耙吸挖泥船耙臂水下安全控制技術(shù)研究與應(yīng)用

潘永軍，畢鶴鳴，吳昊，周昭旭*

（1.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；2.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100088；3.中交疏浚（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船是航道開(kāi)挖、圍堰造島重器，廣泛應(yīng)用于疏浚工程[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在21 世紀(jì)的發(fā)展，針對(duì)逐漸成熟的疏浚工藝以及作業(yè)流程，疏浚設(shè)備以及系統(tǒng)集成廠(chǎng)商已將全自動(dòng)控制系統(tǒng)在部分船舶上得到應(yīng)用[2]。

耙臂作為耙吸挖泥船水下施工的主要設(shè)備，受水下施工環(huán)境影響，操耙手無(wú)法直接觀(guān)察耙臂實(shí)時(shí)狀態(tài)，需采用感知技術(shù)監(jiān)測(cè)耙臂水下姿態(tài)，通過(guò)人工干預(yù)保障耙臂水下施工安全[3]。為了更高效地保障耙臂水下施工安全，減輕人工操作的負(fù)擔(dān)，本文在分析研究耙臂水下施工工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上提出一項(xiàng)耙臂水下施工安全控制技術(shù)，并與感知技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)耙臂水下施工過(guò)程自動(dòng)無(wú)人化控制。

1 研究背景及技術(shù)路線(xiàn)

1.1 耙臂系統(tǒng)

耙臂安裝在耙吸挖泥船船舷兩側(cè)，單個(gè)耙臂系統(tǒng)配備3 臺(tái)絞車(chē)及3 個(gè)吊架，由其實(shí)現(xiàn)整個(gè)耙臂施工過(guò)程控制，施工圖見(jiàn)圖1。

圖1 耙臂水下施工圖Fig.1 Underwater construction of suction tube

耙臂系統(tǒng)由疏浚臺(tái)的絞車(chē)手柄控制耙頭和耙中液壓絞車(chē)實(shí)現(xiàn)水下施工，彎管絞車(chē)在水下施工時(shí)禁止動(dòng)作，耙臂絞車(chē)水下施工工藝如圖2 所示。

圖2 耙臂水下施工控制方式圖Fig.2 Control method for underwater construction of suction tube

當(dāng)彎管絞車(chē)下放至吸口位置時(shí)，泥泵運(yùn)行進(jìn)入施工狀態(tài)，耙頭絞車(chē)控制耙頭著地，耙中絞車(chē)控制萬(wàn)向節(jié)將上下耙臂保持在一定角度范圍內(nèi)施工。耙臂水下施工過(guò)程中，耙頭波浪補(bǔ)償器會(huì)隨著耙頭著地而彈起，而波浪補(bǔ)償器的行程是一定的（約0～3 m），不能讓波浪補(bǔ)償器無(wú)限的彈起，在達(dá)到一定高度時(shí)需控制耙頭絞車(chē)，將波浪補(bǔ)償器行程控制在可控范圍內(nèi)；耙臂的萬(wàn)向節(jié)是柔性連接上下耙臂，下水后上下耙臂會(huì)隨著耙頭著地后地面拉力及水下浪流的影響，水平和垂直角度均會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)角度變化超出一定范圍后，人工干預(yù)調(diào)節(jié)耙頭或耙中絞車(chē)，將水平和垂直角度控制在安全范圍內(nèi)。

1.2 技術(shù)路線(xiàn)

耙臂水下安全作業(yè)控制受水下施工環(huán)境影響，操作人員無(wú)法直接觀(guān)察耙臂在水下的實(shí)際情況，通過(guò)感知技術(shù)反饋的耙臂姿態(tài)進(jìn)行人工干預(yù)，該過(guò)程存在著一定的滯后性，安全性存在隱患。針對(duì)人工操作的局限性，梳理了耙臂水下施工工藝技術(shù)，提出一項(xiàng)耙臂水下施工安全控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展耙吸挖泥船耙臂水下安全控制研究[4]。針對(duì)耙臂水下控制3 種情況：波浪補(bǔ)償器位置控制，耙臂水平角度控制，耙臂垂直角度控制，分別使用了不同的控制方法。

2 耙臂水下施工安全控制技術(shù)

