抓斗挖泥船定深平挖控制器研究與設(shè)計(jì)

周振燕，杜　謙，仇文峰

（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）

抓斗挖泥船定深平挖控制器研究與設(shè)計(jì)

周振燕，杜謙，仇文峰

（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）

在分析抓斗機(jī)自動(dòng)控制需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了疏浚控制中抓斗在定深和平挖兩種工況下抓斗插入深度、抓斗提升和開(kāi)閉速度等參數(shù)，提出兩個(gè)自動(dòng)控制器的總體方案，最終對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算。

抓斗；自動(dòng)控制；定深；平挖

0　引言

二十一世紀(jì)是海洋資源開(kāi)發(fā)的新世紀(jì)，世界各國(guó)把開(kāi)發(fā)海洋、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和海洋產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

本文研究大型抓斗挖泥船定深挖泥和平挖挖泥自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器。此項(xiàng)成果將填補(bǔ)我國(guó)在此項(xiàng)領(lǐng)域的空白，對(duì)打破國(guó)外壟斷，提高自身競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)意義。

1　控制器總體方案設(shè)計(jì)

1.1定深控制器總體方案設(shè)計(jì)

為避免超深超挖，需要自動(dòng)控制抓斗在指定的深度開(kāi)始挖掘。抓斗在定深工況模式下工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須預(yù)先設(shè)置好抓斗的挖泥深度。當(dāng)抓斗下降到預(yù)先設(shè)定的深度后，就根據(jù)控制器指令自動(dòng)減速下降，直到抓斗完全按照預(yù)先設(shè)定的速度進(jìn)入泥土直至停止。抓斗斗口完全閉合，即抓斗定深工作完成，抓斗根據(jù)控制器指令自動(dòng)進(jìn)入提升動(dòng)作，到達(dá)加速提升點(diǎn)后，通過(guò)提升手柄抓斗加速提升，直至達(dá)到卸泥高度進(jìn)行卸泥。抓斗定深挖泥流程如圖1所示。

圖1　定深挖泥控制流程圖Fig.1　Flow chart for fixed-depth dredging

在抓斗進(jìn)行定深挖泥的過(guò)程中，為了保護(hù)抓斗控制器不過(guò)載，系統(tǒng)對(duì)以下參數(shù)需要預(yù)先設(shè)定：抓斗下放挖泥的深度、上限停止點(diǎn)、下限停止點(diǎn)、減速位置等。在設(shè)定參數(shù)時(shí)，要根據(jù)抓斗電機(jī)的實(shí)際功率及受到的各種阻力來(lái)確定。

1.2平挖控制器總體方案設(shè)計(jì)

為使挖掘后海床面盡可能平坦，需要通過(guò)抓斗的提升與開(kāi)閉聯(lián)動(dòng)控制，使斗的齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡在斗閉合期間垂直深度保持不變。平挖控制模式下，需要事先設(shè)置抓斗的挖泥深度以及在抓斗閉斗過(guò)程中鋼絲繩的補(bǔ)償位移。抓斗下降到達(dá)預(yù)先設(shè)定的深度后進(jìn)行閉斗工作，抓斗鋼絲繩和油缸行程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送往控制器與事先存儲(chǔ)的理論數(shù)值進(jìn)行比較，計(jì)算得出鋼絲繩對(duì)應(yīng)的放纜量，及時(shí)給圓盤(pán)制動(dòng)器發(fā)出工作指令，使抓斗鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)隨著抓斗開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使抓斗挖掘后泥面接近平整狀態(tài)。抓斗平挖挖泥流程如圖2所示。

圖2　平挖挖泥控制流程圖Fig.2　Flow chart for flat dredging

自動(dòng)控制PLC用于抓斗機(jī)定深及平挖控制器系統(tǒng)，各種開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)配置在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制器的正常運(yùn)行。通過(guò)采用變頻調(diào)速矢量控制技術(shù)，控制抓斗起升電機(jī)以及液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓斗上升下降與開(kāi)閉的功能[1-5]。

