王友亮 張春

摘 要：耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下存在多種疏浚作業(yè)工況，通過(guò)智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，為耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

關(guān)鍵詞：挖泥船;工作效率;泥泵轉(zhuǎn)速;控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U674.31? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0105-03

1概述

目前耙吸挖泥船是港口和航道清淤的主要施工船舶，該船型主要由耙頭、耙管、泥泵、泥管組合形成疏浚和裝艙系統(tǒng)。耙吸挖泥船在工作過(guò)程當(dāng)中，船舶的低速航行，耙頭對(duì)地形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，泥泵通過(guò)離心工作形成負(fù)壓，將海底泥沙抽取到泥管內(nèi)，然后駁運(yùn)裝艙，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道的疏浚作業(yè)[1]。

耙吸挖泥船廣泛應(yīng)用于疏浚市場(chǎng)，其疏浚施工依賴(lài)于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)，且由于土質(zhì)不同，存在多種復(fù)雜疏浚工況，因而導(dǎo)致其生產(chǎn)及工作效率不高[2-5]。因此，本文針對(duì)耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下所存在的多種疏浚作業(yè)工況進(jìn)行分析，通過(guò)智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，為耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

2 耙吸挖泥船疏浚系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

泥泵是耙吸挖泥船核心疏浚設(shè)備，泥泵屬于離心泵，工作原理是通過(guò)泥泵葉輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力形成吸口端真空，以形成負(fù)壓對(duì)水底泥沙進(jìn)行抽吸工作，同時(shí)通過(guò)泵葉旋轉(zhuǎn)的離心力將泥漿駁運(yùn)送出，泥泵的排壓與泥漿濃度、泵葉轉(zhuǎn)速、泵葉直徑有關(guān)[6]。

泥泵排壓壓力如式1所示，其中Pa為泥泵排壓壓力，ρ為泥漿密度，W為泵葉轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑;泥泵輸出功率如式2所示，其中P為泥泵輸出功率，K為有效工作系數(shù)，ρ為泥漿密度，Pa為泥泵排壓，g為重力加速度，L為泥漿單位時(shí)間流量。

基于以上泥泵相關(guān)的運(yùn)行公式可以得出，泥泵轉(zhuǎn)速提高則泥泵排壓提高，泥泵工作流量越大，泥泵輸出功率越大。同時(shí)根據(jù)泥泵工作效率曲線可以得出泥泵等功率輸出工況下，排壓與流量成反比曲線。

耙頭是耙吸挖泥船中直接影響泥漿抽取效率的設(shè)備，耙頭是由具有一定長(zhǎng)寬和面積的泥沙疏松和泥漿混合抽取設(shè)備。耙頭因?yàn)槟啾玫倪\(yùn)行在耙頭位置形成真空負(fù)壓，耙頭內(nèi)外的負(fù)壓將泥漿混合物吸入泥管，進(jìn)行裝艙作業(yè)。

3耙吸挖泥船裝艙作業(yè)工況分析

耙吸挖泥船通過(guò)泥泵運(yùn)行形成吸入真空和排壓，疏浚系統(tǒng)利用泥泵吸入真空將泥漿吸入泥管后通過(guò)泥泵離心力排出裝艙。泥泵的工作參數(shù)決定了泥泵排量，對(duì)于特定耙吸疏浚項(xiàng)目，特定轉(zhuǎn)速下的泥泵其裝艙排量相對(duì)固定。

耙吸挖泥船疏浚裝艙過(guò)程中泥泵抽取的泥漿濃度取決于耙頭疏松泥質(zhì)的產(chǎn)量和泥泵裝艙工況排量的比例，即耙頭對(duì)目標(biāo)泥質(zhì)的疏浚獲取量決定了裝艙濃度，也決定了裝艙時(shí)間，耙頭水下疏浚工作狀態(tài)如圖5所示。泥漿密度計(jì)算表達(dá)如式3所示，其中D為疏浚泥漿密度，l為單位時(shí)間土方量，L為單位時(shí)間泥泵流量。

4耙吸挖泥船耙吸作業(yè)智能化控制策略

針對(duì)耙吸挖泥船耙吸作業(yè)原理，結(jié)合前述相關(guān)公式3以及泥泵工作曲線，可以得出單位時(shí)間土方量l對(duì)特定耙吸挖泥船是決定疏浚濃度的核心條件。耙頭單位時(shí)間可抽取土方量如公式4所示，其中l(wèi)為單位時(shí)間土方量，H為耙頭有效入泥深度，W為耙頭寬度，V為耙頭對(duì)地移動(dòng)速度。

