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      氣墊船壓力測試規(guī)程

      2019-12-03 13:50:36孫宏坤
      船舶與海洋工程 2019年3期
      關(guān)鍵詞:氣墊船氣墊氣囊

      袁 超,孫宏坤

      (海軍駐廣州地區(qū)代表室,廣東 廣州 510260)

      0 引 言

      全墊升氣墊船的氣墊壓力是其穩(wěn)定性的重要特性參數(shù)之一,直接關(guān)系到氣墊船的墊升狀態(tài)和整個(gè)船體的姿態(tài),因此對(duì)氣墊船的氣墊壓力分布特性進(jìn)行分析尤為重要。氣囊和氣道壓力關(guān)系到船舶航行時(shí)氣墊圍裙的剛度,只有當(dāng)氣墊與氣囊壓力成一定比例時(shí),氣墊船才能穩(wěn)定、高速地航行。由于質(zhì)量的限制,目前氣墊船并未安裝壓力監(jiān)測系統(tǒng)。為檢驗(yàn)氣墊船是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,需在陸地上或水中進(jìn)行氣墊、氣囊和氣道壓力測試。這些數(shù)據(jù)可反映氣墊船氣墊或氣囊內(nèi)的壓力分布情況,為氣墊船設(shè)計(jì)提供重要的參考。

      目前針對(duì)氣墊船壓力進(jìn)行的實(shí)船測試相對(duì)較少,且缺乏相關(guān)依據(jù)[1-2]。鑒于此,基于對(duì)氣墊船的設(shè)計(jì)、建造和使用單位的廣泛調(diào)研,結(jié)合實(shí)際測試任務(wù),本文對(duì)測試條件、測試系統(tǒng)和測試流程等方面的基本要求進(jìn)行探討?;谶@些要求,某氣墊船在不同裝載狀態(tài)和墊升工況下的氣墊、氣道和氣囊壓力測試得以順利完成。

      1 測試條件

      1.1 測試場地

      氣墊船氣墊、氣囊和氣道壓力測試可在陸地上和水中進(jìn)行。試驗(yàn)前需在試驗(yàn)場地的四角處預(yù)設(shè)系留塔,并根據(jù)氣墊船的質(zhì)量預(yù)估墊升后氣墊船的漂移力,確保墊升過程安全可靠。

      此外,需清除試驗(yàn)場地內(nèi)的雜物,并確保場地內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)施可靠固定,試驗(yàn)時(shí)禁止與試驗(yàn)無關(guān)的人員在場地內(nèi)活動(dòng)。在水中測試時(shí),應(yīng)清理水面的漂浮物,并使氣墊船離岸距離不小于船寬的 1倍;在陸地上測試時(shí),應(yīng)保持場地平整,且不能有石子、螺母、螺栓和鉚釘?shù)入s物。

      1.2 環(huán)境條件

      測試盡量在晴朗的天氣條件下進(jìn)行。在陸地上測試時(shí),風(fēng)速應(yīng)在4級(jí)以下;在水中測試時(shí),風(fēng)速應(yīng)在4級(jí)以下,海況應(yīng)在2級(jí)以下。

      1.3 氣墊船狀態(tài)

      氣墊船的排水量誤差不超過±2%,墊態(tài)初始橫傾角小于0.2°,墊態(tài)初始縱傾角處于艉傾0°~0.3°之間。船上的各系統(tǒng)和設(shè)備工作正常,船上無雜物,所有活動(dòng)物體都可靠固定。

      1.4 測試工況

      一般應(yīng)至少對(duì)氣墊船進(jìn)行滿載狀態(tài)下的壓力測試,若對(duì)其進(jìn)行其他裝載狀態(tài)下的測試,應(yīng)在試驗(yàn)大綱中給出。

      測試需根據(jù)氣墊船的墊升工況進(jìn)行。若有不同的墊升工況,宜從低墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐級(jí)提高到高墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)在條件允許的情況下再從高墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐級(jí)降低至低墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以校核相同墊升狀態(tài)下各測點(diǎn)處的壓力值。

      2 測試系統(tǒng)

      2.1 壓力測試特點(diǎn)

      氣墊船的氣囊是一個(gè)相對(duì)封閉的艙體,內(nèi)部是流動(dòng)的氣場,檢測艙體內(nèi)的氣墊壓力和氣囊壓力比較困難,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

      1) 測試環(huán)境相對(duì)封閉,設(shè)備不易安裝;

      2) 氣囊內(nèi)是流動(dòng)的氣場,空氣中飄浮著沙塵,對(duì)檢測設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求較高;

      3) 氣囊相對(duì)封閉,環(huán)境惡劣,數(shù)據(jù)的可靠性傳輸是關(guān)鍵;