本文提出耙臂水下施工安全控制技術(shù)從3 個(gè)方面展開(kāi)：波浪補(bǔ)償器位置控制、耙臂水平角度控制、耙臂垂直角度控制。

2.1 波浪補(bǔ)償器位置控制

2.1.1控制原理

波浪補(bǔ)償器用于維持耙頭對(duì)海床的壓力，控制鋼絲繩張力在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)變化，防止鋼纜自由松弛和再度張緊[5]。當(dāng)船舶受波浪影響向上運(yùn)動(dòng)，或耙頭沿海床向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，要保持耙頭在海床的位置不變，水面以下的鋼絲繩變長(zhǎng)，船上的鋼絲繩變短，鋼絲繩張力變大，油缸在鋼絲繩張力的作用下被縮回；反之，當(dāng)船舶受波浪影響向下運(yùn)動(dòng)，或耙頭沿著海床被迫向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，水面以下的鋼絲繩變短，而船上的鋼絲繩變長(zhǎng)，鋼絲繩張力變小，為維持鋼絲繩的張力，油缸在油壓的作用下伸出，鋼絲繩張力抵消了耙頭對(duì)海床壓力加大的傾向[6]。

2.1.2控制方式波浪補(bǔ)償器中間位置控制示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 波浪補(bǔ)償器中間位置控制Fig.3 Middle position control of swell compensator

波浪補(bǔ)償器中間位置控制，可通過(guò)監(jiān)視并控制波浪補(bǔ)償器保持在中間位置，該中間位置由波浪補(bǔ)償器設(shè)置中的最高和最低位置計(jì)算得出。通過(guò)設(shè)定死區(qū)（0.05 m）將波浪補(bǔ)償器控制在中間位置附近，可確保耙頭在海底遇到深凹時(shí)能夠緊貼泥面，保持生產(chǎn)效率，同時(shí)在遇到海底凸起處時(shí)，可將耙頭鋼絲繩收緊，避免耙頭左右擺動(dòng)，造成重大安全事故。

波浪補(bǔ)償器的中間位置需根據(jù)工程情況恰當(dāng)設(shè)置。例如，波浪補(bǔ)償器的中間位置設(shè)定過(guò)于接近于機(jī)械上限位，那么當(dāng)耙頭遇到海底深凹時(shí)，波浪補(bǔ)償器可能快速下降，引起振動(dòng)。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，自動(dòng)控制器將檢測(cè)到波浪補(bǔ)償器行程的快速變化，自動(dòng)控制器將硬鎖波浪補(bǔ)償器，快速提升耙頭至安全深度，再下放耙頭，待波浪補(bǔ)償器設(shè)定壓力大于油缸壓力時(shí)，解鎖波浪補(bǔ)償器，繼續(xù)按照控制器設(shè)置和控制邏輯進(jìn)行動(dòng)作。

2.2 耙臂水平角度控制

2.2.1控制原理

耙頭橫向控制確保耙頭不超過(guò)預(yù)先設(shè)定的橫向限制。當(dāng)耙頭橫向位置有可能超過(guò)設(shè)定時(shí)，自動(dòng)控制器鎖定波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車(chē)上升，將耙頭拉離地面，回至限制設(shè)定范圍內(nèi)位置。

耙頭橫向控制通過(guò)調(diào)節(jié)鋼絲繩角度，將耙頭橫向位置保持在橫向角度最大限定值范圍內(nèi)。水平角度作為施工安全保護(hù)控制，橫向水平角度基本設(shè)定值在-18°～+18°，詳細(xì)情況見(jiàn)圖4。

圖4 耙臂水平角度控制Fig.4 Horizontal angle control of suction tube

2.2.2控制方式

當(dāng)耙頭邊沿橫向位置超過(guò)設(shè)定挖泥舷內(nèi)鋼絲繩角度最大限定值與橫向控制死區(qū)時(shí)，自動(dòng)控制器將動(dòng)作，自動(dòng)硬鎖波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車(chē)上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態(tài)。

自動(dòng)控制器通過(guò)水平角度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)耙頭橫向移動(dòng)速度，當(dāng)耙頭橫向移動(dòng)速度大于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)控制器將動(dòng)作，自動(dòng)鎖定波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車(chē)上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態(tài)。自動(dòng)控制器根據(jù)不同的模式，選用耙頭深度控制或波浪補(bǔ)償器中間位置控制模式控制耙頭絞車(chē)[7]。

