CN110082065A - 一种自行式牵引船模控制与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行式牵引船模控制与测量方法，具体来说使用计算机编辑指令，设定船模的航行加速度、速度和行程等，再通过线路将信息传递给船模牵引车上的驱动电机，控制船模牵引车拖曳船模运行并通过测量设备对船行姿态进行监测，确定原型中船舶升沉量、水面波动、船舶安全富余量、断面系数、船舶进出船厢的速度各项技术指标。本发明操作简单、运行稳定，测量所得数据具有实时性、高精度、与原型拟合效果好等优点。

Description

一种自行式牵引船模控制与测量方法

技术领域

本发明涉及通航建筑物物理模型试验技术领域，具体来说是关于一种自行式牵引船模控制与测量方法。

背景技术

船模试验具有操作简便、数据精度高、与原型拟合效果好等优点，被广泛应用于通航建筑物工程中，用来确定原型中船舶下沉量、船舶安全富余量、合理断面系数、航道水面波动和船舶进出船厢的速度等各项技术指标。

船模试验根据其船舶驱动方式的不同，可分为牵引船模与自航船模两大类。在以往的试验中，我们发现自航船模有其自身的缺陷性。例如：在启动加速过程中，船模受螺旋桨局部影响，自航船舶下沉量值较牵引船模大；在船舶高速出厢时，自航船船首水面壅高，船舶航行阻力增大，为维持恒定速度，需要提高螺旋桨转速，船舶下沉量较牵引船模大；此外，在运行过程中，自航船模的速度不易稳定、方向难以控制，会给后期试验测量和相关数据分析带来困难。

因此，在通航建筑物工程的物理模型中，提出一种自行式牵引船模控制与测量方法，来完成试验数据的测量十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对目前通航建筑物物理模型试验中自航船模的缺陷与不足，提出一种控制自行式牵引船模，测量获得原型船舶升沉量、水面波动、船舶安全余量、断面系数、船舶进出船厢的速度技术指标的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方法来实现：

一种自行式牵引船模控制与测量方法，通过设定船模拖曳控制***中驱动电机的相关参数来控制设定船模航行条件；通过采集***自动采集各测量仪器所测得的数据，利用无线传输设备将采集数据实时传输到计算机。

本发明进一步的技术方法是：所述的船模拖曳控制***：包括：牵引船模装置和测量仪器。

上述牵引船模装置包括：导向轨道、船模牵引车、驱动电机和固定杆；

上述的驱动电机固定安装在船模牵引车上；

上述的船模牵引车的驱动轮沿导向轨道固定，使得船模牵引车只能沿导向轨道前后运动；

上述的船模牵引车通过固定杆与船模相连；

上述的固定杆为圆柱形杆，在船模牵引车一端穿过万向轴承的中孔，固定杆在万向轴承的中孔内可上下自由滑动，万向轴承固定在船模牵引车上；这样使得固定杆在竖直方向上可以上下移动，当固定杆处在非竖直状态时，与万向轴承的中孔方向仍然能够保持一致，也就是说固定杆不会受到万向轴承中孔的卡阻力矩。

上述的固定杆另一端固连在船模上，在任何方向上均与船模同步运动；

上述的船模牵引车可以是多个，与船模的连接方式均相同。

上述船模牵引车的驱动电机与船模牵引车的驱动轮通过齿轮啮合，当船模牵引车为驱动状态时，驱动轮与驱动电机啮合；当船模牵引车为从动状态时，驱动轮与驱动电机分开，驱动轮变成从动轮。

