专利名称：船舶对闸墙碰擦力测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是测量船舶对闸墙碰擦力的测试系统，属于测试仪器技术
领域。
背景技术：
船舶通过船闸时容易与闸墙发生碰擦，由于船舶吨位较大，即使碰擦速
度很小，也会产生较大的冲击力，导致闸墙表面混凝土开裂、剥落，甚至发
生安全事故，影响到船闸的运行安全和使用寿命。但是，碰擦力大小无法通
过理论计算获得精确值，目前常用的计算方法大多基于动量定理，计算公式
中涉及到碰擦前后船舶的速度、方向，以及船舶的质量和碰擦接触的时间历
程，这些变量的取值往往是依据经验得到，特别是碰擦接触的时间历程取值
误差很大，导致了计算结果未能准确反应船舶碰擦对闸墙的影响，无法为船
闸结构设计和墙面混凝土强度指标设计提供可靠依据。
发明内容
本发明旨在克服上述现行技术的不足，提供一种船舶对闸墙碰擦力测试 系统，应用本发明能精确地测量并记录船舶与闸墙碰擦接触时间、碰擦过程 中碰擦力的动态变化以及接触前船舶的法向速度，结合船载速度计可计算出 碰擦发生前航行方向与闸墙所成的角度。
本发明的技术解决方案船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是包括设 置于测试区域的碰擦力测试装置、船行法向速度测量杆，用于采集碰擦力测 试装置和船行法向速度测量杆所得信号的动态信号采集仪，用于接收动态信 号采集仪输出的数据并进行处理的计算机；其中碰擦力测试装置的信号输出端接入动态信号采集仪的第一信号输入端，船行法向速度测量杆的信号输出 端接入动态信号采集仪的第二信号输入端，动态信号采集仪的信号输出端接 入计算机的信号输入端。
本发明的优点结构简单，便于制造、维护和使用，具有良好的推广价 值；其测量原理基于弹性物体的广义胡克定律，能实时、精确地测量并记录 碰擦接触过程中碰擦力随时间的动态变化；可测量船舶与闸墙碰擦发生过程 中的接触时间；可测量船舶碰擦闸墙前航行速度沿垂直闸墙方向的分量，结 合船载速度计可计算出沿与闸墙平行方向的速度分量，以及碰擦发生前船舶 的航行方向与闸墙所成角度；以上通过测量获得的数据可全面反映船舶与闸 墙碰擦过程中的动态力学过程，为船闸结构设计和墙面混凝土强度指标设计 提供可靠依据。
附图1是本发明系统结构示意图。
附图2是动态信号采集仪的结构示意图。
附图3是本发明碰擦力测试装置的三视图。其中，图3-l是碰擦力测试装置 正视图，图3-2是碰擦力测试装置侧视图，图3-3是碰擦力测试装置俯视图。 附图4是船行法向速度测量杆的结构示意图。
附图5是弹性体上应变传感器的布置图。其中，图5-1是弹性体圆柱面展开 图，图5-2是测量垂直墙面方向碰擦力的桥路连线图，图5-3是测量水平方 向碰擦力的桥路连线图。
附图6是某一次碰擦试验的实测结果曲线。其中，图6-l是垂直 墙面方向的 碰擦力随时间的变化曲线图，图6-2是水平方向的碰擦力随时间的变化曲线图，图6-3是船行法向速度测量杆的压力传感器记录的压力值随时间的变化
曲线图。
图中1是计算机，2是动态信号采集仪，3是碰擦力测试装置，4是船行 法向速度测量杆，5是电流信号输出模块，6是计算模块，7是计算机控制软 件，8是弹性体，9是撞击面板，IO是保护面板，ll是压条，12 19是应变 传感器，20是压力传感器，21是内置压簧，22是碰撞杆芯，23是环形导轨， 24是保护垫板，25是杆套，26是定滑轮。
具体实施例方式
船舶对闸墙碰擦力测试系统的工作原理是，位于弹性体8表面上的应变 传感器的电阻变化可以反映弹性体8的应变，利用电桥输出模拟应变传感器 微小电阻变化的电信号，从而确定弹性体8在一定荷载下的应变，然后通过 在软件系统中设置弹性体8的应变与荷载的关系系数，可以自动计算出弹性 体8承受的荷载。将同一时刻所有弹性体承受的荷载进行叠加，就能获得整 个撞机面板9上所承受的总荷载。
如图1所示，船舶对闸墙碰擦力测试系统的结构包括计算机l、动态信 号采集仪2、设置于测试区域的碰擦力测试装置3和船行法向速度测量杆4， 其中碰擦力测试装置3的信号输出端接入动态信号采集仪2的第一信号输入 端，船行法向速度测量杆4的信号输出端接入动态信号采集仪2的第二信号 输入端，接收动态信号采集仪2的信号输出端接入计算机1的信号输入端。
如图2所示，动态信号采集仪是以计算机为基础、智能化的动态信号测 试分析系统，包括电流信号输出模块5、计算模块6、计算机控制软件7，其 中弹性体表面上的8个应变传感器和船行法向速度测量杆中的压力传感器的输出/输入端分别与电流信号输出模块5的输入/输出端对应相接，电流信号
输出模块5的输出端与计算模块6输入端相接，计算模块6输出端连接计算 机控制软件7。
