基于慧魚模型的智能海上油污清理船的設計

應偉軍，范興鐸，李映平

（浙江農林大學暨陽學院，浙江 諸暨311800）

隨著石油化工行業的快速發展和海洋資源的大力開發，人類在開發和利用海洋時頻頻出現各種海上漏油事故。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區原油泄漏，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環境造成了嚴重破壞，導致沿海動植物、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]。

當出現海上漏油事故時，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動收放。人工投放圍油柵時，依靠錨機產生的拉力，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，只能通過人力轉動轉盤來收圍油柵，工作強度大、效率低。電機驅動投放圍油柵時，只能定速投放，無法調節投放速度；電機驅動收圍油柵，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；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，作業地點限于河道、港口。因此本文將設計一款高效率、多場合應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，能在事故突發的第一時間處理原油泄漏，減小漏油的影響面積，實現快速控制油污擴散、快速收集漏油，將漏油導致的損失降到最低。

慧魚創意組合模型（簡稱為慧魚模型）是在德國Arthur Fischer博士發明“六面拼接體”的基礎上研發而成的一款工程技術類智趣拼接模型，涵蓋了計算機、自動化控制、機械設計、物理等多個學科，具有很強的擴展性和啟發性，因此被廣泛應用于實驗教學、科學研究和實際生產?；埕~模型通過各種構件（功能模塊）以燕尾槽插接的形式組合拼接而成，各構件之間可以實現六面拼接、多次拆裝和反復使用[2-3]。

1 智能海上油污清理船方案設計及特點

本文利用慧魚模型對智能海上油污清理船進行了結構搭建、程序設計和系統調試，用以驗證其在設計上是可行的，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。

本文結合人工和電機驅動收放圍油柵的優點，對電機驅動的圍油柵收放機構進行了改進，在機構中加入了超越離合器。在投放圍油柵時，依靠錨機產生的拉力，順勢進行圍油柵的投放；收圍油柵時，利用電機驅動超越離合器帶動轉盤進行收圍油柵。

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、創新，使其具有吸油效率高、適用于多種場合等優點。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啟動吸油，快速吸取海面厚油層，由油層測厚傳感器自動調節真空泵的高度，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，快速前往事故區域；在事故發生區域，首先投放圍油柵圍住泄露的原油，防止其在海面上繼續擴散；接著打開真空泵控制系統啟動吸油，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新點如下：

1）真空泵升降機構

真空泵可在油層測厚傳感器的作用下，自動調節吸油泵的高度，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

真空泵吸油處理后的表面殘油，采用傳送帶的形式，在循環中及時擠出吸附的原油，使吸油氈重復使用，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

在電機驅動的圍油柵收放機構中，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，利用電機驅動超越離合器帶動轉盤進行收圍油柵。

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性，加快了原油泄漏后的清理速度。

2 機構設計

2.1 真空泵升降機構設計

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

圖2 真空泵升降機構圖

2.2 傳送帶吸油氈機構設計

傳送帶吸油氈機構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，電機選用常規交流電機即可。在傳送帶吸油氈機構設計中，將吸油氈加工后附著在履帶上，制成傳送帶式吸油氈，由電機同時驅動傳送帶和齒輪對運轉，傳送帶使吸油氈可以連續接觸海面并吸取殘油，齒輪對運轉帶動擠壓滾軸反向運動，將傳送帶吸油氈上的溢油被統統擠壓出來。傳送帶吸油氈機構圖如圖3所示。

圖3 傳送帶吸油氈機構圖

2.3 圍油柵收放機構設計

圍油柵收放機構主要部件包括電機、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，順勢拉動繩盤轉動，進行圍油柵的投放，超越離合器的使用避免了繩盤轉動給電機充電的現象；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，渦輪旋轉帶動超越離合器，實現圍油柵的回收。機構如圖4所示。

圖4 圍油柵收放機構

3 控制系統設計

3.1 整機控制系統設計

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

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系，并將控制信號輸出給真空泵升降機構控制電機，實時調節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的改進方案，設計了一款高效率、多場合應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構搭建，詳細闡述了各機構之間的傳動關系和原理。并對整機控制系統和真空泵升降控制子系統進行了設計。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設計方案是可行的，具有一定的創新性、先進性和實用價值。

參考文獻：

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

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

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