船舶對閘牆碰擦力測試裝置的製作方法

2023-09-16 07:55:55 3

專利名稱：：船舶對閘牆碰擦力測試裝置的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及的是測量船舶對閘牆碰擦力的測試裝置，屬於測試儀器
技術領域：
。
背景技術：
：船舶通過船閘時容易與閘牆發生碰擦，由於船舶噸位較大，即使碰擦速度很小，也會產生較大的衝擊力，導致閘牆表面混凝土開裂、剝落，甚至發生安全事故，影響到船閘的運行安全和使用壽命。但是，碰擦力大小無法通過理論計算獲得精確值，目前常用的計算方法大多基於動量定理，計算公式中涉及到碰擦前後船舶的速度、方向，以及船舶的質量和碰擦接觸的時間歷程，這些變量的取值往往是依據經驗得到，特別是碰擦接觸的時間歷程取值誤差很大，導致了計算結果未能準確反應船舶碰擦對閘牆的影響，無法為船閘結構設計和牆面混凝土強度指標設計提供可靠依據。
發明內容本實用新型旨在克服上述現行技術的不足，提供一種船舶對閘牆碰擦力測試裝置，應用本發明能精確地測量並記錄船舶與閘牆碰擦接觸時間、碰擦過程中碰擦力的動態變化以及接觸前船舶的法向速度，結合船載速度計可計算出碰擦發生前航行方向與閘牆所成的角度。本實用新型的技術解決方案船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是包括設置於測試區域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量杆，用於採集碰擦力測試裝置和船行法向速度測量杆所得信號的動態信號採集儀，用於接收動態信號採集儀輸出的數據並進行處理的計算機；其中碰擦力測試裝置的信號輸出端接入動態信號採集儀的第一信號輸入端，船行法向速度測量杆的信號輸出端接入動態信號採集儀的第二信號輸入端，動態信號採集儀的信號輸出端接入計算機的信號輸入端。本實用新型的優點結構簡單，便於製造、維護和使用，具有良好的推廣價值；其測量原理基於彈性物體的廣義胡克定律，能實時、精確地測量並記錄碰擦接觸過程中碰擦力隨時間的動態變化；可測量船舶與閘牆碰擦發生過程中的接觸時間；可測量船舶碰擦閘牆前航行速度沿垂直閘牆方向的分量，結合船載速度計可計算出沿與閘牆平行方向的速度分量，以及碰擦發生前船舶的航行方向與閘牆所成角度；以上通過測量獲得的數據可全面反映船舶與閘牆碰擦過程中的動態力學過程，為船閘結構設計和牆面混凝土強度指標設計提供可靠依據。附圖1是本實用新型的結構示意圖。[0007]附圖2是動態信號採集儀的結構示意圖。附圖3是本裝置碰擦力測試裝置的三視圖。其中，圖3-1是碰擦力測試裝置正視圖，圖3-2是碰擦力測試裝置側視圖，圖3-3是碰擦力測試裝置俯視圖。附圖4是船行法向速度測量杆的結構示意圖。附圖5是彈性體上應變傳感器的布置圖。其中，圖5-1是彈性體圓柱面展開圖，圖5-2是測量垂直牆面方向碰擦力的橋路連線圖，圖5-3是測量水平方向碰擦力的橋路連線圖。附圖6是某一次碰擦試驗的實測結果曲線。其中，圖6-l是垂直牆面方向的碰擦力隨時間的變化曲線圖，圖6-2是水平方向的碰擦力隨時間的變化曲線圖，圖6-3是船行法向速度測量杆的壓力傳感器記錄的壓力值隨時間的變化曲線圖。圖中1是計算機，2是動態信號採集儀，3是碰擦力測試裝置，4是船行法向速度測量杆，5是電流信號輸出模塊，6是計算模塊，7是計算機控制軟體，8是彈性體，9是撞擊面板，10是保護面板，11是壓條，1219是應變傳感器，20是壓力傳感器，21是內置壓簧，22是碰撞杆芯，23是環形導軌，24是保護墊板，25是杆套，26是定滑輪。具體實施方式船舶對閘牆碰擦力測試系統的工作原理是，位於彈性體8表面上的應變傳感器的電阻變化可以反映彈性體8的應變，利用電橋輸出模擬應變傳感器微小電阻變化的電信號，從而確定彈性體8在一定荷載下的應變，然後通過在軟體系統中設置彈性體8的應變與荷載的關係係數，可以自動計算出彈性體8承受的荷載。將同一時刻所有彈性體承受的荷載進行疊加，就能獲得整個撞機面板9上所承受的總荷載。如圖1所示，船舶對閘牆碰擦力測試系統的結構包括計算機1、動態信號採集儀2、設置於測試區域的碰擦力測試裝置3和船行法向速度測量杆4，其中碰擦力測試裝置3的信號輸出端接入動態信號採集儀2的第一信號輸入端，船行法向速度測量杆4的信號輸出端接入動態信號採集儀2的第二信號輸入端，接收動態信號採集儀2的信號輸出端接入計算機l的信號輸入端。