如图3所示，碰擦力测试装置3的结构由用来测量应变值的多个弹性体 8、撞击面板9、保护面板IO、压条11和定滑轮26组成，其中压条ll固定 在闸墙上，保护面板10通过螺栓与压条11连接，每个弹性体8的两个端部 都通过螺栓分别与撞击面板9和保护面板10连接，保护面板10通过定滑轮 26调节设置高度。碰擦力测试装置3中的撞击面板9，其厚度^lcm，并在 其背面焊接多根窄钢条作为加强梁，以保证其具有足够的刚度；由于船舶操 纵不灵活，撞击点不易控制，因而撞击面板9的平面尺寸^100cmX100cm; 为了使撞击面板9的高度满足船舷的高度要求，碰擦力测试装置3中除压条 11和定滑轮26以外的部件，应综合考虑水位和各种船型尺度，设置于测试 区域闸墙一定高度处，压条11长度^150cm，其上每间隔lOcrn设置一个螺 栓孔，保护面板10可通过定滑轮26调节设置高度，调节的范围^50cm，当 调节到合适位置时可通过螺栓与压条11连接并固定；可根据不同等级船闸 和船型研究的需要，通过改变弹性体8的数量来改变装置的量程。
于此实施例中，撞击面板9和保护面板10之间设置有九个弹性体8，其 布置形式如图3所示。弹性体8表面布置八个应变传感器12 19，其中应变 传感器12 15沿轴向布置，应变传感器16 19沿环向布置，应变传感器12 19通过电桥构架Wl和W2与动态信号采集仪2相连。图5-1是弹性体8圆柱 面展开图，其上布置着应变传感器12 19。
如图4所示，船行法向速度测量杆4，其结构包括压力传感器20、内置压簧21、碰撞杆芯22、环形导轨23、保护垫板24及杆套25，其中压力传 感器20的一端与保护垫板24的一端相接，压力传感器20的输出端与动态 信号采集仪的输入端相连，保护垫板24的另一端与碰撞杆芯22相接，环形 导轨23连接在杆套25上，保护垫板24的二端间是内置压簧21，碰撞杆芯 22在杆套25内；图中A点是碰撞杆芯22的初始位置，在受到船舶撞击后， 碰撞杆芯22开始向杆套25内收縮，当船舶碰到撞击面板9后，碰撞杆芯22 停止收縮，此时碰撞杆芯22的外缘仍未到达B点，以保护压力传感器20和 内置压簧21。
如图5-2所示，电桥构架Wl中四个沿弹性体8轴向布置的应变传感器 12 15和四个沿弹性体8环向布置的应变传感器16 19组成电桥电路，是 用于测量碰擦力在垂直闸墙方向分力的电桥构架。应变传感器12与14串联， 16与18串联，两条桥路分支相接于接点a;应变传感器13与15串联，17 与19串联，两条桥路分支相接于接点c，接点a与接点c之间供给特定的电 压，a为电压输入端，c为电压输出端；应变传感器12和14分支的另一端 与17和19分支的另一端相接于接点b， 16和18分支的另一端与13与15 分支的另一端相接于接点d，接点b和接点d分别与接点c存在相对电位差。 当船舶碰擦撞击面板9时，各应变传感器的电阻发生改变，使上述接点b与 接点c、接点d与接点c的相对电位差均发生改变，从而在接点b与d之间 形成可量测的电压变化，使电桥构架W1产生可以感测的电压变化量。
如图5-3所示，电桥构架W2中4个沿弹性体8环向布置的应变传感器 16 19组成电桥电路，是用于测量碰擦力在平行闸墙方向分力的电桥构架。 应变传感器16与18的一端相接于接点a， 17与19相接于接点c，接点a与接点C之间供给特定的电压，a为电压输入端，C为电压输出端；应变传 感器15与17相接于接点b， 18与19相接于接点d，接点b和接点d分别与 接点c存在相对电位差。当船舶碰擦撞击面板9时，各应变传感器的电阻发 生改变，使上述接点b与接点c、接点d与接点c的相对电位差均发生改变， 从而在接点b与d之间形成可量测的电压变化，使电桥构架W2产生可以感 测的电压变化量。
船舶对闸墙碰擦力测试方法，其特征是在船舶与闸墙之间设置碰擦力测 试装置3，碰擦力设置装置内部布置九个(根据研究船型的大小、速度来确 定，如果船型较大，数量可增多，即增大装置的量程)弹性体8，当船舶通 过撞击面板9撞击弹性体8时，通过动态信号采集仪2测量每个弹性体8表 面应变传感器12 19组成的桥路的电压变化量；根据事先进行的各个桥路 灵敏度的标定结果，分别得到电压变化量与弹性体8所承担的水平向和法向 碰擦力的关系系数；将关系系数与电压变化量进行乘积，获得每个弹性体8 在各个时刻所承担的水平向和法向的荷载；将同一时刻九个弹性体8在相同 方向上的荷载分别进行叠加，就能精确获得碰擦力在水平向和法向的值。法 向碰擦力从瞬时t。开始增大，在瞬时、达到最大值后开始减小，在瞬时12减 小到0，所经过的时间t-"-t。就是碰擦接触的时间历程。式中，~、《'分别是第叶弹性体8所承担的水平向和法向的荷载；、 和、'分别是第''个弹性体8在水平向和法向，其承担的荷载与电压改变量的
