絞吸船疏浚絞車隨動控制模型設計

丁志兵，袁子豪

(1.鎮江市億華系統集成有限公司，江蘇 鎮江212000；2.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

絞吸挖泥船是水力式挖泥船中較普遍的一種，其基本工作原理是通過旋轉的絞刀將海底泥、沙、石等挖掘攪松，并進行泥水混合，同時由船上離心泵產生的真空把挖掘攪松的泥漿吸入、提升，再通過排泥管線排出輸送到泥土處理場。

正常施工時，絞吸挖泥船通常采用錨纜橫挖法。錨纜橫挖法是以位于艉部的主鋼樁為基準點，通過艏部兩側的橫移絞車，一邊收纜、另一邊放纜，邊挖邊移，從挖槽的一側橫挖到另一側，步進臺車，反方向挖掘。橫挖過程中，為確保絞車在橫挖過程中絞刀頭不會纏繞到起錨纜橫移絞車，起錨絞車纜拖放在船體底部。

船舶在橫向擺動過程中，挖掘的絞刀頭會纏繞到起錨絞車的鋼絲繩導致施工停止，直接影響到船舶施工的生產效率。

為解決常規施工過程中起錨纜敷設不到位的問題，本文以某2 000 m/h自航絞吸挖泥船為例，欲建立絞車隨動控制模型，使得船舶在橫挖過程中起錨絞車與橫移絞車隨動，起錨纜始終處于受力狀態，以消除絞刀頭絞斷起錨纜的安全隱患，同時也提高施工效率。

1 船舶設備簡介

某2 000 m/h自航絞吸挖泥船主要用于長江中下游航道與沿海港口的疏浚工作，配備挖泥設備、船舶定位設備及相關的輔助設備。挖泥作業設備主要有：絞刀與驅動裝置、水下泥泵與驅動裝置、艙內泥泵與驅動裝置、泥漿輸送系統等。挖泥輔助設備有：橋架、門架、橫移錨及拋錨桿等。船舶定位設備主要由1套臺車鋼樁、1套輔鋼樁組成。

1.1 輪機設備

(1)由2臺690 V主發電機組和1臺690 V輔助發電機組組成船舶電網。

(2)2臺艙內泥泵柴油機。

(3)1臺400 V應急/停泊發電機組柴油機。

1.2 機械設備

(1)由1臺變頻器驅動絞刀電動機或1臺推進電機。

(2)1臺變頻器驅動水下泥泵電動機或1臺推進電機。

(3)2臺艙內泥泵。該泥泵由柴油機經減速齒輪箱驅動。

(4)橫移絞車、橋架絞車、起錨絞車、錨桿絞車由變頻器驅動電機再經減速齒輪箱驅動。

(5)封水泵、閘閥沖洗泵和絞刀沖水泵由變頻器驅動電動機。

(6)定位樁、臺車、定位樁夾具、閘閥和真空釋放閥等設備為液壓驅動。

2 絞車現狀分析及存在問題

2.1 現狀分析

目前絞吸挖泥船挖掘方式通常采用橫挖法，移錨過程一般步驟如下：

(1)船橫擺到挖槽左邊沿，通過左拋錨桿起左錨，拋至新錨位。拋錨過程中起錨纜需手動放出。

(2)左側錨拋好后，船舶向右橫擺。橫擺過程中需手動控制左側起錨纜放出，起錨纜一直處于松馳的狀態。所以，船向右橫擺時應放慢速度。

(3)船橫擺至右邊線，通過右拋錨桿起右錨，拋至新錨位。拋錨過程中起錨纜需同步放出。

(4)右側錨拋好后，船向左橫擺。橫擺過程中需手動控制右側起錨纜放出。由于起錨纜一直處于松馳的狀態，所以船向左橫擺時應放慢速度。

以上常規移錨時間一般超過1 h，直接影響了施工效率。

2.2 存在的問題

(1)安全性不能保障。常規移錨過程中，起錨絞車的收放量需要根據操作人員的經驗，一旦操作過程中沒有放足纜繩量，將會發生絞纜情況。

(2)工作效率低。常規移錨過程中需要考慮到橫移絞車和起錨絞車收放平衡，導致橫移擺動速度慢，移錨速度較長。

3 絞車隨動控制模型研究

為消除絞刀頭絞斷起錨纜的安全隱患、提高工作效率，本文根據某2 000 m/h自航絞吸船特點和使用情況，開發了絞車隨動控制模型。

3.1 測量參數

為達到絞車隨動控制模型要求，增加的測量參數如下：橫移錨拋錨位置、拋錨桿絞車投影長度、拋錨桿船體出繩位置、橫移錨船體出繩位置、回轉絞車出繩位置。

3.2 硬件設備

為達到絞車隨動控制模型要求，增加的硬件設備如下：橫移絞車編碼器(左右絞車)、起錨絞車編碼器(左右絞車)、回轉絞車編碼器(左右絞車)。

3.3 控制過程

3.3.1 絞車隨動模型移錨過程

(1)移錨開始前確認起錨絞車處于隨動模式。

(2)船橫擺到挖槽左邊沿，通過左拋錨桿起左錨，拋至新錨位(起錨纜隨動，不需要人工干預)，系統記錄當前錨位點。

(3)左側錨拋好后，船舶向右橫擺。橫擺過程中起錨纜隨動。

(4)船橫擺至右邊線時，通過右拋錨桿起右錨，拋至新錨位(起錨纜隨動，不需要人工干預)，系統記錄當前錨位點。

(5)移錨過程完成，可開始施工挖掘。

3.3.2 移錨隨動控制模型的優點

(1)操作者無需關注起錨絞車的控制，消除了施工過程中出現絞纜的現象。

(2)該控制模型大大提升了移錨速度。

3.4 模型算法

3.4.1 錨桿頂部位置運算

錨桿位置運算示意圖見圖1。

圖1 錨桿位置運算示意圖

式中：

x

、

y

為錨桿頂點相對于錨桿旋轉點坐標；

L

為拋錨桿投影長度；

L

為回轉絞車纜繩系扣位置與錨桿旋轉點距離；

L

為回轉絞車出繩點與錨桿旋轉點距離；

L

為回轉絞車出繩長度。

3.4.2 隨動速度運算

船舶橫擺過程中，起錨絞車需要隨橫移絞車同步收攬/放纜。隨動速度運算示意圖見圖2。以橫移絞車纜繩速度

v

為基準速度：

圖2 隨動速度運算示意圖

式中：

v

′為起錨絞車速度控制；

L

為橫移絞車纜繩出繩長度；

L

′為橫移絞車下一時刻纜繩出繩長度；

L

為起錨絞車纜繩出繩長度；

L

′為起錨絞車下一時刻纜繩出繩長度。

3.4.3 起錨絞車張力保護

船舶橫移過程中，起錨絞車隨橫移絞車聯動。

為避免絞車上的力過大導致錨處于被拉起狀態，在以上控制算法的基礎上增加了拉力保護控制。系統檢測到起錨絞車纜繩上的拉力超過設定值后，則自動加大起錨絞車控制速度，則隨動速度控制的實際速度為

v

：

v=Kv

′式中：

K

為速度控制的補償系數。

4 結語

本文建立一種基于絞吸船施工相關絞車隨動控制模型，通過錨位運算模型、隨動速度計算模型、張力保護模型并結合計算及控制，達到該模型設計的要求。在實際使用的過程中發現，以往移一次錨需要1.5 h左右，通過該模型的使用，移一次錨只需要40 min左右，大大提升了移錨速度。