大型變頻調(diào)速船用抓斗挖掘機(jī)的研制

曾 軍，吳 斌，謝勇謀，吳大可，肖奇斌，宓祖田

（杭州杭重工程機(jī)械有限公司，浙江杭州 310004）

0 引言

船用抓斗挖掘機(jī)（又稱為挖泥船）是水下開挖施工、水域工程外科手術(shù)式治理的主要設(shè)備。我國港口眾多、內(nèi)河航道長，特別是近年來國內(nèi)航道疏浚、水利建設(shè)、港口建設(shè)等基礎(chǔ)建設(shè)工程項目的廣泛展開，對船用抓斗挖掘機(jī)，特別是大斗容量機(jī)型的需求與性能要求都日益提高。

由于技術(shù)瓶頸的限制與國外產(chǎn)品的價格壁壘，目前國內(nèi)市場上大斗容量的船用挖掘機(jī)大多是從國外購買的二手設(shè)備，售后服務(wù)無法得到保證。此外，《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中明確提出要提高重大技術(shù)裝備的自主化水平，國家的“十二五”規(guī)劃中更是將高端裝備制造也與海洋裝備制造業(yè)列為重中之重。因此，本項目立足與自主創(chuàng)新，在借鑒與引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時，依靠杭州杭重工程機(jī)械有限公司（以下簡稱“公司”）與浙江大學(xué)現(xiàn)有的技術(shù)力量，對船用抓斗挖掘機(jī)的國產(chǎn)化進(jìn)程中所面臨的技術(shù)瓶頸進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，依據(jù)“十二五”規(guī)劃中對高端裝備提出的高智能性、高可靠性與低能耗的指導(dǎo)原則，開發(fā)出符合我國具體施工工況的低成本、高性能船用抓斗挖掘機(jī)。

1 國內(nèi)外情況

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的船用抓斗挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的第一臺斗容量為1 m3的機(jī)械式單斗挖掘機(jī)至今，大體上經(jīng)歷了測繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個階段。通過多年施工實踐的經(jīng)驗積累，我國正逐步掌握疏浚施工關(guān)鍵技術(shù)和國產(chǎn)部分型號的船用挖掘機(jī)，這是我國疏浚業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。但是，國產(chǎn)船用挖掘機(jī)主要用于解決單一工程問題，大量工程屬于初期治理、大規(guī)模和基礎(chǔ)性建設(shè)，無法滿足逐漸專業(yè)化、多元化、系統(tǒng)化、綜合化的疏浚施工項目的要求。

目前市場上所擁有的大斗容量的船用挖掘機(jī)都是從國外進(jìn)口的二手設(shè)備，且已使用多年，面臨大修、報廢，急待更新，同時由于缺少大修備件，二手設(shè)備購買使用性和性價比越來越低；此外，由于我國疏浚項目相對惡劣的施工環(huán)境所造成的與國外疏浚項目施工工況的顯著差異，造成了國外船用挖掘機(jī)產(chǎn)品并不能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。因此，市場急需國內(nèi)的生產(chǎn)廠家來制造高性價比且適用于我國具體工況的大斗容量的船用挖掘機(jī)。公司通過長期的市場調(diào)研，探求到沿海港口和長江中下游聚集了眾多的船用挖掘機(jī)用戶，多數(shù)用戶主要需求的抓斗容量為6 m3及以上的船用抓斗挖掘機(jī)，并對產(chǎn)品的價格、維護(hù)成本、挖掘性能及售后服務(wù)提出了較高要求。

2）國外產(chǎn)品現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢

國內(nèi)進(jìn)口的船用抓斗挖掘機(jī)產(chǎn)品主要集中在日本四國建機(jī)和石川島等企業(yè)，相對于國內(nèi)產(chǎn)品采用電驅(qū)動形式，即傳動形式為電機(jī)驅(qū)動，由船提供電源，由交流電動機(jī)驅(qū)動直流發(fā)電機(jī)，國外產(chǎn)品技術(shù)上主要采用雙輸出軸柴油機(jī)驅(qū)動，?離合器，再到變矩器、鏈傳動、齒輪傳動再到主、副卷揚(yáng)來實現(xiàn)抓斗提升下降，同時柴油機(jī)另一端驅(qū)動發(fā)電機(jī)，再帶動電動機(jī)實現(xiàn)機(jī)器平臺回轉(zhuǎn)、變幅等動作。目前，國外的產(chǎn)品正朝著高可靠性、高安全性、多工況適應(yīng)性、高效節(jié)能與智能化方向發(fā)展。

