絞吸船疏浚絞車隨動(dòng)控制模型設(shè)計(jì)

丁志兵，袁子豪

(1.鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000；2.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

絞吸挖泥船是水力式挖泥船中較普遍的一種，其基本工作原理是通過旋轉(zhuǎn)的絞刀將海底泥、沙、石等挖掘攪松，并進(jìn)行泥水混合，同時(shí)由船上離心泵產(chǎn)生的真空把挖掘攪松的泥漿吸入、提升，再通過排泥管線排出輸送到泥土處理場。

正常施工時(shí)，絞吸挖泥船通常采用錨纜橫挖法。錨纜橫挖法是以位于艉部的主鋼樁為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過艏部兩側(cè)的橫移絞車，一邊收纜、另一邊放纜，邊挖邊移，從挖槽的一側(cè)橫挖到另一側(cè)，步進(jìn)臺車，反方向挖掘。橫挖過程中，為確保絞車在橫挖過程中絞刀頭不會纏繞到起錨纜橫移絞車，起錨絞車?yán)|拖放在船體底部。

船舶在橫向擺動(dòng)過程中，挖掘的絞刀頭會纏繞到起錨絞車的鋼絲繩導(dǎo)致施工停止，直接影響到船舶施工的生產(chǎn)效率。

為解決常規(guī)施工過程中起錨纜敷設(shè)不到位的問題，本文以某2 000 m/h自航絞吸挖泥船為例，欲建立絞車隨動(dòng)控制模型，使得船舶在橫挖過程中起錨絞車與橫移絞車隨動(dòng)，起錨纜始終處于受力狀態(tài)，以消除絞刀頭絞斷起錨纜的安全隱患，同時(shí)也提高施工效率。

1 船舶設(shè)備簡介

某2 000 m/h自航絞吸挖泥船主要用于長江中下游航道與沿海港口的疏浚工作，配備挖泥設(shè)備、船舶定位設(shè)備及相關(guān)的輔助設(shè)備。挖泥作業(yè)設(shè)備主要有：絞刀與驅(qū)動(dòng)裝置、水下泥泵與驅(qū)動(dòng)裝置、艙內(nèi)泥泵與驅(qū)動(dòng)裝置、泥漿輸送系統(tǒng)等。挖泥輔助設(shè)備有：橋架、門架、橫移錨及拋錨桿等。船舶定位設(shè)備主要由1套臺車鋼樁、1套輔鋼樁組成。

1.1 輪機(jī)設(shè)備

(1)由2臺690 V主發(fā)電機(jī)組和1臺690 V輔助發(fā)電機(jī)組組成船舶電網(wǎng)。

(2)2臺艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)。

(3)1臺400 V應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)。

1.2 機(jī)械設(shè)備

(1)由1臺變頻器驅(qū)動(dòng)絞刀電動(dòng)機(jī)或1臺推進(jìn)電機(jī)。

(2)1臺變頻器驅(qū)動(dòng)水下泥泵電動(dòng)機(jī)或1臺推進(jìn)電機(jī)。

(3)2臺艙內(nèi)泥泵。該泥泵由柴油機(jī)經(jīng)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)。

(4)橫移絞車、橋架絞車、起錨絞車、錨桿絞車由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)再經(jīng)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)。

(5)封水泵、閘閥沖洗泵和絞刀沖水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

(6)定位樁、臺車、定位樁夾具、閘閥和真空釋放閥等設(shè)備為液壓驅(qū)動(dòng)。

2 絞車現(xiàn)狀分析及存在問題

2.1 現(xiàn)狀分析

目前絞吸挖泥船挖掘方式通常采用橫挖法，移錨過程一般步驟如下：

(1)船橫擺到挖槽左邊沿，通過左拋錨桿起左錨，拋至新錨位。拋錨過程中起錨纜需手動(dòng)放出。

(2)左側(cè)錨拋好后，船舶向右橫擺。橫擺過程中需手動(dòng)控制左側(cè)起錨纜放出，起錨纜一直處于松馳的狀態(tài)。所以，船向右橫擺時(shí)應(yīng)放慢速度。

(3)船橫擺至右邊線，通過右拋錨桿起右錨，拋至新錨位。拋錨過程中起錨纜需同步放出。

(4)右側(cè)錨拋好后，船向左橫擺。橫擺過程中需手動(dòng)控制右側(cè)起錨纜放出。由于起錨纜一直處于松馳的狀態(tài)，所以船向左橫擺時(shí)應(yīng)放慢速度。

以上常規(guī)移錨時(shí)間一般超過1 h，直接影響了施工效率。

2.2 存在的問題

(1)安全性不能保障。常規(guī)移錨過程中，起錨絞車的收放量需要根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，一旦操作過程中沒有放足纜繩量，將會發(fā)生絞纜情況。

