耙吸式挖泥船耙管顯示裝置的研究及應用

胡春亮，范柏乾

(鎮江中船系統集成股份有限公司，江蘇 鎮江 212009)

耙吸式挖泥船耙管顯示裝置的研究及應用

胡春亮，范柏乾

(鎮江中船系統集成股份有限公司，江蘇 鎮江 212009)

針對國內自主建造的自航耙吸挖泥船的需求，設計了一種耙吸式挖泥船耙管顯示系統。主要通過傳感器采集相關耙管信號，經過運算后用圖形的方式在計算機顯示器上顯示出疏浚耙管位置，進一步提升國內自主自航耙吸挖泥船的電氣自動化程度。經實船應用，該裝置顯示直觀，運行可靠穩定。

耙吸挖泥船；耙管；顯示裝置；傳感器

0 引言

由于自航耙吸挖泥船在施工過程中，其耙管始終處于水下，施工人員無法直接觀測到耙管的狀態，對疏浚施工的效率、船舶的安全造成一定的影響，因此，研制了一種耙管顯示系統來檢測自航耙吸挖泥船耙管在水下的狀態。在自航耙吸挖泥船耙管上面安裝位置檢測傳感器，通過計算，可以將耙管在水面下的狀態很直觀顯示在計算機顯示器上，避免施工人員的視覺盲區，有效提高施工效率，降低耙管對船舶安全的影響。

1 數據采集與顯示系統

耙管位置顯示系統主要通過傳感器采集相關耙管信號，用圖形顯示器顯示疏浚耙管位置及狀態的測量和監控系統。圖1為數據采集與顯示系統圖。

圖1 數據采集與顯示系統圖

目前普遍采用角度及重力加速度計傳感器檢測，經轉換，獲得耙管狀態信息，并在計算機界面上顯示耙管狀態及相關信息。耙管狀態及數據顯示界面如圖2所示。

圖2 耙管狀態及數據顯示界面

2 耙管位置的測量傳感器

2.1耙管吸口到位傳感器

電感式接近開關，確認彎管是否正確到達吸口，該功能通過安裝在電纜伺服架上的傳感器判斷彎管是否到位的實現。此外，另一種方法是采用彎管絞車鋼絲繩松弛裝置檢測，該功能通過安裝在彎管滑塊鋼絲繩軸上的限位開關來判斷吊索是否松弛。如果彎管被物體堵塞，松弛吊索信號將給出，但此時所顯示彎管的位置并非到達吸口位置。

2.2垂直角度傳感器

垂直角度傳感器用于確定上下耙管的深度，通過測量上下耙管垂直角度來計算耙管位置(深度)，該角度傳感器輸出模擬信號(4～20 mA=-90°～+90°)。

垂直角度傳感器為重力加速度計，測量上/下耙管相對于大地的垂直角度。

2.3水平角度傳感器

上下耙管間萬向節之間的水平角度變化通過(機械彈簧)驅動水平角度傳感器，該角度傳感器輸出模擬信號(4～20 mA =-90°～+90°)。

水平角度傳感器采用可旋轉的高精度電位器，測量耙管相對于船舶中線的角度。

2.4傳感器安裝位置

傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置

3 主要功能

(1)分別裝于上、下吸管的水平及垂直位置傳感器, 檢測出上下耙吸管在水中的實際水平及垂直位置狀態與預設水平狀態時的角度偏差。計算機通過計算轉換出耙管在水中的實際狀態。

(2)裝于船舷吸口旁的壓力傳感器反映船的吃水深度。

(3)計算機連續檢測位置信號及壓力信號， 經計算以圖形方式及數字方式顯示耙管及耙頭在水中的位置，并根據水下耙管實際位置與船體位置關系判斷壓耙危險, 實時發出壓耙報警；當耙頭下放深度超設定值時發出超深報警。

4 工作原理

耙管位置通過安裝的垂直和水平傳感器測得數據，轉化為角度，通過三角函數計算得出耙頭的位置。耙管俯視圖、側視圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 耙管俯視圖

圖5 耙管側視圖

圖4、圖5中，a1為吸口到彎管的橫向距離；a2為彎管至耙中縱向距離；a3為耙中至耙頭的縱向距離；a4為耙管直徑；a5為耙頭寬度；d1為吸口深度；d2為耙管吸口至船底垂直距離；α1為上水平角度(通過上水平傳感器測量計算)；α2為下水平角度(通過下水平傳感器測量計算)；β1為上垂直角度(通過上垂直傳感器測量計算)；β2為下垂直角度(通過下垂直傳感器測量計算)；h1為耙頭距船舷水平距離；h2為耙頭深度；h3為耙頭距船底垂直距離。

h1=a3sin(α1+α2)+a2sinα1+a1-a5/2

h2=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ+d1

h3=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ-d2

式中：θ為橫傾角度(通過船舶橫縱傾傳感器測量計算)，為中間變量。

由于每條挖泥船的耙管尺寸是固定的，只要精確檢測出耙管相對于船舷的水平角度α1和α2，相對于海面的垂直角度β1和β2，以及船舶的橫傾角度θ，就可以計算得到耙頭距船舷的水平距離h1以及耙頭深度h2。

5 結語

自航耙吸挖泥船的耙管顯示系統目前已經在多艘耙吸挖泥船上裝船使用，可以幫助施工人員直觀地了解到耙管在水下的狀態。

但是由于安裝在耙管上的傳感器工作環境處于水下，所以使用初期經常會出現傳感器密封不嚴或水下電纜磨損等情況，導致系統不能正常工作。

經過實船的檢查及驗證，逐步改進傳感器的保護及密封工藝，更換水下電纜的型號及保護方式，目前此系統已經可以可靠、穩定的運行。

[1]程峰，何援軍．數據采集系統在耙吸挖泥船耙吸管位置監視中的應用研究[J]．船舶，2005，(1)：49-51.

[2]顧龍祥，朱生山，陳健．挖泥船耙管位置監視器和產量計算系統[J]．船舶，2000，(1)：21-25.

[3]金華．自航耙吸挖泥船耙管位置指示裝置[C] //中國設備管理協會.中國設備工程專家代表會議論文集．北京：中國設備管理協會：2007：159-160.

2014-06-08

胡春亮(1982-)，男，工程師，主要從事船舶電氣自動化；范柏乾(1979-)，男，工程師，主要從事船舶電氣自動化。

U674.31

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