纵流艏船舶测深仪使用效能研究

周必君，张云军，潘如亚，王克义，刘 佳，肖 云，田雪莲，倪敏，孙昌林，潘虹

（长江南京航道局，南京 210011）

纵流艏船舶测深仪使用效能研究

周必君，张云军，潘如亚，王克义，刘 佳，肖 云，田雪莲，倪敏，孙昌林，潘虹

（长江南京航道局，南京 210011）

长江航道系统的航标船大多采用纵流艏船型，由于其型线的特殊性，使得装在船底的测深仪，在航速大于5km/h时，即不能正常工作显示水深。本课题主要从流体力学、测深原理和船体结构等诸方面进行研究，研制了特殊的组合机构，解决了上述问题，使得测深仪在各种工况下均能准确测量航道，对同类船的改造提供了指导和依据。

纵流艏船舶；测深；升降装置；导流罩结构

0 引言

长江南京航道局所属辖区上自江西省上巢湖，下至江苏省浏河口，总计航道维护里程1977.9公里，辖区内航道多变复杂。航道维护、整治、测量、布标等工作非常繁重，长江中下游航标艇的工作任务主要是担负航道内的航标维修、航标移位、航标损坏更换、航标布设等工作。

目前长江南京航道局的主力航标船型是40m级长江A型航标工作船。航标船上均装备有测深仪，目前该船型航标船上安装的测深仪有二种安装方式：一种是舷边安装方式：这种方式由于船舶每天频繁靠离航标，易碰损不安全，航行中易受外界航行船舶的影响，拆卸维修不方便，船员工作量大，属于一种应急的使用方法。另一种方式是安装在船体底部（舯前）。目前有15艘航标船的测深仪安装在船底，由于该型船采用纵流艏船型，船底水流比较紊乱，测深仪受此影响，超声波无法穿越，从而使得测量数据紊乱错误，有时无法显示水深。这不仅影响航行船舶的安全，也影响自身船舶的安全。效率低下的测量工作不能满足航道维护工作的需要，导致航道不通畅、航行不安全、船舶通过率少，从而影响船舶年运输量，严重影响沿江经济的发展。

1 研究思路与路径

装在纵流艏船型航标船船底的测深仪在航速大于5km/h时，就不能准确显示水深或无法显示水深，其主要原因是测深仪的超声波不能有效地穿透水层并反射回来，或是超声波受到干扰而改变方向，导致反射时间延长。

一台功能正常的测深仪在水下静速（V=0）和规定的测深范围内（如通常0.2m～200m），均能够显示准确的水深。如果安装后不能正常工作，很可能是船体周围的流场对其产生了影响，船体周围的流速和船体线型都会影响流场。安装测深仪的船体周围如果有孔、洞也会对流场产生影响，会产生旋涡。另外测深仪安装位置应位于设计水线以下一定深度（300mm～500mm），因为水面附近有波浪、船舶摇摆会吸入空气而产生气泡。

因此测深仪不能准确显示的因素主要是：1）紊流；2）波浪；3）旋涡；4）气泡。本研究的总体思路就是要消除上述因素的影响，采取的方法有以下两种：

1）改善测深仪周围的流场，使水流尽可能平顺地（减少旋涡）通过换能器位置，也即采用导流装置；

2）采用升降装置，测量时换能器直接升出船底，脱离船体表面边界层中紊流区的影响，确保换能器不受干扰地工作。

本课题以典型船舶长江40米级A型航标船作为对象，进行全过程研究，该型船的总布置图如图1所示。

主要研究路径为：1）实船调查，数据分析；2）船舶流场分析；3）升降机构研究与设计；4）导流罩及船体结构设计；5）现场安装调试；6）实测试验共六个阶段。

2 升降机构设计

2.1 升降原理

本升降机构采用液压传动方式，该装置具有重量轻、结构紧凑、传动平稳、可实现无级变速、自动化程度高等特点。升降机构由五大部分组成：

1）机械部分：由连接板、过度轴、压盖、活动杆、筒体、衬套（上、下）套筒等零部件组成。

2）压控制部分：由电动机、柱塞泵、电动比列换向阀、油缸和安全阀等零部件组成。

3）电气控制部分：由电机控制电路、电控比例换向阀放大电路、限位开关电路、电控箱、远程控制面板、显示器和控制手柄等零部件组成。

4）上下限位安全控制部分：由安全阀、上下限位装置、应急手动油泵、换向阀等零部件组成。

5）测深仪换能器位置监测部分：由测距传感器、电路、控制板显示器等零部件组成。

升降机构的动力源由液压泵站提供，电机通过联轴器装置直接驱动轴向柱塞泵，通过液压系统传递到液压油缸，将机械能转换为液压油的压力能，从而带动油缸盖上下移动，将液体压力能转化为机械能，驱动活动杆上下移动，起到测深仪换能器可上下调节位置的作用。换能器安装系统图如图2所示。

