抓斗挖泥船抓斗機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

繆袁泉，田雨，張紅升，丁琪

（1.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

上世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)家大力扶持航運(yùn)和碼頭建設(shè)，航道疏浚和碼頭建設(shè)離不開(kāi)挖泥船的參與。這些年來(lái)國(guó)內(nèi)建造了各種類型的挖泥船，其中抓斗式挖泥船體積小、挖泥效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在航道疏浚尤其是碼頭建設(shè)和維護(hù)中起著舉足輕重的作用。人們對(duì)挖泥船的要求是高性能、高效率、自動(dòng)化、環(huán)保型。滿足這些要求除了用先進(jìn)的疏浚設(shè)備外，還要配有高自動(dòng)化、高智能的疏浚控制系統(tǒng)。

1 抓斗機(jī)自動(dòng)控制需求

抓斗挖泥船抓斗機(jī)挖泥周期分為3個(gè)核心過(guò)程：挖泥、卸泥、抓斗機(jī)旋回排斗。純手動(dòng)控制時(shí)，3個(gè)挖泥過(guò)程都需要人工進(jìn)行復(fù)雜的控制組合方能完成。人工操作頻繁容易疲勞，工作效率低，而且由于人為操作的局限性控制精度不高[1]。

針對(duì)上述3個(gè)控制過(guò)程我們提出了6項(xiàng)自動(dòng)控制技術(shù)：

1）挖泥：包括定深、深挖、平挖、碎礁。

2）卸泥：階梯卸泥。

3）抓斗機(jī)旋回排斗：自動(dòng)排斗。

2 抓斗機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

2.1 挖泥過(guò)程

挖泥過(guò)程主要是對(duì)抓斗升降和開(kāi)閉的組合控制。抓斗控制具有載荷變化大、快升、快降、急停的特點(diǎn)，所以控制要求較高。根據(jù)不同挖泥工況需求，挖泥過(guò)程分為：定深、深挖、平挖、碎礁4種模式。

2.1.1 定深

定深控制模式下，需要事先設(shè)置挖泥深度。抓斗下降至設(shè)定深度后，可自動(dòng)減速停止。抓斗抓泥完畢并且完全合上斗口時(shí)，便可自動(dòng)進(jìn)入提升動(dòng)作，然后通過(guò)提升手柄加速抓斗的提升速度。定深自動(dòng)控制模型如圖1。為了保證抓斗深度計(jì)算精度，在定深挖泥前應(yīng)將抓斗打開(kāi)并下降至貼近水面位置，校準(zhǔn)計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖1 定深控制模型Fig.1 Depth-keeping control model

為了保護(hù)抓斗控制過(guò)程，系統(tǒng)需要設(shè)定以下參數(shù)：挖泥深度、上限停止設(shè)定、下限停止設(shè)定、減速設(shè)定點(diǎn)。“挖泥深度”為設(shè)定的挖泥深度停止點(diǎn)?！吧舷尥Ｖ乖O(shè)定”為抓斗提升高位停止點(diǎn)。“下限停止設(shè)定”為抓斗下降低位停止點(diǎn)。“減速設(shè)定點(diǎn)”是為了避免抓斗著底時(shí)的沖撞，讓抓斗在設(shè)定的停止深度數(shù)米之前開(kāi)始第1次預(yù)減速，然后緩緩下降至停止深度并完全停止?！皽p速設(shè)定點(diǎn)”可以按照設(shè)定的“挖泥深度”為基準(zhǔn)反向設(shè)定。例如：“挖泥深度”設(shè)定為10 m，“減速設(shè)定點(diǎn)”設(shè)定為2 m時(shí)：抓斗快速下降到10-2=8 m時(shí)，經(jīng)第1次自動(dòng)預(yù)減速后，再緩速下降2 m后自動(dòng)停止在“挖泥深度”設(shè)定點(diǎn)。

