耙吸挖泥船耙臂水下安全控制技術研究與應用

潘永軍，畢鶴鳴，吳昊，周昭旭*

（1.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2.中國交通建設集團有限公司，北京 100088；3.中交疏浚（集團）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，廣泛應用于疏浚工程[1]。隨著計算機技術在21 世紀的發展，針對逐漸成熟的疏浚工藝以及作業流程，疏浚設備以及系統集成廠商已將全自動控制系統在部分船舶上得到應用[2]。

耙臂作為耙吸挖泥船水下施工的主要設備，受水下施工環境影響，操耙手無法直接觀察耙臂實時狀態，需采用感知技術監測耙臂水下姿態，通過人工干預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，減輕人工操作的負擔，本文在分析研究耙臂水下施工工藝過程的基礎上提出一項耙臂水下施工安全控制技術，并與感知技術相結合，實現耙臂水下施工過程自動無人化控制。

1 研究背景及技術路線

1.1 耙臂系統

耙臂安裝在耙吸挖泥船船舷兩側，單個耙臂系統配備3 臺絞車及3 個吊架，由其實現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

耙臂系統由疏浚臺的絞車手柄控制耙頭和耙中液壓絞車實現水下施工，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

當彎管絞車下放至吸口位置時，泥泵運行進入施工狀態，耙頭絞車控制耙頭著地，耙中絞車控制萬向節將上下耙臂保持在一定角度范圍內施工。耙臂水下施工過程中，耙頭波浪補償器會隨著耙頭著地而彈起，而波浪補償器的行程是一定的（約0～3 m），不能讓波浪補償器無限的彈起，在達到一定高度時需控制耙頭絞車，將波浪補償器行程控制在可控范圍內；耙臂的萬向節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生變化，當角度變化超出一定范圍后，人工干預調節耙頭或耙中絞車，將水平和垂直角度控制在安全范圍內。

1.2 技術路線

耙臂水下安全作業控制受水下施工環境影響，操作人員無法直接觀察耙臂在水下的實際情況，通過感知技術反饋的耙臂姿態進行人工干預，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，提出一項耙臂水下施工安全控制技術，在此基礎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

本文提出耙臂水下施工安全控制技術從3 個方面展開：波浪補償器位置控制、耙臂水平角度控制、耙臂垂直角度控制。

2.1 波浪補償器位置控制

2.1.1控制原理

波浪補償器用于維持耙頭對海床的壓力，控制鋼絲繩張力在預設的范圍內變化，防止鋼纜自由松弛和再度張緊[5]。當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控制方式波浪補償器中間位置控制示意圖見圖3。

圖3 波浪補償器中間位置控制Fig.3 Middle position control of swell compensator

波浪補償器中間位置控制，可通過監視并控制波浪補償器保持在中間位置，該中間位置由波浪補償器設置中的最高和最低位置計算得出。通過設定死區（0.05 m）將波浪補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。

波浪補償器的中間位置需根據工程情況恰當設置。例如，波浪補償器的中間位置設定過于接近于機械上限位，那么當耙頭遇到海底深凹時，波浪補償器可能快速下降，引起振動。當發生這種情況時，自動控制器將檢測到波浪補償器行程的快速變化，自動控制器將硬鎖波浪補償器，快速提升耙頭至安全深度，再下放耙頭，待波浪補償器設定壓力大于油缸壓力時，解鎖波浪補償器，繼續按照控制器設置和控制邏輯進行動作。

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先設定的橫向限制。當耙頭橫向位置有可能超過設定時，自動控制器鎖定波浪補償器，控制耙頭絞車上升，將耙頭拉離地面，回至限制設定范圍內位置。

耙頭橫向控制通過調節鋼絲繩角度，將耙頭橫向位置保持在橫向角度最大限定值范圍內。水平角度作為施工安全保護控制，橫向水平角度基本設定值在-18°～+18°，詳細情況見圖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

當耙頭邊沿橫向位置超過設定挖泥舷內鋼絲繩角度最大限定值與橫向控制死區時，自動控制器將動作，自動硬鎖波浪補償器，控制耙頭絞車上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態。

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，當耙頭橫向移動速度大于設定值時，自動控制器將動作，自動鎖定波浪補償器，控制耙頭絞車上升，直至耙頭位置回到自然垂直狀態。自動控制器根據不同的模式，選用耙頭深度控制或波浪補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：萬向節角度控制、下耙臂角度控制、安全限制控制。

萬向節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，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受損。耙頭絞車和耙中絞車協同控制，實現耙臂平穩控制。

2.3.2控制方式

萬向節角度控制模式下，當上耙臂與下耙臂垂直角度差大于萬向節手動設定值和耙臂角度控制死區總和時，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手動設定值。萬向節角度根據疏浚施工深度不同，其設定值也可進行調整，控制過程中設定相應控制死區（0.1°）。此時耙頭深度將發生改變，耙頭絞車將根據自動控制功能動作。當下耙臂與上耙臂垂直角度差大于萬向節手動設定值和耙臂角度控制死區總和時，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手動設定值。此時耙頭深度將發生改變，耙頭絞車將根據自動控制功能動作。

下耙臂角度控制模式下，當下耙臂對地角度大于下耙臂手動設定值和下耙臂角度控制死區總和時，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定值。下耙臂角度根據疏浚施工深度不同，其設定值也可進行調整，控制過程中設定相應控制死區（0.1°）。此時耙頭深度將發生改變，耙頭絞車將根據自動控制功能動作。當下耙臂對地角度小于下耙臂角度手動設定值和下耙臂角度控制死區總和時，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定值。此時耙頭深度將發生改變，耙頭絞車將根據自動控制功能動作。

安全限制模式下，為保護耙臂的中間部分（萬向節），控制器需對上耙臂、萬向節和下耙臂進行安全角度限制，當上耙臂、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出報警，所有耙臂絞車轉為手動控制。

3 結語

本文從3 個方面展開耙臂水下施工安全控制技術研究，對耙臂水下施工工序進行分析，形成一套完整的耙臂水下施工控制技術，可實現耙臂水下施工安全保護及水下自動施工功能。波浪補償器位置控制是為了將耙頭更好地貼近泥面，保證施工過程質量；水平和垂直角度控制可將耙臂保持在設定范圍內，保證施工安全。該技術已在“新海虎8 輪”、“新?；? 輪”、“航浚4019 輪”、“航浚3011 輪”等耙吸挖泥船實船應用，應用效果顯著，該技術能夠高效、安全、穩定地保持耙臂在水下正常施工，技術相較于人工更靈敏、高效，未來可推廣至新船建造及舊船改造。