挖泥船鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

杜中華，宋偉浩

（1.上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司，上海 226259；2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船通過絞車收放鋼絲繩并配合A字架的內(nèi)外傾動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制耙臂升降和水下姿態(tài)。對(duì)于單側(cè)耙臂，3根鋼絲繩分別纏繞固定于3部絞車的卷筒，鋼絲繩自由端纏繞通過A字架滑輪組后分別牽引耙頭、耙中以及彎管位置。耙吸挖泥船疏浚作業(yè)過程中，可能出現(xiàn)牽引耙臂的鋼絲繩松弛、甚至耙臂沖頂?shù)膯栴}，前者對(duì)于施工工況判斷和系統(tǒng)控制不利，而耙臂沖頂會(huì)損毀疏浚設(shè)備甚至危及施工人員的生命安全。

許多學(xué)者對(duì)礦用絞車鋼絲繩松弛檢測(cè)問題進(jìn)行了研究。徐志鵬等通過應(yīng)變片電橋電路測(cè)量滑輪內(nèi)軸承內(nèi)圈的應(yīng)變情況，推算了鋼絲繩受力與電橋電壓的關(guān)系，配合PLC邏輯判斷，檢測(cè)了鋼絲繩松弛狀態(tài)[1]。曹姣賽在深度指示儀和天輪軸位置分別安裝編碼器和霍爾元件，利用PLC讀取、運(yùn)算獲取兩部位線轉(zhuǎn)速，通過比較速度差值判定得出了鋼絲繩松繩狀態(tài)[2]。原志坤利用壓磁傳感器測(cè)量鋼絲繩張力，并通過PLC對(duì)張力進(jìn)行比較判別松繩狀態(tài)[3]。有些學(xué)者采用紅外感應(yīng)技術(shù)和加裝剛性托繩輥等方式對(duì)原有礦用絞車鋼絲繩的松繩檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，克服了原檢測(cè)方式的缺點(diǎn)[4-8]。以往文獻(xiàn)中對(duì)耙臂沖頂問題研究較少。

針對(duì)挖泥船鋼絲繩松弛和耙臂沖頂問題，設(shè)計(jì)了一種鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測(cè)裝置，用以檢測(cè)鋼絲繩的工作狀態(tài)并向控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的信號(hào)。

1 檢測(cè)原理

絞車過快、過量釋放鋼絲繩或耙臂受到外力突然上升都會(huì)造成鋼絲繩張力減小，外在表現(xiàn)為鋼絲繩松弛。若對(duì)處于松弛狀態(tài)的鋼絲繩施加一沿其徑向的推力，鋼絲繩會(huì)徑向移動(dòng)一定距離直至其張力與所受推力達(dá)平衡狀態(tài)，且鋼絲繩越松弛鋼絲繩受力點(diǎn)位移越大。據(jù)此，可由鋼絲繩受外部推力后徑向移動(dòng)的距離，判斷出鋼絲繩的松緊狀態(tài)。

在絞車卷收鋼絲繩以提升耙臂的過程中，可能因操作不當(dāng)或設(shè)備故障而造成鋼絲繩卷收過量，進(jìn)而導(dǎo)致耙臂上升超過安全位置造成碰撞事故，即耙臂沖頂。監(jiān)測(cè)并保證卷筒上纏留鋼絲繩不超過安全匝數(shù)即可避免沖頂事故。耙吸船耙臂絞車僅纏繞一層鋼絲繩，故絞車卷收鋼絲繩時(shí)，釋放態(tài)鋼絲繩會(huì)沿卷筒軸線向遠(yuǎn)離繩頭固定端方向單向移動(dòng)；絞車釋放鋼絲繩時(shí)，釋放態(tài)鋼絲繩單向移向卷筒繩頭固定端。由上述事實(shí)可知：對(duì)于挖泥船耙臂絞車，卷筒上鋼絲繩匝數(shù)與釋放態(tài)鋼絲繩沿滾筒軸線的位置呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，監(jiān)測(cè)釋放態(tài)鋼絲繩沿卷筒軸向位置即可檢測(cè)出耙臂是否存在沖頂風(fēng)險(xiǎn)。

