應(yīng)偉軍，范興鐸，李映平

（浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院，浙江 諸暨311800）

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展和海洋資源的大力開(kāi)發(fā)，人類在開(kāi)發(fā)和利用海洋時(shí)頻頻出現(xiàn)各種海上漏油事故。2010年4月美國(guó)深水地平線鉆井平臺(tái)爆炸引起墨西哥灣漏油事故，至今仍是美國(guó)歷史上最為嚴(yán)重的一次漏油事故。2013年11月中國(guó)中石化青島開(kāi)發(fā)區(qū)原油泄漏，膠州灣污染面積達(dá)到1萬(wàn)平方米左右。漏油事故對(duì)海洋和海岸線生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致沿海動(dòng)植物、鳥(niǎo)類和海洋生物大量死亡，在嚴(yán)重情況下，沿海居民不得不暫時(shí)撤離自己的家園[1]。

當(dāng)出現(xiàn)海上漏油事故時(shí)，通常由摩托艇前往事故海域投放圍油柵控制油污擴(kuò)散，吸油船進(jìn)行油污清理。目前收放圍油柵的常用方法主要包括人工和電機(jī)驅(qū)動(dòng)收放。人工投放圍油柵時(shí)，依靠錨機(jī)產(chǎn)生的拉力，順勢(shì)進(jìn)行圍油柵的投放，投放速度可隨船速變化，靈活高效；人工收圍油柵時(shí)，只能通過(guò)人力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤來(lái)收圍油柵，工作強(qiáng)度大、效率低。電機(jī)驅(qū)動(dòng)投放圍油柵時(shí)，只能定速投放，無(wú)法調(diào)節(jié)投放速度；電機(jī)驅(qū)動(dòng)收圍油柵，效率高。目前漏油處理方法主要包括堰式撇油+真空泵吸取、親油材料吸附等。堰式撇油+真空泵吸取方法，其吸油效率高，但是堰式撇油器安裝麻煩，需要花費(fèi)大量時(shí)間；盤式親油材料吸油效率高，但是體積龐大，僅適用于廣闊海域作業(yè)；繩式、帶式親油材料操作方便，但是吸油效率低，適用于殘油清理，作業(yè)地點(diǎn)限于河道、港口。因此本文將設(shè)計(jì)一款高效率、多場(chǎng)合應(yīng)用的智能海上油污清理船，集收放圍油柵、快速清理油污于一體，能在事故突發(fā)的第一時(shí)間處理原油泄漏，減小漏油的影響面積，實(shí)現(xiàn)快速控制油污擴(kuò)散、快速收集漏油，將漏油導(dǎo)致的損失降到最低。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型（簡(jiǎn)稱為慧魚(yú)模型）是在德國(guó)Arthur Fischer博士發(fā)明“六面拼接體”的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的一款工程技術(shù)類智趣拼接模型，涵蓋了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、物理等多個(gè)學(xué)科，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和啟發(fā)性，因此被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和實(shí)際生產(chǎn)。慧魚(yú)模型通過(guò)各種構(gòu)件（功能模塊）以燕尾槽插接的形式組合拼接而成，各構(gòu)件之間可以實(shí)現(xiàn)六面拼接、多次拆裝和反復(fù)使用[2-3]。

1 智能海上油污清理船方案設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

本文利用慧魚(yú)模型對(duì)智能海上油污清理船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)搭建、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，用以驗(yàn)證其在設(shè)計(jì)上是可行的，其模型如圖1所示。

圖1 智能海上油污清理船模型圖

本文設(shè)計(jì)的智能海上油污清理船主要包括圍油柵收放、快速清理油污等功能。

本文結(jié)合人工和電機(jī)驅(qū)動(dòng)收放圍油柵的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的圍油柵收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在機(jī)構(gòu)中加入了超越離合器。在投放圍油柵時(shí)，依靠錨機(jī)產(chǎn)生的拉力，順勢(shì)進(jìn)行圍油柵的投放；收圍油柵時(shí)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)超越離合器帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行收圍油柵。

對(duì)于快速清理油污，常用方法包括堰式撇油+真空泵吸取、親油材料吸附等。不同漏油收集方法適用場(chǎng)合不同，吸油效率差異大，配套設(shè)備不一樣，各有利弊。因此本文對(duì)漏油收集方法進(jìn)行了整合、創(chuàng)新，使其具有吸油效率高、適用于多種場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)。漏油收集步驟分為兩步，第一步采用真空泵+油層測(cè)厚傳感器相配合的方式，打開(kāi)真空泵控制系統(tǒng)啟動(dòng)吸油，快速吸取海面厚油層，由油層測(cè)厚傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)真空泵的高度，使真空泵一直處于油層中，保證油水吸入比例；第二步采用傳送帶式吸油氈收集海面的殘余原油。

智能海上油污清理船的油污清理步驟如下：油污清理船收到海上漏油事故處理命令后，快速前往事故區(qū)域；在事故發(fā)生區(qū)域，首先投放圍油柵圍住泄露的原油，防止其在海面上繼續(xù)擴(kuò)散；接著打開(kāi)真空泵控制系統(tǒng)啟動(dòng)吸油，快速吸取海面厚原油層；最后由吸油氈將海面上的殘余原油吸盡。

智能海上油污清理船的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）真空泵升降機(jī)構(gòu)

