气垫船刮水器的选择与优化设计

庞景昊 赵曼莉 潘俊宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

气垫船刮水器的选择与优化设计

庞景昊 赵曼莉 潘俊宇

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

气垫船在航行以及登滩、退滩过程中，长期处于水雾、泥沙等恶劣环境中。为确保驾驶员良好的操控视野，刮水器已成为船上必不可少的设备，其工作可靠性也将直接影响航行的安全性。文章通过对气垫船刮水器使用情况的分析研究，结合长期实船使用经验，梳理出刮水器在选型时需注意的事项，并根据气垫船刮水器特殊的使用环境，对其进行相应的优化设计，以满足在多变环境下的使用需求。

气垫船；刮水器；使用环境；优化设计

引 言

气垫船作为一种高性能船舶，由于其特殊性，在垫升、航行过程中长期处于水雾之中，因此，刮水器是气垫船上非常重要的助航设备，直接影响航行安全。气垫船设计时需针对船型、使用环境等因素对刮水器进行选型，并对相关部件及功能进行针对性优化改进，从而满足气垫船特殊的使用环境，提高其工作可靠性。

1 船用刮水器分类

船用刮水器根据刮扫形式可分为平移式刮水器和扇形刮水器。平移式刮水器通常以调速电机作为动力源，以铝合金壳体为轨道，带动刮杆下端的橡胶刮片，在舷窗上作平移刮拭。扇形刮水器则以驱动电机为动力源，通过减速机构和连杆机构利用电机的旋转带动刮杆在舷窗上作左右刮拭。通常，在设计选型时根据使用环境及使用需求的不同，选择相应形式的刮水器。两种刮水器的对比分析见表1。

表1 两种刮水器的对比分析

2 气垫船对刮水器的特殊要求

2.1 刮水器的选型

气垫船由于其高速性的特点，通常要求刮水器能在更大范围内有效清除玻璃上的水渍及泥沙。因此，除部分小型气垫船会因前挡风玻璃为圆弧形或刮水器安装空间有限而选用扇形刮水器，大部分气垫船通常以平移式刮水器为主。此类刮水器不仅可有效增大驾驶员的视野范围，还可提高航行安全性。

2.2 刮水器在气垫船上的使用环境

在气垫船垫升和越峰前后，挡风玻璃上主要是由垫升风机向围裙内充气所引起的大量水雾，从而使整个船体几乎处在水雾的包围之中。此时，需要刮水器能持续快速有效地刮拭，且刮拭面积越大越好，以便驾驶员能清晰观察前方海面情况。

越峰后进入航行状态，随着航速提升，水雾基本都在船侧及船后，挡风玻璃上主要是海水飞溅，且海浪飞溅程度随海况提升而增大。在低海况时海水飞溅较少，刮水器经常处于干刮状态，在高海况时海水飞溅相对较多，但也是处于干刮与湿刮相间的状态。干刮时的摩擦力较湿刮要大很多，此时，刮水器电机需具备一定的过载能力，以免因电机堵转而烧坏。

在登滩或退滩时，周围环境已从水雾、海浪变为泥沙，需结合喷水装置进行刮拭。由于气垫船受重量限制，喷水装置水箱容量较小，通常为间断性喷水；因此刮水器经常处于干刮状态，且泥沙具有一定的附着性，不仅要求刮水器电机需要有较强的过载能力，而且还要有较强的刮拭能力。

刮水器在气垫船各种工况下的工作情况见表2。

表2 气垫船各工况下刮水器的工作情况

3 影响刮水器效果的主要因素

3.1 刮条与玻璃的贴合度

刮条与玻璃的贴合度主要与玻璃的平整度及刮条的磨损度有关。在刮条无严重磨损的情况下，玻璃是否平整会直接影响刮拭效果，因此，选用挡风玻璃时，需对其质量进行严格把关。另外，由于气垫船上的刮水器存在干刮及刮拭大量泥沙的情况，对刮条会产生相当大磨损，从而难以达到预期的刮拭效果。

3.2 电机极限转矩

为达到更好的刮拭效果，调试时通常会使刮条与玻璃贴合更为紧密。然而，在干刮及刮拭泥沙时，会导致其摩擦阻力较大，且气垫船有较长时间处于干刮及刮拭泥沙的状态。因此，刮水器电机的极限转矩直接关系到气垫船在航行及登滩、退滩时的刮拭效果。

4 刮水器的选用、优化及注意事项

4.1 滑轨形式的选择

部分平移式刮水器的滑轨为凹形，见图1。

该种形式的滑轨在气垫船登滩或退滩时易在滑轨内积存泥沙，从而增大刮拭阻力，容易烧坏电机。根据气垫船的特殊使用环境，建议选用凸形滑轨（见图2）。由于泥沙无法在凸形滑轨内积聚，因而可大大改善刮杆滑动时的顺畅度。

