縱流艏船舶測深儀使用效能研究

周必君，張云軍，潘如亞，王克義，劉 佳，肖 云，田雪蓮，倪敏，孫昌林，潘虹

（長江南京航道局，南京 210011）

縱流艏船舶測深儀使用效能研究

周必君，張云軍，潘如亞，王克義，劉 佳，肖 云，田雪蓮，倪敏，孫昌林，潘虹

（長江南京航道局，南京 210011）

長江航道系統(tǒng)的航標(biāo)船大多采用縱流艏船型，由于其型線的特殊性，使得裝在船底的測深儀，在航速大于5km/h時，即不能正常工作顯示水深。本課題主要從流體力學(xué)、測深原理和船體結(jié)構(gòu)等諸方面進(jìn)行研究，研制了特殊的組合機(jī)構(gòu)，解決了上述問題，使得測深儀在各種工況下均能準(zhǔn)確測量航道，對同類船的改造提供了指導(dǎo)和依據(jù)。

縱流艏船舶；測深；升降裝置；導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)

0 引言

長江南京航道局所屬轄區(qū)上自江西省上巢湖，下至江蘇省瀏河口，總計航道維護(hù)里程1977.9公里，轄區(qū)內(nèi)航道多變復(fù)雜。航道維護(hù)、整治、測量、布標(biāo)等工作非常繁重，長江中下游航標(biāo)艇的工作任務(wù)主要是擔(dān)負(fù)航道內(nèi)的航標(biāo)維修、航標(biāo)移位、航標(biāo)損壞更換、航標(biāo)布設(shè)等工作。

目前長江南京航道局的主力航標(biāo)船型是40m級長江A型航標(biāo)工作船。航標(biāo)船上均裝備有測深儀，目前該船型航標(biāo)船上安裝的測深儀有二種安裝方式：一種是舷邊安裝方式：這種方式由于船舶每天頻繁靠離航標(biāo)，易碰損不安全，航行中易受外界航行船舶的影響，拆卸維修不方便，船員工作量大，屬于一種應(yīng)急的使用方法。另一種方式是安裝在船體底部（舯前）。目前有15艘航標(biāo)船的測深儀安裝在船底，由于該型船采用縱流艏船型，船底水流比較紊亂，測深儀受此影響，超聲波無法穿越，從而使得測量數(shù)據(jù)紊亂錯誤，有時無法顯示水深。這不僅影響航行船舶的安全，也影響自身船舶的安全。效率低下的測量工作不能滿足航道維護(hù)工作的需要，導(dǎo)致航道不通暢、航行不安全、船舶通過率少，從而影響船舶年運(yùn)輸量，嚴(yán)重影響沿江經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 研究思路與路徑

裝在縱流艏船型航標(biāo)船船底的測深儀在航速大于5km/h時，就不能準(zhǔn)確顯示水深或無法顯示水深，其主要原因是測深儀的超聲波不能有效地穿透水層并反射回來，或是超聲波受到干擾而改變方向，導(dǎo)致反射時間延長。

一臺功能正常的測深儀在水下靜速（V=0）和規(guī)定的測深范圍內(nèi)（如通常0.2m～200m），均能夠顯示準(zhǔn)確的水深。如果安裝后不能正常工作，很可能是船體周圍的流場對其產(chǎn)生了影響，船體周圍的流速和船體線型都會影響流場。安裝測深儀的船體周圍如果有孔、洞也會對流場產(chǎn)生影響，會產(chǎn)生旋渦。另外測深儀安裝位置應(yīng)位于設(shè)計水線以下一定深度（300mm～500mm），因為水面附近有波浪、船舶搖擺會吸入空氣而產(chǎn)生氣泡。

因此測深儀不能準(zhǔn)確顯示的因素主要是：1）紊流；2）波浪；3）旋渦；4）氣泡。本研究的總體思路就是要消除上述因素的影響，采取的方法有以下兩種：

1）改善測深儀周圍的流場，使水流盡可能平順地（減少旋渦）通過換能器位置，也即采用導(dǎo)流裝置；

2）采用升降裝置，測量時換能器直接升出船底，脫離船體表面邊界層中紊流區(qū)的影響，確保換能器不受干擾地工作。

本課題以典型船舶長江40米級A型航標(biāo)船作為對象，進(jìn)行全過程研究，該型船的總布置圖如圖1所示。

主要研究路徑為：1）實船調(diào)查，數(shù)據(jù)分析；2）船舶流場分析；3）升降機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計；4）導(dǎo)流罩及船體結(jié)構(gòu)設(shè)計；5）現(xiàn)場安裝調(diào)試；6）實測試驗共六個階段。

2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 升降原理

本升降機(jī)構(gòu)采用液壓傳動方式，該裝置具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、可實現(xiàn)無級變速、自動化程度高等特點。升降機(jī)構(gòu)由五大部分組成：

1）機(jī)械部分：由連接板、過度軸、壓蓋、活動桿、筒體、襯套（上、下）套筒等零部件組成。

2）壓控制部分：由電動機(jī)、柱塞泵、電動比列換向閥、油缸和安全閥等零部件組成。

3）電氣控制部分：由電機(jī)控制電路、電控比例換向閥放大電路、限位開關(guān)電路、電控箱、遠(yuǎn)程控制面板、顯示器和控制手柄等零部件組成。

4）上下限位安全控制部分：由安全閥、上下限位裝置、應(yīng)急手動油泵、換向閥等零部件組成。

5）測深儀換能器位置監(jiān)測部分：由測距傳感器、電路、控制板顯示器等零部件組成。

升降機(jī)構(gòu)的動力源由液壓泵站提供，電機(jī)通過聯(lián)軸器裝置直接驅(qū)動軸向柱塞泵，通過液壓系統(tǒng)傳遞到液壓油缸，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力能，從而帶動油缸蓋上下移動，將液體壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動活動桿上下移動，起到測深儀換能器可上下調(diào)節(jié)位置的作用。換能器安裝系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖1 長江40米級A型航標(biāo)船總布置圖

