抓斗挖泥船抓斗機自動控制技術

繆袁泉，田雨，張紅升，丁琪

（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.長沙理工大學，湖南 長沙 410114）

上世紀90年代以來國家大力扶持航運和碼頭建設，航道疏浚和碼頭建設離不開挖泥船的參與。這些年來國內建造了各種類型的挖泥船，其中抓斗式挖泥船體積小、挖泥效率高、環境適應性強，在航道疏浚尤其是碼頭建設和維護中起著舉足輕重的作用。人們對挖泥船的要求是高性能、高效率、自動化、環保型。滿足這些要求除了用先進的疏浚設備外，還要配有高自動化、高智能的疏?？刂葡到y。

1 抓斗機自動控制需求

抓斗挖泥船抓斗機挖泥周期分為3個核心過程：挖泥、卸泥、抓斗機旋回排斗。純手動控制時，3個挖泥過程都需要人工進行復雜的控制組合方能完成。人工操作頻繁容易疲勞，工作效率低，而且由于人為操作的局限性控制精度不高[1]。

針對上述3個控制過程我們提出了6項自動控制技術：

1）挖泥：包括定深、深挖、平挖、碎礁。

2）卸泥：階梯卸泥。

3）抓斗機旋回排斗：自動排斗。

2 抓斗機自動控制技術

2.1 挖泥過程

挖泥過程主要是對抓斗升降和開閉的組合控制。抓斗控制具有載荷變化大、快升、快降、急停的特點，所以控制要求較高。根據不同挖泥工況需求，挖泥過程分為：定深、深挖、平挖、碎礁4種模式。

2.1.1 定深

定深控制模式下，需要事先設置挖泥深度。抓斗下降至設定深度后，可自動減速停止。抓斗抓泥完畢并且完全合上斗口時，便可自動進入提升動作，然后通過提升手柄加速抓斗的提升速度。定深自動控制模型如圖1。為了保證抓斗深度計算精度，在定深挖泥前應將抓斗打開并下降至貼近水面位置，校準計算基準點。

圖1 定深控制模型Fig.1 Depth-keeping control model

為了保護抓斗控制過程，系統需要設定以下參數：挖泥深度、上限停止設定、下限停止設定、減速設定點?！巴谀嗌疃取睘樵O定的挖泥深度停止點?！吧舷尥Ｖ乖O定”為抓斗提升高位停止點?！跋孪尥Ｖ乖O定”為抓斗下降低位停止點?！皽p速設定點”是為了避免抓斗著底時的沖撞，讓抓斗在設定的停止深度數米之前開始第1次預減速，然后緩緩下降至停止深度并完全停止?！皽p速設定點”可以按照設定的“挖泥深度”為基準反向設定。例如：“挖泥深度”設定為10 m，“減速設定點”設定為2 m時：抓斗快速下降到10-2=8 m時，經第1次自動預減速后，再緩速下降2 m后自動停止在“挖泥深度”設定點。

2.1.2 深挖

深挖控制模式又稱“取泥模式”，在以挖泥產量為主，不必注重挖泥深度的作業時，使用深挖控制可以避免空挖情況，大大提高挖泥效率[2]。深挖控制是指在抓斗下沉到挖泥面閉斗挖泥過程中，將提升卷筒置于半離合的摩擦滑動狀態，以適當的拉力提帶著鋼纜，以避免提升鋼纜過于松散造成亂排現象的同時，讓抓斗一邊沉降一邊閉斗挖泥，這樣可以大大增加單斗的挖泥量，提高挖泥效率。深挖自動控制模型如圖2。

圖2 深挖控制模型Fig.2 Deep dredging control model

深挖模式有手動和自動兩種模式。手動模式下提升卷筒半離合摩擦力大小由人手動控制，一般采用腳踏板的方式對半離合摩擦力進行連續控制。自動模式下半離合摩擦力由程序根據實際情況進行調節，無需人工干預。

2.1.3 平挖

平挖控制模式的基本原理是在閉斗挖泥過程中，適當下放抓斗。因為下放的速度和深度與抓斗尺寸、當前開口度、土質等參數有關，所以平挖模式的核心是建立抓斗隨閉斗過程的復合控制模型。實際設計過程中一般將抓斗尺寸、抓斗開口度、土質3個參數作為條件放在1個三維數組中，將抓斗下降速度、下降距離作為輸出放在1個二維數組中。當抓斗開始閉口抓泥時，抓斗的實時開口度與三維數組中的開口度比較，立即計算出此時提升鋼纜的下降速度和下降距離，讓抓斗隨閉口動作一點一點下沉，通過這種復合運動使挖掘面接近平整。因為部分工程可能需要在平挖的同時進行定深控制，所以平挖和定深可以同時有效。平挖自動控制模型如圖3。

