龐景昊 趙曼莉 潘俊宇

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

氣墊船刮水器的選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)

龐景昊 趙曼莉 潘俊宇

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

氣墊船在航行以及登灘、退灘過程中，長期處于水霧、泥沙等惡劣環(huán)境中。為確保駕駛員良好的操控視野，刮水器已成為船上必不可少的設(shè)備，其工作可靠性也將直接影響航行的安全性。文章通過對(duì)氣墊船刮水器使用情況的分析研究，結(jié)合長期實(shí)船使用經(jīng)驗(yàn)，梳理出刮水器在選型時(shí)需注意的事項(xiàng)，并根據(jù)氣墊船刮水器特殊的使用環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足在多變環(huán)境下的使用需求。

氣墊船；刮水器；使用環(huán)境；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

氣墊船作為一種高性能船舶，由于其特殊性，在墊升、航行過程中長期處于水霧之中，因此，刮水器是氣墊船上非常重要的助航設(shè)備，直接影響航行安全。氣墊船設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)船型、使用環(huán)境等因素對(duì)刮水器進(jìn)行選型，并對(duì)相關(guān)部件及功能進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化改進(jìn)，從而滿足氣墊船特殊的使用環(huán)境，提高其工作可靠性。

1 船用刮水器分類

船用刮水器根據(jù)刮掃形式可分為平移式刮水器和扇形刮水器。平移式刮水器通常以調(diào)速電機(jī)作為動(dòng)力源，以鋁合金殼體為軌道，帶動(dòng)刮桿下端的橡膠刮片，在舷窗上作平移刮拭。扇形刮水器則以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源，通過減速機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刮桿在舷窗上作左右刮拭。通常，在設(shè)計(jì)選型時(shí)根據(jù)使用環(huán)境及使用需求的不同，選擇相應(yīng)形式的刮水器。兩種刮水器的對(duì)比分析見表1。

表1 兩種刮水器的對(duì)比分析

2 氣墊船對(duì)刮水器的特殊要求

2.1 刮水器的選型

氣墊船由于其高速性的特點(diǎn)，通常要求刮水器能在更大范圍內(nèi)有效清除玻璃上的水漬及泥沙。因此，除部分小型氣墊船會(huì)因前擋風(fēng)玻璃為圓弧形或刮水器安裝空間有限而選用扇形刮水器，大部分氣墊船通常以平移式刮水器為主。此類刮水器不僅可有效增大駕駛員的視野范圍，還可提高航行安全性。

2.2 刮水器在氣墊船上的使用環(huán)境

在氣墊船墊升和越峰前后，擋風(fēng)玻璃上主要是由墊升風(fēng)機(jī)向圍裙內(nèi)充氣所引起的大量水霧，從而使整個(gè)船體幾乎處在水霧的包圍之中。此時(shí)，需要刮水器能持續(xù)快速有效地刮拭，且刮拭面積越大越好，以便駕駛員能清晰觀察前方海面情況。

越峰后進(jìn)入航行狀態(tài)，隨著航速提升，水霧基本都在船側(cè)及船后，擋風(fēng)玻璃上主要是海水飛濺，且海浪飛濺程度隨海況提升而增大。在低海況時(shí)海水飛濺較少，刮水器經(jīng)常處于干刮狀態(tài)，在高海況時(shí)海水飛濺相對(duì)較多，但也是處于干刮與濕刮相間的狀態(tài)。干刮時(shí)的摩擦力較濕刮要大很多，此時(shí)，刮水器電機(jī)需具備一定的過載能力，以免因電機(jī)堵轉(zhuǎn)而燒壞。

在登灘或退灘時(shí)，周圍環(huán)境已從水霧、海浪變?yōu)槟嗌?，需結(jié)合噴水裝置進(jìn)行刮拭。由于氣墊船受重量限制，噴水裝置水箱容量較小，通常為間斷性噴水；因此刮水器經(jīng)常處于干刮狀態(tài)，且泥沙具有一定的附著性，不僅要求刮水器電機(jī)需要有較強(qiáng)的過載能力，而且還要有較強(qiáng)的刮拭能力。

刮水器在氣墊船各種工況下的工作情況見表2。

表2 氣墊船各工況下刮水器的工作情況

3 影響刮水器效果的主要因素

3.1 刮條與玻璃的貼合度

刮條與玻璃的貼合度主要與玻璃的平整度及刮條的磨損度有關(guān)。在刮條無嚴(yán)重磨損的情況下，玻璃是否平整會(huì)直接影響刮拭效果，因此，選用擋風(fēng)玻璃時(shí)，需對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。另外，由于氣墊船上的刮水器存在干刮及刮拭大量泥沙的情況，對(duì)刮條會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大磨損，從而難以達(dá)到預(yù)期的刮拭效果。

3.2 電機(jī)極限轉(zhuǎn)矩

為達(dá)到更好的刮拭效果，調(diào)試時(shí)通常會(huì)使刮條與玻璃貼合更為緊密。然而，在干刮及刮拭泥沙時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其摩擦阻力較大，且氣墊船有較長時(shí)間處于干刮及刮拭泥沙的狀態(tài)。因此，刮水器電機(jī)的極限轉(zhuǎn)矩直接關(guān)系到氣墊船在航行及登灘、退灘時(shí)的刮拭效果。

4 刮水器的選用、優(yōu)化及注意事項(xiàng)