綜合鋼絲繩松弛和耙臂沖頂?shù)脑蚝蜋z測(cè)原理可知，通過檢測(cè)鋼絲繩受力位移和自由端位置，可判斷出鋼絲繩松緊及耙臂沖頂狀態(tài)。檢測(cè)鋼絲繩松弛狀態(tài)需對(duì)其施加一徑向外力，且檢測(cè)鋼絲繩松緊及耙臂沖頂都伴隨測(cè)試點(diǎn)位置的移動(dòng)，而彈簧受力與長(zhǎng)度變化量成正相關(guān)，故可利用彈簧的力學(xué)特性輔助檢測(cè)鋼絲繩狀態(tài)。彈簧一端位置固定時(shí)，若其自由端與鋼絲繩測(cè)試點(diǎn)相接觸，鋼絲繩的松緊程度及耙臂沖頂時(shí)鋼絲繩狀態(tài)可由彈簧自由端位置進(jìn)退等效表示，故通過檢測(cè)彈簧自由端位置可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩松緊及耙臂沖頂狀態(tài)的檢測(cè)。

2 裝置結(jié)構(gòu)

鋼絲繩工作狀態(tài)檢測(cè)裝置主要由固定底座、伸縮裝置和感應(yīng)器3部分構(gòu)成，見圖1。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the device

固定底座見圖2（a）。該座用于固定伸縮裝置和感應(yīng)器，使兩者保持相對(duì)位置不變。固定底座帶有1個(gè)U形孔及半圓形抱箍，用于安裝感應(yīng)器。感應(yīng)器可沿U形孔移動(dòng)，便于調(diào)整感應(yīng)器安裝位置。底座底部配有2個(gè)圓形螺孔，用于固定伸縮裝置。圖2（b）為感應(yīng)器的外形圖，為防護(hù)等級(jí)為IP67的電感式接近開關(guān)，以適應(yīng)挖泥船高濕、高鹽的海洋作業(yè)環(huán)境，減少裝置的故障率。接近開關(guān)無需與受檢部件產(chǎn)生機(jī)械接觸，受檢部件進(jìn)入感應(yīng)器探測(cè)范圍時(shí)，感應(yīng)器可自行動(dòng)作并對(duì)外提供高電平信號(hào)。

圖2 裝置主要構(gòu)成部分示意圖Fig.2 Main components of the device

圖2（c）為伸縮裝置的外形圖。該裝置主要由滾軸、連接桿、腔體、彈簧以及感應(yīng)片構(gòu)成。位于伸縮裝置前端的滾軸作為受力點(diǎn)直接與鋼絲繩接觸，鋼絲繩可貼滾軸表面平穩(wěn)滑動(dòng)。滾軸具有一定長(zhǎng)度，可保證鋼絲繩在較小范圍晃動(dòng)時(shí)仍可對(duì)滾筒施加壓力。連接桿用于將鋼絲繩對(duì)滾軸的壓力傳遞至彈簧，其前端與滾軸相連接，后端接入腔體并與腔體內(nèi)彈簧對(duì)接。感應(yīng)片為1個(gè)金屬片，并由螺桿透過腔體側(cè)面的U形孔固定于連接桿后端，其位置隨彈簧自由端位置變化而前后等距移動(dòng)，由此檢測(cè)感應(yīng)片位置即可獲取彈簧自由端位置信息。腔體開口端以螺母形式與連接桿接合。彈簧置于腔體內(nèi)用于提供松弛測(cè)試所需推力和耙臂沖頂檢測(cè)的鋼絲繩平衡阻力。

3 應(yīng)用場(chǎng)景與方法

裝置適用于絞車鋼絲繩松弛檢測(cè)，也可應(yīng)用于鋼絲繩單層纏繞的絞車進(jìn)行沖頂檢測(cè)，但不適用于對(duì)配備了多層纏繞鋼絲繩的絞車進(jìn)行沖頂檢測(cè)。使用前應(yīng)明確檢測(cè)目的，以確定安裝形式。不同檢測(cè)目的對(duì)應(yīng)的裝置安裝示意圖見圖3。

