波浪補(bǔ)償系統(tǒng)在自航絞吸挖泥船上的應(yīng)用

霍學(xué)亮， 蔡建軍， 張潤(rùn)喜

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

0 引 言

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)通常應(yīng)用在耙吸船上，可使耙吸挖泥船在海面有波浪或水底地形有起伏的情況下耙頭始終貼緊水底泥面[1]。波浪補(bǔ)償系統(tǒng)是近代耙吸式挖泥船上普遍使用的一種疏浚輔助裝置。波浪補(bǔ)償實(shí)際上是升沉補(bǔ)償，主要是在垂直方向上補(bǔ)償鋼絲繩的張力，防止船舶上下起伏導(dǎo)致鋼絲繩松弛從而避免或減輕對(duì)設(shè)備的沖擊。耙吸船波浪補(bǔ)償系統(tǒng)是一套采用被動(dòng)補(bǔ)償方式的自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用恒張力的原理，用于補(bǔ)償船舶因波浪升降而影響耙頭對(duì)海底或河床的壓力[2]。將波浪補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用于大型自航絞吸挖泥船橋架提升系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)開創(chuàng)先例。

1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

天鯤號(hào)是由我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的超大型自航絞吸挖泥船，船體艉部設(shè)置帶有波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的重型橋架[3]，可確保起升橋架鋼絲繩在船舶施工作業(yè)時(shí)始終保持張緊狀態(tài)，避免船體隨波浪上下垂蕩造成絞刀頭與疏浚物撞擊，增強(qiáng)船舶在大風(fēng)浪工況下的施工安全性和連續(xù)性[4]。該系統(tǒng)為被動(dòng)型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)[5]，每套波浪補(bǔ)償系統(tǒng)由油缸、導(dǎo)向滑輪組、蓄能器組、空氣瓶組和控制系統(tǒng)等組成，其油缸兩端各設(shè)置滑輪組。橋架鋼絲繩通過油缸張緊，可確保起吊鋼絲繩在風(fēng)浪工況下作業(yè)始終保持張緊狀態(tài)，減少船體在風(fēng)浪中升沉對(duì)起吊設(shè)備的沖擊，確保安全施工。波浪補(bǔ)償系統(tǒng)如圖1所示。起升橋架絞車和波浪補(bǔ)償油缸安裝在船體上，通過鋼絲繩將波浪補(bǔ)償油缸、滑輪組和橋架連接為一個(gè)整體。

圖1 橋架波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

2 自航絞吸挖泥船橋架波浪補(bǔ)償系統(tǒng)

自航絞吸挖泥船橋架波浪補(bǔ)償系統(tǒng)由波浪補(bǔ)償油缸、低壓蓄能器、高壓蓄能器、蓄能器控制閥組和電磁閥等組成，共2套，分左舷、右舷對(duì)稱布置。

2.1 波浪補(bǔ)償油缸

波浪補(bǔ)償油缸由上端油缸和下端油缸組成，如圖2所示。上端油缸行程較長(zhǎng)，約4 m，為低壓腔；下端油缸行程較短，為高壓緩沖腔。油缸低壓腔配備高精度位移傳感器，用于測(cè)量油缸的運(yùn)行速度。

圖2 波浪補(bǔ)償油缸

在船體隨波浪下降時(shí)，橋架由于慣性相對(duì)船體上升，對(duì)地壓力增大，鋼絲繩受力減少，下端油缸受壓伸出，上端油缸與下端油缸分離，橋架上端油缸快速伸出漲緊鋼絲繩，防止鋼絲繩松脫或繃斷，可大幅提高橋架的安全性能。

在船體隨波浪上升時(shí)，橋架由于慣性相對(duì)船體下降，橋架上端油缸被動(dòng)快速縮回，鋼絲繩始終處于漲緊狀態(tài)。在上端油缸回縮至與下端油缸接觸位置時(shí)，下端油缸起緩沖作用，減慢油缸相對(duì)速度，減少系統(tǒng)沖擊。高壓緩沖腔油缸運(yùn)動(dòng)位置如圖3所示。

圖3 高壓緩沖腔油缸位置示例

2.2 蓄能器控制閥組

蓄能器控制閥組主要用于低壓腔液壓油的控制，由主閥、副閥、緊急閥、控制閥、安全閥等組成，如圖4所示。主閥用于控制波浪補(bǔ)償油缸低壓腔和低壓蓄能器主油路的通斷，主油路流量較大。副閥用于控制波浪補(bǔ)償油缸低壓腔和低壓蓄能器副油路的通斷，副油路流量較小。緊急閥用于在油缸超速運(yùn)行時(shí)緊急關(guān)閉主閥。安全閥主要用于在主閥關(guān)閉后管路油壓超壓時(shí)開啟，以保護(hù)液壓系統(tǒng)。