图1 长江40米级A型航标船总布置图

图2 换能器安装系统图

2.2 液压设计

液压系统主要由动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀门）、辅助元件（管路等）和工作介质（液压油）等五大部分组成。液压系统设计的原则：系统安全可靠、设备选型优化、便于与自动控制系统配合、检修方便。

2.3 结构设计

本设备结构部分主要有衬套、筒体、活动杆等组成。结构部分设计的原则：保证结构强度、重量轻、体积小、制作工艺简单、水密性号、易于维护和检修。

2.4 电气设计

电气部分主要分为主体设备控制部分、上下限位安全控制部分以及换能器位置监测部分。电气设计思路：尽可能提高系统控制的自动化水平，保证系统的安全可靠、操作简便，且易于集中控制。

3 导流罩设计

导流罩的作用除上述所述引导平顺流场外还起着保护测深仪换能器的作用，平时不测量时还能防止外界浮物对测深仪换能器碰撞。导流罩结构图如图 3所示。

导流罩外形采用双向流线的类似“水滴形”罩壳，尽可能提高导流效果，同时尽量减小阻力。

导流罩结构在主船体施工完毕后，现场安装焊接，安装前内部隔板要按型线放样，面板要预先施压或火工成型，检验后在船上分片施焊，确保流线顺畅、表面平整光滑。

图3 导流罩结构图

4 实船测量试验

该测量试验于2014年11月在40米A级航标船上进行，航区为长江镇江扬中段，航道水深约 20m。当换能器升出船底230mm时，测量记录如表1所示。实船测量表明测深仪工作正常，各速度段内数据偏差较小，数据收敛。

表1 换能器升出船底230mm时的测量记录

5 效益评估

5.1 经济效益

40米级长江 A型航标船船员 10人，主机油耗0.21kg/kW·h，改造前工作航速V=5km/h（大于 5km/h不显示水深），改造后工作航速V=20km/h。每年52周，每周进行一次航标连线测量，如新港处其主航道里程为35.5公里程，共需4趟，其测量程为52×35.5×4=7384公里。另外还要进行辅助航道、桥区航道及航道草测，因为无规律固无法统计，这里不予计算。

现统一按照7384km里程计算比较，直接经济效益如表2所示。由表格数据可见，改造后效率提高4倍，单艘船每年可节约成本30.459万元，若合计15艘船可节约成本456.885万元。改造后的船舶还将产生巨大的间接经济效益：如应急情况下测量，战洪、枯水期的应急任务等，耗时短，效率高，可按时完成。

表2 改造后的经济效益表（按7384km里程计算）

5.2 社会效益

纵流船首型航标船测深仪安装方案改造成功，将极大地改变目前长江下游航道的布标、测量现状。测量效率的大大提高显著加快了单日的测量工作量、加快了水运物流的速度，同时能满足应急测量工程的需要，保障过往船舶和自身船舶安全，对加快黄金水道的建设，促进社会经济的发展起到积极作用。

6 结束语

该课题的研发解决了纵流艏船舶的测深仪不能正常工作的技术难题，达到了预期的目的和效果，对于几十艘同类船舶的改造具有指导意义和示范作用。目前该课题已申请专利。

[1] 许维德. 流体力学[M]. 北京: 国防工业出版社, 1979.

[2] 杨可桢. 机械设计基础. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[3] 张利平. 液压控制系统及设计. 北京: 化学工业出版社, 2006.

Study on the Using Efficiency of Sounder for the Longitudinal-flow Bow Ship

ZHOU Bi-jun, ZHANG Yun-jun, PAN Ru-ya, WANG Ke-yi, LIU Jia, XIAO Yun,TIAN Xue-lian, NI Min, SUN Chang-lin, PAN Hong
(Changjiang Nanjing Waterway Bureau, Nanjing 210011, China)

Changjiang Waterway system mostly uses ships with longitudinal-flow bow as beacon vessel.Due to the particularity of its lines, the sounder which is installed at the bottom cannot work normally when the vessel speed is more than 5km/h. This topic mainly researches several aspects as fluid mechanics, the sounding principle and the hull structure etc. The special combined mechanism is then designed according to the research and the above mentioned problem is thus solved. The sounder can accurately measure the channel under various conditions. This article will provide guidance and basis to similar ship.

ship withlongitudinal-flow bow; sounding; lifting gear; dome structure

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.010

周必君（1978-），本科，高级经济师，研究方向：船舶管理、船舶建造、船舶修理。