关系系数；A^和A&分别是第z'个弹性体8承受荷载后，在电桥构架W2和
电桥构架W1上的电压改变量；F、 ^分别是碰擦力沿水平向和法向的分力。 本发明中，船行法向速度测量杆4用于测量船舶碰擦闸墙前垂直闸墙方 向的速度分量。船舶在与撞击面板9碰擦之前，先接触到船行法向速度测量 杆4的碰撞杆芯22，此时连接于动态信号采集仪2的压力传感器20开始检 测到内置压簧21上的压力，该压力值在船舶与撞击面板接触前不断增大； 当船舶与撞击面板9接触时，船舶无法继续前进，因而不再压縮内置压簧21, 此时内置压簧21的压力达到最大；当船舶碰撞弹回时，内置压簧21开始伸 张，直至恢复初始状态，该过程中压力传感器20检测到的压力值不断减小 直至0;动态信号采集仪2将采集到的内置压簧21的压力变化过程输入到计 算机1;计算机1计算压力开始增大瞬时t'。与压力达到最大值瞬时t;之间所 经过的时间t'-t; -t;;碰撞杆芯22外缘与撞击面板9在垂直闸墙方向的距离 一定，因而碰撞杆芯22的压縮距离￡一定，即可得到船舶碰擦撞击面板9 前垂直闸墙方向的速度分量v^i/r。由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面
板前的合速度v，即可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量^=7^ ，
船行方向与闸墙所成角度6> = ""&" /v2)。
本发明的具体实施过程2008年2月29日在邵伯船闸开展了现场测试。 将碰擦力测试装置3固定于上游引航道第一个靠船墩正面，船行法向速度测 量杆4固定于靠船墩的侧面，与撞击面板9垂直；将动态信号采集仪2分别 与九个弹性体8的应变传感器12 19、压力传感器20、以及计算机1相连。 其中，动态信号采集仪2的型号为LMS CADA-X、弹性体的型号为CL-YB-1/20T、 应变传感器的型号为BF(BA)200-6AA、压力传感器20的型号为m153251。
船行法向速度测量杆4的碰撞杆芯22的压縮距离丄取10cm。让船舶以
10一定角度和速度碰擦撞击面板9，计算机1输出并f」录整个撞击接触过程中 碰擦力的变化，以及压力传感器2('检测到的压力值随时间的变化。
在某一次碰擦试验中，某船舶总吨位为600t，共使用了九个弹性体进行 测量。在某一时刻(附图6中t-1.50s)的法向和水平向的撞击力计算过程如 下
传感器编号Ii23456789
11.2866815.62515.1975715.8227S15—1515215-5279515.1515215.8730215.47988
、(mV/kN)81.7661582.8500484.0336184.0336181.9672184.9S17782.3045383.6120482.78146
-0.322260.029299-0.230710篇545-9.770512.871094-0.330240.059126 0.38639
0.12207-0.042720.034179,7602541.684572.0153810.077161-0.242030.27759S
CkN)-3. 63730. 4578-3. 50630. 1352-148.03844. 5822-5. 00360. 9385-5. 9812
& = 、AR, (kN)9. 9812-3.53972.8722147.9205138.0795171.23036. 3507-20.236822. 98
由上表得，f,J&, =-I20.053kN; =|X"75.6379KN
结合图6-1、 6-2,可知在t。-1.096s时刻，碰擦接触开始，弹性体中应 变传感器记录的撞击力绝对值从0开始增大；在、=.5025时撞击力达到峰值 后开始减小；在12 =1.9595时，接触停止，撞击力减小到0。可计算得到碰擦 接触总时间历程为t = t2 -1。 =1.959 -1.0% = 0.863s 。
结合图6-3，可知在t'。-0.145s时刻，船舶开始接触到船行法向速度测 量杆的碰撞杆芯，压力传感器记录的压力值从O开始增大；在t;-1.096s时， 船舶幵始接触到撞击面板，此时碰撞杆芯几乎不再被压缩；在t:.096 1.959s
