船模阻力试验测量系统在适航水深试验研究中的应用

张瑞波，庞启秀

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

船模阻力试验测量系统在适航水深试验研究中的应用

张瑞波，庞启秀

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

利用适航水深技术首先要确定适航淤泥重度值，主要通过流变试验和船舶试验来确定。在目前尚无实船试验条件的前提下，应用船模阻力试验测量系统测定船模阻力与淤泥重度的关系是一种较为直观的方法。船模阻力试验测量系统由计算机控制船模以不同速度在试验泥样中航行，通过拉压力传感器及多功能数据采集卡采集阻力数据，船模阻力数据可以通过船模阻力换算公式换算为阻力值；系统配有泥样搅拌装置，可将泥样搅拌均匀。通过参数标定，系统的速度控制误差及阻力测量误差均小于1%。通过试验实例说明，船模阻力试验测量系统可以为合理确定适航重度提供可靠依据。

船模阻力试验系统；适航水深；适航淤泥重度；转换公式；参数标定

我国有众多大中型的淤泥质海港，如天津港、连云港、上海港、宁波港、汕头港、广州港、深圳港和台山电厂煤港等，其中一些港口泥沙回淤严重，维护疏浚量大，给港口企业带来较大的经济压力，甚至某些港口在台风或寒潮作用下还会产生骤淤现象，给船舶的正常通航带来困难。淤积物主要由黏性细颗粒泥沙组成，密实缓慢，淤泥重度垂线分布不均匀，由表向下逐渐增大，表层淤泥密度小，导致维护疏浚效率低；另一方面，表层重度较小的淤泥具有类似于水的流动特性，船舶航行与停泊作业过程中，船底龙骨与其接触并不会受到伤害，船舶操作性能也无明显影响，因而可作为水深使用，以增加港口的水深，同时也可避免资源浪费［1］，即适航水深技术。

利用适航水深技术首先需要确定适航淤泥重度值［2］。主要是通过流变试验和船舶试验来确定。但目前尚没有进行实船试验的条件，而应用适航水深船模阻力试验测量系统测定船模在实际淤泥中运动所受阻力的变化状况，是一种较为直观的试验方法，为合理确定适航水深的标准重度提供更可信赖的依据［3］。

图1 船模阻力试验测量系统框图Fig.1 Block diagram of shipmodel resistancemeasurement system

1 系统简介

1.1 系统组成

本适航水深船模阻力试验测量系统安装于交通运输部天津水运工程科学研究所内，专利号：ZL201220612876.8，船模行程10m，船模速度范围10～80 cm/s，阻力量程200 N，它由控制计算机、阻力数据采集模块、测速电机、拖拽小车、导轨滑块系统、船模、泥浆搅拌装置及试验水槽组成，其控制框图及结构示意图分别如图1～图2所示。

图中：1为测速电机，2为后限位块，3为后防撞块，4为拖拽小车，5为前防撞块，6为前限位块，7为前限位传感器，8为导轨，9为滑块，10为后限位传感器，11为船模，12为拉压力传感器，13为泥浆搅拌装置，14为试验水槽，15为试验泥样，16为刚性支架。

1.2控制方式及工作原理［4］

适航水深船模阻力试验测量系统通过计算机控制测速电机以特定的速度运动，电机的运动带动拖拽小车在水槽上的导轨上做直线运动，同时拉动船模在水槽中的泥样中以一定的吃泥深度运动。船模运动过程中，安装在船模上的拉压力传感器会输出电压信号，该电压信号传输回控制计算机，经多功能数据采集卡通过A/D转换后在软件界面上输出船模阻力数据。安装在拖拽小车上的泥浆搅拌装置可以独立控制，功能是根据需要将泥样搅拌均匀。

试验时，船模从起始点开始以一定的速度开始匀速运动，到达前限位传感器时，船模及测速电机停止运动，同时在控制采集软件界面上输出船模阻力、船模速度及时间等数据，此时一次数据采集过程结束；确认船模姿态及系统状态正常后，即可通过控制采集软件使船模返回试验起始点，到达后限位传感器位置时，船模停止运动，等待下一组次试验开始。

1.3 船模阻力换算［5］

用于船模阻力测量的拉压力传感器输出的是电压信号Ut。多功能数据采集卡经A/D转换将传感器的输出信号转换为数字信号并在控制软件界面上输出数值，该数值可通过式（1）换算为船模的阻力值f

式中：f为船模受到泥样的阻力，N；n为控制软件输出数值；ns为传感器器的静态值，即传感器自由状态时控制软件的输出数值；k为转换系数，由式（2）确定

式中：R为传感器的量程，N；212表示采集卡为12位的采集卡；Uc为采集卡的电压范围；Ut为拉压力传感器的输出电压。

图2 船模阻力试验测量系统结构示意图Fig.2 Structure diagram of shipmodel resistancemeasurement system

2 系统参数标定［6］

2.1 船模速度标定

适航水深船模阻力试验测量系统通过直线导轨将测速电机的转速转化为船舶模型的直线速度，需要通过实测船模的运动速度对测速电机的控制信号进行标定。当通过计算机控制软件为直流测速电机输入一恒定的直流电压信号时，测速电机便会以一定的速度匀速转动，从而通过拖拽小车驱动船模以匀速运动，测量出一系列船模的运动速度，便可得出直流电压信号与船模运动速度的关系，从而可方便地控制船舶模型以特定的速度匀速运动。控制软件船模输入速度与实测船模速度的关系如表1所示，可知船模速度控制误差小于1%。

