气垫船压力测试规程

袁 超，孙宏坤

（海军驻广州地区代表室，广东 广州 510260）

0 引 言

全垫升气垫船的气垫压力是其稳定性的重要特性参数之一，直接关系到气垫船的垫升状态和整个船体的姿态，因此对气垫船的气垫压力分布特性进行分析尤为重要。气囊和气道压力关系到船舶航行时气垫围裙的刚度，只有当气垫与气囊压力成一定比例时，气垫船才能稳定、高速地航行。由于质量的限制，目前气垫船并未安装压力监测系统。为检验气垫船是否达到设计要求，需在陆地上或水中进行气垫、气囊和气道压力测试。这些数据可反映气垫船气垫或气囊内的压力分布情况，为气垫船设计提供重要的参考。

目前针对气垫船压力进行的实船测试相对较少，且缺乏相关依据[1-2]。鉴于此，基于对气垫船的设计、建造和使用单位的广泛调研，结合实际测试任务，本文对测试条件、测试系统和测试流程等方面的基本要求进行探讨。基于这些要求，某气垫船在不同装载状态和垫升工况下的气垫、气道和气囊压力测试得以顺利完成。

1 测试条件

1.1 测试场地

气垫船气垫、气囊和气道压力测试可在陆地上和水中进行。试验前需在试验场地的四角处预设系留塔，并根据气垫船的质量预估垫升后气垫船的漂移力，确保垫升过程安全可靠。

此外，需清除试验场地内的杂物，并确保场地内的试验设施可靠固定，试验时禁止与试验无关的人员在场地内活动。在水中测试时，应清理水面的漂浮物，并使气垫船离岸距离不小于船宽的 1倍；在陆地上测试时，应保持场地平整，且不能有石子、螺母、螺栓和铆钉等杂物。

1.2 环境条件

测试尽量在晴朗的天气条件下进行。在陆地上测试时，风速应在4级以下；在水中测试时，风速应在4级以下，海况应在2级以下。

1.3 气垫船状态

气垫船的排水量误差不超过±2%，垫态初始横倾角小于0.2°，垫态初始纵倾角处于艉倾0°～0.3°之间。船上的各系统和设备工作正常，船上无杂物，所有活动物体都可靠固定。

1.4 测试工况

一般应至少对气垫船进行满载状态下的压力测试，若对其进行其他装载状态下的测试，应在试验大纲中给出。

测试需根据气垫船的垫升工况进行。若有不同的垫升工况，宜从低垫升风机转速逐级提高到高垫升风机转速，同时在条件允许的情况下再从高垫升风机转速逐级降低至低垫升风机转速，以校核相同垫升状态下各测点处的压力值。

2 测试系统

2.1 压力测试特点

气垫船的气囊是一个相对封闭的舱体，内部是流动的气场，检测舱体内的气垫压力和气囊压力比较困难，主要体现在以下几个方面：

1) 测试环境相对封闭，设备不易安装；

2) 气囊内是流动的气场，空气中飘浮着沙尘，对检测设备的环境适应性要求较高；

3) 气囊相对封闭，环境恶劣，数据的可靠性传输是关键；

4) 气垫船的测点位置很多，需采用分布式测试方法才能完成气垫船压力测试，若采用无线传感器形式，则需考虑采集终端的布置。

2.2 系统组成

开展气垫、气囊和气道压力测试非常困难，且布点要求很多。为方便测试，对测试系统采用无线和有线2种方式进行数据传输。测试系统主要由传感器、信号调制器、数据采集器装置和计算机组成（见图 1）。压力传感器用于拾取前端压力信号，通过无线或有线压力采集装置进行信号采集和调制，并将其传送给计算机。

气垫船压力测试可采用有线数据与无线数据相结合的方式实现，其中：无线压力测试是借助无线压力传感器节点[3-4]，后者集成了压力传感器、数据采集电路和无线通信模块，节点可灵活地布置在任意测点；气垫压力可采用有线的方式进行。

根据试验要求，对传感器和数据采集系统进行联调，按照压力传感器检定规程对传感器和数据采集系统进行标定，记录好每个通道的标定系数；压力试验在静态条件下进行，保证数据采集频率不低于 20Hz；压力传感器系统和无线压力传感器节点的非线性度优于0.5级；压力传感器系统和无线压力传感器节点的标定日期应在有效期内，且有备件，以保障现场测量所需。

2.3 传感器及其布置

常用的压力敏感元件主要有压阻式和压电式2种，其中：压阻式敏感元件通常用于量程较小的情况；压电式敏感元件主要用于动态频响要求非常高的情况，如爆炸、冲击等。综合各方面因素，建议采用压阻式敏感元件[5]。压阻式传感器的生产厂家主要有国外的Kulite公司和国内的昆山双桥传感器有限公司，建议选择量程合适的压力传感器，以满足压力测试的要求。压力传感器的尺寸应尽量小，并保证易布置，以不影响流场为宜。压力传感器的最大有效量程应不小于测点理论压力值的3～5倍。

根据试验大纲的要求，在测点布置传感器或无线压力传感器节点，记录其实际布放位置，并标记信号采集通道；同时，根据实际布置情况确定无线/有线数据采集器的布放位置。在布置压力测点时，需考虑以下因素：