2.3 耙臂垂直角度控制

2.3.1控制原理

耙臂垂直角度控制分為3 種控制方式：萬(wàn)向節(jié)角度控制、下耙臂角度控制、安全限制控制。

萬(wàn)向節(jié)角度控制和下耙臂角度控制使耙臂在挖泥過(guò)程中保持正確的姿態(tài)，在疏浚挖泥過(guò)程中可以選擇其中一種自動(dòng)控制模式。安全限制是防止萬(wàn)向節(jié)受損。耙頭絞車(chē)和耙中絞車(chē)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)耙臂平穩(wěn)控制。

2.3.2控制方式

萬(wàn)向節(jié)角度控制模式下，當(dāng)上耙臂與下耙臂垂直角度差大于萬(wàn)向節(jié)手動(dòng)設(shè)定值和耙臂角度控制死區(qū)總和時(shí)，自動(dòng)控制器將動(dòng)作，控制耙中絞車(chē)上升，直到上耙臂與下耙臂垂直角度差小于萬(wàn)向節(jié)手動(dòng)設(shè)定值。萬(wàn)向節(jié)角度根據(jù)疏浚施工深度不同，其設(shè)定值也可進(jìn)行調(diào)整，控制過(guò)程中設(shè)定相應(yīng)控制死區(qū)（0.1°）。此時(shí)耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車(chē)將根據(jù)自動(dòng)控制功能動(dòng)作。當(dāng)下耙臂與上耙臂垂直角度差大于萬(wàn)向節(jié)手動(dòng)設(shè)定值和耙臂角度控制死區(qū)總和時(shí)，自動(dòng)控制器將動(dòng)作，控制耙中絞車(chē)下降，直到下耙臂與上耙臂垂直角度差小于萬(wàn)向節(jié)手動(dòng)設(shè)定值。此時(shí)耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車(chē)將根據(jù)自動(dòng)控制功能動(dòng)作。

下耙臂角度控制模式下，當(dāng)下耙臂對(duì)地角度大于下耙臂手動(dòng)設(shè)定值和下耙臂角度控制死區(qū)總和時(shí)，自動(dòng)控制器將激活，控制耙中絞車(chē)下降，直到下耙臂對(duì)地角度小于下耙臂手動(dòng)設(shè)定值。下耙臂角度根據(jù)疏浚施工深度不同，其設(shè)定值也可進(jìn)行調(diào)整，控制過(guò)程中設(shè)定相應(yīng)控制死區(qū)（0.1°）。此時(shí)耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車(chē)將根據(jù)自動(dòng)控制功能動(dòng)作。當(dāng)下耙臂對(duì)地角度小于下耙臂角度手動(dòng)設(shè)定值和下耙臂角度控制死區(qū)總和時(shí)，自動(dòng)控制器將激活，控制耙中絞車(chē)上升，直到下耙臂對(duì)地角度大于下耙臂角度手動(dòng)設(shè)定值。此時(shí)耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車(chē)將根據(jù)自動(dòng)控制功能動(dòng)作。

安全限制模式下，為保護(hù)耙臂的中間部分（萬(wàn)向節(jié)），控制器需對(duì)上耙臂、萬(wàn)向節(jié)和下耙臂進(jìn)行安全角度限制，當(dāng)上耙臂、中間管、下耙臂垂直角度超過(guò)限定范圍時(shí)，自動(dòng)控制器將動(dòng)作，停止所有耙臂絞車(chē)自動(dòng)動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警，所有耙臂絞車(chē)轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從3 個(gè)方面展開(kāi)耙臂水下施工安全控制技術(shù)研究，對(duì)耙臂水下施工工序進(jìn)行分析，形成一套完整的耙臂水下施工控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)耙臂水下施工安全保護(hù)及水下自動(dòng)施工功能。波浪補(bǔ)償器位置控制是為了將耙頭更好地貼近泥面，保證施工過(guò)程質(zhì)量；水平和垂直角度控制可將耙臂保持在設(shè)定范圍內(nèi)，保證施工安全。該技術(shù)已在“新?；? 輪”、“新?；? 輪”、“航浚4019 輪”、“航浚3011 輪”等耙吸挖泥船實(shí)船應(yīng)用，應(yīng)用效果顯著，該技術(shù)能夠高效、安全、穩(wěn)定地保持耙臂在水下正常施工，技術(shù)相較于人工更靈敏、高效，未來(lái)可推廣至新船建造及舊船改造。