（机械电子工程专业论文）斗轮式挖泥船挖掘轨迹控制及综合监控研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 新型的斗轮式挖泥船既具有链斗式挖泥船开挖能力强、泥土泄漏较少和挖槽平整的 优点，又具有绞吸式挖泥船采用水力管道运输，挖、运、卸连接生产和生产成本低的优 点，而且挖掘硬质土、粘性土、密实沙等具有绞刀所无法比拟的功能，同时斗轮在挖泥 作业左、右横移时均能连续、均匀、有效地进行切割和挖掘，保持比较均衡的生产率。 本文针对斗轮式挖泥船的特点，实现了斗轮式挖泥船挖掘轨迹控制及其挖泥作业的综合 监控。 第一章回顾了国内外挖泥船的应用和发展概况；介绍了斗轮式挖泥船在具体应用 中体现出的特点；指出了斗轮式挖泥船的发展潜力；最后提出了本课题的研究背景、意 义和主要内容。 第二章详细阐述了斗轮式挖泥船斗轮施工作业流程以及挖泥船液压控制系统的工 作原理。根据实际施工作业要求，对挖掘轨迹控制及其综合监控系统的硬件整体结构进 行设计，并论述了系统中各个监控环节的工作原理以及系统各传感器件间的数据传输及 通信方式。 第三章阐述了挖泥船斗轮挖掘轨迹控制的目标。通过疏浚作业的要求建立了斗轮 挖掘剖面坐标系统数学模型；选取合适的斗轮挖掘轨迹控制方案，实现了斗轮的挖掘轨 迹的监测与控制。使斗轮按照预定的挖槽剖面进行旌工，显著了提高挖泥船的挖掘精度。 第四章在实现挖泥船斗轮挖掘轨迹控制及原有挖泥船作业过程监控系统的基础 上，开发了斗轮式挖泥船综合监控系统。利用面向对象程序设计方法，合理划分了系统 软件各功能模块，应用m i c r o s o f to f f i c e a c c e s s 创建施工水深及坐标数据库，采用a d o 数据库访问技术作为数据库与用户界面图形系统的接口，实现了施工水深查询。 第五章基于模糊数学的综合评判模型，提出了斗轮式挖泥船施工技术方案的综合 评价模型。利用经验数据和专家提供的语言模糊信息，能够比较全面、合理地选择出适 合工程特点的技术方案，从而克服挖泥船施工过程中的复杂性和客观存在的模糊性，能 够显著提高施工的安全性和降低施工操作人员的盲目性，并减少施工的成本。 第六章归纳总结本课题，并对相关工作进行了展望。 关键词：挖泥船挖掘轨迹 综合监控系统数据库施工方案模糊决策 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo fs v o n gd r e d g i n ga b i l i t yo fb u c k e tl a d d e rd r e d g e ra n dt h e a d v a n t a g eo fh y d r a u l i cc o n v e y a n c e ，l i n k i n ga b i l i t yo fd r e d d g i n g ，c o n v e y i n g ，u n l o a d i n gt h e e a r t ha n dt h em e r i to fl o wc o s to fc u t t e rs u c t i o nd r e d g e r , t h en e w t y p ew h e e ld r e d g e rc a n d r e d g em o s tk i n d so fe a r t hw h i c hc u t t e rs u c t i o nd r e d g e rc a n n t ，d u r i n gt h et i m eo fd r e d g i n g ， w h e e ld r e d g e rc a ni n c i s em a dd r e d g et h ee a r t hc o n t i n u o u s l y , e q u a b l y , e f f e c t i v e l yw h i c h k e e p s b a l a n c e dp r o d u c t i v i t y w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fw h e e ld r e d g e r , t h i sp a p e rr e a l i z e st h ew a yo f c o n t r o l l i n go nt h et r a c ko f d r e d g i n gw h e e la n di t sc o m p r e h e n s i v em o n i t o r e d c o n t r o l l i n g i nc h a p t e ro n e ，r o u n d l yd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n so f d r e d g e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d a p p l i c a t i o n so fw h e e ld r e d g e r , p o i n t e do u ti t sp o t e n t i a ld e v e l o p m e n t f i n a l l yp u tf o r w a r d t h eo b j e c to ft h ep a p e ra n dt h er e s e a r c hw o r kt ob ef i n i s h e d i nc h a p t e rt w o ，d e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ed r e d g e r sw h o l ed r e d g i n gp r o c e s sa n di t s w o r k i n gt h e o r yo fh y d r a u l i cc o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fd r e d g i n g s i t u a t i o n ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h