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)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2.中國交通建設(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挖、圍堰造島重器，廣泛應(yīng)用于疏浚工程[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)在21 世紀(jì)的發(fā)展，針對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)集成廠商已將全自動控制系統(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，操耙手無法直接觀察耙臂實時狀態(tài)，需采用感知技術(shù)監(jiān)測耙臂水下姿態(tài)，通過人工干預(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程的基礎(chǔ)上提出一項耙臂水下施工安全控制技術(shù)，并與感知技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)耙臂水下施工過程自動無人化控制。

1 研究背景及技術(shù)路線

1.1 耙臂系統(tǒng)

耙臂安裝在耙吸挖泥船船舷兩側(cè)，單個耙臂系統(tǒng)配備3 臺絞車及3 個吊架，由其實現(xiàn)整個耙臂施工過程控制，施工圖見圖1。

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

耙臂系統(tǒng)由疏浚臺的絞車手柄控制耙頭和耙中液壓絞車實現(xiàn)水下施工，彎管絞車在水下施工時禁止動作，耙臂絞車水下施工工藝如圖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)彎管絞車下放至吸口位置時，泥泵運行進(jìn)入施工狀態(tài)，耙頭絞車控制耙頭著地，耙中絞車控制萬向節(jié)將上下耙臂保持在一定角度范圍內(nèi)施工。耙臂水下施工過程中，耙頭波浪補(bǔ)償器會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)償器無限的彈起，在達(dá)到一定高度時需控制耙頭絞車，將波浪補(bǔ)償器行程控制在可控范圍內(nèi)；耙臂的萬向節(jié)是柔性連接上下耙臂，下水后上下耙臂會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，將水平和垂直角度控制在安全范圍內(nèi)。

1.2 技術(shù)路線

耙臂水下安全作業(yè)控制受水下施工環(huán)境影響，操作人員無法直接觀察耙臂在水下的實際情況，通過感知技術(shù)反饋的耙臂姿態(tài)進(jìn)行人工干預(yù)，該過程存在著一定的滯后性，安全性存在隱患。針對人工操作的局限性，梳理了耙臂水下施工工藝技術(shù)，提出一項耙臂水下施工安全控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開展耙吸挖泥船耙臂水下安全控制研究[4]。針對耙臂水下控制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 個方面展開：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動，或耙頭沿海床向下運動時，要保持耙頭在海床的位置不變，水面以下的鋼絲繩變長，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動，或耙頭沿著海床被迫向上運動時，水面以下的鋼絲繩變短，而船上的鋼絲繩變長，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算得出。通過設(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能夠緊貼泥面，保持生產(chǎn)效率，同時在遇到海底凸起處時，可將耙頭鋼絲繩收緊，避免耙頭左右擺動，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)定過于接近于機(jī)械上限位，那么當(dāng)耙頭遇到海底深凹時，波浪補(bǔ)償器可能快速下降，引起振動。當(dāng)發(fā)生這種情況時，自動控制器將檢測到波浪補(bǔ)償器行程的快速變化，自動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，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預(yù)先設(shè)定的橫向限制。當(dāng)耙頭橫向位置有可能超過設(shè)定時，自動控制器鎖定波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車上升，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，自動控制器將動作，自動硬鎖波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態(tài)。

自動控制器通過水平角度傳感器實時檢測耙頭橫向移動速度，當(dāng)耙頭橫向移動速度大于設(shè)定值時，自動控制器將動作，自動鎖定波浪補(bǔ)償器，控制耙頭絞車上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態(tài)。自動控制器根據(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[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：萬向節(jié)角度控制、下耙臂角度控制、安全限制控制。

萬向節(jié)角度控制和下耙臂角度控制使耙臂在挖泥過程中保持正確的姿態(tài)，在疏浚挖泥過程中可以選擇其中一種自動控制模式。安全限制是防止萬向節(jié)受損。耙頭絞車和耙中絞車協(xié)同控制，實現(xiàn)耙臂平穩(wěn)控制。

2.3.2控制方式

萬向節(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向節(jié)手動設(shè)定值和耙臂角度控制死區(qū)總和時，自動控制器將動作，控制耙中絞車上升，直到上耙臂與下耙臂垂直角度差小于萬向節(jié)手動設(shè)定值。萬向節(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，控制過程中設(shè)定相應(yīng)控制死區(qū)（0.1°）。此時耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車將根據(jù)自動控制功能動作。當(dāng)下耙臂與上耙臂垂直角度差大于萬向節(jié)手動設(shè)定值和耙臂角度控制死區(qū)總和時，自動控制器將動作，控制耙中絞車下降，直到下耙臂與上耙臂垂直角度差小于萬向節(jié)手動設(shè)定值。此時耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車將根據(jù)自動控制功能動作。

下耙臂角度控制模式下，當(dāng)下耙臂對地角度大于下耙臂手動設(shè)定值和下耙臂角度控制死區(qū)總和時，自動控制器將激活，控制耙中絞車下降，直到下耙臂對地角度小于下耙臂手動設(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，控制過程中設(shè)定相應(yīng)控制死區(qū)（0.1°）。此時耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車將根據(jù)自動控制功能動作。當(dāng)下耙臂對地角度小于下耙臂角度手動設(shè)定值和下耙臂角度控制死區(qū)總和時，自動控制器將激活，控制耙中絞車上升，直到下耙臂對地角度大于下耙臂角度手動設(shè)定值。此時耙頭深度將發(fā)生改變，耙頭絞車將根據(jù)自動控制功能動作。

安全限制模式下，為保護(hù)耙臂的中間部分（萬向節(jié)），控制器需對上耙臂、萬向節(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限定范圍時，自動控制器將動作，停止所有耙臂絞車自動動作并發(fā)出報警，所有耙臂絞車轉(zhuǎn)為手動控制。

3 結(jié)語

本文從3 個方面展開耙臂水下施工安全控制技術(shù)研究，對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)，可實現(xiàn)耙臂水下施工安全保護(hù)及水下自動施工功能。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“新海虎8 輪”、“新海虎4 輪”、“航浚4019 輪”、“航浚3011 輪”等耙吸挖泥船實船應(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，未來可推廣至新船建造及舊船改造。