錨泊安全視域下的錨鏈振動特征檢測實(shí)驗(yàn)研究

王涌 韓東 苑志江 蔣曉剛

摘要：錨鏈振動特征檢測研究旨在解決艦船走錨預(yù)警問題。利用專門實(shí)驗(yàn)裝置模擬艦船走錨過程，實(shí)時檢測錨鏈振動加速度，并采用Matlab編制的專用程序?qū)M(jìn)行耦合計(jì)算等處理，進(jìn)而得到錨鏈振動特征值并輸出相應(yīng)的曲線圖形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在錨鏈繃緊、錨翻出底土、跳錨、走錨等狀態(tài)下，錨鏈振動頻率會發(fā)生突變。相同錨泊環(huán)境下，底質(zhì)、船重一錨重比、鏈重均對錨鏈振動特征有影響：錨鏈振動頻率突變極值越大巨次數(shù)越多時，艦船越難走錨;泥沙底的突變頻率平均極值為砂礫底的1.1～1.4倍;隨著鏈重的增加，錨鏈振動平均頻率和突變頻率平均極值均隨之增大，艦船從正常錨泊演變到走錨的時間變長，錨鏈振動頻率突變的次數(shù)也越多。結(jié)論可為艦船錨泊安全狀態(tài)監(jiān)測及走錨預(yù)警深入研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：安全;艦船;錨泊;走錨;振動頻率

中圖分類號：U675.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0159-05

收稿日期：2018-10-23;收到修改稿日期：2018-12-24

作者簡介：王涌（1974-），女，山東濰坊市人，講師，博士，主要從事軍事航海安全保障方面的研究。

通信作者：苑志江（1983-），男，河北邢臺市人，講師，博士，主要從事艦船安全防護(hù)方面的研究。

0 引言

艦船錨泊安全受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境因素的綜合影響，在惡劣海況條件下走錨風(fēng)險(xiǎn)通常顯著增大。如值班人員不能準(zhǔn)確判斷和及時發(fā)現(xiàn)走錨，極易引發(fā)碰撞、觸礁、擱淺等次生事故，因而走錨的判斷和預(yù)警始終是錨泊安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-6]。錨鏈作為錨泊系統(tǒng)的重要組成部分，其底端所受錨泊力和頂端所受艦船外力間的平衡狀態(tài)直接影響艦船錨泊安全。諸多學(xué)者從這一視角開展了走錨判斷及預(yù)警研究[2，6-7]，但海洋環(huán)境要素影響的動態(tài)性和復(fù)雜性，使得實(shí)時獲取精確應(yīng)力信息的難度加大，現(xiàn)有研究多局限于理論分析和模擬仿真層面，難以付諸實(shí)際工程應(yīng)用。鑒于錨鏈所受應(yīng)力變化將外化為其振動頻率等的變化[8-9]，本文擬開展錨鏈振動特征的檢測實(shí)驗(yàn)，并探究其與艦船走錨的關(guān)系，以期用于錨泊安全狀態(tài)監(jiān)測。

1 實(shí)驗(yàn)原理

錨鏈兩端分別連接著錨和船體，按其狀態(tài)通?？煞譃殇伒锥魏蛻益湺蝺刹糠?。鋪底段是指直接鋪放在海底與錨連接的錨鏈，其摩擦力和錨抓力共同提供了艦船錨泊力[10]。懸鏈段是指懸垂于海水中的錨鏈，艦船所受外力作用于其頂端，在風(fēng)浪流等海洋環(huán)境要素的作用下，其所受應(yīng)力呈現(xiàn)動態(tài)變化[11]。懸鏈段與鋪底段的分界點(diǎn)將隨艦船所受外力、錨鏈渦激升力、水深和海流流速等的改變而改變。