2　疏浚土壤特性及控制器的參數(shù)分析

在挖泥過(guò)程中，抓斗受力主要有抓斗自重、抓斗與疏浚土間的摩阻力及鋼絲繩對(duì)抓斗的拉力等。

2.1初始插入深度計(jì)算

抓斗切入泥土深度計(jì)算公式：式中：G為抓斗質(zhì)量，kg；Vg為抓斗下落速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；l＇為斗刃的計(jì)算周長(zhǎng)，cm；δ0為刃口的厚度，cm；q0為單位挖掘阻力，kg/cm2。

2.2定深控制器設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)抓斗定深挖泥過(guò)程的詳細(xì)分析，明確了在設(shè)計(jì)定深控制器時(shí)一系列參數(shù)設(shè)定的原理。抓斗在下降過(guò)程中要設(shè)定減速位置，減速位置的設(shè)置是在減加速度一定的情況下，按照設(shè)定的“挖泥深度”為基準(zhǔn)反向設(shè)定。

式中：S為減速點(diǎn)；a為起升加速度；t為起升時(shí)間。

為了求在定深工況下刃口軌跡曲線，本文以200 m3抓斗為例，參考抓斗尺寸（圖3），x為油缸行程，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸之間的距離b=7 600 mm，R= 1 200 mm，閉斗角度α=53.2°，L=6 344.6 mm，當(dāng)x=8 800 mm時(shí)，抓斗完全閉合，當(dāng)x=5 800 mm時(shí)，抓斗完全打開(kāi)。

圖3　抓斗結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structural diagram of a grab

抓斗到達(dá)挖泥面后，鋼絲繩保持不動(dòng)狀態(tài)，為了得到抓斗在挖掘時(shí)刃口的挖掘曲線y，在電機(jī)不過(guò)載情況下，選取合適的油缸勻速運(yùn)動(dòng)速度v，s表示油缸在抓斗閉合過(guò)程中的位移，建立定深運(yùn)動(dòng)方程：

在抓斗閉合過(guò)程中，將抓斗實(shí)時(shí)開(kāi)閉角度輸入控制器中，通過(guò)角度與時(shí)間差計(jì)算得到抓斗的開(kāi)閉速度vk，其中θ如圖3所示。

在抓斗挖泥過(guò)程中，不同的開(kāi)閉速度對(duì)應(yīng)著不同的挖掘曲線，而開(kāi)閉速度受到抓斗油缸速度、挖掘阻力等因素的影響。在抓斗閉合過(guò)程中，考慮到電機(jī)等因素的影響，要選取合適的挖掘速度。

在抓斗提升時(shí)，抓斗的起升重量為抓斗的自重與土重之和，起升加速度a的選擇要確保起升電機(jī)在額定功率之內(nèi)。

2.3平挖控制器設(shè)計(jì)

平挖與定深工況類(lèi)似，都是根據(jù)電機(jī)的固有功率選擇合適的起升及開(kāi)閉速度，差別在于，平挖工況時(shí)，抓斗在閉斗過(guò)程中，鋼絲繩要時(shí)刻根據(jù)油缸的運(yùn)動(dòng)上下調(diào)節(jié)，以確保挖掘平面的精度。

在平挖工況下，抓斗閉合過(guò)程中，鋼絲繩時(shí)刻進(jìn)行位移補(bǔ)償，考慮到電機(jī)不得過(guò)載，選取合適的油缸勻速運(yùn)動(dòng)速度v，s表示油缸在抓斗閉合過(guò)程中的位移，其中參數(shù)θ如圖3，為了得到抓斗在挖掘時(shí)鋼絲繩的位移補(bǔ)償曲線y，建立平挖運(yùn)動(dòng)方程式（5）。抓斗的開(kāi)閉速度vk計(jì)算同式（4）。

在抓斗平挖閉合過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)得到抓斗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算抓斗實(shí)時(shí)開(kāi)口度yl來(lái)顯示抓斗的實(shí)時(shí)位置。抓斗開(kāi)口度函數(shù)為：