上述的船模牵引车的驱动电机通过电缆与控制装置相连，由计算机向驱动电机发出运行指令。

所述测量仪器有激光测距仪、超声波位移计、三维ADV流速仪、拉压力传感器、应变仪和电容液位计。激光测距仪安装在船模牵引车上，测量船模的航行距离，再根据船模航行时间，计算求得船模的实时航速，以校核航速是否与设定值一致。在船首和船尾上方船模牵引车上各安装两个超声波位移计，垂直位置对应船首、船首前水面和船尾、船尾后水面，通过船舶首、尾上方牵引车上的超声波位移计，测得船首、船首前水面和船尾、船尾后水面与基准面(导向轨道)的垂直距离，进而可求得船模航行过程中位于任意位置时的船首、尾升沉量和水面波动。三维ADV流速仪安装在船身一侧，测量船边水流流速。在船模牵引车与固定杆的连接部件上水平向安装拉压力传感器，结合应变仪测量船模牵引力。电容液位计布置在船厢及引航道一侧，用于测量船模航行过程船厢和引航道内的水面波动。

进一步的技术方法是：在船模拖曳控制***界面上设定船模牵引车车轮直径、船模航向、船模行程、船模航速、船模加减速时间、开始运行、停止运行等参数，通过线路将指令信息传递给船模牵引车上的驱动电机，由此控制船模航行条件(驱动电机运转带动船模牵引车沿导向轨道行驶，船模牵引车通过固定杆拖曳船模同步航行)。

进一步的技术方法是：船模牵引车与固定杆之间的连接轴承使固定杆仅垂直方向可自由活动。船模牵引车行驶过程中，水平向拖曳船模同步航行，船模垂直向自由活动，以确保船模首、尾升沉量与原型精确相似。

进一步的技术方法是：导向轨采用高刚度结构且水平布置，避免导向轨道因船模牵引车的行驶而产生明显变形，以确保测量的船首、尾升沉量和水面波动数据准确、可靠。

进一步的技术方法是：激光测距仪适用于船模直线航行，且其配设的反射挡板与激光测距仪间距离在其量程范围内，两者之间无遮挡激光束的障碍物，以使测得的距离数据连续、精准。

进一步的技术方法是：若船模不仅以直线航行，激光测距仪不适用时，用全站仪测量船舶行程及航迹线。将全站仪配有的棱镜固定在船模首(尾)上，全站仪架设在能全程捕捉到棱镜的位置，船模航行时，全站仪实时测量船模上棱角的三维坐标，由此可以得到船模航行轨迹、船模首(尾)升沉量，通过计算还可得出船模航速等数据。

本发明的优点是：(1)船模航行的加速度、速度和行程等都可以由试验人员在船模拖曳控制***中设定控制，若试验中出现意外情况，也可通过控制***及时制动船模，操作简便、安全可靠。(2)船模在牵引车的拖曳下沿着导向轨道同步航行，一方面可以获得更加稳定的速度和运动状态，使得船模始终平稳地沿着固定航线行驶；另一方面也避免了自航船模运动中螺旋桨转动对船体下沉量的影响，所得试验数据更加精确、真实。(3)各测量仪器的数据可同时自动采集，并同步传输到计算机上，便于对测量数据及时处理，提高试验效率。

附图说明

图1是船模牵引***及船舶航行特性测试设备侧视示意图；

图中：1船模；2导向轨道；3船模牵引车；4驱动电机；5拉压力传感器；6超声波位移计；7激光测距仪；8固定杆；9三维ADV流速仪；10电容液位计；11应变仪；12采集***和数据无线传输设备。

图2为牵引船模装置俯视示意图；

图3为牵引船模装置中心线剖视示意图。

具体实施方式

实施例一

一种牵引船模装置，包括：导向轨道2、船模牵引车3、驱动电机4和固定杆8；

上述的驱动电机4固定安装在船模牵引车3上；

上述的船模牵引车3的驱动轮31沿导向轨道2固定，使得船模牵引车3只能沿导向轨道2前后运动；

上述的船模牵引车3通过固定杆8与船模相连；

上述的固定杆8为圆柱形杆，在船模牵引车3一端穿过万向轴承81的中孔，固定杆8在万向轴承81的中孔内可上下自由滑动，万向轴承81固定在船模牵引车3上；这样使得固定杆8在竖直方向上可以上下移动，当固定杆8处在非竖直状态时，与万向轴承81的中孔方向仍然能够保持一致，也就是说固定杆8不会受到万向轴承中孔的卡阻力矩。上述的固定杆8另一端固连在船模1上，与船模同步移动；