2 市場需求分析

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在全球物流持續(xù)增加、船舶日益大型化的趨勢下，港口的港池和航道必須不斷加深，同時港口數(shù)量也日益增加。

有關(guān)專家預(yù)測，未來十年間我國在沿海港口、航道建設(shè)與維護(hù)方面，沿海疏浚市場每年約有100～200億元投資，主要包括大型樞紐港深水航道的建設(shè)和維護(hù)、用于建港和臨江工業(yè)區(qū)建設(shè)的沿海大型陸域吹填項目以及港口航道的改造升級。

另外，中國疏浚治理具有較長的歷史，但手段落后且規(guī)模較小，造成先前水利清淤疏浚欠債較多，進(jìn)而致使河道和入海口淤塞嚴(yán)重，水患頻繁，航道和港深相對于國際標(biāo)準(zhǔn)偏低，水庫面積和庫容萎縮普遍。數(shù)據(jù)顯示，2002年前我國各大主要江河年清淤疏浚量為1.81億立方米，2003～2010年年清淤疏浚量為2.71億立方米，而目前國內(nèi)船用挖掘機(jī)總的年清淤疏浚能力僅有約1億立方米。目前，我國大量的清淤疏浚工作已提上議事日程，該工作已不僅在防洪建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，同時對改善水環(huán)境、提高供水質(zhì)量、美化城市和觀光旅游等方面也有著重要作用。未來中國環(huán)保疏浚市場無疑將呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，其市場潛力不可估量?；谏鲜銮闆r預(yù)測，世界范圍內(nèi)的疏浚量將不斷上升，對疏浚船舶特別是大容量的船用挖掘機(jī)的需求將不斷增加。

3 項目主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵

3.1 項目主要研究內(nèi)容

船用挖掘機(jī)的性能主要由工作裝置、控制系統(tǒng)決定。其技術(shù)難點在于泥漿濃度、挖深、輸泥距離等參數(shù)的確定、工作裝置的切削性能和耐磨性以及綜合監(jiān)控能力。結(jié)合國內(nèi)外船用挖掘機(jī)的發(fā)展趨勢以及我國疏浚項目的具體工況要求，本項目研究的主要內(nèi)容包括：

1）動力匹配與性能優(yōu)化設(shè)計；

2）虛擬樣機(jī)建模與動態(tài)特性仿真技術(shù)；

3）挖掘軌跡控制及綜合監(jiān)控研究。

3.2 項目關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 挖掘機(jī)動力匹配與性能優(yōu)化設(shè)計

抓斗式挖泥船的型式較多，但其工作原理相同。本項目研究的挖泥船挖泥系統(tǒng)的特點主要有：

1）挖掘土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)?？梢耘鋫涓鞣N不同類型的抓斗，如輕、中、重型抓斗，甚至可以配備超重型抓斗來適應(yīng)不同土質(zhì)的需要。在各種挖掘船中，抓斗式挖泥船適挖的土質(zhì)的范圍是最廣的。

2）挖深適應(yīng)性強(qiáng)。可以通過更換不同長度的抓斗鋼絲繩來滿足施工中不同挖掘深度的需要，最大挖深可達(dá)80 m。

3）抓斗機(jī)配起重吊鉤或配碎石重錘，可兼作起重船或作水下巖石預(yù)處理的鑿巖船使用，使船用挖掘機(jī)成為多用途工程船。

4）可作業(yè)于其它類型挖泥船不適應(yīng)作業(yè)的水域。如狹小水域、港池、碼頭、大型廠礦企業(yè)專用航道、岸邊以及防波堤等區(qū)域的施工。