2.1.4 碎礁

碎礁作業時，提升卷筒的鋼纜上裝碎礁重錘，利用重錘自由落降沖擊力擊碎水中礁石。碎礁作業重錘較重，下降速度快，剎車沖擊力大，所以其控制要求很高。碎礁控制模型如圖4。

圖3 平挖控制模型Fig.3 Flat dredging control model

圖4 碎礁控制模型Fig.4 Rock breaking control model

在系統未觸發緊急停止的情況下重錘自由落體。為了防止重錘突然著地停止后鋼纜松弛、亂排或纏繞，系統需要事先設定重錘預剎車點（重錘距地面的高度），當重錘下降至預剎車點時“變力矩剎車模型”根據預減速點設定值、重錘速度和重錘實時離地距離計算出起始剎車幅度[3]，待實時剎車力矩反饋后動態調整剎車幅度以保持剎車力矩的恒定，在盡可能小影響重錘自由落體的條件下給鋼纜一個保持鋼纜緊致的剎車制動力矩。當系統檢測到重錘著地后，剎車系統抱死，鋼纜停止放出。

2.2 卸泥過程

卸泥過程中，如果抓斗瞬間全部打開，泥漿對卸泥點產生很大的沖擊力，不利于安全和環保。階梯卸泥又稱“緩沖卸泥”，卸泥自動控制可以將抓斗卸泥過程分為最多8個階段，使泥塊緩慢掉落。階梯卸泥的自動控制模型如圖5所示。開始卸泥時事先在系統中設定每個階段的“階梯開度”和“停頓時間”。系統根據設定值將抓斗開啟至設定開度并停頓，依次完成各個階梯。這樣既達到了安全環保卸泥的目的，也避免了人為操作的復雜流程[4]。

圖5 階梯卸泥控制模型Fig.5 Ladder dumping control model

2.3 抓斗機旋回排斗

挖泥過程中我們都希望抓斗挖泥點可以均勻的成扇形排列，這就要求“旋回至下一次挖泥點”判斷非常準確。抓斗從旋回到下放至泥面取泥經歷2個影響抓斗實際挖泥點的過程：水上和水下。

水上過程：抓斗卸泥完畢后旋轉至“理論狀態下的下一次挖泥點”，此時因受到旋回慣性、船舶縱橫傾和風力的影響，人為判斷誤差較大。

水下過程：抓斗到達“理論狀態下的下一次挖泥點”后，開始下斗，當抓斗入水后由于受到水流、涌浪和下放深度的影響抓斗實際挖泥點與“理論狀態下的下一次挖泥點”有很大誤差。水上過程因時間長，肉眼可觀察，人為調整挖泥點是可行的，但是水下過程所經歷的時間很短，人為調整將很難實現。為此“自動旋回”自動控制技術可以很好解決這一難題。

自動旋回功能是指抓斗卸泥完畢后系統自動控制抓斗旋回至入水點，下放抓斗至泥面，整個過程自動調整旋回角度，控制挖泥點的精度。

自動旋回的自動控制模型如圖6所示，系統共分為2個控制過程：水上旋回控制和水下旋回控制。每個控制過程都配有自動旋回模型，模型根據輸入參數實時調整旋回角度，減少挖泥點的誤差[5]。

圖6 自動旋回控制模型Fig.6 Automatic cycle control model

3 結語

根據抓斗挖泥船抓斗機挖泥原理將挖泥周期分為：挖泥、卸泥、抓斗機旋回排斗3個過程。在分析3個過程自動控制需求的基礎上，重點研究了定深、深挖、平挖、碎礁、階梯卸泥和自動排斗6項自動控制技術，并設計出對應的自動控制模型。自動控制技術的引入可以大大減少操作人員勞動強度，提高施工質量和施工效率。

[1] 肖漢斌，張永濤，路世青，等.疏浚抓斗平挖運動研究與仿真[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37（3）：482-485，490.XIAOHan-bin,ZHANG Yong-tao,LU Shi-qing,et al.Research and simulation on flat dredging kinematics of the dredging clamshell[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science&Engineering,2013,37(3):482-485,490.

[2] 陳國平.挖泥船作業過程監控系統的研究與開發[D].杭州：浙江大學，2004.CHENGuo-ping.Research and development of monitoring system in dredger′s dredging process[D].Hangzhou:Zhejiang University,2004.

[3]朱也夫.抓斗卸船機抓斗軌跡優化及控制策略的研究[D].大連：大連海事大學，2010.ZHUYe-fu.Optimization and control strategy of grab running path for grab ship unloader[D].Dalian:Dalian Maritime University,2010.

[4] 王鑫磊.抓斗橋式起重機動態特性研究[D].武漢：武漢科技大學，2012.WANG Xin-lei.Researching the dynamic characteristics of the grab bridge crane[D].Wuhan:Wuhan University of Science and Technology,2012.

[5]滕雪剛.港口起重機抓斗測試系統及控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.TENG Xue-gang.Test system and control strategy of the grab of port crane[D].Wuhan:Wuhan Universityof Technology,2012.