2.1.2 深挖

深挖控制模式又稱“取泥模式”，在以挖泥產(chǎn)量為主，不必注重挖泥深度的作業(yè)時(shí)，使用深挖控制可以避免空挖情況，大大提高挖泥效率[2]。深挖控制是指在抓斗下沉到挖泥面閉斗挖泥過(guò)程中，將提升卷筒置于半離合的摩擦滑動(dòng)狀態(tài)，以適當(dāng)?shù)睦μ釒е摾|，以避免提升鋼纜過(guò)于松散造成亂排現(xiàn)象的同時(shí)，讓抓斗一邊沉降一邊閉斗挖泥，這樣可以大大增加單斗的挖泥量，提高挖泥效率。深挖自動(dòng)控制模型如圖2。

圖2 深挖控制模型Fig.2 Deep dredging control model

深挖模式有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。手動(dòng)模式下提升卷筒半離合摩擦力大小由人手動(dòng)控制，一般采用腳踏板的方式對(duì)半離合摩擦力進(jìn)行連續(xù)控制。自動(dòng)模式下半離合摩擦力由程序根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)需人工干預(yù)。

2.1.3 平挖

平挖控制模式的基本原理是在閉斗挖泥過(guò)程中，適當(dāng)下放抓斗。因?yàn)橄路诺乃俣群蜕疃扰c抓斗尺寸、當(dāng)前開(kāi)口度、土質(zhì)等參數(shù)有關(guān)，所以平挖模式的核心是建立抓斗隨閉斗過(guò)程的復(fù)合控制模型。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中一般將抓斗尺寸、抓斗開(kāi)口度、土質(zhì)3個(gè)參數(shù)作為條件放在1個(gè)三維數(shù)組中，將抓斗下降速度、下降距離作為輸出放在1個(gè)二維數(shù)組中。當(dāng)抓斗開(kāi)始閉口抓泥時(shí)，抓斗的實(shí)時(shí)開(kāi)口度與三維數(shù)組中的開(kāi)口度比較，立即計(jì)算出此時(shí)提升鋼纜的下降速度和下降距離，讓抓斗隨閉口動(dòng)作一點(diǎn)一點(diǎn)下沉，通過(guò)這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)使挖掘面接近平整。因?yàn)椴糠止こ炭赡苄枰谄酵诘耐瑫r(shí)進(jìn)行定深控制，所以平挖和定深可以同時(shí)有效。平挖自動(dòng)控制模型如圖3。

2.1.4 碎礁

碎礁作業(yè)時(shí)，提升卷筒的鋼纜上裝碎礁重錘，利用重錘自由落降沖擊力擊碎水中礁石。碎礁作業(yè)重錘較重，下降速度快，剎車(chē)沖擊力大，所以其控制要求很高。碎礁控制模型如圖4。

圖3 平挖控制模型Fig.3 Flat dredging control model

圖4 碎礁控制模型Fig.4 Rock breaking control model

在系統(tǒng)未觸發(fā)緊急停止的情況下重錘自由落體。為了防止重錘突然著地停止后鋼纜松弛、亂排或纏繞，系統(tǒng)需要事先設(shè)定重錘預(yù)剎車(chē)點(diǎn)（重錘距地面的高度），當(dāng)重錘下降至預(yù)剎車(chē)點(diǎn)時(shí)“變力矩剎車(chē)模型”根據(jù)預(yù)減速點(diǎn)設(shè)定值、重錘速度和重錘實(shí)時(shí)離地距離計(jì)算出起始剎車(chē)幅度[3]，待實(shí)時(shí)剎車(chē)力矩反饋后動(dòng)態(tài)調(diào)整剎車(chē)幅度以保持剎車(chē)力矩的恒定，在盡可能小影響重錘自由落體的條件下給鋼纜一個(gè)保持鋼纜緊致的剎車(chē)制動(dòng)力矩。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到重錘著地后，剎車(chē)系統(tǒng)抱死，鋼纜停止放出。

