挖泥船鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測裝置設計

杜中華，宋偉浩

（1.上海振華重工啟東海洋工程股份有限公司，上海 226259；2.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船通過絞車收放鋼絲繩并配合A字架的內外傾動作實現控制耙臂升降和水下姿態。對于單側耙臂，3根鋼絲繩分別纏繞固定于3部絞車的卷筒，鋼絲繩自由端纏繞通過A字架滑輪組后分別牽引耙頭、耙中以及彎管位置。耙吸挖泥船疏浚作業過程中，可能出現牽引耙臂的鋼絲繩松弛、甚至耙臂沖頂的問題，前者對于施工工況判斷和系統控制不利，而耙臂沖頂會損毀疏浚設備甚至危及施工人員的生命安全。

許多學者對礦用絞車鋼絲繩松弛檢測問題進行了研究。徐志鵬等通過應變片電橋電路測量滑輪內軸承內圈的應變情況，推算了鋼絲繩受力與電橋電壓的關系，配合PLC邏輯判斷，檢測了鋼絲繩松弛狀態[1]。曹姣賽在深度指示儀和天輪軸位置分別安裝編碼器和霍爾元件，利用PLC讀取、運算獲取兩部位線轉速，通過比較速度差值判定得出了鋼絲繩松繩狀態[2]。原志坤利用壓磁傳感器測量鋼絲繩張力，并通過PLC對張力進行比較判別松繩狀態[3]。有些學者采用紅外感應技術和加裝剛性托繩輥等方式對原有礦用絞車鋼絲繩的松繩檢測系統進行了改進，克服了原檢測方式的缺點[4-8]。以往文獻中對耙臂沖頂問題研究較少。

針對挖泥船鋼絲繩松弛和耙臂沖頂問題，設計了一種鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測裝置，用以檢測鋼絲繩的工作狀態并向控制系統提供相應的信號。

1 檢測原理

絞車過快、過量釋放鋼絲繩或耙臂受到外力突然上升都會造成鋼絲繩張力減小，外在表現為鋼絲繩松弛。若對處于松弛狀態的鋼絲繩施加一沿其徑向的推力，鋼絲繩會徑向移動一定距離直至其張力與所受推力達平衡狀態，且鋼絲繩越松弛鋼絲繩受力點位移越大。據此，可由鋼絲繩受外部推力后徑向移動的距離，判斷出鋼絲繩的松緊狀態。

在絞車卷收鋼絲繩以提升耙臂的過程中，可能因操作不當或設備故障而造成鋼絲繩卷收過量，進而導致耙臂上升超過安全位置造成碰撞事故，即耙臂沖頂。監測并保證卷筒上纏留鋼絲繩不超過安全匝數即可避免沖頂事故。耙吸船耙臂絞車僅纏繞一層鋼絲繩，故絞車卷收鋼絲繩時，釋放態鋼絲繩會沿卷筒軸線向遠離繩頭固定端方向單向移動；絞車釋放鋼絲繩時，釋放態鋼絲繩單向移向卷筒繩頭固定端。由上述事實可知：對于挖泥船耙臂絞車，卷筒上鋼絲繩匝數與釋放態鋼絲繩沿滾筒軸線的位置呈一一對應關系。因此，監測釋放態鋼絲繩沿卷筒軸向位置即可檢測出耙臂是否存在沖頂風險。

綜合鋼絲繩松弛和耙臂沖頂的原因和檢測原理可知，通過檢測鋼絲繩受力位移和自由端位置，可判斷出鋼絲繩松緊及耙臂沖頂狀態。檢測鋼絲繩松弛狀態需對其施加一徑向外力，且檢測鋼絲繩松緊及耙臂沖頂都伴隨測試點位置的移動，而彈簧受力與長度變化量成正相關，故可利用彈簧的力學特性輔助檢測鋼絲繩狀態。彈簧一端位置固定時，若其自由端與鋼絲繩測試點相接觸，鋼絲繩的松緊程度及耙臂沖頂時鋼絲繩狀態可由彈簧自由端位置進退等效表示，故通過檢測彈簧自由端位置可實現對鋼絲繩松緊及耙臂沖頂狀態的檢測。

2 裝置結構

鋼絲繩工作狀態檢測裝置主要由固定底座、伸縮裝置和感應器3部分構成，見圖1。

圖1 裝置整體結構圖Fig.1 Overall structure of the device

固定底座見圖2（a）。該座用于固定伸縮裝置和感應器，使兩者保持相對位置不變。固定底座帶有1個U形孔及半圓形抱箍，用于安裝感應器。感應器可沿U形孔移動，便于調整感應器安裝位置。底座底部配有2個圓形螺孔，用于固定伸縮裝置。圖2（b）為感應器的外形圖，為防護等級為IP67的電感式接近開關，以適應挖泥船高濕、高鹽的海洋作業環境，減少裝置的故障率。接近開關無需與受檢部件產生機械接觸，受檢部件進入感應器探測范圍時，感應器可自行動作并對外提供高電平信號。