(2)工作效率低。常規(guī)移錨過程中需要考慮到橫移絞車和起錨絞車收放平衡，導(dǎo)致橫移擺動(dòng)速度慢，移錨速度較長。

3 絞車隨動(dòng)控制模型研究

為消除絞刀頭絞斷起錨纜的安全隱患、提高工作效率，本文根據(jù)某2 000 m/h自航絞吸船特點(diǎn)和使用情況，開發(fā)了絞車隨動(dòng)控制模型。

3.1 測量參數(shù)

為達(dá)到絞車隨動(dòng)控制模型要求，增加的測量參數(shù)如下：橫移錨拋錨位置、拋錨桿絞車投影長度、拋錨桿船體出繩位置、橫移錨船體出繩位置、回轉(zhuǎn)絞車出繩位置。

3.2 硬件設(shè)備

為達(dá)到絞車隨動(dòng)控制模型要求，增加的硬件設(shè)備如下：橫移絞車編碼器(左右絞車)、起錨絞車編碼器(左右絞車)、回轉(zhuǎn)絞車編碼器(左右絞車)。

3.3 控制過程

3.3.1 絞車隨動(dòng)模型移錨過程

(1)移錨開始前確認(rèn)起錨絞車處于隨動(dòng)模式。

(2)船橫擺到挖槽左邊沿，通過左拋錨桿起左錨，拋至新錨位(起錨纜隨動(dòng)，不需要人工干預(yù))，系統(tǒng)記錄當(dāng)前錨位點(diǎn)。

(3)左側(cè)錨拋好后，船舶向右橫擺。橫擺過程中起錨纜隨動(dòng)。

(4)船橫擺至右邊線時(shí)，通過右拋錨桿起右錨，拋至新錨位(起錨纜隨動(dòng)，不需要人工干預(yù))，系統(tǒng)記錄當(dāng)前錨位點(diǎn)。

(5)移錨過程完成，可開始施工挖掘。

3.3.2 移錨隨動(dòng)控制模型的優(yōu)點(diǎn)

(1)操作者無需關(guān)注起錨絞車的控制，消除了施工過程中出現(xiàn)絞纜的現(xiàn)象。

(2)該控制模型大大提升了移錨速度。

3.4 模型算法

3.4.1 錨桿頂部位置運(yùn)算

錨桿位置運(yùn)算示意圖見圖1。

圖1 錨桿位置運(yùn)算示意圖

式中：

x

、

y

為錨桿頂點(diǎn)相對于錨桿旋轉(zhuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)；

L

為拋錨桿投影長度；

L

為回轉(zhuǎn)絞車?yán)|繩系扣位置與錨桿旋轉(zhuǎn)點(diǎn)距離；

L

為回轉(zhuǎn)絞車出繩點(diǎn)與錨桿旋轉(zhuǎn)點(diǎn)距離；

L

為回轉(zhuǎn)絞車出繩長度。

3.4.2 隨動(dòng)速度運(yùn)算

船舶橫擺過程中，起錨絞車需要隨橫移絞車同步收攬/放纜。隨動(dòng)速度運(yùn)算示意圖見圖2。以橫移絞車?yán)|繩速度

v

為基準(zhǔn)速度：

圖2 隨動(dòng)速度運(yùn)算示意圖

式中：

v

′為起錨絞車速度控制；

L

為橫移絞車?yán)|繩出繩長度；

L

′為橫移絞車下一時(shí)刻纜繩出繩長度；

L

為起錨絞車?yán)|繩出繩長度；

L

′為起錨絞車下一時(shí)刻纜繩出繩長度。

3.4.3 起錨絞車張力保護(hù)

船舶橫移過程中，起錨絞車隨橫移絞車聯(lián)動(dòng)。

為避免絞車上的力過大導(dǎo)致錨處于被拉起狀態(tài)，在以上控制算法的基礎(chǔ)上增加了拉力保護(hù)控制。系統(tǒng)檢測到起錨絞車?yán)|繩上的拉力超過設(shè)定值后，則自動(dòng)加大起錨絞車控制速度，則隨動(dòng)速度控制的實(shí)際速度為

v

：

v=Kv

′式中：

K

為速度控制的補(bǔ)償系數(shù)。

4 結(jié)語

本文建立一種基于絞吸船施工相關(guān)絞車隨動(dòng)控制模型，通過錨位運(yùn)算模型、隨動(dòng)速度計(jì)算模型、張力保護(hù)模型并結(jié)合計(jì)算及控制，達(dá)到該模型設(shè)計(jì)的要求。在實(shí)際使用的過程中發(fā)現(xiàn)，以往移一次錨需要1.5 h左右，通過該模型的使用，移一次錨只需要40 min左右，大大提升了移錨速度。