專利名稱：船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是測量船舶對閘墻碰擦力的測試系統(tǒng)，屬于測試儀器技術
領域。
背景技術：
船舶通過船閘時容易與閘墻發(fā)生碰擦，由于船舶噸位較大，即使碰擦速
度很小，也會產(chǎn)生較大的沖擊力，導致閘墻表面混凝土開裂、剝落，甚至發(fā)
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于動量定理，計算公式
中涉及到碰擦前后船舶的速度、方向，以及船舶的質(zhì)量和碰擦接觸的時間歷
程，這些變量的取值往往是依據(jù)經(jīng)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墻的影響，無法為船
閘結構設計和墻面混凝土強度指標設計提供可靠依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)行技術的不足，提供一種船舶對閘墻碰擦力測試 系統(tǒng)，應用本發(fā)明能精確地測量并記錄船舶與閘墻碰擦接觸時間、碰擦過程 中碰擦力的動態(tài)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(fā)生前航行方向與閘墻所成的角度。
本發(fā)明的技術解決方案船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是包括設 置于測試區(qū)域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量桿，用于采集碰擦力測 試裝置和船行法向速度測量桿所得信號的動態(tài)信號采集儀，用于接收動態(tài)信 號采集儀輸出的數(shù)據(jù)并進行處理的計算機；其中碰擦力測試裝置的信號輸出端接入動態(tài)信號采集儀的第一信號輸入端，船行法向速度測量桿的信號輸出 端接入動態(tài)信號采集儀的第二信號輸入端，動態(tài)信號采集儀的信號輸出端接 入計算機的信號輸入端。
本發(fā)明的優(yōu)點結構簡單，便于制造、維護和使用，具有良好的推廣價 值；其測量原理基于彈性物體的廣義胡克定律，能實時、精確地測量并記錄 碰擦接觸過程中碰擦力隨時間的動態(tài)變化；可測量船舶與閘墻碰擦發(fā)生過程 中的接觸時間；可測量船舶碰擦閘墻前航行速度沿垂直閘墻方向的分量，結 合船載速度計可計算出沿與閘墻平行方向的速度分量，以及碰擦發(fā)生前船舶 的航行方向與閘墻所成角度；以上通過測量獲得的數(shù)據(jù)可全面反映船舶與閘 墻碰擦過程中的動態(tài)力學過程，為船閘結構設計和墻面混凝土強度指標設計 提供可靠依據(jù)。


附圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖。
附圖2是動態(tài)信號采集儀的結構示意圖。
附圖3是本發(fā)明碰擦力測試裝置的三視圖。其中，圖3-l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桿的結構示意圖。
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是測量垂直墻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 墻面方向的 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桿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(tài)信號采集儀，3是碰擦力測試裝置，4是船行 法向速度測量桿，5是電流信號輸出模塊，6是計算模塊，7是計算機控制軟 件，8是彈性體，9是撞擊面板，IO是保護面板，ll是壓條，12 19是應變 傳感器，20是壓力傳感器，21是內(nèi)置壓簧，22是碰撞桿芯，23是環(huán)形導軌， 24是保護墊板，25是桿套，26是定滑輪。
具體實施例方式
船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)的工作原理是，位于彈性體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，然后通過 在軟件系統(tǒng)中設置彈性體8的應變與荷載的關系系數(shù)，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，船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)的結構包括計算機l、動態(tài)信 號采集儀2、設置于測試區(qū)域的碰擦力測試裝置3和船行法向速度測量桿4， 其中碰擦力測試裝置3的信號輸出端接入動態(tài)信號采集儀2的第一信號輸入 端，船行法向速度測量桿4的信號輸出端接入動態(tài)信號采集儀2的第二信號 輸入端，接收動態(tài)信號采集儀2的信號輸出端接入計算機1的信號輸入端。
如圖2所示，動態(tài)信號采集儀是以計算機為基礎、智能化的動態(tài)信號測 試分析系統(tǒng)，包括電流信號輸出模塊5、計算模塊6、計算機控制軟件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桿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 機控制軟件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IO、壓條11和定滑輪26組成，其中壓條ll固定 在閘墻上，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(diào)節(jié)設置高度。碰擦力測試裝置3中的撞擊面板9，其厚度^lcm，并在 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；由于船舶操 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，設置于測試 區(qū)域閘墻一定高度處，壓條11長度^150cm，其上每間隔lOcrn設置一個螺 栓孔，保護面板10可通過定滑輪26調(diào)節(jié)設置高度，調(diào)節(jié)的范圍^50cm，當 調(diào)節(jié)到合適位置時可通過螺栓與壓條11連接并固定；可根據(jù)不同等級船閘 和船型研究的需要，通過改變彈性體8的數(shù)量來改變裝置的量程。