因此，船用抓斗挖掘機(jī)是一種多功能的工程裝備，所遇到的作業(yè)對象，即體質(zhì)變化較大；此外，使用方式與要求也不同，有時強(qiáng)調(diào)能源經(jīng)濟(jì)性，而在狹小水域或港口工況下，則重視精度和安全。同時，根據(jù)不同的挖掘土質(zhì)，所配備的抓斗型號也有所不同，在不同的水深情況下，抓斗鋼絲繩的長度同樣不同。因此，一般的在滿足系統(tǒng)正常工作的前提下，應(yīng)根據(jù)作用工況、抓斗結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用要求來對電源與電氣傳動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理選擇船用挖掘機(jī)系統(tǒng)各元件的參數(shù)，使之與工況向適應(yīng)，工作時能夠達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)局部和整體效率，達(dá)到節(jié)能效果。

3.2.2 虛擬樣機(jī)建模與動態(tài)特性仿真技術(shù)

船用抓斗挖掘機(jī)的傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計——物理樣機(jī)——現(xiàn)場試驗——樣機(jī)修改的迭代設(shè)計過程由于其設(shè)計周期長、效率低且無法分析工作過程中的動力學(xué)特性而無法滿足市場需求。此外，船用抓斗挖掘機(jī)是一個由動力裝置、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、工作裝置、制動系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成的剛體——柔性體耦合的機(jī)、電、氣復(fù)雜系統(tǒng)，其各部件、總成以及施工工況決定了其整機(jī)性能，采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法很難甚至無法對其三維運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行求解（圖1、圖2所示）。因此需要將多體系統(tǒng)動力學(xué)理論與虛擬樣機(jī)理論引入船用抓斗挖掘機(jī)的設(shè)計中來，解決其設(shè)計過程中關(guān)鍵的理論問題，建立起運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)與系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。通過建立不同物理參數(shù)設(shè)計方案的虛擬樣機(jī)模型，確定影響性能的敏感參數(shù)，并通過可視化技術(shù)，預(yù)測產(chǎn)品在真實工況下的特征與動態(tài)響應(yīng)，以獲得具有最優(yōu)工作性能的設(shè)計方案，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性和性能指標(biāo)。

3.2.3 挖掘軌跡控制及綜合監(jiān)控研究

抓斗式挖泥船軌跡控制的目標(biāo)是使挖泥船的施工精度和質(zhì)量得到明顯的提高，通過對作業(yè)土體參數(shù)的在線識別，采用人工智能等技術(shù)手段，實現(xiàn)自動作業(yè)，降低操作者的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。本項目研究抓斗式挖泥船抓斗施工作業(yè)流程以及挖泥船液壓控制系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)實際施工作業(yè)要求，對挖掘軌跡控制及其綜合監(jiān)控系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并對系統(tǒng)中各個監(jiān)控環(huán)節(jié)的工作原理以及系統(tǒng)各傳感器件間的數(shù)據(jù)傳輸及通信方式進(jìn)行研究。

圖2 平臺整體位移云圖

3.3 技術(shù)路線

3.3.1 三變頻電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動的動力匹配技術(shù)

解決途徑：船用抓斗挖掘機(jī)主要由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)平臺、動臂與變幅、抓斗提升與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、電氣傳動與控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等組成。挖掘機(jī)的機(jī)械驅(qū)動分別由三臺變頻電機(jī)驅(qū)動，提升電機(jī)為一臺400 kW的變頻電機(jī)，由它來實現(xiàn)抓斗的開閉和升降。平臺的回轉(zhuǎn)由一臺90kW的電機(jī)驅(qū)動，動臂的變幅由一臺30 kW的電機(jī)驅(qū)動。

異步電機(jī)變頻調(diào)速原理：異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速是由供給電機(jī)的電源頻率決定，如8極電機(jī)50Hz時750轉(zhuǎn)/分，10 Hz時為120轉(zhuǎn)/分，80 Hz時為1200轉(zhuǎn)/分，因此只要改變變頻器輸出頻率就能對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，變頻調(diào)速異步電機(jī)輸出機(jī)械特性如圖3。