      4) 氣墊船的測點(diǎn)位置很多,需采用分布式測試方法才能完成氣墊船壓力測試,若采用無線傳感器形式,則需考慮采集終端的布置。

      2.2 系統(tǒng)組成

      開展氣墊、氣囊和氣道壓力測試非常困難,且布點(diǎn)要求很多。為方便測試,對(duì)測試系統(tǒng)采用無線和有線2種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。測試系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)制器、數(shù)據(jù)采集器裝置和計(jì)算機(jī)組成(見圖 1)。壓力傳感器用于拾取前端壓力信號(hào),通過無線或有線壓力采集裝置進(jìn)行信號(hào)采集和調(diào)制,并將其傳送給計(jì)算機(jī)。

      氣墊船壓力測試可采用有線數(shù)據(jù)與無線數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn),其中:無線壓力測試是借助無線壓力傳感器節(jié)點(diǎn)[3-4],后者集成了壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集電路和無線通信模塊,節(jié)點(diǎn)可靈活地布置在任意測點(diǎn);氣墊壓力可采用有線的方式進(jìn)行。

      根據(jù)試驗(yàn)要求,對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào),按照壓力傳感器檢定規(guī)程對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,記錄好每個(gè)通道的標(biāo)定系數(shù);壓力試驗(yàn)在靜態(tài)條件下進(jìn)行,保證數(shù)據(jù)采集頻率不低于 20Hz;壓力傳感器系統(tǒng)和無線壓力傳感器節(jié)點(diǎn)的非線性度優(yōu)于0.5級(jí);壓力傳感器系統(tǒng)和無線壓力傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)定日期應(yīng)在有效期內(nèi),且有備件,以保障現(xiàn)場測量所需。

      2.3 傳感器及其布置

      常用的壓力敏感元件主要有壓阻式和壓電式2種,其中:壓阻式敏感元件通常用于量程較小的情況;壓電式敏感元件主要用于動(dòng)態(tài)頻響要求非常高的情況,如爆炸、沖擊等。綜合各方面因素,建議采用壓阻式敏感元件[5]。壓阻式傳感器的生產(chǎn)廠家主要有國外的Kulite公司和國內(nèi)的昆山雙橋傳感器有限公司,建議選擇量程合適的壓力傳感器,以滿足壓力測試的要求。壓力傳感器的尺寸應(yīng)盡量小,并保證易布置,以不影響流場為宜。壓力傳感器的最大有效量程應(yīng)不小于測點(diǎn)理論壓力值的3~5倍。

      根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求,在測點(diǎn)布置傳感器或無線壓力傳感器節(jié)點(diǎn),記錄其實(shí)際布放位置,并標(biāo)記信號(hào)采集通道;同時(shí),根據(jù)實(shí)際布置情況確定無線/有線數(shù)據(jù)采集器的布放位置。在布置壓力測點(diǎn)時(shí),需考慮以下因素:

      1) 氣墊壓力傳感器應(yīng)布置在遠(yuǎn)離手指泄流三角區(qū)的區(qū)域,不能受到泄流的影響;

      2) 氣囊中壓力傳感器的布置應(yīng)考慮氣囊在未充氣情況下的狀態(tài),避免損壞傳感器;

      3) 各測點(diǎn)處的傳感器應(yīng)合理布置,避免采入動(dòng)壓,避開該測點(diǎn)處氣流的主方向;

      4) 采用金屬扎帶和抱箍等設(shè)備對(duì)傳感器和采集裝置進(jìn)行安裝與固定,并用扎帶固定導(dǎo)線,確保固定的可靠性,以免發(fā)生意外事故,尤其應(yīng)避免損壞船體和圍裙。

      2.4 數(shù)據(jù)采集處理

      由于壓力傳感器輸出信號(hào)一般為毫伏級(jí),因此需對(duì)其進(jìn)行調(diào)制、放大。試驗(yàn)時(shí),壓力傳感器的布置位置會(huì)較多,建議采用分布式測試系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,即將部分測點(diǎn)集中到采集裝置,通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

      常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為無線傳感器節(jié)點(diǎn)和有線多通道采集裝置等??紤]到布線工作量很大,可采用無線與有線相結(jié)合的方式進(jìn)行。對(duì)于水中的氣墊壓力測試,需考慮氣墊的防水性,若是海水,還應(yīng)考慮氣墊的防腐蝕,建議以有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行。

      對(duì)于氣道和氣囊壓力測試,由于測點(diǎn)不在水中,可采用無線壓力傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行,從而大大減少工作量,同時(shí)降低氣墊船壓力場受到的影響。在選用無線壓力傳感器時(shí),應(yīng)考慮無線信號(hào)的屏蔽問題,且不能干擾船上通信導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作。

      采用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到不同工作狀態(tài)下各測點(diǎn)處壓力的特征值,如平均值、最大值、最小值和方差。對(duì)于相同測點(diǎn)位置,應(yīng)提供對(duì)應(yīng)位置處氣囊與氣墊平均壓力的比值,以及試驗(yàn)大綱規(guī)定的測點(diǎn)位置處的壓力類型(氣墊、氣囊或氣道)和各特征值。此外,對(duì)于各測點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù),應(yīng)提供不少于5min的有效時(shí)歷曲線。