2.2 卸泥過(guò)程

卸泥過(guò)程中，如果抓斗瞬間全部打開(kāi)，泥漿對(duì)卸泥點(diǎn)產(chǎn)生很大的沖擊力，不利于安全和環(huán)保。階梯卸泥又稱“緩沖卸泥”，卸泥自動(dòng)控制可以將抓斗卸泥過(guò)程分為最多8個(gè)階段，使泥塊緩慢掉落。階梯卸泥的自動(dòng)控制模型如圖5所示。開(kāi)始卸泥時(shí)事先在系統(tǒng)中設(shè)定每個(gè)階段的“階梯開(kāi)度”和“停頓時(shí)間”。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值將抓斗開(kāi)啟至設(shè)定開(kāi)度并停頓，依次完成各個(gè)階梯。這樣既達(dá)到了安全環(huán)保卸泥的目的，也避免了人為操作的復(fù)雜流程[4]。

圖5 階梯卸泥控制模型Fig.5 Ladder dumping control model

2.3 抓斗機(jī)旋回排斗

挖泥過(guò)程中我們都希望抓斗挖泥點(diǎn)可以均勻的成扇形排列，這就要求“旋回至下一次挖泥點(diǎn)”判斷非常準(zhǔn)確。抓斗從旋回到下放至泥面取泥經(jīng)歷2個(gè)影響抓斗實(shí)際挖泥點(diǎn)的過(guò)程：水上和水下。

水上過(guò)程：抓斗卸泥完畢后旋轉(zhuǎn)至“理論狀態(tài)下的下一次挖泥點(diǎn)”，此時(shí)因受到旋回慣性、船舶縱橫傾和風(fēng)力的影響，人為判斷誤差較大。

水下過(guò)程：抓斗到達(dá)“理論狀態(tài)下的下一次挖泥點(diǎn)”后，開(kāi)始下斗，當(dāng)抓斗入水后由于受到水流、涌浪和下放深度的影響抓斗實(shí)際挖泥點(diǎn)與“理論狀態(tài)下的下一次挖泥點(diǎn)”有很大誤差。水上過(guò)程因時(shí)間長(zhǎng)，肉眼可觀察，人為調(diào)整挖泥點(diǎn)是可行的，但是水下過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間很短，人為調(diào)整將很難實(shí)現(xiàn)。為此“自動(dòng)旋回”自動(dòng)控制技術(shù)可以很好解決這一難題。

自動(dòng)旋回功能是指抓斗卸泥完畢后系統(tǒng)自動(dòng)控制抓斗旋回至入水點(diǎn)，下放抓斗至泥面，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)調(diào)整旋回角度，控制挖泥點(diǎn)的精度。

自動(dòng)旋回的自動(dòng)控制模型如圖6所示，系統(tǒng)共分為2個(gè)控制過(guò)程：水上旋回控制和水下旋回控制。每個(gè)控制過(guò)程都配有自動(dòng)旋回模型，模型根據(jù)輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)調(diào)整旋回角度，減少挖泥點(diǎn)的誤差[5]。

圖6 自動(dòng)旋回控制模型Fig.6 Automatic cycle control model

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)抓斗挖泥船抓斗機(jī)挖泥原理將挖泥周期分為：挖泥、卸泥、抓斗機(jī)旋回排斗3個(gè)過(guò)程。在分析3個(gè)過(guò)程自動(dòng)控制需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了定深、深挖、平挖、碎礁、階梯卸泥和自動(dòng)排斗6項(xiàng)自動(dòng)控制技術(shù)，并設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制模型。自動(dòng)控制技術(shù)的引入可以大大減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工質(zhì)量和施工效率。

[1] 肖漢斌，張永濤，路世青，等.疏浚抓斗平挖運(yùn)動(dòng)研究與仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2013，37（3）：482-485，490.XIAOHan-bin,ZHANG Yong-tao,LU Shi-qing,et al.Research and simulation on flat dredging kinematics of the dredging clamshell[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science&Engineering,2013,37(3):482-485,490.

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