船舶操纵性试验方法

船舶操纵性试验方法

船舶操纵性是在“船舶原理”各学科中新近发展起来的、并且还不很完善的一门学科。对于操纵性，可简单地理解为船舶按照驾驶者的意图去保持或改变船舶运动状态的性能。就我国内河水运航道目前的状况和船舶驾驶者的实用角度来讲，较为实用的实船操纵性试验主要有以下几种：①定常回转性试验；②航行稳定性试验；③实船航行制动性试验；

④Z形操纵试验。

1 船舶定常回转性试验

船舶定常回转性试验的目的是评价船舶回转的迅速程度和所需要的水域大小，从而使驾驶者掌握船舶在港湾、狭窄江面或航道上安全地回旋、转向并在紧急情况下正确地进行避让，防范碰撞事故的能力。定常回转性试验是船舶实船试验中典型的操纵性试验。大多数船舶在交船试验中都必须进行此项试验。

船舶定常回转性试验的方法很多，内河船舶常采用轨迹观察法和轨迹测量法测试。

前一种方法主要考核船舶在满车（100%的主机转速）满舵角条件下回转的安全性，对定常回转性直径作定性观察，主要定量的测量参数是船舶回转式的最大动力横倾角和定常回转性时的最大静力横倾角（船舶在稳定回转时的最大横倾角）。

后一种方法，是我们要详细介绍的，即轨迹测量法：轨迹测量的具体实施办法有许多种，较为常用的是经纬仪交会法。该方法的主要优点是：①比较适合我国目前内河航道的要求，只要有足够的助航段（主机转速稳定后，船舶进入直航时的距离能保证有60～100倍的船长），在满车满舵的工况下，被测船舶或船队能回旋540°～720°的航道宽度即可。②通过测量船舶在试验航行时的船位测点，并将船位测点的数据经计算机或人工数据分析处理，就可以绘出船舶在操纵航行过程中的实际运动轨迹，从而定量地得到船舶在规定工况下的定常回转直径、回转时最大动力横倾角、定常回转时最大静力横倾角、定常回转时的平均角速度及回转率（定常回转直径与船长之比）等。③该测量方法还同时可以用于船舶诸如航速、横移、船舶制动性等试验，并减少了架设测量仪器等繁琐工作。

试验的具体做法分为以下几步进行：

1.1 检查完成该项试验所必须具备的条件

（1）被检船舶必须具备的条件：①被检船舶的各项工程应全部竣工，系泊试验合格、倾斜试验完成、稳性计算合格并取得船检认可。②被检船舶应处于设计装载状态，船舶纵倾应与设计要求一致，无横倾。③被测船舶若为双桨船，其左右主机转速应能调整一致，船舶驾驶室的舵角指示器应进行校对，使实际操舵角与指示舵角相符。

（2）试验水域必须具备的条件：①试验水域的海况应是天气晴朗，能见度大于5000m，风速小于蒲氏3级，浪高不超过0.2m。②试验水域的水深应大于2倍的船舶吃水，水域的宽度应在船舶满车满舵工况下，能满足试验船舶回转540°～720°的要求。③试验水域两岸应有较直的堤岸，便于架设测量仪器，并保证测量仪器观察目镜旋转180°的视角下无盲区。④测试时，试验水域的来往船舶要少，以保证船舶在测试回转时的安全，避免发生碰撞等事故。

1.2 试验用仪器及其必须具备的条件

①船舶回转试验主要使用的仪器有经纬仪、风速风向仪、测深仪、倾斜仪、罗经、舵角指示器、光电转速计、钢卷尺、时间计数器等。②对实验所需用一起包括船舶本身配备的仪器仪表（试验时需要使用的仪器仪表）要求性能检定合格，并在检定合格周期内方能使用。

1.3 试验工况的制定

试验工况应根据国家有关标准和试车试航大纲的要求确定（一般按国家标准GB3221-82执行），通常是在全速（满车）满舵角的工况下，进行左右回转，如有其它要求则补做左右15°、25°回转，对双桨船来说，还应补做正车-倒车的满舵回转。

1.4 试验前的准备工作

①在试验水域进行仪器架设：在堤岸上架设不应少于两

台经纬仪，最好能架设3台，每一台经纬仪为一测量点，测量点的间距应尽量远一些，其间距应保证不小于350m。对试验水域观测时经纬仪在水平180°的转动范围内，观察物镜应无遮挡物。②对主机的工作状况进行设计：即主机各气缸的工作参数应无较大差别，且工作稳定。如是双机船舶，则一定要将左右主机转速调整一致。③布置好驾驶台（试验指挥台）与各测量点的联络工作，保证驾驶台、机舱和岸上测量点在试验指令发出后，能及时同步测量。

1.5 船舶开始进行检测试验

首先调整主机转速，待转速稳定后进行船位的调整，然后进入直航，舵应放零位，船舶进入试验水域后，发出测量指令，机舱和岸上观测点同时进行测量，测量指令一般间隔10s～20s（也可根据船舶的航速大小而定），直航测量10点至15点后，发出操舵回转指令，操舵者应一次将舵操到指令舵位，中途不得停顿，同时记录每一测点的航向变化角度及回转时的最大动力横倾角。在船舶进入定常回转时，记录定常回转时的最大静力横倾角，与此同时记录定常回转时的主要转速。当船舶会传达到540°～720°时，该工况宣告结束，经初步分析，无问题后即可进入下一工况的试验。