如圖2所示，動態信號採集儀是以計算機為基礎、智能化的動態信號測試分析系統，包括電流信號輸出模塊5、計算模塊6、計算機控制軟體7，其中彈性體表面上的8個應變傳感器和船行法向速度測量杆中的壓力傳感器的輸出/輸入端分別與電流信號輸出模塊5的輸入/輸出端對應相接，電流信號輸出模塊5的輸出端與計算模塊6輸入端相接，計算模塊6輸出端連接計算機控制軟體7。如圖3所示，碰擦力測試裝置3的結構由用來測量應變值的多個彈性體8、撞擊面板9、保護面板10、壓條11和定滑輪26組成，其中壓條11固定在閘牆上，保護面板10通過螺栓與壓條11連接，每個彈性體8的兩個端部都通過螺栓分別與撞擊面板9和保護面板10連接，保護面板10通過定滑輪26調節設置高度。碰擦力測試裝置3中的撞擊面板9，其厚度>lcm，並在其背面焊接多根窄鋼條作為加強梁，以保證其具有足夠的剛度；由於船舶操縱不靈活，撞擊點不易控制，因而撞擊面板9的平面尺寸^100cmX100cm;為了使撞擊面板9的高度滿足船舷的高度要求，碰擦力測試裝置3中除壓條11和定滑輪26以外的部件，應綜合考慮水位和各種船型尺度，設置於測試區域閘牆一定高度處，壓條11長度>150cm，其上每間隔10cm設置一個螺栓孔，保護面板10可通過定滑輪26調節設置高度，調節的範圍>50cm，當調節到合適位置時可通過螺栓與壓條11連接並固定；可根據不同等級船閘和船型研究的需要，通過改變彈性體8的數量來改變裝置的量程。於此實施例中，撞擊面板9和保護面板10之間設置有九個彈性體8，其布置形式如圖3所示。彈性體8表面布置八個應變傳感器1219，其中應變傳感器1215沿軸向布置，應變傳感器1619沿環向布置，應變傳感器1219通過電橋構架Wl和W2與動態信號採集儀2相連。圖5-1是彈性體8圓柱面展開圖，其上布置著應變傳感器1219。如圖4所示，船行法向速度測量杆4，其結構包括壓力傳感器20、內置壓簧21、碰撞杆芯22、環形導軌23、保護墊板24及杆套25，其中壓力傳感器20的一端與保護墊板24的一端相接，壓力傳感器20的輸出端與動態信號採集儀的輸入端相連，保護墊板24的另一端與碰撞杆芯22相接，環形導軌23連接在杆套25上，保護墊板24的二端間是內置壓簧21，碰撞杆芯22在杆套25內；圖中A點是碰撞杆芯22的初始位置，在受到船舶撞擊後，碰撞杆芯22開始向杆套25內收縮，當船舶碰到撞擊面板9後，碰撞杆芯22停止收縮，此時碰撞杆芯22的外緣仍未到達B點，以保護壓力傳感器20和內置壓簧21。如圖5-2所示，電橋構架Wl中四個沿彈性體8軸向布置的應變傳感器1215和四個沿彈性體8環向布置的應變傳感器1619組成電橋電路，是用於測量碰擦力在垂直閘牆方向分力的電橋構架。應變傳感器12與14串聯，16與18串聯，兩條橋路分支相接於接點a;應變傳感器13與15串聯，17與19串聯，兩條橋路分支相接於接點c，接點a與接點c之間供給特定的電壓，a為電壓輸入端，c為電壓輸出端；應變傳感器12和14分支的另一端與17和19分支的另一端相接於接點b，16和18分支的另一端與13與15分支的另一端相接於接點d，接點b和接點d分別與接點c存在相對電位差。當船舶碰擦撞擊面板9時，各應變傳感器的電阻發生改變，使上述接點b與接點c、接點d與接點c的相對電位差均發生改變，從而在接點b與d之間形成可量測的電壓變化，使電橋構架Wl產生可以感測的電壓變化量。如圖5-3所示，電橋構架W2中4個沿彈性體8環向布置的應變傳感器1619組成電橋電路，是用於測量碰擦力在平行閘牆方向分力的電橋構架。應變傳感器16與18的一端相接於接點a，17與19相接於接點c，接點a與接點c之間供給特定的電壓，a為電壓輸入端，c為電壓輸出端；應變傳感器15與17相接於接點b，18與19相接於接點d，接點b和接點d分別與接點c存在相對電位差。當船舶碰擦撞擊面板9時，各應變傳感器的電阻發生改變，使上述接點b與接點c、接點d與接點c的相對電位差均發生改變，從而在接點b與d之間形成可量測的電壓變化，使電橋構架W2產生可以感測的電壓變化量。