從耙頭單位時(shí)間可抽取土方量公式中可以見(jiàn)耙頭單位時(shí)間土方量獲取總量與耙頭入泥深度H、耙頭寬度W、耙頭對(duì)地移動(dòng)速度V有關(guān)，其中耙頭寬度W對(duì)于特定船舶是常量，而耙頭入泥深度H、耙頭對(duì)地移動(dòng)速度V是變量，這兩個(gè)變量直接影響耙頭的單位土方量的獲取。其中，耙頭對(duì)地移動(dòng)速度V是可以直接通過(guò)控制耙吸挖泥船疏浚航速獲得調(diào)整。而耙頭入泥深度H不但與泥質(zhì)硬度有關(guān)，同時(shí)也與耙頭的重量、對(duì)地面積以及對(duì)水速度，可以用工程經(jīng)驗(yàn)公式5近似表達(dá)，其中H為耙頭有效入泥深度，G為耙頭重量，F(xiàn)為耙頭鋼絲繩拉力，K為水動(dòng)力系數(shù)，V1為耙頭對(duì)水速度，S為耙頭對(duì)地面積，A為土質(zhì)硬度系數(shù)。

由耙頭有效入泥深度公式5可見(jiàn)，影響耙頭入泥深度的可控制變量主要有耙頭鋼絲繩拉力F和耙頭對(duì)水速度V1。

因此從上述耙頭單位時(shí)間可抽取土方量公式4和耙頭有效入泥深度公式5可見(jiàn)，針對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的疏浚工程項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)挖泥船疏浚航速的適應(yīng)性匹配優(yōu)化調(diào)整可以有效提高疏浚濃度，從而提高疏浚效率，有效降低疏浚能耗。但是航速的提升將提升船舶推進(jìn)系統(tǒng)能耗，從另外一方面會(huì)消減疏浚系統(tǒng)優(yōu)化的效果，不能夠達(dá)到最優(yōu)。

基于能效尋優(yōu)的目標(biāo)，適當(dāng)?shù)陌翌^入泥深度H對(duì)于疏浚濃度的提高和船舶總體能耗的優(yōu)化有指導(dǎo)意義。基于耙頭有效入泥深度公式5，如果對(duì)地和對(duì)水航速V1相對(duì)不變，鋼絲繩拉力F的調(diào)整將可以有效控制耙頭對(duì)地壓力，形成耙頭有效入泥深度H的變化。其中F的調(diào)整可以通過(guò)波浪補(bǔ)償器蓄能器壓力的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從上述公式和控制響應(yīng)結(jié)果分析，耙吸挖泥船耙吸作業(yè)的效率和能耗優(yōu)化控制主要依賴(lài)于船舶對(duì)地航速V、對(duì)水航速V1、耙頭對(duì)地壓力（等效耙頭鋼絲繩拉力F）三個(gè)變量的優(yōu)化匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)能耗和效率的最優(yōu)。具體工程項(xiàng)目的變量有效工作范圍影響工作曲線的最優(yōu)點(diǎn)。因此，基于具體工程疏?？刂频闹鲗?dǎo)變量需要根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行確認(rèn)和判別，或者根據(jù)施工中數(shù)據(jù)變化的影響進(jìn)行系統(tǒng)智能型判別，以保證系統(tǒng)的能耗及效率取得最優(yōu)值。

5結(jié)論

目前挖泥船的工作對(duì)象復(fù)雜，船舶施工能耗高，通過(guò)對(duì)疏浚設(shè)備的工作特性和疏浚工況需求進(jìn)行物理性分析，通過(guò)建立合理的疏浚工程模型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵參數(shù)變量，就能夠通過(guò)系統(tǒng)智能型控制策略來(lái)保證耙吸挖泥船疏浚工作的工作效率，這是目前和未來(lái)耙吸挖泥船設(shè)計(jì)與建造市場(chǎng)需求的趨勢(shì)。本文針對(duì)耙吸挖泥船在不同土質(zhì)下所存在的多種疏浚作業(yè)工況，通過(guò)智能化數(shù)據(jù)分析方式，將耙吸挖泥船的核心設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行適配性調(diào)整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，提出耙吸式挖泥船適應(yīng)性疏浚工作有效的控制策略分析方案，為后續(xù)耙吸式挖泥船設(shè)備運(yùn)行機(jī)理的深度分析與適應(yīng)性控制策略進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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