1.6 测量数据的处理

定常回转试验的数据分成两大部分，一部分数据可直接反应出试验结果，如回转时最大动力横倾角、定常回转时最

大静力横倾角、回转前的主机转速、定常回转时的主机转速，另一部分是需要通过转换绘制出轨迹图后方能分析获取的数据，其转换方法有两种：一是将经纬仪测量的数据通过人工直接绘出轨迹图，再求出回转直径，并根据船舶进行稳定回转时的测点，计算出稳定回转式的平均角速度。第二种方法是目前常用的方法，即将经纬仪测量的数据输入计算机，经计算机处理后，绘出轨迹图并得到回转直径、平均角速度、回旋率。

1.7 试验中应注意的问题

（1）各工况的试验应尽量控制在同一水域进行。

（2）在试验过程中，如果不影响船舶的航行安全，不得随意改变舵角和主机转速。如中途与特殊情况改变了舵角或调整了主机转速，则该工况应作无效处理。重新进行工况实验。

（3）船队回转时，应在船队重心处架设测量标志杆，回转轨迹应绘出重心的回转轨迹。

（4）经纬仪测点的数据记录应按照指挥台发出的测点顺序记录，如中途测量掉点、漏点，映空下掉点、漏点的序号。

（5）在有水流速度的属于进行试验时，应选流场均匀，且逆水进行回转试验。

（6）应详细记录被测船舶的装在状况及试验前后的环

境状况。

（7）绘制定常回转性试验方框图。

2 航向稳定性试验

航向稳定性试验的目的是检验舵的稳定性能。它从两方面对舵的性能进行评定，即稳定性和操纵性。航向稳定性试验包含有两个部分：一是直航稳定性试验，又称直航延时试验，是检测船舶在航行中保持舵角为零时，船舶维持直线航行的能力。二是航行稳定性试验，又称直航操舵试验，是检测船舶依靠操舵维持航向的能力。对于双桨船舶还可以增加一个测试内容，即在单浆推进下，维持航向所必需的操舵次数、操舵角度及间隔时间。

航向稳定性试验的方法比较简单，试验中仅需要流速仪、罗经、舵角指示器、风速风向仪、转速计及时间计数器，对试验水域要求的条件与回转试验基本相同。具体做法如下：

2.1 直航稳定性试验

被检船舶逆水行驶，调整主机转速，待主机转速稳定后，调整好船位，并使舵角指示器指示舵角为零，记录主机转速，初始航向。直航3分钟后，测定船舶在该段时间内，偏离原航向的角度，并记录每偏航0.5°所需要的时间。

2.2 航行稳定性试验

航行稳定性试验应与直航稳定性试验在同一水域进行。

主机工况也应相同，当主机转速和船舶的航行船位调整好后，即可开始试验，航行5分钟后，测定船舶为保持原航向所必须的操纵。

试验中应注意的问题基本与船舶回转试验要注意的问题相同，但对试验水域的流场应特别注意，如果试验水域流场不均匀，又乱流等情况，则试验数据将有较大失真。

3 船舶制动性试验

主机停止运转后，船舶自由滑行距离的大小是船舶惯性的特征。这一特征，对于实船制动性的考核更有其实际意义，制动性的掌握成了防范船舶碰撞及船舶停靠港口、锚地、编队的重要手段。

船舶制动性试验一般采用两种测量方法：一是抛木块测定滑行距离，二是采用经纬仪交会法测定滑行距离，具体的测量方法与前面介绍的经纬仪测量方法相同。

船舶制动性试验一般常做两个工况即：①全速正车→停车；②全速正车→停车→全速倒车（一般为额定转速的85%）。制动性试验用以测定船舶在全速前进时接到停车指令后，船舶停止航行所需滑行的距离；滑行的时间及船首方位偏转的角度。如装有倒车舵的船舶，应补做倒车制动性实验。

船舶制动性试验的程序如下：在调整好试验船舶主机的转速后，船舶进入直航，当航速稳定后，测量出船舶的航速，待航速测量完毕后，发出停车指令（或倒车指令），测量船

舶的滑行速度、滑行距离、滑行时间，直到船舶稳定（完全停止），完成该项工况的试验。

4 Z形操纵试验

在评价船舶的操纵性能时，目前大都采用较有代表性的K、T指数，而Z形操纵试验是确定K、T指数公认的标准方法之一。

回转性能数K：是舵的控制力矩导数与相当阻尼系数之比，单位1/S，指数K越大，定常回转角速度越大，回转半径越小，船的回转性能越好。

应舵指数（亦称稳定性指数）T为船舶相当惯性系数与阻力系数之比，单位（S）。应舵指数T越小，船舶直线稳定性越好，反之，直线稳定性越差。

Z形操纵试验通常以左右10°舵角作为试验标准，如有特殊要求可以补做15°、25°等舵角。Z形试验要求试验水域宽阔，水流顺直，试验时风速小于蒲氏3级，船舶处于设计状态下，在全速、逆流航行的情况下进行，具体操纵程序如下：

船舶全速前进（主机达到额定功率或设计航速），调整好船位，稳定航向，置舵于零位，保持稳定直航，经一段时间发出操舵指令并同时进行航向、舵角、时间的记录，当航向变化到10°时，发出操反舵指令，并记录航向惯性的角度，当航向达到操反舵指令的航向时，发出操舵指令。同样记录

下航向惯性角，等再次到达操舵指令舵向时，发出操反舵指令，记录航向惯性角，当航向回到原始航向时该工况结束。然后根据记录的航向、舵角、时间三者的关系，以时间为横坐标绘出航向、舵角变化的曲线，经初步整理后，经计算可求得K、T指数。

Z形操纵试验若受外界干扰，则对数据的结果影响较大，所以每一工况最小应做3次以上，对所得数据应进行统计分析，从而得出较为精确的K、T值。

对操纵性试验的做法作了以上简单的讲述，主要以实用为主，对理论上未作探讨。至于数据处理的基本公式在很多的教材及资料中都有详细的论述，测量数据的取舍与试验现场的情况有关，本文亦不赘言。