耙吸挖泥船耙吸作業(yè)智能化控制策略分析

王友亮 張春

摘 要：耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下存在多種疏浚作業(yè)工況，通過智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，為耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

關(guān)鍵詞：挖泥船;工作效率;泥泵轉(zhuǎn)速;控制策略

中圖分類號：U674.31? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0105-03

1概述

目前耙吸挖泥船是港口和航道清淤的主要施工船舶，該船型主要由耙頭、耙管、泥泵、泥管組合形成疏浚和裝艙系統(tǒng)。耙吸挖泥船在工作過程當(dāng)中，船舶的低速航行，耙頭對地形成相對運(yùn)動速度，泥泵通過離心工作形成負(fù)壓，將海底泥沙抽取到泥管內(nèi)，然后駁運(yùn)裝艙，實(shí)現(xiàn)對航道的疏浚作業(yè)[1]。

耙吸挖泥船廣泛應(yīng)用于疏浚市場，其疏浚施工依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)常識，且由于土質(zhì)不同，存在多種復(fù)雜疏浚工況，因而導(dǎo)致其生產(chǎn)及工作效率不高[2-5]。因此，本文針對耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下所存在的多種疏浚作業(yè)工況進(jìn)行分析，通過智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，為耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

2 耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)工作原理簡介

泥泵是耙吸挖泥船核心疏浚設(shè)備，泥泵屬于離心泵，工作原理是通過泥泵葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力形成吸口端真空，以形成負(fù)壓對水底泥沙進(jìn)行抽吸工作，同時通過泵葉旋轉(zhuǎn)的離心力將泥漿駁運(yùn)送出，泥泵的排壓與泥漿濃度、泵葉轉(zhuǎn)速、泵葉直徑有關(guān)[6]。

泥泵排壓壓力如式1所示，其中Pa為泥泵排壓壓力，ρ為泥漿密度，W為泵葉轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑;泥泵輸出功率如式2所示，其中P為泥泵輸出功率，K為有效工作系數(shù)，ρ為泥漿密度，Pa為泥泵排壓，g為重力加速度，L為泥漿單位時間流量。

基于以上泥泵相關(guān)的運(yùn)行公式可以得出，泥泵轉(zhuǎn)速提高則泥泵排壓提高，泥泵工作流量越大，泥泵輸出功率越大。同時根據(jù)泥泵工作效率曲線可以得出泥泵等功率輸出工況下，排壓與流量成反比曲線。

耙頭是耙吸挖泥船中直接影響泥漿抽取效率的設(shè)備，耙頭是由具有一定長寬和面積的泥沙疏松和泥漿混合抽取設(shè)備。耙頭因?yàn)槟啾玫倪\(yùn)行在耙頭位置形成真空負(fù)壓，耙頭內(nèi)外的負(fù)壓將泥漿混合物吸入泥管，進(jìn)行裝艙作業(yè)。

3耙吸挖泥船裝艙作業(yè)工況分析

耙吸挖泥船通過泥泵運(yùn)行形成吸入真空和排壓，疏浚系統(tǒng)利用泥泵吸入真空將泥漿吸入泥管后通過泥泵離心力排出裝艙。泥泵的工作參數(shù)決定了泥泵排量，對于特定耙吸疏浚項(xiàng)目，特定轉(zhuǎn)速下的泥泵其裝艙排量相對固定。

耙吸挖泥船疏浚裝艙過程中泥泵抽取的泥漿濃度取決于耙頭疏松泥質(zhì)的產(chǎn)量和泥泵裝艙工況排量的比例，即耙頭對目標(biāo)泥質(zhì)的疏浚獲取量決定了裝艙濃度，也決定了裝艙時間，耙頭水下疏浚工作狀態(tài)如圖5所示。泥漿密度計(jì)算表達(dá)如式3所示，其中D為疏浚泥漿密度，l為單位時間土方量，L為單位時間泥泵流量。