4.2 增大电动机的最大转矩

最大转矩是电动机所能提供的极限转矩，其值越大，表示电动机的短时过载能力越强。如果负载转矩TL＞最大转矩Tm，电动机会难以承载而停转［1］。

根据异步电动机最大转矩公式［2］

式中：Tm为最大转矩，N·m；m1为定子绕组相数；p为极对数；U1为电源电压，V；f1为定子绕组频率，Hz；R1为定子绕组电阻，Ω；X1为定子绕组漏电抗，Ω；为转子绕组漏电抗归算值，Ω。

当电源电压和频率一定时，在电动机设计中增大定子导线截面，可减小定子电阻R1，使最大转矩进一步增大，从而提高刮水器在泥沙等恶劣环境下的适用性。通常，刮水器三相异步电动机的最大转矩倍数（Tm/TN）为1.8～2.2，TN为额定转矩。某型刮水器通过减小定子电阻后经计算，最大转矩倍数可达4.8，有效提高了刮水器的过载能力。

4.3 自动刮拭功能

通过将汽车上使用的雨量传感器融入到船舶领域，实现刮水器自动刮拭功能。雨量传感器检测玻璃表面水雾的方法采用电容式和红外散射式两种［3］，现在使用较多的是红外散射式。红外发射管所发出经调制的红外光以一定角度入射到玻璃上，红外接收管通过滤光片接收到从玻璃反射回来的红外光［4］。其工作原理如图3所示。

玻璃上无水时，发出的红外线被玻璃全反射，接收到强度恒定的红外信号；玻璃上有水时，水滴使红外线产生散射，从玻璃反射回红外接收管的红外线强度变弱并发出信号，使刮水器工作。

气垫船在高速航行过程中，操船人员无法频繁操作刮水器的启停，通过增设雨量传感器来实现刮水器的自动刮拭功能。在刮水器控制面板上设置手动/自动切换旋钮。当旋钮切换至自动时，一旦探测到玻璃上有水时自动接通刮水器工作线路，无水时自动断开工作线路。这样可尽量避免刮水器在航行过程中的干刮现象，对刮条和电动机等起到保护作用，延长其使用寿命。图4为刮水器系统图。

4.4 备品备件配置及维护

为气垫船刮水器配置备品备件时，刮条需作为易损件尽可能多配置一些。在使用维护说明中需强调每次返航后，应及时检查刮水器刮条的磨损情况，对磨损较为严重的刮条进行及时更换，确保不影响下次航行时使用。

船员需及时用淡水对刮水器滑轨内残留的泥沙、沙石进行冲洗，以免凝积成块影响正常使用。由于气垫船使用时会产生高水雾，因此需定期对刮水器外露设备进行水密性及绝缘检查，以免设备进水导致电气元部件短路影响正常使用。

5 结 论

由于气垫船的使用环境较为特殊，为保证航行安全，刮水器等助航设备的使用要求更高。现阶段通过不断优化改进以及选型时注重更多细节，使刮水器能更好地适应气垫船的使用环境。相信随着使用经验的不断积累以及高新科技的使用，气垫船刮水器将会有更广阔的发展空间。

［1］郑华耀. 船舶电气设备及系统［M］. 第1版. 大连：大连海事大学出版社，2005.

［2］李发海，朱东起. 电机学［M］. 第3版. 北京：科学出版社，2001.

［3］郭剑鹰. 车用雨量传感器应用［J］. 汽车电器，2008（11）：27-28.

［4］王伟国，姚骏，史骥. 汽车红外雨量传感器的设计［J］.仪表技术，2011（1）：65-67.

Selection and optimization design of wiper on hovercraft

PANG Jing-hao ZHAO Man-li PAN Jun-yu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Hovercraft is often in spray, sediment and other harsh environment for a long time during the process of navigation, landing and o ff shoring. To ensure a good view of the driver, a wiper becomes an indispensable equipment, whose reliability directly affects the navigation safety. This paper analyzes and researches the application of the wipers on the hovercraft to summarize the notice of the wiper selection combined with the longterm ship application experiences. According to the special application environment of the hovercraft wiper, the design is optimized to meet the requirements in the variable environments.

hovercraft; wiper; application environment; optimization design

U665.26

A

1001-9855（2017）01-0060-04

2016-08-25；

2016-09-03

庞景昊（1986-），男，工程师。研究方向：船舶电气设计。赵曼莉（1978-），女，高级工程师。研究方向：船舶电气设计。潘俊宇（1984-），男，工程师。研究方向：船舶电气设计。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.060