氣墊船壓力測試規(guī)程

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。