2.2 阻力测量数据标定

适航水深船模阻力试验测量系统将拉力传感器受力时的电压变化转换为船模在试验泥样中运动时受的阻力，试验前需对系统测得的阻力数据进行标定。标定时，人为向拉力传感器施加已知的拉力作为标准拉力，看实测阻力数据与标准拉力是否一致。如表2所示，可知船模阻力测量误差小于1%。

表1 控制软件输入船速与实测船速对照表Tab.1 Comparison table of input velocity andmeasured velocity

表2 实测阻力与标准拉力对照表Tab.2 Comparison table of nominal resistance andmeasured resistance

3 船模阻力测量系统在适航水深试验研究中的应用

3.1 珠海电厂港池及航道适航水深试验研究

2012年2～3月，利用适航水深船模阻力试验测量系统进行了珠海电厂适航水深船模阻力试验［7］。

试验时，在水槽中首先配制某一重度的泥样，并借助泥浆搅拌器进行搅拌，然后对放置在泥样中的船模进行配载，使之达到预定的吃泥深度，再按不同级船速进行试验。当该重度淤泥的试验完成后，再向淤泥中加定量的清水配制成下一级重度的泥样，即试验从大重度淤泥开始，直至清水试验。试验采用从珠海电厂港池及航道内采集的5 t淤泥样品进行试验，配制成8种不同重度淤泥并以8种船模速度进行试验。其中淤泥重度分别为10.94、11.14、11.91、12.24、12.51、12.80、13.26、13.68 kN/m3；船模速度分别为10、20、30、40、55、60、70、80 cm/s；吃泥深度为6.0 cm。

测得船模在不同重度淤泥中以不同船速运行时受到的阻力，并绘制其与重度的关系曲线，如图3所示(本文只给出其中3条曲线)。根据船模阻力与重度的关系曲线可得出珠海电厂港池及航道淤泥的适航重度值介于12.2～12.5 kN/m3。

3.2 连云港30万t级航道适航水深试验研究

2013年8月，利用适航水深船模阻力试验测量系统进行了连云港30万t级航道适航水深船模阻力试验［8］。

试验采用从连云港30万t级航道内采集的5 t淤泥样品进行试验，配制成9种不同重度淤泥并以6种船模速度进行试验。其中淤泥重度分别为11.05、11.53、11.93 12.21、12.50、12.75、13.31、13.80、14.35 kN/m3；船模速度分别为10、20、30、40、55、60 cm/s；吃泥深度为6.0 cm。

测得船模在不同重度淤泥中以不同船速运行时受到的阻力，并绘制其与重度的关系曲线，如图4所示(本文只给出其中3条曲线)。根据船模阻力与重度的关系曲线可得出连云港30万t级航道淤泥的适航重度值介于12.5～12.7 kN/m3。

图3 珠海电厂港池航道船模阻力与淤泥重度的关系Fig.3 Relationship between shipmodel resistance andmud weight⁃specific density in basin and channel of Zhuhai power plant

图4 连云港30万t级航道船模阻力与淤泥重度的关系Fig.4 Relationship between shipmodel resistance andmud weight⁃specific density in 300，000 dwt channel of Lianyungang port

4 结论

在目前尚无实船试验条件的前提下，应用适航水深船模阻力试验测量系统测定船模在实际淤泥中运动所受阻力随淤泥重度的变化，是一种直观、有效的试验方法，可以为合理确定适航水深的标准重度提供更可信赖的依据。本船模阻力试验测量系统集成了计算机控制技术、测速电机技术、滑块导轨技术及传感器技术等，是进行淤泥质港口适航水深应用研究的重要设备，将船模阻力试验的结果结合流变试验结果综合分析即可确定出淤泥的适航重度值。通过标定可知，本船模阻力试验测量系统的速度控制精度小于1%，阻力测量精度同样小于1%，能够满足适航水深应用研究的需要。通过珠海电厂港池航道适航水深试验研究和连云港30万t级航道适航水深试验研究的实例证明，该船模阻力试验测量系统可以为合理确定适航水深适航重度提供依据。

参考文献：

［1］庞启秀，杨树森，杨华，等.淤泥质港口适航水深技术研究与应用［J］.水利水运工程学报，2010(3)：33-39. PANG Q X，YANG S S，YANG H，et al.Research and application of the technique of nautical depth inmuddy harbors［J］.Hydro⁃science and Engineering，2010(3)：33-39.

［2］JTJ/T325-2006，淤泥质海港适航水深应用技术规范［S］.

［3］蔡南树，庞启秀，杨树森，等.广州港南沙港区港池适航水深综合论证研究［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.

［4］杨叔子，杨克冲，刘经燕，等.机械工程控制基础［M］.武汉：华中理工大学出版社，2001.

［5］秦曾煌.电子技术［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［7］杨树森，韩西军，庞启秀，等.珠海电厂港池及航道适航水深综合论证分析研究［R］.天津∶交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［8］庞启秀，高志亮，温春鹏，等.连云港港30万吨级航道适航水深应用研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，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

我国第4座40万t级码头落户防城港

2015-03-16；

2015-03-20

张瑞波（1982-），男，河北省人，助理研究员，主要从事海岸河口泥沙运动特性及淤积方面研究。

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

本刊从防城港获悉，2015年4月15日下午，防城港市和北部湾港务集团就战略合作协议举行签约仪式，仪式上，我国第4座40万t级码头正式落户防城港。该项目位于防城港企沙港区企沙南作业区，建设工期为3 a，总投入35亿元，拟于2016年开工，2019年完工。项目在近中期功能定位按过驳平台考虑，过驳船舶采用10～20万t级的散货船，年设计吞吐量2 500万t。（殷缶，梅深）