基于慧魚模型的智能海上油污清理船的設(shè)計

應(yīng)偉軍，范興鐸，李映平

（浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，浙江 諸暨311800）

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展和海洋資源的大力開發(fā)，人類在開發(fā)和利用海洋時頻頻出現(xiàn)各種海上漏油事故。2010年4月美國深水地平線鉆井平臺爆炸引起墨西哥灣漏油事故，至今仍是美國歷史上最為嚴重的一次漏油事故。2013年11月中國中石化青島開發(fā)區(qū)原油泄漏，膠州灣污染面積達到1萬平方米左右。漏油事故對海洋和海岸線生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，導(dǎo)致沿海動植物、鳥類和海洋生物大量死亡，在嚴重情況下，沿海居民不得不暫時撤離自己的家園[1]。

當(dāng)出現(xiàn)海上漏油事故時，通常由摩托艇前往事故海域投放圍油柵控制油污擴散，吸油船進行油污清理。目前收放圍油柵的常用方法主要包括人工和電機驅(qū)動收放。人工投放圍油柵時，依靠錨機產(chǎn)生的拉力，順勢進行圍油柵的投放，投放速度可隨船速變化，靈活高效；人工收圍油柵時，只能通過人力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤來收圍油柵，工作強度大、效率低。電機驅(qū)動投放圍油柵時，只能定速投放，無法調(diào)節(jié)投放速度；電機驅(qū)動收圍油柵，效率高。目前漏油處理方法主要包括堰式撇油+真空泵吸取、親油材料吸附等。堰式撇油+真空泵吸取方法，其吸油效率高，但是堰式撇油器安裝麻煩，需要花費大量時間；盤式親油材料吸油效率高，但是體積龐大，僅適用于廣闊海域作業(yè)；繩式、帶式親油材料操作方便，但是吸油效率低，適用于殘油清理，作業(yè)地點限于河道、港口。因此本文將設(shè)計一款高效率、多場合應(yīng)用的智能海上油污清理船，集收放圍油柵、快速清理油污于一體，能在事故突發(fā)的第一時間處理原油泄漏，減小漏油的影響面積，實現(xiàn)快速控制油污擴散、快速收集漏油，將漏油導(dǎo)致的損失降到最低。

慧魚創(chuàng)意組合模型（簡稱為慧魚模型）是在德國Arthur Fischer博士發(fā)明“六面拼接體”的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的一款工程技術(shù)類智趣拼接模型，涵蓋了計算機、自動化控制、機械設(shè)計、物理等多個學(xué)科，具有很強的擴展性和啟發(fā)性，因此被廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)、科學(xué)研究和實際生產(chǎn)?；埕~模型通過各種構(gòu)件（功能模塊）以燕尾槽插接的形式組合拼接而成，各構(gòu)件之間可以實現(xiàn)六面拼接、多次拆裝和反復(fù)使用[2-3]。

1 智能海上油污清理船方案設(shè)計及特點

本文利用慧魚模型對智能海上油污清理船進行了結(jié)構(gòu)搭建、程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，用以驗證其在設(shè)計上是可行的，其模型如圖1所示。

圖1 智能海上油污清理船模型圖

本文設(shè)計的智能海上油污清理船主要包括圍油柵收放、快速清理油污等功能。

本文結(jié)合人工和電機驅(qū)動收放圍油柵的優(yōu)點，對電機驅(qū)動的圍油柵收放機構(gòu)進行了改進，在機構(gòu)中加入了超越離合器。在投放圍油柵時，依靠錨機產(chǎn)生的拉力，順勢進行圍油柵的投放；收圍油柵時，利用電機驅(qū)動超越離合器帶動轉(zhuǎn)盤進行收圍油柵。

對于快速清理油污，常用方法包括堰式撇油+真空泵吸取、親油材料吸附等。不同漏油收集方法適用場合不同，吸油效率差異大，配套設(shè)備不一樣，各有利弊。因此本文對漏油收集方法進行了整合、創(chuàng)新，使其具有吸油效率高、適用于多種場合等優(yōu)點。漏油收集步驟分為兩步，第一步采用真空泵+油層測厚傳感器相配合的方式，打開真空泵控制系統(tǒng)啟動吸油，快速吸取海面厚油層，由油層測厚傳感器自動調(diào)節(jié)真空泵的高度，使真空泵一直處于油層中，保證油水吸入比例；第二步采用傳送帶式吸油氈收集海面的殘余原油。

智能海上油污清理船的油污清理步驟如下：油污清理船收到海上漏油事故處理命令后，快速前往事故區(qū)域；在事故發(fā)生區(qū)域，首先投放圍油柵圍住泄露的原油，防止其在海面上繼續(xù)擴散；接著打開真空泵控制系統(tǒng)啟動吸油，快速吸取海面厚原油層；最后由吸油氈將海面上的殘余原油吸盡。

智能海上油污清理船的創(chuàng)新點如下：

1）真空泵升降機構(gòu)

真空泵可在油層測厚傳感器的作用下，自動調(diào)節(jié)吸油泵的高度，使吸油泵一直處于油層最佳吸油位置，確保吸入的油水比例。

2）傳送帶吸油氈機構(gòu)

真空泵吸油處理后的表面殘油，采用傳送帶的形式，在循環(huán)中及時擠出吸附的原油，使吸油氈重復(fù)使用，加快了吸收殘油的速度，提高了吸油氈的利用率。

3）圍油柵收放機構(gòu)