圖3 裝置安裝示意圖Fig.3 Installation of the device

裝置用于檢測(cè)鋼絲繩松弛狀態(tài)時(shí)，應(yīng)將裝置安裝在鋼絲繩橫向移動(dòng)范圍較小的位置，防止鋼絲繩與裝置滾軸脫離接觸造成檢測(cè)失效，以鋼絲繩豎直向下的途經(jīng)線路為最佳安裝區(qū)段。安裝時(shí)應(yīng)使鋼絲繩處于正常松緊狀態(tài)，使鋼絲繩與滾軸保持接觸，調(diào)整腔體與鋼絲繩距離使彈簧適度壓縮，之后釋放鋼絲繩至松弛報(bào)警狀態(tài)，并保持滾軸與鋼絲繩接觸，調(diào)整并固定感應(yīng)器至恰能檢測(cè)到感應(yīng)片的位置，至此完成安裝。絞車作業(yè)過程中，若鋼絲繩由緊變松，鋼絲繩對(duì)彈簧的壓力減小，處于壓縮狀態(tài)的彈簧將逐漸伸長(zhǎng)并推動(dòng)鋼絲繩，感應(yīng)片隨之向腔體開口端移動(dòng)，感應(yīng)器檢測(cè)到感應(yīng)片后發(fā)出鋼絲繩松弛信號(hào)。

用于檢測(cè)耙臂沖頂鋼絲繩位置時(shí)，裝置多與絞車編碼器配合使用，作為編碼器失效后鋼絲繩沖頂?shù)臋z測(cè)手段。安裝時(shí)應(yīng)事先控制絞車釋放鋼絲繩至耙臂沖頂報(bào)警位置，保持裝置連接桿與滾筒軸線平行安裝，調(diào)整并固定檢測(cè)裝置使鋼絲繩適度壓縮彈簧，調(diào)整感應(yīng)器位置使其恰能檢測(cè)感應(yīng)片。絞車提升耙臂時(shí)，釋放態(tài)的鋼絲繩逐漸遠(yuǎn)離繩頭固定位置，臨近沖頂限位位置時(shí)與滾軸相接觸并推動(dòng)連接桿壓縮彈簧，感應(yīng)片隨之向腔體密閉端移動(dòng)，感應(yīng)器檢測(cè)到感應(yīng)片即向控制器發(fā)出耙臂已達(dá)沖頂報(bào)警位置信號(hào)。

4 應(yīng)用效果

該檢測(cè)裝置已實(shí)際應(yīng)用于多艘耙吸挖泥船的耙臂絞車鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測(cè)。某型耙吸挖泥船最大設(shè)計(jì)挖深為28 m，其彎管、耙中、耙頭部位絞車所配備鋼絲繩全長(zhǎng)分別約35 m、46 m和75 m，耙臂彎管、耙中和耙頭都升至安全限位位置時(shí)，耙臂三部位絞車上纏繞的鋼絲繩匝數(shù)分別為15匝、13匝和16匝，故為避免發(fā)生耙臂沖頂事故，需在上述匝數(shù)對(duì)應(yīng)的位置分別裝配檢測(cè)裝置獲取釋放態(tài)鋼絲繩位置信息。圖4（a）為某耙吸船彎管位置的檢測(cè)鋼絲繩松弛狀態(tài)的裝置實(shí)際安裝圖，圖4（b）為某耙吸船檢測(cè)耙臂沖頂狀態(tài)的裝置實(shí)際安裝圖。

圖4 裝置實(shí)際安裝圖Fig.4 Practical installation of the device

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可有效檢測(cè)鋼絲繩松弛和耙臂沖頂，并能實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，為系統(tǒng)控制及安全報(bào)警提供重要參考。該裝置已應(yīng)用于多艘耙吸挖泥船，運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié)語

針對(duì)耙吸挖泥船耙臂絞車鋼絲繩松弛和耙臂沖頂問題，設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)裝置。根據(jù)鋼絲繩松弛和耙臂沖頂時(shí)鋼絲繩的動(dòng)作特點(diǎn)，將對(duì)鋼絲繩的位移檢測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)感應(yīng)片的位置檢測(cè)，感應(yīng)器探測(cè)到感應(yīng)片即發(fā)出高電平信號(hào)。針對(duì)松弛和沖頂檢測(cè)需采用不同的安裝方式，以滿足檢測(cè)和控制需求。在多艘挖泥船上對(duì)該裝置進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，結(jié)果表明該裝置穩(wěn)定可靠，可對(duì)鋼絲繩松弛和耙臂沖頂及時(shí)響應(yīng)，為系統(tǒng)控制提供重要數(shù)據(jù)與安全報(bào)警信息。