艦船正常錨泊時，懸鏈段通常呈自然懸垂?fàn)顟B(tài)，其振動主要因海流的渦激升力而產(chǎn)生。當(dāng)艦船所受外力增大時，懸鏈段所受應(yīng)力隨之增大因而不斷張緊，可能將鋪底段前端拉起而成為懸鏈段的一部分，進(jìn)而引起鋪底段應(yīng)力的相應(yīng)變化。當(dāng)鋪底段長度減小為零時，整個錨鏈被神直呈現(xiàn)繃緊狀態(tài)并伴隨劇烈抖動，此時將發(fā)生跳錨、拖錨、走錨等現(xiàn)象。這一演變過程中，錨鏈因所受應(yīng)力變化而呈現(xiàn)出從自然懸垂→拉伸抻直→繃緊抖動的狀態(tài)變化，本文擬借助技術(shù)手段檢測錨鏈的振動頻率和幅值變化，進(jìn)而探究錨鏈振動特征與艦船錨泊狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

為開展錨鏈振動特征檢測實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作了原理性實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括模擬錨泊環(huán)境、實(shí)驗(yàn)船模及模擬錨設(shè)備、振動特征檢測裝置三部分。

2.1 模擬錨泊環(huán)境

模擬錨泊環(huán)境由錨泊水域、模擬流場和模擬風(fēng)場三部分構(gòu)成。

錨泊水域采用6.0m×0.4m×0.5m的循環(huán)水池構(gòu)成，在其底部沉入2.5m×0.36m×0.1m的鐵皮槽，用于盛裝泥沙等來模擬錨地底質(zhì)。

模擬流場由定向流場和湍流場混合而成。定向流場借由循環(huán)水池的自身功能獲得，即通過調(diào)節(jié)水池進(jìn)水和出水速度以獲得不同的流速。湍流場借由水池內(nèi)適當(dāng)位置安放的潛水泵形成，其與定向流場相混合，模擬出較為接近實(shí)際海況的流場。

模擬風(fēng)場時，將電風(fēng)扇置于循環(huán)水池附近的合適高度，以提供風(fēng)速恒定風(fēng)向規(guī)律變化的風(fēng)場，同時配合使用1600r/min的大功率電吹風(fēng)形成特定風(fēng)向的瞬時強(qiáng)風(fēng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)船模及模擬錨設(shè)備

實(shí)驗(yàn)船模及模擬錨設(shè)備的選取需要考慮錨的類型、船模尺度縮比、船重：一錨重比、錨重一鏈重比等因素的影響。

目前艦船配置的錨主要有霍爾錨、斯貝克錨、AC-14錨等類型。鑒于霍爾錨抓重比相對較小、工藝簡單、結(jié)構(gòu)合理等特點(diǎn)，定制了兩個分別重100g和40g的模型用于實(shí)驗(yàn)。

限于水池條件等，實(shí)驗(yàn)船模難以同時滿足船模尺度縮比和船重、錨重、鏈重之間的比例關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，選取縮比為1：115的遙控驅(qū)逐艦?zāi)Ｗ鳛榇?，并通過加載配重來調(diào)整船重。根據(jù)水池的深度，確定了統(tǒng)一的錨鏈長度，通過選用不同材質(zhì)來改變錨鏈質(zhì)量，并配合不同質(zhì)量的霍爾錨模型，以探究船重一錨重比對艦船走錨的影響。同時，考慮到船模受風(fēng)面積較小，在船模前部加裝擋風(fēng)板增大其受風(fēng)面積，以實(shí)現(xiàn)走錨的模擬。

2.3 振動特征檢測裝置

振動特征檢測裝置主要包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器模塊、單片機(jī)模塊和LCD顯示屏三部分組成。傳感器模塊的主要部件是ADXL345B三軸加速度傳感器[12]，經(jīng)防水處理后安裝于懸鏈段頂端，用于實(shí)時采集X、Y、Z3個軸的運(yùn)動加速度。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過I²C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳給單片機(jī)模塊，再由單片機(jī)控制LCD顯示數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成串口信號無線發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。為減小傳感器自身質(zhì)量對錨鏈振動特征的影響，對傳感器數(shù)據(jù)線做了延伸加長處理，使測量芯片相對獨(dú)立于傳感器模塊直接與錨鏈接觸。

數(shù)據(jù)處理模塊主要包括USB轉(zhuǎn)換模塊、上位機(jī)程序和輸出裝置。實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)通過專用的USB轉(zhuǎn)換模塊輸入上位機(jī)，利用Matlab編制的專用程序可對三軸振動加速度進(jìn)行耦合等處理，從而輸出錨鏈振動特征曲線圖形。