上述的船模牵引车3可以是多个，与船模1的连接方式均相同。

上述船模牵引车3的驱动电机4与船模牵引车的驱动轮31通过齿轮啮合，当船模牵引车为驱动状态时，驱动轮31与驱动电机啮合；当船模牵引车为从动状态时，驱动轮31与驱动电机4分开，驱动轮31变成从动轮。

上述的船模牵引车3的驱动电机4通过电缆与控制装置相连，由计算机向驱动电机发出运行指令。

实施例二

在升船机工程中，为了研究船舶进出船厢的水动力情况，建立比尺为1:12船厢、引航道局部物理模型，并使用牵引船模模拟3500t货船进行试验。

布置如图1所示，在船模1上方设置导向轨道2，船模牵引车3被固定在导向轨道2上，通过固定杆8带动船模，当试验人员在船模拖曳控制***界面输入船模相关设定参数和控制指令后，船模牵引车3在驱动电机4的驱动作用下拖曳船模1沿着导向轨道2向前行驶。在船模牵引车3上安装激光测距仪7，测量船模的航行距离，再根据船模航行时间，计算可求得船模的实时航速。在船舶首、尾上方模牵引车上分别安装超声波位移计6，在船模航行过程中，超声波位移计6既可测得船模首、尾处水面的变化，又能用来测量船模首、尾与基准面(导向轨道2)的垂直距离，进而可求得船模航行过程的首、尾升沉量。在船身布设三维ADV流速仪9，测量船边水流流速。船模牵引力采用拉压力传感器5配合应变仪11测量。同时，在船厢及下游引航道内布置多个电容液位计10，测量船模航行过程船厢和下游引航道内的水面波动。以上测量参数通过采集***12直接采集，并通过采数据无线传输设备12传输到计算机。

在此套***布置过程中，有以下几点需要注意：(1)固定杆8与船模牵引车3之间垂直向顺滑连接，去除对船模垂直方向的约束，保证船模可以随着水面波动上下自由活动，真实模拟船模航行。(2)保证导向轨道2水平布置，尽量避免导轨结构发生变形，以准确测量船首、尾升沉量和水面波动。(3)超声波位移计6、拉压力传感器5等测量仪器需要安置在不导电的材质上。

为了更全面地测试此牵引船模控制与测量方法的可靠度，2015年4月在与三峡升船机船厢内部相同尺寸的葛洲坝三号船闸进行了实船进出船厢试验，通过在三峡升船机1:12船厢及下游引航道模型上复演部分实船试验工况，验证模型试验结果与实船测试结果是否一致。由于亚东516散货船平面尺度(99.8m×16.3m)与模型试验中的3500t渝申干散货船平面尺度(98.0m×16.2m)基本一致，因此在葛洲坝三号船闸实船试验时，可利用3500t渝申干散货船模型对实船测试工况进行复演。

根据以往研究经验，船舶进出升船机承船厢或船闸闸室过程下沉量δ(m)主要与断面系数船速V、船舶平面尺度等因素有关，其中断面系数是重要的影响因素之一。据《葛洲坝三号船闸实船测试成果简报》中工况gzb15“亚东516”船舶下行出闸时的实测吃水及闸室水深，计算出此工况时船舶下行出闸时的断面系数为1.8。要保证下沉量相似，则模型试验中船舶行进时的断面系数应与实船试验时的断面系数相同。根据以往研究经验，船舶进出升船机承船厢或船闸闸室过程下沉量δ(m)主要与断面系数、船速V、船舶平面尺度等因素有关，其中断面系数是重要的影响因素之一。据《葛洲坝三号船闸实船测试成果简报》中工况gzb15“亚东516”船舶下行出闸时的实测吃水及闸室水深，计算出此工况时船舶下行出闸时的断面系数为1.8。