于此實施例中，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12 19，其中應變 傳感器12 15沿軸向布置，應變傳感器16 19沿環(huán)向布置，應變傳感器12 19通過電橋構架Wl和W2與動態(tài)信號采集儀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12 19。
如圖4所示，船行法向速度測量桿4，其結構包括壓力傳感器20、內(nèi)置壓簧21、碰撞桿芯22、環(huán)形導軌23、保護墊板24及桿套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(tài) 信號采集儀的輸入端相連，保護墊板24的另一端與碰撞桿芯22相接，環(huán)形 導軌23連接在桿套25上，保護墊板24的二端間是內(nèi)置壓簧21，碰撞桿芯 22在桿套25內(nèi)；圖中A點是碰撞桿芯22的初始位置，在受到船舶撞擊后， 碰撞桿芯22開始向桿套25內(nèi)收縮，當船舶碰到撞擊面板9后，碰撞桿芯22 停止收縮，此時碰撞桿芯22的外緣仍未到達B點，以保護壓力傳感器20和 內(nèi)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 12 15和四個沿彈性體8環(huán)向布置的應變傳感器16 19組成電橋電路，是 用于測量碰擦力在垂直閘墻方向分力的電橋構架。應變傳感器12與14串聯(lián)， 16與18串聯(lián)，兩條橋路分支相接于接點a;應變傳感器13與15串聯(lián)，17 與19串聯(lián)，兩條橋路分支相接于接點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分支的另一端相接于接點b， 16和18分支的另一端與13與15 分支的另一端相接于接點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(fā)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(fā)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W1產(chǎn)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(huán)向布置的應變傳感器 16 19組成電橋電路，是用于測量碰擦力在平行閘墻方向分力的電橋構架。 應變傳感器16與18的一端相接于接點a， 17與19相接于接點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相接于接點b， 18與19相接于接點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(fā) 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(fā)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(chǎn)生可以感 測的電壓變化量。
船舶對閘墻碰擦力測試方法，其特征是在船舶與閘墻之間設置碰擦力測 試裝置3，碰擦力設置裝置內(nèi)部布置九個(根據(jù)研究船型的大小、速度來確 定，如果船型較大，數(shù)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(tài)信號采集儀2測量每個彈性體8表 面應變傳感器12 19組成的橋路的電壓變化量；根據(jù)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 碰擦力的關系系數(shù)；將關系系數(shù)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、達到最大值后開始減小，在瞬時12減 小到0，所經(jīng)過的時間t-"-t。就是碰擦接觸的時間歷程。式中，~、《'分別是第葉彈性體8所承擔的水平向和法向的荷載；、 和、'分別是第''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
關系系數(shù)；A^和A&分別是第z'個彈性體8承受荷載后，在電橋構架W2和
電橋構架W1上的電壓改變量；F、 ^分別是碰擦力沿水平向和法向的分力。 本發(fā)明中，船行法向速度測量桿4用于測量船舶碰擦閘墻前垂直閘墻方 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 桿4的碰撞桿芯22，此時連接于動態(tài)信號采集儀2的壓力傳感器20開始檢 測到內(nèi)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(xù)前進，因而不再壓縮內(nèi)置壓簧21, 此時內(nèi)置壓簧21的壓力達到最大；當船舶碰撞彈回時，內(nèi)置壓簧21開始伸 張，直至恢復初始狀態(tài)，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(tài)信號采集儀2將采集到的內(nèi)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(jīng)過的時間t'-t; -t;;碰撞桿芯22外緣與撞擊面板9在垂直閘墻方向的距離 一定，因而碰撞桿芯22的壓縮距離￡一定，即可得到船舶碰擦撞擊面板9 前垂直閘墻方向的速度分量v^i/r。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墻平行方向的速度分量^=7^ ，
船行方向與閘墻所成角度6> = ""&" /v2)。
本發(fā)明的具體實施過程2008年2月29日在邵伯船閘開展了現(xiàn)場測試。 將碰擦力測試裝置3固定于上游引航道第一個靠船墩正面，船行法向速度測 量桿4固定于靠船墩的側面，與撞擊面板9垂直；將動態(tài)信號采集儀2分別 與九個彈性體8的應變傳感器12 19、壓力傳感器20、以及計算機1相連。 其中，動態(tài)信號采集儀2的型號為LMS CADA-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。
船行法向速度測量桿4的碰撞桿芯22的壓縮距離丄取10cm。讓船舶以