此外，還設(shè)置圖像采集系統(tǒng)：一部攝像機(jī)用于全程拍攝艦船從正常錨泊到走錨的狀態(tài)變化，一個鏡頭用于專門監(jiān)測錨的位置變化等情況，以配合后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

3 檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中模擬了泥沙底和砂礫底兩種常見錨地底質(zhì)。按照船重與錨重的比例關(guān)系，實(shí)驗(yàn)船模設(shè)置兩組：裸船模（1360g）配合小霍爾錨（40g）模型、配重船模（1760g）配合大霍爾錨（100g）模型。限于水深條件，錨鏈長度確定為2.3m，與40g錨匹配的錨鏈質(zhì)量分別為70g、105g、155g，與100g錨匹配的錨鏈質(zhì)量分別為155g、325g、475g。

為探究底質(zhì)、船重、鏈重等因素對艦船錨泊安全的影響，按底質(zhì)和實(shí)驗(yàn)船模的不同組合為4個實(shí)驗(yàn)系列，每個系列又因錨鏈質(zhì)量不同分為3組。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行，直至有效數(shù)據(jù)達(dá)到10次。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為方便分析錨鏈振動特征與走錨的關(guān)系，對各組數(shù)據(jù)取平均值，獲得以下參數(shù)：正常錨泊狀態(tài)下的平均耦合加速度和平均頻率、走錨過程中的頻率特征變化極值和頻率平均極值、正常錨泊與走錨時的頻率差等，具體結(jié)果如表1～表4所示，由表1～表4的數(shù)據(jù)計(jì)算對應(yīng)工況下的泥沙底與砂礫底的突變頻率平均極值之比，并分別求取裸船模和配重船模兩種實(shí)驗(yàn)條件下的平均值，可知泥沙底的突變頻率平均極值為砂礫底的1.1～1.4倍。

4 分析與討論

4.1 總體規(guī)律

根據(jù)某組實(shí)驗(yàn)的耦合加速度與振動頻率，繪制了圖1，其橫坐標(biāo)為時間（s），縱坐標(biāo)分別為耦合加速度（m/s²）和頻率（Hz）。由圖1可知，該組實(shí)驗(yàn)共發(fā)生了四次加速度和振動頻率的顯著變化，且二者有高度一致的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合實(shí)驗(yàn)時采集的視頻資料分析發(fā)現(xiàn)：前兩次顯著變化發(fā)生在錨鏈繃緊狀態(tài)時，第三次顯著變化時錨發(fā)生了微小位移但并未走錨，第四次顯著變化對應(yīng)著錨翻出底土，此后船模進(jìn)入走錨漂移階段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從正常錨泊狀態(tài)到走錨的過程中，錨鏈的振動加速度和振動頻率在特定狀態(tài)下會發(fā)生顯著變化，初步驗(yàn)證了基于錨鏈振動特征監(jiān)測艦船錨泊安全狀態(tài)這一技術(shù)思想的可行性。

4.2 底質(zhì)的影響

選取裸船模～40g錨～105g鏈組合，比對砂礫底和泥沙底兩種底質(zhì)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由表5可知：各項(xiàng)數(shù)據(jù)值均表現(xiàn)為泥沙底大于砂礫底。泥沙底時，正常錨泊平均頻率為0.2799Hz，走錨頻率平均極值是其1.62倍;砂礫底時，正常錨泊平均頻率0.2123Hz，走錨頻率平均極值是其1.34倍。其主要原因在于泥沙底提供的錨抓力和鏈摩擦力均大于砂礫底，從而構(gòu)成相對較大的錨泊力，相應(yīng)地要打破這種平衡狀態(tài)就需要相對較大的懸垂段錨鏈應(yīng)力，由此引起的平均振動頻率及走錨頻率極值也隨之相應(yīng)增大。

由圖2、圖3可知：砂礫底錨泊的艦船更易發(fā)生走錨。相對于砂礫底而言，泥沙底錨泊的艦船從正常錨泊到走錨狀態(tài)持續(xù)的時間更長，走錨之前錨鏈的繃緊次數(shù)較多，振動頻率極值較大。