船舶對閘牆碰擦力測試方法，其特徵是在船舶與閘牆之間設置碰擦力測試裝置3，碰擦力設置裝置內部布置九個(根據研究船型的大小、速度來確定，如果船型較大，數量可增多，即增大裝置的量程)彈性體8，當船舶通過撞擊面板9撞擊彈性體8時，通過動態信號採集儀2測量每個彈性體8表面應變傳感器1219組成的橋路的電壓變化量；根據事先進行的各個橋路靈敏度的標定結果，分別得到電壓變化量與彈性體8所承擔的水平向和法向碰擦力的關係係數；將關係係數與電壓變化量進行乘積，獲得每個彈性體8在各個時刻所承擔的水平向和法向的荷載；將同一時刻九個彈性體8在相同方向上的荷載分別進行疊加，就能精確獲得碰擦力在水平向和法向的值。法向碰擦力從瞬時t。開始增大，在瞬時^達到最大值後開始減小，在瞬時t2減小到O，所經過的時間t=t2_t。就是碰擦接觸的時間歷程。5[0022]=kziAU:Fxi=kxiAU:,=1式中，F^Fd分別是第f個彈性體8所承擔的水平向和法向的荷載；kxi和kzi分別是第f個彈性體8在水平向和法向，其承擔的荷載與電壓改變量的關係係數；AUxi和AUzi分別是第f個彈性體8承受荷載後，在電橋構架W2和電橋構架Wl上的電壓改變量；FX、Fz分別是碰擦力沿水平向和法向的分力。本發明中，船行法向速度測量杆4用於測量船舶碰擦閘牆前垂直閘牆方向的速度分量。船舶在與撞擊面板9碰擦之前，先接觸到船行法向速度測量杆4的碰撞杆芯22，此時連接於動態信號採集儀2的壓力傳感器20開始檢測到內置壓簧21上的壓力，該壓力值在船舶與撞擊面板接觸前不斷增大；當船舶與撞擊面板9接觸時，船舶無法繼續前進，因而不再壓縮內置壓簧21，此時內置壓簧21的壓力達到最大；當船舶碰撞彈回時，內置壓簧21開始伸張，直至恢復初始狀態，該過程中壓力傳感器20檢測到的壓力值不斷減小直至0;動態信號採集儀2將採集到的內置壓簧21的壓力變化過程輸入到計算機1;計算機1計算壓力開始增大瞬時t。'與壓力達到最大值瞬時t/之間所經過的時間t'=t/-t。'；碰撞杆芯22外緣與撞擊面板9在垂直閘牆方向的距離一定，因而碰撞杆芯22的壓縮距離L一定，即可得到船舶碰擦撞擊面板9前垂直閘牆方向的速度分量Vl=L/t'。由船載速度計可得到船舶碰擦撞擊面板前的合速度v，即可計算船舶沿與閘牆平行方向的速度分量v2=Vv2-v|2，船行方向與閘牆所成角度9=arctg(Vl/v2)。本發明的具體實施過程2008年2月29日在邵伯船閘開展了現場測試。將碰擦力測試裝置3固定於上遊引航道第一個靠船墩正面，船行法向速度測量杆4固定於靠船墩的側面，與撞擊面板9垂直；將動態信號採集儀2分別與九個彈性體8的應變傳感器1219、壓力傳感器20、以及計算機1相連。其中，動態信號採集儀2的型號為LMSCADA-X、彈性體的型號為CL-YB-1/20T、應變傳感器的型號為BF(BA)200-6AA、壓力傳感器20的型號為m153251。船行法向速度測量杆4的碰撞杆芯22的壓縮距離L取10cm。讓船舶以一定角度和速度碰擦撞擊面板9，計算機1輸出並記錄整個撞擊接觸過程中碰擦力的變化，以及壓力傳感器20檢測到的壓力值隨時間的變化。在某一次碰擦試驗中，某船舶總噸位為600t，共使用了九個彈性體進行測量。在某一時刻(附圖6中t=1.50s)的法向和水平向的撞擊力計算過程如下tableseeoriginaldocumentpage7[0032]由上表得，formulaseeoriginaldocumentpage7[0033]結合圖6-l、6-2，可知在t。=1.096s時刻，碰擦接觸開始，彈性體中應變傳感器記錄的撞擊力絕對值從0開始增大；在^=1.502s時撞擊力達到峰值後開始減小；在t2=1.959s時，接觸停止，撞擊力減小到0。可計算得到碰擦接觸總時間歷程為t=t2_t。=1.959-1.096=0.863s。結合圖6-3，可知在t。'=0.145s時刻，船舶開始接觸到船行法向速度測量杆的碰撞杆芯，壓力傳感器記錄的壓力值從0開始增大；在、'=1.096s時，船舶開始接觸到撞擊面板，此時碰撞杆芯幾乎不再被壓縮；在t'=1.0961.959s之間，船舶處於與撞擊面板接觸的過程中，該時段內由於碰擦力測試裝置的微弱變形導致了壓力傳感器記錄的壓力值有細微變化；從t'=1.959s開始，船舶從撞擊面板反彈開來，此時碰撞杆芯開始恢復初始狀態，壓力傳感器記錄的壓力值逐漸減小直到0。可計算得到碰撞杆芯完成壓縮距離L所需的時間t'=t/-t。'