VSP直叶推进器原理及应用

VSP直叶推进器原理及应用

——自然资源部第二海洋研究所轮机长 刘红宾

一、VSP桨简介

直叶桨推进器又称摆线推进器,竖轴推进器或直翼推进，目前世界上最有声望的摆线推进器就是德国福伊特公司所生产的VSP桨（VOITH SCHNEIDER PROPELLER)。

目前，螺旋桨是船舶普遍采用的推进器，但是装备螺旋桨推进器的船舶在低速航行时，控制性能下降明显，其原因是船舵产生的横向力的大小与船速有关。在船舶低速机动航行时船舵产生的横向力变小，导致船舶控制力不足。直叶桨推进器弥补了螺旋桨的不足，其结构属于舵桨一体设计，能够在360度方向上快速改变推进力方向和大小，在任意航速下船舶都具有良好的操控性。

二、VSP桨结构组成

福伊特公司所生产的VSP推进器主要由以下部件组成，见下图：

三、工作原理

直叶桨的叶片垂直均匀的安装在半径为R的转轮上，推力电机通过齿轮箱（6）经过锥形齿轮机构（7）传导力矩到斜面转动圆盘装置（3）带动叶片在转轮的旋转带动下产生定向推动力。叶片随转轮绕转轮圆心转动的同时，叶片又绕自身的轴摆动。叶片在转动过程中，它的弦线始终垂直于叶片轴与偏心点的连线。对于直叶桨来说，推力的方向是可以变化的。直叶桨的推力方向始终与偏心点的方向垂直，因此改变偏心点的方向便可以改变推进器的推力方向，偏心点的方向与转轮旋转轴相垂直，产生的推力方向所在平面也与转轮旋转轴相垂直。改变偏心率的方向，可以得到与叶片旋转轴相垂直的平面上360度方向上的推力。

四．减摇功能

福伊特VSP推进器在推进器舱水线下2舱壁安装了2个压力传感器用以感知船舶在水中摇摆状态及幅度计算后通过综合控制单元输出命令给两台VSP桨产生抵抗摇摆的反向推力从而能够达到减摇目的，见下图：

五．VSP直叶桨的优势

1.舵桨一体，具有低航速工况船舶操纵灵活，舵效反应迅速优势；

2.低转速，低噪音，维护成本低，符合科考船推进器低噪音要求；

3.具有宽幅DPcapabilities ,并具有减摇功能在海工船领域具有广泛应用前途；

4.机动航行及DP作业具有低能耗优势。

六．福伊特直叶桨在国内应用

由中船重工701研究所设计，隶属于上海海洋大学的“淞航号”渔业调查船

由中船重工701研究所设计，隶属于中国大洋协会的“大洋号”科考船

基于有限元的传感器变形协调性能研究

樊云龙 朱宇杰

江苏高速公路工程养护技术有限公司

摘 要： 为解决现有的沥青路面埋入式应变传感器与沥青混合料的模量差较大引起的变形不协调问题，文章利用ABAQUS有限元软件建立在标准交通荷载条件下埋入应变传感器的路面结构的数值模型，分析了基层顶部埋入应变传感器后的路面结构力学响应，最后对不同路面结构层位同时埋设应变传感器的情况进行研究。结果表明：传感器埋设在路面结构中对路面力学响应具有显著影响，接触面附近出现应力集中现象，但水平应变的波动明显小于水平应力；不同层位同时埋设传感器时，在各传感器与路面结构的接触面附近出现应力集中，其他区域受传感器影响很小，且传感器之间没有明显的相互影响。该研究成果可为半刚性基层路面的传感器埋设提供一定的理论依据。

关键词： 道路工程;埋入式应变传感器;有限元;变形协调;路面结构;

作者简介： 樊云龙（1986—）,男,硕士,高级工程师,从事道路养护方向的工作。;