圖3 變頻調(diào)速異步電機(jī)輸出機(jī)械特性圖

圖4 平臺整體布局圖

由于變頻調(diào)速通過內(nèi)部計算機(jī)實現(xiàn)矢量控制，在50Hz以下實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速性能能與直流電機(jī)相媲美，50Hz以上實現(xiàn)恒功率調(diào)速。恒功率調(diào)速主要用于快速下放，由于快速下放一般為空斗或輕負(fù)載時下放，因此變頻調(diào)速也能滿足工況要求，為了實現(xiàn)較硬的機(jī)械器組成閉環(huán)控制。

控制包括氣路控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，抓斗的挖掘、升降，平臺回轉(zhuǎn)及動臂變幅的調(diào)速通過先進(jìn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)，該變頻調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)軸上安裝編碼器以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了機(jī)械裝置的快速響應(yīng)和高精度速度控制?；剞D(zhuǎn)支承采用三派柱式回轉(zhuǎn)支承，特點是軸向及徑向間隙小，受載更加穩(wěn)定，承載能力更強(qiáng)，安裝方便等特點；整機(jī)回轉(zhuǎn)制動采用電氣控制，提升卷筒采用大直徑，并且是單出繩，減少鋼繩彎曲度與損耗，增加鋼繩壽命；提升鋼繩采用雙出繩，增加提升穩(wěn)定性；配重部分采用配重沙，減少生產(chǎn)成本。方案設(shè)計圖見圖4。

3.3.2 剛?cè)狁詈系亩囿w動力學(xué)建模技術(shù)

解決途徑：本項目通過Pro/E、ANSYS、ADAMS的聯(lián)合仿真平臺（圖5）對船用抓斗挖掘機(jī)的抓斗作業(yè)過程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)以及振動響應(yīng)特性等進(jìn)行分析。抓斗機(jī)動作由起升、回轉(zhuǎn)和變幅三大動力系統(tǒng)組成。項目通過建立船用抓斗挖掘機(jī)抓斗的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，并利用聯(lián)合仿真平臺得到仿真結(jié)果；利用Pro/E建立船用抓斗挖掘機(jī)的三維實體模型，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS完成吊索以及彈性動臂的固有模態(tài)分析，通過ANSYS與ADAMS的專用接口生成模態(tài)中性文件并導(dǎo)入ADAMS，實現(xiàn)工作裝置剛體——柔性體耦合建模。同時為滿足運(yùn)動控制研究的需要，對挖泥船抓斗進(jìn)行水平直線、斜線、垂直線及弧線的運(yùn)動規(guī)劃，并給出相關(guān)的仿真結(jié)果。

項目同時進(jìn)行了船用抓斗挖掘機(jī)疏浚作業(yè)過程的建模與仿真的研究，研究在不同的疏浚環(huán)境和作業(yè)方式下吸口處泥漿的形成過程和計算泥漿比重的仿真模型，根據(jù)水力疏浚原理和6立方挖泥船的技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計泥泵和管路的清水特性曲線與泥漿特性曲線，在此基礎(chǔ)上給出了泥泵工作點的計算方法。以提高挖泥船作業(yè)的工作效率。

3.3.3 挖掘軌跡控制以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

解決途徑：通過疏浚作業(yè)的要求建立抓斗挖掘剖面坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選取合適的抓斗挖掘軌跡控制方案，實現(xiàn)抓斗的挖掘軌跡的監(jiān)測與控制。使抓斗按照預(yù)定的挖槽剖面進(jìn)行施工，顯著提高挖泥船的挖掘精度。

在實現(xiàn)挖泥船抓斗挖掘軌跡控制及原有挖泥船作業(yè)過程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)抓斗式挖泥船綜合監(jiān)控系統(tǒng)。利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法，合理劃分系統(tǒng)軟件各功能模塊，創(chuàng)建施工水深及坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，采用數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)作為數(shù)據(jù)庫與用戶界面圖形系統(tǒng)的接口，實現(xiàn)施工水深查詢。

圖5 虛擬樣機(jī)平臺

5 結(jié)論

綜上分析，采用變頻調(diào)速提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。同時改變原來的變流機(jī)組由異步電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組成，效率在0.8以下，而變頻器效率在0.95以上，從而起到了節(jié)能的效果。

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