拌裝置，14為試驗水槽，15為試驗?zāi)鄻樱?6為剛性支架。

1.2控制方式及工作原理［4］

適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)通過計算機(jī)控制測速電機(jī)以特定的速度運動，電機(jī)的運動帶動拖拽小車在水槽上的導(dǎo)軌上做直線運動，同時拉動船模在水槽中的泥樣中以一定的吃泥深度運動。船模運動過程中，安裝在船模上的拉壓力傳感器會輸出電壓信號，該電壓信號傳輸回控制計算機(jī)，經(jīng)多功能數(shù)據(jù)采集卡通過A/D轉(zhuǎn)換后在軟件界面上輸出船模阻力數(shù)據(jù)。安裝在拖拽小車上的泥漿攪拌裝置可以獨立控制，功能是根據(jù)需要將泥樣攪拌均勻。

試驗時，船模從起始點開始以一定的速度開始勻速運動，到達(dá)前限位傳感器時，船模及測速電機(jī)停止運動，同時在控制采集軟件界面上輸出船模阻力、船模速度及時間等數(shù)據(jù)，此時一次數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束；確認(rèn)船模姿態(tài)及系統(tǒng)狀態(tài)正常后，即可通過控制采集軟件使船模返回試驗起始點，到達(dá)后限位傳感器位置時，船模停止運動，等待下一組次試驗開始。

1.3 船模阻力換算［5］

用于船模阻力測量的拉壓力傳感器輸出的是電壓信號Ut。多功能數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并在控制軟件界面上輸出數(shù)值，該數(shù)值可通過式（1）換算為船模的阻力值f

式中：f為船模受到泥樣的阻力，N；n為控制軟件輸出數(shù)值；ns為傳感器器的靜態(tài)值，即傳感器自由狀態(tài)時控制軟件的輸出數(shù)值；k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，由式（2）確定

式中：R為傳感器的量程，N；212表示采集卡為12位的采集卡；Uc為采集卡的電壓范圍；Ut為拉壓力傳感器的輸出電壓。

圖2 船模阻力試驗測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of shipmodel resistancemeasurement system

2 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定［6］

2.1 船模速度標(biāo)定

適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)通過直線導(dǎo)軌將測速電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為船舶模型的直線速度，需要通過實測船模的運動速度對測速電機(jī)的控制信號進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)通過計算機(jī)控制軟件為直流測速電機(jī)輸入一恒定的直流電壓信號時，測速電機(jī)便會以一定的速度勻速轉(zhuǎn)動，從而通過拖拽小車驅(qū)動船模以勻速運動，測量出一系列船模的運動速度，便可得出直流電壓信號與船模運動速度的關(guān)系，從而可方便地控制船舶模型以特定的速度勻速運動?？刂栖浖］斎胨俣扰c實測船模速度的關(guān)系如表1所示，可知船模速度控制誤差小于1%。

2.2 阻力測量數(shù)據(jù)標(biāo)定

適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)將拉力傳感器受力時的電壓變化轉(zhuǎn)換為船模在試驗?zāi)鄻又羞\動時受的阻力，試驗前需對系統(tǒng)測得的阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時，人為向拉力傳感器施加已知的拉力作為標(biāo)準(zhǔn)拉力，看實測阻力數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)拉力是否一致。如表2所示，可知船模阻力測量誤差小于1%。

表1 控制軟件輸入船速與實測船速對照表Tab.1 Comparison table of input velocity andmeasured velocity

表2 實測阻力與標(biāo)準(zhǔn)拉力對照表Tab.2 Comparison table of nominal resistance andmeasured resistance

3 船模阻力測量系統(tǒng)在適航水深試驗研究中的應(yīng)用

3.1 珠海電廠港池及航道適航水深試驗研究

2012年2～3月，利用適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)進(jìn)行了珠海電廠適航水深船模阻力試驗［7］。

試驗時，在水槽中首先配制某一重度的泥樣，并借助泥漿攪拌器進(jìn)行攪拌，然后對放置在泥樣中的船模進(jìn)行配載，使之達(dá)到預(yù)定的吃泥深度，再按不同級船速進(jìn)行試驗。當(dāng)該重度淤泥的試驗完成后，再向淤泥中加定量的清水配制成下一級重度的泥樣，即試驗從大重度淤泥開始，直至清水試驗。試驗采用從珠海電廠港池及航道內(nèi)采集的5 t淤泥樣品進(jìn)行試驗，配制成8種不同重度淤泥并以8種船模速度進(jìn)行試驗。其中淤泥重度分別為10.94、11.14、11.91、12.24、12.51、12.80、13.26、13.68 kN/m3；船模速度分別為10、20、30、40、55、60、70、80 cm/s；吃泥深度為6.0 cm。

測得船模在不同重度淤泥中以不同船速運行時受到的阻力，并繪制其與重度的關(guān)系曲線，如圖3所示(本文只給出其中3條曲線)。根據(jù)船模阻力與重度的關(guān)系曲線可得出珠海電廠港池及航道淤泥的適航重度值介于12.2～12.5 kN/m3。

3.2 連云港30萬t級航道適航水深試驗研究

2013年8月，利用適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)進(jìn)行了連云港30萬t級航道適航水深船模阻力試驗［8］。