0 引言

近年来，传感器测试技术在沥青路面工程中广泛应用，以实时监测沥青路面结构内部不同位置的力学响应状态[1]。由于埋入式应变传感器与路面结构模量差过大，容易产生交互影响及变形不协调，影响传感器的测量准确性和耐久性。因此，研究传感器与沥青路面结构的协同工作机理，从而提高传感器在沥青路面中的服役性能显得尤为重要。

众多学者对埋入式应变传感器在沥青路面中应用的问题已做了大量研究，钟阳等人将自制的应变传感器埋入沥青混凝土路面内部，用以监测路面结构的内部应变，对路面结构内部的应变响应随车速的变化规律进行了研究分析[2]。董泽蛟等人以尼龙节点将两个水平向应变传感器和一个竖向应变传感器进行固结，使之成为能测量三维应变的传感器组，实现了埋入式传感器对路面内部三维应变信息的获取[3]。廖公云依托室内试验，在沥青路面结构水稳碎石基层中埋设了VS-10振弦式应变传感器与VSP520-4土压力盒，对沥青混凝土面层和水泥稳定碎石基层的应力应变状态进行监测，并基于双层弹性体系理论对路面结构层的回弹模量进行了反算验证[4]。杨永顺以传感器实测数据为基础，利用SPSS软件建立了沥青层底应变响应的预估模型，揭示了不同路面结构的沥青层底应变响应随荷载和温度等因素的变化规律[5]。董忠红使用了自主研发的能同时测量路面内部横向、纵向和垂向应变的传感器，研究分析了轴重与坡道位置对路面结构内部力学响应的影响[6]。艾长发在三种典型的沥青路面结构内部分别沿着行车方向和垂直于行车方向埋设了ASG电阻式应变传感器，基于所采集的数据得到了FWD冲击荷载和标准轴载之间的换算关系[7]。

现有研究多以所使用的埋入式传感器为研究对象，然而目前应用于沥青路面工程中的埋入式应变传感器的尺寸各不相同，传感器封装材料种类繁多，现有成果多有局限性。针对现有的沥青路面埋入式应变传感器模量过高，与沥青混合料的模量差较大的问题，利用ABAQUS有限元软件，建立在标准交通荷载条件下埋入应变传感器的路面结构的数值模型，分析埋入式应变传感器和路面结构的力学响应特征，对埋入式应变传感器与路面结构的交互影响进行研究，研究成果可为半刚性基层路面的传感器埋设提供一定的理论依据。

1 有限元模型建立

该文采用常规典型路面结构进行有限元数值模拟分析，研究埋设传感器对路面结构力学响应的影响。路面结构及材料参数见表1。路面结构采用分层结构，埋入式应变传感器模型参考H1204埋入式应变传感器，尺寸如图1所示。

表1 路面结构及材料参数 下载原图

传感器与沥青混合料的法向接触设定为硬接触，切向接触选择Penalty摩擦接触，摩擦系数为0.7，初始施加荷载采用标准荷载0.7 MPa。模型底部各方向位移约束为零，左右两个侧面处水平位移约束为零。建立的三维路面结构模型见图2。

图1 H1204埋入式应变传感器的结构尺寸示意图 下载原图

在网格功能模块中对模型进行网格划分，首先对模型进行剖分，剖分出荷载作用的局部区域，之后在荷载作用处、路面结构的面层层位以及传感器范围内的试件部分进行网格加密，划分成最小网格尺寸5 mm的结构网格，网格单元类型为C3D8R，网格划分结果见图3。

图2 有限元模型 下载原图

图3 网格划分示意图 下载原图

2 传感器对路面结构力学响应的影响分析

为分析传感器埋设对于路面结构力学响应的影响，使用将传感器埋设在有限元模型的基层中心顶部的模型及没有埋设传感器的有限元模型，在标准荷载作用下，分别进行有限元数值模拟得到埋设传感器的路面结构力学响应。传感器埋设路面结构截面水平应力分布及水平应变分布云图如图4所示。可以看出，中性轴位于中心线，沥青混合料与传感器接触面附近存在应力突变现象，传感器中部附近应变发生小范围突变。