调整模型试验中3500t渝申干散货船模型吃水至2.2m，在三峡升船机1:12船厢及下游引航道模型进行船舶进出船厢试验，复演葛洲坝实船测试。由此所得的模型试验成果为：在3500t渝申干散货船吃水2.2m、出厢速度为0.3m/s时，模型实测船尾相对动水面下沉量为4.1cm，船尾绝对下沉量为11.3cm，船首水面波动5.70cm。而葛洲坝三号船闸实船测试实测相同断面系数的亚东516散货船以0.28m/s速度出厢，实测船尾相对动水面下沉量为4.78cm，船首水面波动5.89cm。船模与亚东516散货船的各项具体测量数据如表1所示。

将葛洲坝三号船闸实船测试和牵引船模试验测得的结果对比，可知在相同条件下，二者测得的船尾相对于动水的下沉量及船首水面波动基本一致，牵引船模试验方法和试验结果可以较为真实地反映原型船舶进出三峡升船机船厢的水动力学条件。

表1实船和模型试验船尾下沉量及船首水面雍高对比

	实船试验	模型试验
			组次	gzb15	A220c032
船名	亚东516	3500t渝申
			类型	散货船	干散货船
船型尺度(长×宽)m	99.8×16.3	98.0×16.2
			船闸(厢)水深(m)	6.53	3.5
试验时船舶吃水(m)	4.04	2.2
			断面系数n	1.78	1.81
断面百分比(％)	56.03	55.34
			航速(m/s)	0.28	0.3
船尾相对动水下沉量(cm)	4.78	4.1
			船尾下沉量(cm)	/	11.3
船首水面雍高(cm)	5.89	5.7
			船尾水面下降(cm)	/	8.3

Claims (5)

1.一种自行式牵引船模控制与测量方法，其特征在于：通过设定船模拖曳控制***中驱动电机的相关参数来控制设定船模航行条件；通过采集***自动采集各测量仪器所测得的数据，利用无线传输设备将采集数据实时传输到计算机。

2.根据权利要求1所述的一种自行式牵引船模控制与测量方法，其特征在于：所述的船模拖曳控制***包括：牵引船模装置和测量仪器。

3.根据权利要求2所述的一种自行式牵引船模控制与测量方法，其特征在于：所述的牵引船模装置包括：导向轨道、船模牵引车、驱动电机和固定杆；所述的驱动电机固定安装在船模牵引车上；

所述的船模牵引车的驱动轮沿导向轨道固定，使得船模牵引车只能沿导向轨道前后运动；

所述的船模牵引车通过固定杆与船模相连；

所述的固定杆为圆柱形杆，在船模牵引车一端穿过万向轴承的中孔，固定杆在万向轴承的中孔内可上下自由滑动，万向轴承固定在船模牵引车上；

这样使得固定杆在竖直方向上可以上下移动，当固定杆处在非竖直状态时，与万向轴承的中孔方向仍然能够保持一致，也就是说固定杆不会受到安装万向轴承中孔的卡阻力矩；

所述的固定杆另一端固连在船模上，在任何方向上均与船模同步运动不能移动。

4.根据权利要求2所述的一种自行式牵引船模控制与测量方法，其特征在于：所述的牵引船模装置包括：激光测距仪、超声波位移计、三维ADV流速仪、拉压力传感器、应变仪和电容液位计。

5.根据权利要求1所述的一种自行式牵引船模控制与测量方法，其特征在于：在船模拖曳控制***界面上设定船模牵引车车轮直径、船模航向、船模行程、船模航速、船模加减速时间、开始运行、停止运行参数，通过线路将指令信息传递给船模牵引车上的驱动电机，由此控制船模航行条件。