試驗采用從連云港30萬t級航道內(nèi)采集的5 t淤泥樣品進(jìn)行試驗，配制成9種不同重度淤泥并以6種船模速度進(jìn)行試驗。其中淤泥重度分別為11.05、11.53、11.93 12.21、12.50、12.75、13.31、13.80、14.35 kN/m3；船模速度分別為10、20、30、40、55、60 cm/s；吃泥深度為6.0 cm。

測得船模在不同重度淤泥中以不同船速運行時受到的阻力，并繪制其與重度的關(guān)系曲線，如圖4所示(本文只給出其中3條曲線)。根據(jù)船模阻力與重度的關(guān)系曲線可得出連云港30萬t級航道淤泥的適航重度值介于12.5～12.7 kN/m3。

圖3 珠海電廠港池航道船模阻力與淤泥重度的關(guān)系Fig.3 Relationship between shipmodel resistance andmud weight?specific density in basin and channel of Zhuhai power plant

圖4 連云港30萬t級航道船模阻力與淤泥重度的關(guān)系Fig.4 Relationship between shipmodel resistance andmud weight?specific density in 300，000 dwt channel of Lianyungang port

4 結(jié)論

在目前尚無實船試驗條件的前提下，應(yīng)用適航水深船模阻力試驗測量系統(tǒng)測定船模在實際淤泥中運動所受阻力隨淤泥重度的變化，是一種直觀、有效的試驗方法，可以為合理確定適航水深的標(biāo)準(zhǔn)重度提供更可信賴的依據(jù)。本船模阻力試驗測量系統(tǒng)集成了計算機(jī)控制技術(shù)、測速電機(jī)技術(shù)、滑塊導(dǎo)軌技術(shù)及傳感器技術(shù)等，是進(jìn)行淤泥質(zhì)港口適航水深應(yīng)用研究的重要設(shè)備，將船模阻力試驗的結(jié)果結(jié)合流變試驗結(jié)果綜合分析即可確定出淤泥的適航重度值。通過標(biāo)定可知，本船模阻力試驗測量系統(tǒng)的速度控制精度小于1%，阻力測量精度同樣小于1%，能夠滿足適航水深應(yīng)用研究的需要。通過珠海電廠港池航道適航水深試驗研究和連云港30萬t級航道適航水深試驗研究的實例證明，該船模阻力試驗測量系統(tǒng)可以為合理確定適航水深適航重度提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］JTJ/T325-2006，淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］蔡南樹，龐啟秀，楊樹森，等.廣州港南沙港區(qū)港池適航水深綜合論證研究［J］.水道港口，2009，30(4)：253-256. CAI N S，PANG Q X，YANG S S，et al.Research of nautical depth in harbor basin of Nansha district of Guangzhou port［J］.Jour?nal of Waterway and Harbor，2009，30(4)：253-256.

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［5］秦曾煌.電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］黃長藝，嚴(yán)普強.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［7］楊樹森，韓西軍，龐啟秀，等.珠海電廠港池及航道適航水深綜合論證分析研究［R］.天津∶交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2012.

［8］龐啟秀，高志亮，溫春鵬，等.連云港港30萬噸級航道適航水深應(yīng)用研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2014.

Application of shipmodel resistancemeasurement system in nautical depth experiment

ZHANG Rui?bo,PANG Qi?xiu
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The nautical weight?specific densitymust be determined in advance,mainly by rheological experi?ments and ship resistance experiments,to use nautical depth technology.It is a direct way to determine relationship between shipmodel resistance andmud weight?specific density using shipmodel resistancemeasurement system, as there is no condition for real ship tests at present.The shipmodelmeasurement system,in which the shipmodel velocity is controlled by a computer,acquires resistance data through a tension transducer and a PCI data acquisi?tion card.Then the resistance data can be converted to resistance through the conversion formula.The parameter calibration shows that the speed control error and the resistancemeasurement error are both notmore than 1%.And the two experiments show that shipmodelmeasurement system works well in supplying reliable basis for determin?ing nautical weight?specific density properly.

shipmodel resistancemeasurement system;nautical depth;nauticalmud weight?specific density; conversion formula;parameter calibration

U 661.32

A

1005-8443（2015）03-0220-04

我國第4座40萬t級碼頭落戶防城港

2015-03-16；

2015-03-20

張瑞波（1982-），男，河北省人，助理研究員，主要從事海岸河口泥沙運動特性及淤積方面研究。

Biography：ZHANG Rui?bo（1982-），male，assistant professor.

本刊從防城港獲悉，2015年4月15日下午，防城港市和北部灣港務(wù)集團(tuán)就戰(zhàn)略合作協(xié)議舉行簽約儀式，儀式上，我國第4座40萬t級碼頭正式落戶防城港。該項目位于防城港企沙港區(qū)企沙南作業(yè)區(qū)，建設(shè)工期為3 a，總投入35億元，擬于2016年開工，2019年完工。項目在近中期功能定位按過駁平臺考慮，過駁船舶采用10～20萬t級的散貨船，年設(shè)計吞吐量2 500萬t。（殷缶，梅深）