4耙吸挖泥船耙吸作業(yè)智能化控制策略

針對耙吸挖泥船耙吸作業(yè)原理，結(jié)合前述相關(guān)公式3以及泥泵工作曲線，可以得出單位時間土方量l對特定耙吸挖泥船是決定疏浚濃度的核心條件。耙頭單位時間可抽取土方量如公式4所示，其中l(wèi)為單位時間土方量，H為耙頭有效入泥深度，W為耙頭寬度，V為耙頭對地移動速度。

從耙頭單位時間可抽取土方量公式中可以見耙頭單位時間土方量獲取總量與耙頭入泥深度H、耙頭寬度W、耙頭對地移動速度V有關(guān)，其中耙頭寬度W對于特定船舶是常量，而耙頭入泥深度H、耙頭對地移動速度V是變量，這兩個變量直接影響耙頭的單位土方量的獲取。其中，耙頭對地移動速度V是可以直接通過控制耙吸挖泥船疏浚航速獲得調(diào)整。而耙頭入泥深度H不但與泥質(zhì)硬度有關(guān)，同時也與耙頭的重量、對地面積以及對水速度，可以用工程經(jīng)驗(yàn)公式5近似表達(dá)，其中H為耙頭有效入泥深度，G為耙頭重量，F(xiàn)為耙頭鋼絲繩拉力，K為水動力系數(shù)，V1為耙頭對水速度，S為耙頭對地面積，A為土質(zhì)硬度系數(shù)。

由耙頭有效入泥深度公式5可見，影響耙頭入泥深度的可控制變量主要有耙頭鋼絲繩拉力F和耙頭對水速度V1。

因此從上述耙頭單位時間可抽取土方量公式4和耙頭有效入泥深度公式5可見，針對相對穩(wěn)定的疏浚工程項(xiàng)目，通過對挖泥船疏浚航速的適應(yīng)性匹配優(yōu)化調(diào)整可以有效提高疏浚濃度，從而提高疏浚效率，有效降低疏浚能耗。但是航速的提升將提升船舶推進(jìn)系統(tǒng)能耗，從另外一方面會消減疏浚系統(tǒng)優(yōu)化的效果，不能夠達(dá)到最優(yōu)。

基于能效尋優(yōu)的目標(biāo)，適當(dāng)?shù)陌翌^入泥深度H對于疏浚濃度的提高和船舶總體能耗的優(yōu)化有指導(dǎo)意義?；诎翌^有效入泥深度公式5，如果對地和對水航速V1相對不變，鋼絲繩拉力F的調(diào)整將可以有效控制耙頭對地壓力，形成耙頭有效入泥深度H的變化。其中F的調(diào)整可以通過波浪補(bǔ)償器蓄能器壓力的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

從上述公式和控制響應(yīng)結(jié)果分析，耙吸挖泥船耙吸作業(yè)的效率和能耗優(yōu)化控制主要依賴于船舶對地航速V、對水航速V1、耙頭對地壓力（等效耙頭鋼絲繩拉力F）三個變量的優(yōu)化匹配來實(shí)現(xiàn)能耗和效率的最優(yōu)。具體工程項(xiàng)目的變量有效工作范圍影響工作曲線的最優(yōu)點(diǎn)。因此，基于具體工程疏?？刂频闹鲗?dǎo)變量需要根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行確認(rèn)和判別，或者根據(jù)施工中數(shù)據(jù)變化的影響進(jìn)行系統(tǒng)智能型判別，以保證系統(tǒng)的能耗及效率取得最優(yōu)值。

5結(jié)論

目前挖泥船的工作對象復(fù)雜，船舶施工能耗高，通過對疏浚設(shè)備的工作特性和疏浚工況需求進(jìn)行物理性分析，通過建立合理的疏浚工程模型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵參數(shù)變量，就能夠通過系統(tǒng)智能型控制策略來保證耙吸挖泥船疏浚工作的工作效率，這是目前和未來耙吸挖泥船設(shè)計(jì)與建造市場需求的趨勢。本文針對耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下所存在的多種疏浚作業(yè)工況，通過智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，提出耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作有效的控制策略分析方案，為后續(xù)耙吸式挖泥船設(shè)備運(yùn)行機(jī)理的深度分析與適應(yīng)性控制策略進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[6] Bray，R.N..疏浚工程手冊[M].交通部上海航道局：上海，1994：8.