4.1 滑軌形式的選擇

部分平移式刮水器的滑軌為凹形，見圖1。

該種形式的滑軌在氣墊船登灘或退灘時(shí)易在滑軌內(nèi)積存泥沙，從而增大刮拭阻力，容易燒壞電機(jī)。根據(jù)氣墊船的特殊使用環(huán)境，建議選用凸形滑軌（見圖2）。由于泥沙無法在凸形滑軌內(nèi)積聚，因而可大大改善刮桿滑動(dòng)時(shí)的順暢度。

4.2 增大電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩

最大轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)所能提供的極限轉(zhuǎn)矩，其值越大，表示電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力越強(qiáng)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＞最大轉(zhuǎn)矩Tm，電動(dòng)機(jī)會(huì)難以承載而停轉(zhuǎn)［1］。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩公式［2］

式中：Tm為最大轉(zhuǎn)矩，N·m；m1為定子繞組相數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；U1為電源電壓，V；f1為定子繞組頻率，Hz；R1為定子繞組電阻，Ω；X1為定子繞組漏電抗，Ω；為轉(zhuǎn)子繞組漏電抗歸算值，Ω。

當(dāng)電源電壓和頻率一定時(shí)，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中增大定子導(dǎo)線截面，可減小定子電阻R1，使最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大，從而提高刮水器在泥沙等惡劣環(huán)境下的適用性。通常，刮水器三相異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（Tm/TN）為1.8～2.2，TN為額定轉(zhuǎn)矩。某型刮水器通過減小定子電阻后經(jīng)計(jì)算，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達(dá)4.8，有效提高了刮水器的過載能力。

4.3 自動(dòng)刮拭功能

通過將汽車上使用的雨量傳感器融入到船舶領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)刮水器自動(dòng)刮拭功能。雨量傳感器檢測玻璃表面水霧的方法采用電容式和紅外散射式兩種［3］，現(xiàn)在使用較多的是紅外散射式。紅外發(fā)射管所發(fā)出經(jīng)調(diào)制的紅外光以一定角度入射到玻璃上，紅外接收管通過濾光片接收到從玻璃反射回來的紅外光［4］。其工作原理如圖3所示。

玻璃上無水時(shí)，發(fā)出的紅外線被玻璃全反射，接收到強(qiáng)度恒定的紅外信號(hào)；玻璃上有水時(shí)，水滴使紅外線產(chǎn)生散射，從玻璃反射回紅外接收管的紅外線強(qiáng)度變?nèi)醪l(fā)出信號(hào)，使刮水器工作。

氣墊船在高速航行過程中，操船人員無法頻繁操作刮水器的啟停，通過增設(shè)雨量傳感器來實(shí)現(xiàn)刮水器的自動(dòng)刮拭功能。在刮水器控制面板上設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)切換旋鈕。當(dāng)旋鈕切換至自動(dòng)時(shí)，一旦探測到玻璃上有水時(shí)自動(dòng)接通刮水器工作線路，無水時(shí)自動(dòng)斷開工作線路。這樣可盡量避免刮水器在航行過程中的干刮現(xiàn)象，對(duì)刮條和電動(dòng)機(jī)等起到保護(hù)作用，延長其使用壽命。圖4為刮水器系統(tǒng)圖。

4.4 備品備件配置及維護(hù)

為氣墊船刮水器配置備品備件時(shí)，刮條需作為易損件盡可能多配置一些。在使用維護(hù)說明中需強(qiáng)調(diào)每次返航后，應(yīng)及時(shí)檢查刮水器刮條的磨損情況，對(duì)磨損較為嚴(yán)重的刮條進(jìn)行及時(shí)更換，確保不影響下次航行時(shí)使用。

船員需及時(shí)用淡水對(duì)刮水器滑軌內(nèi)殘留的泥沙、沙石進(jìn)行沖洗，以免凝積成塊影響正常使用。由于氣墊船使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生高水霧，因此需定期對(duì)刮水器外露設(shè)備進(jìn)行水密性及絕緣檢查，以免設(shè)備進(jìn)水導(dǎo)致電氣元部件短路影響正常使用。

5 結(jié) 論

由于氣墊船的使用環(huán)境較為特殊，為保證航行安全，刮水器等助航設(shè)備的使用要求更高?，F(xiàn)階段通過不斷優(yōu)化改進(jìn)以及選型時(shí)注重更多細(xì)節(jié)，使刮水器能更好地適應(yīng)氣墊船的使用環(huán)境。相信隨著使用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及高新科技的使用，氣墊船刮水器將會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。

［1］鄭華耀. 船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)［M］. 第1版. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2005.

［2］李發(fā)海，朱東起. 電機(jī)學(xué)［M］. 第3版. 北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］郭劍鷹. 車用雨量傳感器應(yīng)用［J］. 汽車電器，2008（11）：27-28.

［4］王偉國，姚駿，史驥. 汽車紅外雨量傳感器的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2011（1）：65-67.

Selection and optimization design of wiper on hovercraft

PANG Jing-hao ZHAO Man-li PAN Jun-yu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Hovercraft is often in spray, sediment and other harsh environment for a long time during the process of navigation, landing and o ff shoring. To ensure a good view of the driver, a wiper becomes an indispensable equipment, whose reliability directly affects the navigation safety. This paper analyzes and researches the application of the wipers on the hovercraft to summarize the notice of the wiper selection combined with the longterm ship application experiences. According to the special application environment of the hovercraft wiper, the design is optimized to meet the requirements in the variable environments.

hovercraft; wiper; application environment; optimization design

U665.26

A

1001-9855（2017）01-0060-04

2016-08-25；

2016-09-03

龐景昊（1986-），男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。趙曼莉（1978-），女，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。潘俊宇（1984-），男，工程師。研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.060