4.3 船重～錨重比的影響

為分析船重一錨重比的影響，選取泥沙底～155g鏈條件下的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對：一組為配重船?！?00g錨，一組為裸船?！?0g錨，相應(yīng)地分別稱之為大船、小船。

由表6可知：大船的各項(xiàng)數(shù)據(jù)值均大于小船。其主要原因在于：艦船的錨重通常依其與船重的比例配置，大船配置的錨重必然大于小船，相同錨泊情況下其提供的錨泊力相對較大，打破平衡狀態(tài)所需的錨鏈應(yīng)力也相對較大。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無論大船還是小船，走錨頻率平均極值與正常錨泊平均頻率之比均為1.73，若以此值作為走錨預(yù)警的閾值，后續(xù)研究可忽略船型的影響。

由圖4、圖5可知，相同錨泊環(huán)境下小船更易走錨。小船從正常錨泊到走錨狀態(tài)持續(xù)的時間較短，錨鏈繃緊次數(shù)較少。值得注意的是，此組實(shí)驗(yàn)中大、小船的錨重～鏈重比分別為1.55和3.875，即大船組合配置的是最輕錨鏈，而小船組合配置的是最重錨鏈，仍然出現(xiàn)了小船更易走錨的現(xiàn)象。

4.4 鏈重的影響

為分析鏈重對錨鏈振動頻率和走錨的影響，選取配重船?！?00g錨～砂礫底組合，分析比對155g、325g、475g3種不同鏈重時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由圖6～圖8可知，鏈重對錨鏈振動頻率有顯著影響，隨著鏈重的增加，錨鏈振動平均頻率和頻率平均極值均隨之增大[13]。進(jìn)一步觀察圖6一圖g可知，隨著鏈重的增加，艦船從正常錨泊演變到走錨狀態(tài)持續(xù)的時間越長，錨鏈振動頻率發(fā)生顯著變化的次數(shù)也越多。采用155g錨鏈時，錨鏈振動頻率顯著變化3次即進(jìn)入走錨漂不刻犬態(tài)，持續(xù)時間不到40s。采用325g錨鏈時，錨鏈振動頻率第5次顯著變化后錨翻出底土并發(fā)生位移，第6次顯著變化后進(jìn)入走錨漂移狀態(tài)，持續(xù)時間近60s。采用475g錨鏈時，錨鏈振動頻率第g次顯著變化時，錨才翻出底土發(fā)生位移，此后繼續(xù)受強(qiáng)風(fēng)影響發(fā)生拖錨，150s后艦船仍未達(dá)到走錨漂移狀態(tài)。其主要原因在于：鏈重增大時其鋪底段提供的摩擦力較大，錨泊力也相應(yīng)隨之增大，因而增加了走錨的難度。

5 結(jié)束語

本文采用專門設(shè)計(jì)的原理性實(shí)驗(yàn)裝置，模擬了艦船由正常錨泊過渡到走錨狀態(tài)的整個過程并全程檢測了錨鏈的振動特征。通過改變底質(zhì)、船重一錨重比、鏈重等實(shí)驗(yàn)條件，研究了各因素對走錨及錨鏈振動頻率的影響。結(jié)果表明：艦船由正常錨泊到走錨狀態(tài)的演變過程中，錨鏈振動頻率會發(fā)生若干次顯著變化，且與錨鏈的繃緊、翻出底土、走錨等狀態(tài)變化相對應(yīng)。錨地底質(zhì)、船重、鏈重等對艦船錨泊安全均有影響。相同錨泊環(huán)境下，泥沙底比砂礫底更為安全，艦船錨重越大越難走錨，錨鏈越重也越難走錨，且難于走錨情況下的錨鏈振動頻率幅值通常大于易于走錨的情況，但并未發(fā)現(xiàn)數(shù)值上的明顯規(guī)律。后續(xù)將從原理上深入分析錨鏈振動頻率變化的深層原因，并進(jìn)一步確定走錨預(yù)警的閾值，以期通過錨鏈振動特征實(shí)現(xiàn)艦船錨泊安全狀態(tài)監(jiān)測和走錨預(yù)警。

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（編輯：徐柳）