图4 有无传感器路面结构水平应力、应变剖面云图 下载原图

水平横向应力深度分布曲线如图5所示，可以看出，仅传感器处出现应力集中，无传感器时相同位置水平应力分布平滑。除传感器外的其他区域水平应力并没有发生明显的变化，传感器的影响范围较小。

水平横向应变深度分布曲线如图6所示，可以看出，传感器处出现较小的波动，其他位置无明显变化。相对于对水平应力分布的影响，传感器的埋入对水平应变的影响相对更小。

图5 有无传感器水平横向应力深度分布曲线 下载原图

图6 有无传感器水平横向应变深度分布曲线 下载原图

3 不同层位组合埋设影响分析

在路面结构单一层位埋设传感器对传感器附近路面结构力学响应有明显影响，但影响范围并不很大。然而在实际情况中，会出现需要在路面不同层位同时埋设传感器的需求，此时多个传感器组合埋设对于路面结构力学响应的影响是值得去关注的。该研究将传感器竖向排列组合埋设在下面层、上基层、下基层、底基层的顶部，在标准荷载作用下，进行有限元数值模拟，得到路面结构力学响应。

传感器埋设截面水平应力、应变分布云图如图7所示。可以看出，中性轴位于中心线，沥青混合料与传感器接触面存在应力、应变突变现象，整体分布没有太大差异，传感器埋设影响范围较小。

图7 组合埋设水平应力、应变云图 下载原图

水平横向应力深度分布曲线如图8所示，可以看出，仅在各传感器附件处出现应力突变，无传感器时相同位置水平应力发展平滑。除埋设传感器区域外的其他区域水平应力与不埋设传感器的情况相比没有发生明显的变化，说明上下组合排列埋设的传感器对路面结构影响范围较小。

图8 组合埋设水平应力曲线 下载原图

水平横向应变深度分布曲线如图9所示，可以看出，传感器附近出现较小的波动，无传感器时相同位置应变发展平滑，其他位置相比较无明显变化。相对于对水平应力分布的影响，传感器的埋设对水平应变的影响相对较小。

图9 组合埋设水平应变曲线 下载原图

4 结语

(1）传感器埋设在路面结构中对路面力学响应具有显著影响，在传感器与路面结构接触面附近出现应力集中现象，水平应力、应变都会出现小范围的突变，但水平应变的波动明显小于水平应力。

(2）通过组合式埋设传感器有限元模拟，发现在路面不同层位同时埋设传感器时，在各传感器与路面结构的接触面附近出现应力集中，其他区域受传感器影响很小，且传感器之间没有明显的相互影响。

(3）该文研究成果可为高速公路路面的传感器埋设提供一定的理论依据。

参考文献

[1] 肖川,邱延峻.不同行车荷载下的沥青路面应变响应试验研究[J].公路, 2016(1):6-12.

[2] 钟阳,王建坤,王东明.用于路面结构监测的光纤光栅应变传感器试验研究[J].北方交通, 2012(12):1-5.

[3] 董泽蛟,柳浩,谭忆秋,等.沥青路面三向应变响应现场实测研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009(7):46-51.

[4] 廖公云,路畅,黄晓明.沥青路面结构力学响应的分层检测与分析[J].东南大学学报(自然科学版), 2010(5):1061-1065.

[5] 杨永顺,王林,韦金城,等.重载作用下典型路面结构动态响应数据采集与分析[J].公路交通科技, 2010(5):11-16.

[6] 董忠红,吕彭民,刘学.长大纵坡路段沥青路面动力响应试验[J].长安大学学报(自然科学版), 2013(4):7-11.

[7] 艾长发,肖川,曾杰,等.沥青路面动应变响应及其动荷载作用等效换算[J].土木工程学报, 2017(1):123-132.

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