i ss y s t e m ，t h e nd i s c u s s e de a c ht a c h e sw o r k i n g s y s t e ma n de a c hs e n s o r sd a t ac o m m u n i c a t i o n i nc h a p t e rt h r e e ，a n a l y z e dt h et a r g e to ft h ec o n t r o l l i n go nt h ed r e d g i n gt r a c k w i t ht h e r e q u i r e m e n to fd r e d g i n gp r o c e s s ，e s t a b l i s h e da n da n a l y z e dt h em o d e lo ft h ec o o r d i n a t e s y s t e mo ft h ed r e d g e ds e c t i o n ，t h e nc h o s e da na p p r o p r i a t et e c h n i q u et oc o n t r o la n dm o n i t o r t h ed r e d g i n gt r a c ko f t h ew h e e ls ot h a tt h ep r o l e p t i cs e c t i o ni st ob ed r e d g e da n dt h ed r e d g i n g p r e c i s i o ni st ob ei m p r o v e d i n c h a p t e rf o u r , b a s e do nt h ec o n t r o l l i n go nt h ed r e d g i n gt r a c ka n dt h ep r i m a r y m o n i t o r e ds y s t e mo ft h ew o r k i n gp r o c e s so fd r e d g e r , t h ec o m p r e h e n s i v em o n l t o r dc o n t r o l s y s t e mo fw h e e ld r e d g e rw a sd e v e l o p e d u s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r e d e s i g n m e t h o d o l o g y , t h ef i m c t i o n a lm o d u l e so ft h i ss y s t e mw e r ed i v i d e dr a t i o n a l l y b ya d o p t i n g m i c r o s o f to f f i c ea c e s st oc r e a t et h ed a t a b a s eo fw a t e r d e p t ha n di t s c o r r e s p o n d i n g c o o r d i n a t e ，a n du s i n ga d ot oc o n n e c tt h ed a t a b a s ea n dt h eu s e rg r a p h i ci n t e r f a c es y s t e m ，a w i e l d ym t h o do fi n q u i r i n gt h ew a t e r d e p t ho f t h ed r e d g e da r e aw a sr e a l i z e d i nc h a r p t e rf i v e ，b a s e do nt h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ，p u tf o r w a r dak i n d o f c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lo nt h ec o n s t r u c t i o np r o g r a m m eo f w h e e ld r e d g e ni tw a s c o m p r e h e n s i v ea n dr a t i o n a lt oc h o o s et h ea p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o np r o g r a m m eb yu s i n gt h e e x p e r i e n c e dd a t aa n dt h ef u z z yi m f o r m a t i o np r o v i d e db yt h ee x p e r t i tc o u l da l s or e m o v et h e c o m p l e xa n df u z z yp r o b l e me x i s t i n gi nt h et i m eo fc o n s t r u c t i n g ，a n di m p r o v e dt h es e c u r i t y o f c o n s t r u c t i o n ，l o w e r e dt h eb l i n d n e s so f t h eo p e r a t o r , a n dr e d u c et h ec o n s t r u c t i o n a lc o s t 浙江大学硕十学位论文 i nc h a p t e rs i x ，s u m m a r i z e dt h et o t a la r t i c l ea n di n t r o d u c e ds o m et h e o r i e st h a tn e e dm o r e r e s e a r c h i n gi no r d e rt od i r e c tt h en e x tr e s e a r c h k e y w o r d s ：d r e d g e r ，d r e d g i n gt r a c k ，c o m p r e h e n s i v em o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，d a t a b a s e ， c o n s t r u c t i o np r o g r a m m e ，f u z z yd e c i s i o n i i i 第一章绪论浙江大学碗上学位论文 第一章绪论 摘要：本章首先回顾了国内外挖泥船的应用和发展概况并对斗轮式挖泥船特点、应用进 行了阐述，指出了斗轮式挖泥船的发展潜力，并阐述了本课题的研究背景、意义和主要 内容。 