在電機驅(qū)動的圍油柵收放機構(gòu)中，加入了超越離合器。在投放圍油柵時，依靠錨機提供的拉力，順勢進行圍油柵的投放；收圍油柵時，利用電機驅(qū)動超越離合器帶動轉(zhuǎn)盤進行收圍油柵。

4）功能上三位一體

集圍油柵收放、真空泵吸油、傳送帶吸油氈吸附殘油于一體，提高了油污清理船的專業(yè)性，加快了原油泄漏后的清理速度。

2 機構(gòu)設(shè)計

2.1 真空泵升降機構(gòu)設(shè)計

真空泵升降機構(gòu)主要部件包括齒輪齒條、油層測厚傳感器、步進電機。真空泵升降機構(gòu)收到升降信號后，步進電機提供驅(qū)動力，驅(qū)動齒輪齒條相對運動，由于齒條固定在船體上，因此實現(xiàn)齒輪帶動真空泵做上下動作，實現(xiàn)升降運動。真空泵升降機構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 真空泵升降機構(gòu)圖

2.2 傳送帶吸油氈機構(gòu)設(shè)計

傳送帶吸油氈機構(gòu)主要部件包括履式傳送帶、圓柱齒輪對、擠壓滾軸、吸油氈和電機，電機選用常規(guī)交流電機即可。在傳送帶吸油氈機構(gòu)設(shè)計中，將吸油氈加工后附著在履帶上，制成傳送帶式吸油氈，由電機同時驅(qū)動傳送帶和齒輪對運轉(zhuǎn)，傳送帶使吸油氈可以連續(xù)接觸海面并吸取殘油，齒輪對運轉(zhuǎn)帶動擠壓滾軸反向運動，將傳送帶吸油氈上的溢油被統(tǒng)統(tǒng)擠壓出來。傳送帶吸油氈機構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 傳送帶吸油氈機構(gòu)圖

2.3 圍油柵收放機構(gòu)設(shè)計

圍油柵收放機構(gòu)主要部件包括電機、渦輪蝸桿、超越離合器、繞繩盤，電機選用常規(guī)交流電機即可。在投放圍油柵時，借助錨機提供的拉力，順勢拉動繩盤轉(zhuǎn)動，進行圍油柵的投放，超越離合器的使用避免了繩盤轉(zhuǎn)動給電機充電的現(xiàn)象；收圍油柵時，電機輸出動力給減速器，通過減速器減速后再將動力傳輸給蝸桿渦輪機構(gòu)，渦輪旋轉(zhuǎn)帶動超越離合器，實現(xiàn)圍油柵的回收。機構(gòu)如圖4所示。

圖4 圍油柵收放機構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整機控制系統(tǒng)設(shè)計

整機控制系統(tǒng)分別包括真空泵升降控制子系統(tǒng)、收放圍油柵控制子系統(tǒng)、傳送帶吸油氈控制子系統(tǒng)。整機控制系統(tǒng)采用集中控制模式，總控按鈕對各子系統(tǒng)進行集中控制，包括整機系統(tǒng)的啟動和緊急停機；各子系統(tǒng)之間分別獨立控制，保證各子系統(tǒng)的獨立運行，互不干擾。真空升降控制子系統(tǒng)控制著真空泵吸油及吸油位置的調(diào)整，對油污清理是至關(guān)重要的。圍油柵收放控制子系統(tǒng)控制著收放圍油柵的任務(wù)。傳送帶吸油氈控制子系統(tǒng)控制著吸油氈吸取殘油的任務(wù)。整機控制流程圖如圖5所示。

圖5 整機控制流程圖

整機控制程序圖如圖6所示。

圖6 整機控制程序圖

3.2 真空泵升降控制子系統(tǒng)設(shè)計

油層測厚傳感器實時采集海面油層高度和厚度，并傳輸給慧魚控制器，控制器通過信號處理、分析、計算，比較真空泵實際位置和理想位置之間的關(guān)系，并將控制信號輸出給真空泵升降機構(gòu)控制電機，實時調(diào)節(jié)真空泵在油層中位置，使真空泵在吸油過程中一直處于油層最佳位置。其具體控制流程中一直處于油層最佳位置。其具體控制流程如圖6所示。

圖7 真空泵升降控制系統(tǒng)流程圖

真空泵升降控制子程序如圖8所示。

圖8 真空泵升降控制程序圖

4 結(jié)束語

本文對目前漏油事故中處理油污的方法進行了分析，并提出了漏油收集方法和圍油柵收放機構(gòu)的改進方案，設(shè)計了一款高效率、多場合應(yīng)用的智能海上油污清理船，集收放圍油柵、快速清理油污于一體。

此外，本文借助慧魚組合模型，對智能海上油污清理船進行了結(jié)構(gòu)搭建，詳細闡述了各機構(gòu)之間的傳動關(guān)系和原理。并對整機控制系統(tǒng)和真空泵升降控制子系統(tǒng)進行了設(shè)計。實驗表明該油污清理船的漏油收集方法和圍油柵收放機構(gòu)設(shè)計方案是可行的，具有一定的創(chuàng)新性、先進性和實用價值。

參考文獻：

[1]丁祿彬，牟桂芹，周志國.淺談海上油田生產(chǎn)活動中的環(huán)境風(fēng)險識別與評估[J].安全健康與環(huán)境，2011（11）：34-35.

[2]李浩東，常云霞，王 青.基于慧魚模型的四輪驅(qū)動電動汽車創(chuàng)新設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2010（29）：197-199.

[3]段振華，吳張永，溫成卓，等.基于LLWin控制的慧魚創(chuàng)意組合模型實踐應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2013（1）：64-66.