式中：l為刃口到軸的距離。

在抓斗平挖挖泥時(shí)，不同的開(kāi)閉速度對(duì)應(yīng)不同的位移補(bǔ)償曲線，而開(kāi)閉速度受到抓斗油缸速度、挖掘阻力等因素影響。在抓斗閉合過(guò)程中，考慮到電機(jī)等因素影響，要選取合適的挖掘速度。在實(shí)際工作中，通過(guò)開(kāi)口度的計(jì)算，使操作更加明了。在抓斗開(kāi)口度為0時(shí)，考慮到起升電機(jī)因素，設(shè)定合適的起升加速度α提升抓斗。

3　定深平挖模型仿真

3.1定深運(yùn)動(dòng)仿真曲線

在開(kāi)閉電機(jī)功率允許的范圍內(nèi)設(shè)置油缸運(yùn)動(dòng)速度，取油缸速度為9 m/min，可以得出抓斗在定深挖泥時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度時(shí)間曲線，如圖4、圖5所示?？梢钥吹?，抓斗在閉斗工作時(shí)刃口最大深度為2 500 mm，最后閉合時(shí)的深度為1 400 mm；在閉合過(guò)程中，速度始終都在變化，抓斗工作后在海床上形成了高達(dá)2 500 mm的不平整度。

圖4　定深挖挖掘軌跡曲線Fig.4　Track curve of fixed-depth dredging

圖5　定深挖挖掘速度曲線Fig.5　Speed curve of fixed-depth dredging

3.2平挖運(yùn)動(dòng)仿真曲線

在開(kāi)閉電機(jī)功率允許的范圍內(nèi)設(shè)置油缸運(yùn)動(dòng)速度，取油缸速度為9 m/min，可以得出抓斗在平挖挖泥時(shí)的位移補(bǔ)償曲線以及加速度時(shí)間曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　平挖位移補(bǔ)償曲線Fig.6　Deviation compensation curve of flat dredging

抓斗在閉斗工作時(shí)鋼絲繩提升最大高度為2 500 mm，最后抓斗閉合時(shí)的提升高度為1 400 mm，與圖4正好相反。同樣在閉合過(guò)程中，速度始終都在變化，通過(guò)速度與加速度曲線的分析，可看出選擇的油缸速度是否超出開(kāi)閉電機(jī)的功率范圍，從而起到保護(hù)電機(jī)的作用。開(kāi)口度曲線顯示了抓斗的開(kāi)口度與時(shí)間的關(guān)系，可直觀看出抓斗位置信息。

圖7　抓斗開(kāi)口度Fig.7　Opening of clamshell

4　結(jié)語(yǔ)

在分析抓斗機(jī)自動(dòng)控制需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了疏?？刂浦凶ザ吩诙ㄉ詈推酵趦煞N工況下抓斗插入深度、抓斗提升和開(kāi)閉速度等參數(shù)，提出了定深挖泥和平挖挖泥兩個(gè)自動(dòng)控制器的總體方案，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器，最終對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算研究成果具有實(shí)用價(jià)值。

[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.

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Research and design of controller for fixed depth dredging and flat dredging for a grab dredger

ZHOU Zhen-yan,DU Qian,QIU Wen-feng
（CCCC National Engineer Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

On the basis of analysis of automatic control requirements of a grab,the paper focuses on the parameters for the digging depth,hoisting speed and open and close speed of the dredging grab in the fixed depth dredging and flat dredging in dredging control process.An overall scheme for two automatic controllers was proposed,which was eventually simulated.

grab;automatic controller;fixed depth dredging;flat dredging

U615.351

A

2095-7874（2016）05-0073-04

10.7640/zggwjs201605018

2015-12-21

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目計(jì)劃資助（工信部聯(lián)裝）（[2012]539）

周振燕（1988— ），女，上海市人，工程師，電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。E-mail：zhouzhenyan@CCCC-drc.com