真空泵可在油層測(cè)厚傳感器的作用下，自動(dòng)調(diào)節(jié)吸油泵的高度，使吸油泵一直處于油層最佳吸油位置，確保吸入的油水比例。

2）傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)

真空泵吸油處理后的表面殘油，采用傳送帶的形式，在循環(huán)中及時(shí)擠出吸附的原油，使吸油氈重復(fù)使用，加快了吸收殘油的速度，提高了吸油氈的利用率。

3）圍油柵收放機(jī)構(gòu)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的圍油柵收放機(jī)構(gòu)中，加入了超越離合器。在投放圍油柵時(shí)，依靠錨機(jī)提供的拉力，順勢(shì)進(jìn)行圍油柵的投放；收圍油柵時(shí)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)超越離合器帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行收圍油柵。

4）功能上三位一體

集圍油柵收放、真空泵吸油、傳送帶吸油氈吸附殘油于一體，提高了油污清理船的專業(yè)性，加快了原油泄漏后的清理速度。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 真空泵升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空泵升降機(jī)構(gòu)主要部件包括齒輪齒條、油層測(cè)厚傳感器、步進(jìn)電機(jī)。真空泵升降機(jī)構(gòu)收到升降信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)齒輪齒條相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于齒條固定在船體上，因此實(shí)現(xiàn)齒輪帶動(dòng)真空泵做上下動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。真空泵升降機(jī)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 真空泵升降機(jī)構(gòu)圖

2.2 傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)主要部件包括履式傳送帶、圓柱齒輪對(duì)、擠壓滾軸、吸油氈和電機(jī)，電機(jī)選用常規(guī)交流電機(jī)即可。在傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將吸油氈加工后附著在履帶上，制成傳送帶式吸油氈，由電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)傳送帶和齒輪對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)，傳送帶使吸油氈可以連續(xù)接觸海面并吸取殘油，齒輪對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)擠壓滾軸反向運(yùn)動(dòng)，將傳送帶吸油氈上的溢油被統(tǒng)統(tǒng)擠壓出來(lái)。傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 傳送帶吸油氈機(jī)構(gòu)圖

2.3 圍油柵收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍油柵收放機(jī)構(gòu)主要部件包括電機(jī)、渦輪蝸桿、超越離合器、繞繩盤，電機(jī)選用常規(guī)交流電機(jī)即可。在投放圍油柵時(shí)，借助錨機(jī)提供的拉力，順勢(shì)拉動(dòng)繩盤轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行圍油柵的投放，超越離合器的使用避免了繩盤轉(zhuǎn)動(dòng)給電機(jī)充電的現(xiàn)象；收圍油柵時(shí)，電機(jī)輸出動(dòng)力給減速器，通過(guò)減速器減速后再將動(dòng)力傳輸給蝸桿渦輪機(jī)構(gòu)，渦輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)超越離合器，實(shí)現(xiàn)圍油柵的回收。機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 圍油柵收放機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)控制系統(tǒng)分別包括真空泵升降控制子系統(tǒng)、收放圍油柵控制子系統(tǒng)、傳送帶吸油氈控制子系統(tǒng)。整機(jī)控制系統(tǒng)采用集中控制模式，總控按鈕對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，包括整機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)和緊急停機(jī)；各子系統(tǒng)之間分別獨(dú)立控制，保證各子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。真空升降控制子系統(tǒng)控制著真空泵吸油及吸油位置的調(diào)整，對(duì)油污清理是至關(guān)重要的。圍油柵收放控制子系統(tǒng)控制著收放圍油柵的任務(wù)。傳送帶吸油氈控制子系統(tǒng)控制著吸油氈吸取殘油的任務(wù)。整機(jī)控制流程圖如圖5所示。

圖5 整機(jī)控制流程圖

整機(jī)控制程序圖如圖6所示。

圖6 整機(jī)控制程序圖

3.2 真空泵升降控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油層測(cè)厚傳感器實(shí)時(shí)采集海面油層高度和厚度，并傳輸給慧魚(yú)控制器，控制器通過(guò)信號(hào)處理、分析、計(jì)算，比較真空泵實(shí)際位置和理想位置之間的關(guān)系，并將控制信號(hào)輸出給真空泵升降機(jī)構(gòu)控制電機(jī)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)真空泵在油層中位置，使真空泵在吸油過(guò)程中一直處于油層最佳位置。其具體控制流程中一直處于油層最佳位置。其具體控制流程如圖6所示。

圖7 真空泵升降控制系統(tǒng)流程圖

真空泵升降控制子程序如圖8所示。

圖8 真空泵升降控制程序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)目前漏油事故中處理油污的方法進(jìn)行了分析，并提出了漏油收集方法和圍油柵收放機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了一款高效率、多場(chǎng)合應(yīng)用的智能海上油污清理船，集收放圍油柵、快速清理油污于一體。

此外，本文借助慧魚(yú)組合模型，對(duì)智能海上油污清理船進(jìn)行了結(jié)構(gòu)搭建，詳細(xì)闡述了各機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)關(guān)系和原理。并對(duì)整機(jī)控制系統(tǒng)和真空泵升降控制子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明該油污清理船的漏油收集方法和圍油柵收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是可行的，具有一定的創(chuàng)新性、先進(jìn)性和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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