11之间，船舶处于与撞击面板接触的过程中，该时段内由于碰擦力测试装置的 微弱变形导致了压力传感器记录的压力值有细微变化；从t'-1.959s开始，船 舶从撞击面板反弹开来，此时石並撞杆芯开始恢复初始状态，压力传感器记录 的压力值逐渐减小直到0。可计算得到碰撞杆芯完成压縮距离Z所需的时间<formula>formula see original document page 12</formula>船舶碰擦撞击面板前垂直闸墙方向的速度分量 <formula>formula see original document page 12</formula>由船载速度计可得到船舶碰擦撞击面板前的合速 度v-10.9cm/s ，可计算船舶沿与闸墙平行方向的速度分量 <formula>formula see original document page 12</formula> 船行方向与闸墙所成角度 ^ <formula>formula see original document page 12</formula>
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同。
权利要求
1、船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是包括设置于测试区域的碰擦力测试装置、船行法向速度测量杆，用于采集碰擦力测试装置和船行法向速度测量杆所得信号的动态信号采集仪，用于接收动态信号采集仪输出的数据并进行处理的计算机；其中碰擦力测试装置的信号输出端接入动态信号采集仪的第一信号输入端，船行法向速度测量杆的信号输出端接入动态信号采集仪的第二信号输入端，动态信号采集仪的信号输出端接入计算机的信号输入端。
2、 根据权利要求1所述的船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是所述 的碰擦力测试装置由用来测量应变值的多个弹性体、撞击面板、保护面板、 压条和定滑轮组成，其中压条固定在闸墙上，保护面板通过螺栓与压条连接， 弹性体的两个端部通过螺栓分别与撞击面板和保护面板连接。每个弹性体表 面布置8个应变传感器，其中4个应变传感器沿着轴向布置，4个应变传感 器沿着环向布置，8个应变传感器组成电桥构架与动态信号采集仪相连。
3、 根据权利要求1或2所述的船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是 所述的碰擦力测试装置中压条长度^150cm，压条上间隔10cm设置一个螺栓 孔，保护面板通过定滑轮调节设置高度，高度调节范围^50cm，当调节到合 适位置时可通过螺栓与压条连接并固定。
4、 根据权利要求1或2所述的船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是 所述的碰擦力测试装置中的撞击面板，厚度^lcm，平面尺寸^100cmX lOOcm，并在其背面焊接多根窄钢条，作为提高撞击面板刚度的加强梁。
5、 根据权利要求1所述的船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是所述的动态信号采集仪包括电流信号输出模块、计算模块、计算机控制软件，其中弹性体表面的8个应变传感器和船行法向速度测量杆中的压力传感器的输出/输入端分别与电流信号输出模块的输入/输出端对应相接，电流信号输出 模块的输出端与计算模块输入端相接，计算模块输出端连接计算机控制软 件。
6、根据权利要求1所述的船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是所述 的船行法向速度测量杆包括压力传感器、内置压簧、碰撞杆芯、环形导轨、 保护垫板及杆套，其中压力传感器的一端与保护垫板的一端相接，压力传感 器的输出端与动态信号采集仪的输入端相连，保护垫板的另一端与碰撞杆芯 相接，环形导轨连接在杆套上，保护垫板的二端间是内置压簧，碰撞杆芯在 杆套内。
全文摘要
本发明涉及一种船舶对闸墙碰擦力测试系统，其特征是包括设置于测试区域的碰擦力测试装置、船行法向速度测量杆；用于采集碰擦力测试装置和船行法向速度测量杆所得信号的动态信号采集仪；用于接收动态信号采集仪输出的数据并进行处理的计算机。本发明能在测试过程中，精确地测量并记录船舶与闸墙碰擦接触时间、碰擦过程中碰擦力的动态变化以及接触前船舶的法向速度，结合船载速度计可计算出碰擦发生前航行方向与闸墙所成的角度。本发明结构简单，制造、维护、使用方便，可作为船舶对闸墙碰擦力研究的工具，为船闸设计建造、维护管理过程中，闸墙混凝土的强度指标和配比设计提供依据。
文档编号G01L5/00GK101672708SQ20091003536
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者储兴隆, 刘曙明, 刘永玉, 廖迎娣, 沙夕斌, 王爱民, 达 陈, 陈红旗 申请人:江苏省扬州市航道管理处;河海大学;南京河海科技有限公司