圖2 裝置主要構成部分示意圖Fig.2 Main components of the device

圖2（c）為伸縮裝置的外形圖。該裝置主要由滾軸、連接桿、腔體、彈簧以及感應片構成。位于伸縮裝置前端的滾軸作為受力點直接與鋼絲繩接觸，鋼絲繩可貼滾軸表面平穩滑動。滾軸具有一定長度，可保證鋼絲繩在較小范圍晃動時仍可對滾筒施加壓力。連接桿用于將鋼絲繩對滾軸的壓力傳遞至彈簧，其前端與滾軸相連接，后端接入腔體并與腔體內彈簧對接。感應片為1個金屬片，并由螺桿透過腔體側面的U形孔固定于連接桿后端，其位置隨彈簧自由端位置變化而前后等距移動，由此檢測感應片位置即可獲取彈簧自由端位置信息。腔體開口端以螺母形式與連接桿接合。彈簧置于腔體內用于提供松弛測試所需推力和耙臂沖頂檢測的鋼絲繩平衡阻力。

3 應用場景與方法

裝置適用于絞車鋼絲繩松弛檢測，也可應用于鋼絲繩單層纏繞的絞車進行沖頂檢測，但不適用于對配備了多層纏繞鋼絲繩的絞車進行沖頂檢測。使用前應明確檢測目的，以確定安裝形式。不同檢測目的對應的裝置安裝示意圖見圖3。

圖3 裝置安裝示意圖Fig.3 Installation of the device

裝置用于檢測鋼絲繩松弛狀態時，應將裝置安裝在鋼絲繩橫向移動范圍較小的位置，防止鋼絲繩與裝置滾軸脫離接觸造成檢測失效，以鋼絲繩豎直向下的途經線路為最佳安裝區段。安裝時應使鋼絲繩處于正常松緊狀態，使鋼絲繩與滾軸保持接觸，調整腔體與鋼絲繩距離使彈簧適度壓縮，之后釋放鋼絲繩至松弛報警狀態，并保持滾軸與鋼絲繩接觸，調整并固定感應器至恰能檢測到感應片的位置，至此完成安裝。絞車作業過程中，若鋼絲繩由緊變松，鋼絲繩對彈簧的壓力減小，處于壓縮狀態的彈簧將逐漸伸長并推動鋼絲繩，感應片隨之向腔體開口端移動，感應器檢測到感應片后發出鋼絲繩松弛信號。

用于檢測耙臂沖頂鋼絲繩位置時，裝置多與絞車編碼器配合使用，作為編碼器失效后鋼絲繩沖頂的檢測手段。安裝時應事先控制絞車釋放鋼絲繩至耙臂沖頂報警位置，保持裝置連接桿與滾筒軸線平行安裝，調整并固定檢測裝置使鋼絲繩適度壓縮彈簧，調整感應器位置使其恰能檢測感應片。絞車提升耙臂時，釋放態的鋼絲繩逐漸遠離繩頭固定位置，臨近沖頂限位位置時與滾軸相接觸并推動連接桿壓縮彈簧，感應片隨之向腔體密閉端移動，感應器檢測到感應片即向控制器發出耙臂已達沖頂報警位置信號。

4 應用效果

該檢測裝置已實際應用于多艘耙吸挖泥船的耙臂絞車鋼絲繩松弛及耙臂沖頂檢測。某型耙吸挖泥船最大設計挖深為28 m，其彎管、耙中、耙頭部位絞車所配備鋼絲繩全長分別約35 m、46 m和75 m，耙臂彎管、耙中和耙頭都升至安全限位位置時，耙臂三部位絞車上纏繞的鋼絲繩匝數分別為15匝、13匝和16匝，故為避免發生耙臂沖頂事故，需在上述匝數對應的位置分別裝配檢測裝置獲取釋放態鋼絲繩位置信息。圖4（a）為某耙吸船彎管位置的檢測鋼絲繩松弛狀態的裝置實際安裝圖，圖4（b）為某耙吸船檢測耙臂沖頂狀態的裝置實際安裝圖。

圖4 裝置實際安裝圖Fig.4 Practical installation of the device

經過長時間運行測試，該裝置運行穩定，可有效檢測鋼絲繩松弛和耙臂沖頂，并能實時向控制系統發送相應信號，為系統控制及安全報警提供重要參考。該裝置已應用于多艘耙吸挖泥船，運行狀態良好。

5 結語

針對耙吸挖泥船耙臂絞車鋼絲繩松弛和耙臂沖頂問題，設計了一種檢測裝置。根據鋼絲繩松弛和耙臂沖頂時鋼絲繩的動作特點，將對鋼絲繩的位移檢測轉化為對感應片的位置檢測，感應器探測到感應片即發出高電平信號。針對松弛和沖頂檢測需采用不同的安裝方式，以滿足檢測和控制需求。在多艘挖泥船上對該裝置進行了測試應用，結果表明該裝置穩定可靠，可對鋼絲繩松弛和耙臂沖頂及時響應，為系統控制提供重要數據與安全報警信息。