圖4 蓄能器控制閥組

主閥、副閥、緊急閥等各閥組的開啟關(guān)閉由各控制電磁閥實(shí)現(xiàn)。各控制電磁閥功能如表1所示。

表1 電磁閥功能

2.3 液壓原理

低壓蓄能器由5組1 600 L的壓縮空氣蓄能器為其緩沖，最大提供85 bar(1 bar=0.1 MPa)的壓力，通過調(diào)節(jié)空氣蓄能器的壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩恒張力的調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)開啟后，船體隨波浪抬升，油缸縮回，鋼絲繩保持設(shè)定的恒張力。在船體隨波浪下降時(shí)，油缸伸出，鋼絲繩保持設(shè)定的恒張力(小于起升橋架拉力)，確保絞刀頭緊貼海床不被拉起。高壓蓄能器由10組50 L的氮?dú)庑钅芷鳛槠渚彌_，最大提供300 bar壓力，用于緩沖上端油缸高速運(yùn)動(dòng)。在上端油缸高速向下沖擊時(shí)，上端油缸活塞撞擊下端油缸活塞桿，氮?dú)庑钅芷鲗?duì)下端油缸進(jìn)行緩沖，使上端油缸在接近底部時(shí)，不直接撞擊油缸底部，減輕上端油缸活塞對(duì)油缸底部的撞擊力，從而對(duì)油缸自身、船體及橋架滑輪組進(jìn)行緩沖。波浪補(bǔ)償系統(tǒng)液壓原理如圖5所示。

圖5 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)液壓原理

3 自航絞吸挖泥船橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)

自航絞吸挖泥船在工作時(shí)船體一直受到波浪影響，波浪補(bǔ)償油缸處于快速運(yùn)動(dòng)中，特別是在絞刀頭擺動(dòng)過程中遇到深坑的情況下，地面對(duì)絞刀的力會(huì)突然消失，絞刀和橋架會(huì)迅速下降，波浪補(bǔ)償油缸會(huì)跟隨快速運(yùn)動(dòng)直至活塞與缸體碰撞，造成波浪補(bǔ)償油缸損壞。為保護(hù)油缸，專門為天鯤號(hào)配備1套橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)可在較短時(shí)間內(nèi)迅速作出響應(yīng)。

橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)由PLC、位移傳感器、電磁閥、壓力傳感器等組成。油缸內(nèi)配置高動(dòng)態(tài)和高精度的位移傳感器，用于監(jiān)控油缸位置，位移精度可達(dá)0.01 mm，速度精度可達(dá)4.0 m/s。PLC實(shí)時(shí)采集油缸位移、速度及兩腔壓力，在油缸失速達(dá)2.5 m/s時(shí)觸發(fā)電磁閥(S2703)動(dòng)作，緊急閥開啟，通過控制油蓄能器迅速關(guān)閉主閥，從而制約油缸運(yùn)動(dòng)速度，使其減速，避免撞擊造成油缸損壞。

在波浪補(bǔ)償功能正常工作時(shí)，左油缸電磁閥S2702、S2704和右油缸電磁閥S2714、S2716得電工作；在出現(xiàn)掉坑和鋼絲繩斷裂引起失速報(bào)警時(shí)，左油缸電磁閥S2703、S2705和右油缸電磁閥S2715、S2717得電工作，迅速將2個(gè)油缸的速度降為原來的20%，盡可能避免速度過快引起撞缸。橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)界面

4 結(jié) 語

自航絞吸挖泥船設(shè)置橋架波浪補(bǔ)償系統(tǒng)可改善船體運(yùn)動(dòng)對(duì)橋架的沖擊。在一定波浪情況下，船舶仍可施工作業(yè)，增加船舶作業(yè)時(shí)間；在工作時(shí)鋼絲繩保持恒張力，使絞刀頭緊貼海床施工，提高工作效率；降低設(shè)備損壞概率，對(duì)船體及橋架起到緩沖作用，避免浪產(chǎn)生的瞬間峰值負(fù)荷，并防止鋼絲繩松脫。專門配置的橋架補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防掉坑功能，可有效保護(hù)油缸安全。