1) 气垫压力传感器应布置在远离手指泄流三角区的区域，不能受到泄流的影响；

2) 气囊中压力传感器的布置应考虑气囊在未充气情况下的状态，避免损坏传感器；

3) 各测点处的传感器应合理布置，避免采入动压，避开该测点处气流的主方向；

4) 采用金属扎带和抱箍等设备对传感器和采集装置进行安装与固定，并用扎带固定导线，确保固定的可靠性，以免发生意外事故，尤其应避免损坏船体和围裙。

2.4 数据采集处理

由于压力传感器输出信号一般为毫伏级，因此需对其进行调制、放大。试验时，压力传感器的布置位置会较多，建议采用分布式测试系统对其数据进行采集，即将部分测点集中到采集装置，通过总线进行数据传输。

常用的数据采集设备为无线传感器节点和有线多通道采集装置等。考虑到布线工作量很大，可采用无线与有线相结合的方式进行。对于水中的气垫压力测试，需考虑气垫的防水性，若是海水，还应考虑气垫的防腐蚀，建议以有线传输的方式进行。

对于气道和气囊压力测试，由于测点不在水中，可采用无线压力传感器节点进行，从而大大减少工作量，同时降低气垫船压力场受到的影响。在选用无线压力传感器时，应考虑无线信号的屏蔽问题，且不能干扰船上通信导航系统的正常工作。

采用数据处理软件进行数据分析，得到不同工作状态下各测点处压力的特征值，如平均值、最大值、最小值和方差。对于相同测点位置，应提供对应位置处气囊与气垫平均压力的比值，以及试验大纲规定的测点位置处的压力类型（气垫、气囊或气道）和各特征值。此外，对于各测点的压力数据，应提供不少于5min的有效时历曲线。

3 测试流程

通过与设计方、试验方和使用单位充分沟通，确定测试流程见图2。

3.1 测试准备

根据试验要求，对传感器和数据采集系统进行联调，并对传感器进行标定，记录好各通道的标定系数。根据试验大纲的要求，在测点布置传感器，根据传感器布置情况确定数据采集器的布置位置，用金属扎带和抱箍等设备对传感器和采集器进行安装和固定，并用扎带固定导线。对于气道压力测试，只需根据测点要求布置无线传感器节点即可。此外，为保证试验顺利进行，应准备以下辅助材料。

1) 固定装置：扎带、胶带、抱箍和胶水等。

2) 安装夹具：压力传感器节点和数据采集装置专用夹具或工装。

3) 线：通气管和导线等。

4) UPS电源：为测试系统提供稳定的电源。

试验之前，应由设计方、试验方和试验主管单位一起制订详细的压力测试流程和测试工况表格，并对其进行编号，与试验指挥人员确定合适的沟通方式。试验期间，由试验指挥人员发出压力测试工况、测试开始时间和测试结束时间指令，并及时将试验情况反馈给试验指挥人员，确保测试有序进行；同时，详细记录试验船的状态，包括排水量和垫升之后的纵倾角、横倾角、垫升工况、垫升风机转速等。此外，还需记录气温和气压等数据。

3.2 测试过程

气垫船压力试验可在陆地上或水中进行，记录内容相同，测试过程如下。

1) 现场确认和船舶系留：试验开始前确认现场已清理干净，并用系留绳将船上的带缆桩与系留塔连接，防止气垫船垫升之后飘移过大；每根系留绳的拉力以不影响气垫船的状态为宜。

2) 系统联调和标定：试验开始前安装并固定所有的传感器、采集装置和导线，进行系统联调和标定。

3) 传感器/节点采零：打开数据采集系统软件，记录各传感器零点；采集从气垫船开始垫升，直至给定的垫升状态。

4) 试验测试：垫升状态稳定之后，记录气垫船的信息（如排水量、纵倾角和横倾角等）。试验期间每个状态的稳定垫升时间不少于 5min，若有多个垫升工况，建议从低到高依次进行。若时间允许，从高到低再进行一次。

5) 数据确认：每个试验工况完成之后，对该工况的数据进行回放，确认数据的可靠性。若有问题，需及时与有关方面进行沟通并加以解决。

6) 零点确认：试验结束之后，当垫升风机停止运行时，各传感器再次进行采零，以校核系统的稳定性和可靠性。

试验结束之后，对传感器和采集装置进行拆除，以确保被测对象的功能和外观不受影响，同时对供电和工具进行整理并恢复现场。

4 结 语

气垫压力是全垫升气垫船稳定性的重要特性参数之一，直接关系到气垫船的垫升状态和姿态；同时，气囊和气道压力关系到围裙刚度和气垫的成型形状。因此，对气垫、气囊和气道压力进行准确测试非常重要。本文对气垫船压力测试的规程进行了探讨，提出了测试条件、测试系统和测试流程等方面的基本要求。基于本文提出的要求，监督、指导船厂顺利开展了某气垫船的气垫、气囊和气道压力测试，实际测试结果满足设计验证的要求。本文的研究对气垫船压力测试规范的制定有一定的参考价值。