10一定角度和速度碰擦撞擊面板9，計算機1輸出并f」錄整個撞擊接觸過程中 碰擦力的變化，以及壓力傳感器2('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
傳感器編號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
結合圖6-1、 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、=.5025時撞擊力達到峰值 后開始減?。辉?2 =1.9595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 -1。 =1.959 -1.0% = 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 量桿的碰撞桿芯，壓力傳感器記錄的壓力值從O開始增大；在t;-1.096s時， 船舶幵始接觸到撞擊面板，此時碰撞桿芯幾乎不再被壓縮；在t:.096 1.959s
11之間，船舶處于與撞擊面板接觸的過程中，該時段內(nèi)由于碰擦力測試裝置的 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，此時石並撞桿芯開始恢復初始狀態(tài)，壓力傳感器記錄 的壓力值逐漸減小直到0?？捎嬎愕玫脚鲎矖U芯完成壓縮距離Z所需的時間<formula>formula see original document page 12</formula>船舶碰擦撞擊面板前垂直閘墻方向的速度分量 <formula>formula see original document page 12</formula>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 ，可計算船舶沿與閘墻平行方向的速度分量 <formula>formula see original document page 12</formula> 船行方向與閘墻所成角度 ^ <formula>formula see original document page 12</formula>
本發(fā)明中涉及的未說明部份與現(xiàn)有技術相同。
權利要求
1、船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是包括設置于測試區(qū)域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量桿，用于采集碰擦力測試裝置和船行法向速度測量桿所得信號的動態(tài)信號采集儀，用于接收動態(tài)信號采集儀輸出的數(shù)據(jù)并進行處理的計算機；其中碰擦力測試裝置的信號輸出端接入動態(tài)信號采集儀的第一信號輸入端，船行法向速度測量桿的信號輸出端接入動態(tài)信號采集儀的第二信號輸入端，動態(tài)信號采集儀的信號輸出端接入計算機的信號輸入端。
2、 根據(jù)權利要求1所述的船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是所述 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，其中壓條固定在閘墻上，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(huán)向布置，8個應變傳感器組成電橋構架與動態(tài)信號采集儀相連。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是 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(diào)節(jié)設置高度，高度調(diào)節(jié)范圍^50cm，當調(diào)節(jié)到合 適位置時可通過螺栓與壓條連接并固定。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是 所述的碰擦力測試裝置中的撞擊面板，厚度^lcm，平面尺寸^100cmX lOOcm，并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(jù)權利要求1所述的船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是所述的動態(tài)信號采集儀包括電流信號輸出模塊、計算模塊、計算機控制軟件，其中彈性體表面的8個應變傳感器和船行法向速度測量桿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 件。
6、根據(jù)權利要求1所述的船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是所述 的船行法向速度測量桿包括壓力傳感器、內(nèi)置壓簧、碰撞桿芯、環(huán)形導軌、 保護墊板及桿套，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(tài)信號采集儀的輸入端相連，保護墊板的另一端與碰撞桿芯 相接，環(huán)形導軌連接在桿套上，保護墊板的二端間是內(nèi)置壓簧，碰撞桿芯在 桿套內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種船舶對閘墻碰擦力測試系統(tǒng)，其特征是包括設置于測試區(qū)域的碰擦力測試裝置、船行法向速度測量桿；用于采集碰擦力測試裝置和船行法向速度測量桿所得信號的動態(tài)信號采集儀；用于接收動態(tài)信號采集儀輸出的數(shù)據(jù)并進行處理的計算機。本發(fā)明能在測試過程中，精確地測量并記錄船舶與閘墻碰擦接觸時間、碰擦過程中碰擦力的動態(tài)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(fā)生前航行方向與閘墻所成的角度。本發(fā)明結構簡單，制造、維護、使用方便，可作為船舶對閘墻碰擦力研究的工具，為船閘設計建造、維護管理過程中，閘墻混凝土的強度指標和配比設計提供依據(jù)。
文檔編號G01L5/00GK101672708SQ20091003536
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者儲興隆, 劉曙明, 劉永玉, 廖迎娣, 沙夕斌, 王愛民, 達 陳, 陳紅旗 申請人:江蘇省揚州市航道管理處;河海大學;南京河?？萍加邢薰?