圖2 換能器安裝系統(tǒng)圖

2.2 液壓設(shè)計

液壓系統(tǒng)主要由動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制元件（各種閥門）、輔助元件（管路等）和工作介質(zhì)（液壓油）等五大部分組成。液壓系統(tǒng)設(shè)計的原則：系統(tǒng)安全可靠、設(shè)備選型優(yōu)化、便于與自動控制系統(tǒng)配合、檢修方便。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)備結(jié)構(gòu)部分主要有襯套、筒體、活動桿等組成。結(jié)構(gòu)部分設(shè)計的原則：保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、重量輕、體積小、制作工藝簡單、水密性號、易于維護(hù)和檢修。

2.4 電氣設(shè)計

電氣部分主要分為主體設(shè)備控制部分、上下限位安全控制部分以及換能器位置監(jiān)測部分。電氣設(shè)計思路：盡可能提高系統(tǒng)控制的自動化水平，保證系統(tǒng)的安全可靠、操作簡便，且易于集中控制。

3 導(dǎo)流罩設(shè)計

導(dǎo)流罩的作用除上述所述引導(dǎo)平順流場外還起著保護(hù)測深儀換能器的作用，平時不測量時還能防止外界浮物對測深儀換能器碰撞。導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示。

導(dǎo)流罩外形采用雙向流線的類似“水滴形”罩殼，盡可能提高導(dǎo)流效果，同時盡量減小阻力。

導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)在主船體施工完畢后，現(xiàn)場安裝焊接，安裝前內(nèi)部隔板要按型線放樣，面板要預(yù)先施壓或火工成型，檢驗后在船上分片施焊，確保流線順暢、表面平整光滑。

圖3 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)圖

4 實船測量試驗

該測量試驗于2014年11月在40米A級航標(biāo)船上進(jìn)行，航區(qū)為長江鎮(zhèn)江揚(yáng)中段，航道水深約 20m。當(dāng)換能器升出船底230mm時，測量記錄如表1所示。實船測量表明測深儀工作正常，各速度段內(nèi)數(shù)據(jù)偏差較小，數(shù)據(jù)收斂。

表1 換能器升出船底230mm時的測量記錄

5 效益評估

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

40米級長江 A型航標(biāo)船船員 10人，主機(jī)油耗0.21kg/kW·h，改造前工作航速V=5km/h（大于 5km/h不顯示水深），改造后工作航速V=20km/h。每年52周，每周進(jìn)行一次航標(biāo)連線測量，如新港處其主航道里程為35.5公里程，共需4趟，其測量程為52×35.5×4=7384公里。另外還要進(jìn)行輔助航道、橋區(qū)航道及航道草測，因為無規(guī)律固無法統(tǒng)計，這里不予計算。

現(xiàn)統(tǒng)一按照7384km里程計算比較，直接經(jīng)濟(jì)效益如表2所示。由表格數(shù)據(jù)可見，改造后效率提高4倍，單艘船每年可節(jié)約成本30.459萬元，若合計15艘船可節(jié)約成本456.885萬元。改造后的船舶還將產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益：如應(yīng)急情況下測量，戰(zhàn)洪、枯水期的應(yīng)急任務(wù)等，耗時短，效率高，可按時完成。

表2 改造后的經(jīng)濟(jì)效益表（按7384km里程計算）

5.2 社會效益

縱流船首型航標(biāo)船測深儀安裝方案改造成功，將極大地改變目前長江下游航道的布標(biāo)、測量現(xiàn)狀。測量效率的大大提高顯著加快了單日的測量工作量、加快了水運(yùn)物流的速度，同時能滿足應(yīng)急測量工程的需要，保障過往船舶和自身船舶安全，對加快黃金水道的建設(shè)，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到積極作用。

6 結(jié)束語

該課題的研發(fā)解決了縱流艏船舶的測深儀不能正常工作的技術(shù)難題，達(dá)到了預(yù)期的目的和效果，對于幾十艘同類船舶的改造具有指導(dǎo)意義和示范作用。目前該課題已申請專利。

[1] 許維德. 流體力學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1979.

[2] 楊可楨. 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 張利平. 液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

Study on the Using Efficiency of Sounder for the Longitudinal-flow Bow Ship

ZHOU Bi-jun, ZHANG Yun-jun, PAN Ru-ya, WANG Ke-yi, LIU Jia, XIAO Yun,TIAN Xue-lian, NI Min, SUN Chang-lin, PAN Hong
(Changjiang Nanjing Waterway Bureau, Nanjing 210011, China)

Changjiang Waterway system mostly uses ships with longitudinal-flow bow as beacon vessel.Due to the particularity of its lines, the sounder which is installed at the bottom cannot work normally when the vessel speed is more than 5km/h. This topic mainly researches several aspects as fluid mechanics, the sounding principle and the hull structure etc. The special combined mechanism is then designed according to the research and the above mentioned problem is thus solved. The sounder can accurately measure the channel under various conditions. This article will provide guidance and basis to similar ship.

ship withlongitudinal-flow bow; sounding; lifting gear; dome structure

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.010

周必君（1978-），本科，高級經(jīng)濟(jì)師，研究方向：船舶管理、船舶建造、船舶修理。