      3 測試流程

      通過與設(shè)計(jì)方、試驗(yàn)方和使用單位充分溝通,確定測試流程見圖2。

      3.1 測試準(zhǔn)備

      根據(jù)試驗(yàn)要求,對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào),并對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,記錄好各通道的標(biāo)定系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求,在測點(diǎn)布置傳感器,根據(jù)傳感器布置情況確定數(shù)據(jù)采集器的布置位置,用金屬扎帶和抱箍等設(shè)備對(duì)傳感器和采集器進(jìn)行安裝和固定,并用扎帶固定導(dǎo)線。對(duì)于氣道壓力測試,只需根據(jù)測點(diǎn)要求布置無線傳感器節(jié)點(diǎn)即可。此外,為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行,應(yīng)準(zhǔn)備以下輔助材料。

      1) 固定裝置:扎帶、膠帶、抱箍和膠水等。

      2) 安裝夾具:壓力傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集裝置專用夾具或工裝。

      3) 線:通氣管和導(dǎo)線等。

      4) UPS電源:為測試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

      試驗(yàn)之前,應(yīng)由設(shè)計(jì)方、試驗(yàn)方和試驗(yàn)主管單位一起制訂詳細(xì)的壓力測試流程和測試工況表格,并對(duì)其進(jìn)行編號(hào),與試驗(yàn)指揮人員確定合適的溝通方式。試驗(yàn)期間,由試驗(yàn)指揮人員發(fā)出壓力測試工況、測試開始時(shí)間和測試結(jié)束時(shí)間指令,并及時(shí)將試驗(yàn)情況反饋給試驗(yàn)指揮人員,確保測試有序進(jìn)行;同時(shí),詳細(xì)記錄試驗(yàn)船的狀態(tài),包括排水量和墊升之后的縱傾角、橫傾角、墊升工況、墊升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。此外,還需記錄氣溫和氣壓等數(shù)據(jù)。

      3.2 測試過程

      氣墊船壓力試驗(yàn)可在陸地上或水中進(jìn)行,記錄內(nèi)容相同,測試過程如下。

      1) 現(xiàn)場確認(rèn)和船舶系留:試驗(yàn)開始前確認(rèn)現(xiàn)場已清理干凈,并用系留繩將船上的帶纜樁與系留塔連接,防止氣墊船墊升之后飄移過大;每根系留繩的拉力以不影響氣墊船的狀態(tài)為宜。

      2) 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和標(biāo)定:試驗(yàn)開始前安裝并固定所有的傳感器、采集裝置和導(dǎo)線,進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和標(biāo)定。

      3) 傳感器/節(jié)點(diǎn)采零:打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件,記錄各傳感器零點(diǎn);采集從氣墊船開始?jí)|升,直至給定的墊升狀態(tài)。

      4) 試驗(yàn)測試:墊升狀態(tài)穩(wěn)定之后,記錄氣墊船的信息(如排水量、縱傾角和橫傾角等)。試驗(yàn)期間每個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)定墊升時(shí)間不少于 5min,若有多個(gè)墊升工況,建議從低到高依次進(jìn)行。若時(shí)間允許,從高到低再進(jìn)行一次。

      5) 數(shù)據(jù)確認(rèn):每個(gè)試驗(yàn)工況完成之后,對(duì)該工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,確認(rèn)數(shù)據(jù)的可靠性。若有問題,需及時(shí)與有關(guān)方面進(jìn)行溝通并加以解決。

      6) 零點(diǎn)確認(rèn):試驗(yàn)結(jié)束之后,當(dāng)墊升風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí),各傳感器再次進(jìn)行采零,以校核系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

      試驗(yàn)結(jié)束之后,對(duì)傳感器和采集裝置進(jìn)行拆除,以確保被測對(duì)象的功能和外觀不受影響,同時(shí)對(duì)供電和工具進(jìn)行整理并恢復(fù)現(xiàn)場。

      4 結(jié) 語

      氣墊壓力是全墊升氣墊船穩(wěn)定性的重要特性參數(shù)之一,直接關(guān)系到氣墊船的墊升狀態(tài)和姿態(tài);同時(shí),氣囊和氣道壓力關(guān)系到圍裙剛度和氣墊的成型形狀。因此,對(duì)氣墊、氣囊和氣道壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測試非常重要。本文對(duì)氣墊船壓力測試的規(guī)程進(jìn)行了探討,提出了測試條件、測試系統(tǒng)和測試流程等方面的基本要求。基于本文提出的要求,監(jiān)督、指導(dǎo)船廠順利開展了某氣墊船的氣墊、氣囊和氣道壓力測試,實(shí)際測試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)驗(yàn)證的要求。本文的研究對(duì)氣墊船壓力測試規(guī)范的制定有一定的參考價(jià)值。

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