胡春亮，范柏乾

(鎮(zhèn)江中船系統(tǒng)集成股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

耙吸式挖泥船耙管顯示裝置的研究及應(yīng)用

胡春亮，范柏乾

(鎮(zhèn)江中船系統(tǒng)集成股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

針對(duì)國(guó)內(nèi)自主建造的自航耙吸挖泥船的需求，設(shè)計(jì)了一種耙吸式挖泥船耙管顯示系統(tǒng)。主要通過(guò)傳感器采集相關(guān)耙管信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后用圖形的方式在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出疏浚耙管位置，進(jìn)一步提升國(guó)內(nèi)自主自航耙吸挖泥船的電氣自動(dòng)化程度。經(jīng)實(shí)船應(yīng)用，該裝置顯示直觀，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

耙吸挖泥船；耙管；顯示裝置；傳感器

0 引言

由于自航耙吸挖泥船在施工過(guò)程中，其耙管始終處于水下，施工人員無(wú)法直接觀測(cè)到耙管的狀態(tài)，對(duì)疏浚施工的效率、船舶的安全造成一定的影響，因此，研制了一種耙管顯示系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)自航耙吸挖泥船耙管在水下的狀態(tài)。在自航耙吸挖泥船耙管上面安裝位置檢測(cè)傳感器，通過(guò)計(jì)算，可以將耙管在水面下的狀態(tài)很直觀顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上，避免施工人員的視覺(jué)盲區(qū)，有效提高施工效率，降低耙管對(duì)船舶安全的影響。

1 數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)

耙管位置顯示系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器采集相關(guān)耙管信號(hào)，用圖形顯示器顯示疏浚耙管位置及狀態(tài)的測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)。圖1為數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)圖

目前普遍采用角度及重力加速度計(jì)傳感器檢測(cè)，經(jīng)轉(zhuǎn)換，獲得耙管狀態(tài)信息，并在計(jì)算機(jī)界面上顯示耙管狀態(tài)及相關(guān)信息。耙管狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示界面如圖2所示。

圖2 耙管狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示界面

2 耙管位置的測(cè)量傳感器

2.1耙管吸口到位傳感器

電感式接近開(kāi)關(guān)，確認(rèn)彎管是否正確到達(dá)吸口，該功能通過(guò)安裝在電纜伺服架上的傳感器判斷彎管是否到位的實(shí)現(xiàn)。此外，另一種方法是采用彎管絞車鋼絲繩松弛裝置檢測(cè)，該功能通過(guò)安裝在彎管滑塊鋼絲繩軸上的限位開(kāi)關(guān)來(lái)判斷吊索是否松弛。如果彎管被物體堵塞，松弛吊索信號(hào)將給出，但此時(shí)所顯示彎管的位置并非到達(dá)吸口位置。

2.2垂直角度傳感器

垂直角度傳感器用于確定上下耙管的深度，通過(guò)測(cè)量上下耙管垂直角度來(lái)計(jì)算耙管位置(深度)，該角度傳感器輸出模擬信號(hào)(4～20 mA=-90°～+90°)。

垂直角度傳感器為重力加速度計(jì)，測(cè)量上/下耙管相對(duì)于大地的垂直角度。

2.3水平角度傳感器

上下耙管間萬(wàn)向節(jié)之間的水平角度變化通過(guò)(機(jī)械彈簧)驅(qū)動(dòng)水平角度傳感器，該角度傳感器輸出模擬信號(hào)(4～20 mA =-90°～+90°)。

水平角度傳感器采用可旋轉(zhuǎn)的高精度電位器，測(cè)量耙管相對(duì)于船舶中線的角度。

2.4傳感器安裝位置

傳感器安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置

3 主要功能

(1)分別裝于上、下吸管的水平及垂直位置傳感器, 檢測(cè)出上下耙吸管在水中的實(shí)際水平及垂直位置狀態(tài)與預(yù)設(shè)水平狀態(tài)時(shí)的角度偏差。計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換出耙管在水中的實(shí)際狀態(tài)。

(2)裝于船舷吸口旁的壓力傳感器反映船的吃水深度。

(3)計(jì)算機(jī)連續(xù)檢測(cè)位置信號(hào)及壓力信號(hào)， 經(jīng)計(jì)算以圖形方式及數(shù)字方式顯示耙管及耙頭在水中的位置，并根據(jù)水下耙管實(shí)際位置與船體位置關(guān)系判斷壓耙危險(xiǎn), 實(shí)時(shí)發(fā)出壓耙報(bào)警；當(dāng)耙頭下放深度超設(shè)定值時(shí)發(fā)出超深報(bào)警。

4 工作原理

耙管位置通過(guò)安裝的垂直和水平傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為角度，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得出耙頭的位置。耙管俯視圖、側(cè)視圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 耙管俯視圖

圖5 耙管側(cè)視圖

圖4、圖5中，a1為吸口到彎管的橫向距離；a2為彎管至耙中縱向距離；a3為耙中至耙頭的縱向距離；a4為耙管直徑；a5為耙頭寬度；d1為吸口深度；d2為耙管吸口至船底垂直距離；α1為上水平角度(通過(guò)上水平傳感器測(cè)量計(jì)算)；α2為下水平角度(通過(guò)下水平傳感器測(cè)量計(jì)算)；β1為上垂直角度(通過(guò)上垂直傳感器測(cè)量計(jì)算)；β2為下垂直角度(通過(guò)下垂直傳感器測(cè)量計(jì)算)；h1為耙頭距船舷水平距離；h2為耙頭深度；h3為耙頭距船底垂直距離。

h1=a3sin(α1+α2)+a2sinα1+a1-a5/2

h2=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ+d1

h3=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ-d2

式中：θ為橫傾角度(通過(guò)船舶橫縱傾傳感器測(cè)量計(jì)算)，為中間變量。

由于每條挖泥船的耙管尺寸是固定的，只要精確檢測(cè)出耙管相對(duì)于船舷的水平角度α1和α2，相對(duì)于海面的垂直角度β1和β2，以及船舶的橫傾角度θ，就可以計(jì)算得到耙頭距船舷的水平距離h1以及耙頭深度h2。

5 結(jié)語(yǔ)

自航耙吸挖泥船的耙管顯示系統(tǒng)目前已經(jīng)在多艘耙吸挖泥船上裝船使用，可以幫助施工人員直觀地了解到耙管在水下的狀態(tài)。

但是由于安裝在耙管上的傳感器工作環(huán)境處于水下，所以使用初期經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)傳感器密封不嚴(yán)或水下電纜磨損等情況，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

經(jīng)過(guò)實(shí)船的檢查及驗(yàn)證，逐步改進(jìn)傳感器的保護(hù)及密封工藝，更換水下電纜的型號(hào)及保護(hù)方式，目前此系統(tǒng)已經(jīng)可以可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1]程峰，何援軍．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)在耙吸挖泥船耙吸管位置監(jiān)視中的應(yīng)用研究[J]．船舶，2005，(1)：49-51.

[2]顧龍祥，朱生山，陳?。谀啻夜芪恢帽O(jiān)視器和產(chǎn)量計(jì)算系統(tǒng)[J]．船舶，2000，(1)：21-25.

[3]金華．自航耙吸挖泥船耙管位置指示裝置[C] //中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì).中國(guó)設(shè)備工程專家代表會(huì)議論文集．北京：中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)：2007：159-160.

2014-06-08

胡春亮(1982-)，男，工程師，主要從事船舶電氣自動(dòng)化；范柏乾(1979-)，男，工程師，主要從事船舶電氣自動(dòng)化。

U674.31

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