=1.096-0.145=0.951s，船舶碰擦撞擊面板前垂直閘牆方向的速度分量v工=L/t'=10/0.951=10.5cm/s。由船載速度計可得到船舶碰擦撞擊面板前的合速度v=10.9cm/s，可計算船舶沿與閘牆平行方向的速度分量v2—v2-v,2=Vl0.92-10.52=2.9cm/s，船行方向與閘牆所成角度9=arctg(Vl/v2)=arctg(lO.5/2.9)=74.4°。本發明中涉及的未說明部份與現有技術相同。權利要求船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是包括設置於測試區域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量杆，用於採集碰擦力測試裝置和船行法向速度測量杆所得信號的動態信號採集儀，用於接收動態信號採集儀輸出的數據並進行處理的計算機；其中碰擦力測試裝置的信號輸出端接入動態信號採集儀的第一信號輸入端，船行法向速度測量杆的信號輸出端接入動態信號採集儀的第二信號輸入端，動態信號採集儀的信號輸出端接入計算機的信號輸入端。2.根據權利要求1所述的船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是所述的碰擦力測試裝置由用來測量應變值的多個彈性體、撞擊面板、保護面板、壓條和定滑輪組成，其中壓條固定在閘牆上，保護面板通過螺栓與壓條連接，彈性體的兩個端部通過螺栓分別與撞擊面板和保護面板連接。每個彈性體表面布置8個應變傳感器，其中4個應變傳感器沿著軸向布置，4個應變傳感器沿著環向布置，8個應變傳感器組成電橋構架與動態信號採集儀相連。3.根據權利要求1或2所述的船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是所述的碰擦力測試裝置中壓條長度^150cm，壓條上間隔10cm設置一個螺栓孔，保護面板通過定滑輪調節設置高度，高度調節範圍^50cm，當調節到合適位置時可通過螺栓與壓條連接並固定。4.根據權利要求1或2所述的船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是所述的碰擦力測試裝置中的撞擊面板，厚度^lcm，平面尺寸^100cmX100cm，並在其背面焊接多根窄鋼條，作為提高撞擊面板剛度的加強梁。5.根據權利要求1所述的船舶對閘牆碰擦力測試系統，其特徵是所述的動態信號採集儀包括電流信號輸出模塊、計算模塊、計算機控制軟體，其中彈性體表面的8個應變傳感器和船行法向速度測量杆中的壓力傳感器的輸出/輸入端分別與電流信號輸出模塊的輸入/輸出端對應相接，電流信號輸出模塊的輸出端與計算模塊輸入端相接，計算模塊輸出端連接計算機控制軟體。6.根據權利要求1所述的船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是所述的船行法向速度測量杆包括壓力傳感器、內置壓簧、碰撞杆芯、環形導軌、保護墊板及杆套，其中壓力傳感器的一端與保護墊板的一端相接，壓力傳感器的輸出端與動態信號採集儀的輸入端相連，保護墊板的另一端與碰撞杆芯相接，環形導軌連接在杆套上，保護墊板的二端間是內置壓簧，碰撞杆芯在杆套內。專利摘要本實用新型涉及一種船舶對閘牆碰擦力測試裝置，其特徵是包括設置於測試區域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量杆；用於採集碰擦力測試裝置和船行法向速度測量杆所得信號的動態信號採集儀；用於接收動態信號採集儀輸出的數據並進行處理的計算機。本實用新型能在測試過程中，精確地測量並記錄船舶與閘牆碰擦接觸時間、碰擦過程中碰擦力的動態變化以及接觸前船舶的法向速度，結合船載速度計可計算出碰擦發生前航行方向與閘牆所成的角度。本實用新型結構簡單，製造、維護、使用方便，可作為船舶對閘牆碰擦力研究的工具，為船閘設計建造、維護管理過程中，閘牆混凝土的強度指標和配比設計提供依據。文檔編號G01L5/00GK201497604SQ200920236038公開日2010年6月2日申請日期2009年9月25日優先權日2009年9月25日發明者廖迎娣,張瑋,江朝華,陳達申請人:河海大學;南京河海科技有限公司