关键词：挖泥船斗轮现状发展趋势监控 1 1 挖泥船的应用和发展概况 在人类与大自然的斗争历史上，工程船实际上早就随着水上交通的发展而应用而生 了。在我国，很早就开始了疏浚工程，逐步采用各种简易疏浚工具及发展挖泥船。早在 公元五世纪，千百万劳动人民花了几百年的时间，为开挖南北大运河，曾经付出了大量 【缸汗。广大劳动人民长期以来利用各种简易挖泥工具疏通河道发展水运，为促进我国悠 久的文化和历史的发展做出贡献。“滚江龙”就是这些简易挖泥工具之一，它是一个可 旋转的木桶，上面装了铁齿，由木船拖拽着在水底翻动泥沙，并借助于水流的冲刷作用， 达到疏通航道的目的。1 9 0 0 年我国最早的挖泥船“北河”号诞生，它是一艘小型链斗 式挖泥船，内装3 0 马力卧式蒸气机，用于天津海河。1 9 0 7 年开始，天津、上海两地分 别从外国进口了一些挖泥船，如耙吸式挖泥船“快利”、“浚利”，抓斗式挖泥船“海鳄”、 “海鞭”，链斗式挖泥船“海龙”、“海虎”等等，从而开始了对天津和上海两港的机 械疏浚。但是，由于当时中国还处于半殖民地状态，所以航运事业得不到真正的发展， 各种疏浚工程开展极少【1 2 口l 4 l 5 1 。 建国以来，航运、造船及水利事业得到很大发展，港口大量兴建。从测绘、仿造到 独立研制，经几代人半个世纪的努力、先后设计建造了为数不少的各类挖泥船，一定程 度上满足了国内需求，并在挖泥船出口方面实现了零的突破。挖泥船的发展无论在品种、 质量、数量上都达到了新的水平，缩小了与世界先进水平的差距。在我国现有近千艘挖 泥船中，进口船约1 3 0 多艘，主要来自荷兰和日本。从数量上看所占比例虽然不大，但 年疏浚能力却占我国总疏浚能力的1 3 以上，原因是进口船技术形态明显高出国产船， 且多数是大中型船，皆为各大航道局的主干力量。虽然近年来我国己成功建造了各种比 较先进的挖泥船，如4 5 0 0 m 3 耙吸式挖泥船、9 0 0 斗轮式挖泥船等。但是在核心技术上 还是处于原型仿制阶段，在性能上与世界先进水平有较大的差距，跟踪模仿是国内挖泥 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 船发展的一大特点。 在国外，工程船在十六世纪就使用了，荷兰是发展挖泥船最早的国家之一，是疏浚 工业的摇篮。从1 7 7 0 年世界上首条链斗挖泥船在荷兰问世以来，挖泥船的发展经历2 0 0 多年了。早期挖泥船的发展速度缓慢，从第一条链斗挖泥船的出现，到首艘实用耙吸挖 泥船的问世( 1 8 7 8 年荷兰) ，整整经历了1 0 8 年。二战结束后，大规模的经济建设在f j 界 范围内迅速展开，给挖泥船的发展创造了有利条件，新技术、新装备、新船型不断问世。 气力泵，斗轮、液压定位桩台车等相继应用于各类挖泥船。液压技术，计算机技术、喷 射技术的j 1 泛应用，以及仪表技术、材料耐磨性能的日益提高，使得各类挖泥船的技术 形态有了明显的进步。随着人们环保意识的不断增强，各类环保挖泥船相继研究成功， 如i h c 的环保型绞刀头、日本的旋转刮刀集泥机等。此外，挖泥船的操作舒适性、易 维护性、较小的震动和噪声等方面也有了长足的发展。 计算机、微电子、自动化等技术的迅猛发展，给挖泥船的快速发展提供了技术上的 支撑。此外，由于挖泥船在多种工程中的应用及工程规模的急剧增大，施工条件的恶劣 以及环境保护要求的制约，也深刻影响着挖泥船的发展方向。当前挖泥船的主要发展趋 势有 1 】【2 】【3 = ( 1 ) 疏浚工程的大型化迫使挖泥船向大型化、高效化发展。由于世界经济和国际贸 易的发展，大型疏浚工程相继或准备实施，因此，无论耙吸、斗轮或绞吸式挖泥船，已 越来越趋于向大型化方面发展。另外，土方单价通常总是随着舱容的增加而减少，故世 界上一些主要疏浚公司总是把大、中型耙吸、斗轮( 绞吸) 挖泥船作为其主要组成部分， 以追求更大份额的利润。9 0 年代以来，荷兰i h c 公司已为多家外国公司制造1 0 0 0 0 m 3 以上的巨型耙吸式挖泥船8 艘之多，最大的为2 3 0 0 0 m 3 。德国k r u p p 公司也为扬德鲁 公司建造了3 3 0 0 0 m 3 巨型耙吸式挖泥船。 ( 2 ) 多功能化。经常会有某些挖泥船由于不能适用于某项疏浚工程而被闲置，于是 提高挖泥船的利用率成了必然的追求目标。根据不同的工况要求，有些类型的挖泥船综 合了其他类型挖泥船的优点，对自身的不足作了改进，以增加功能或提高性能。其中 个重要的途径就是：通过较少的投资追加、使其具有某些附加功能，从而带来额外的经 济利益。如根据不同的疏浚要求，常规绞刀、环保绞刀及斗轮可以互相替换。 ( 3 ) 高度智能化。疏浚工程的质量要求和操作人员对操作舒适性要求的不断提高， 极大地刺激了挖泥船的智能化发展。因为，挖泥船的高度智能化大大降低了疏浚作业对 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 人的依赖性，保i , v t 疏浚质量和精度，进而提高效率和经济性。该部分的投入一般只占 到总投资的5 一l o ，却可以使疏浚总效率提高5 一1 0 ，可见经济效益十分明显。 当前，挖泥船正向着大型化、多功能化、高度智能化、环保化和更好的操作舒适性 方向发展。其中，高度智能化方向发展最为迅猛，在这方面，荷兰的i h c 和德国k r u p p 公司处于世界的前列。在适应世界环保潮流方面，各个公司也在不断采用新技术，改善 挖泥船作业对环境的影响，如减少泄漏，降低噪音等。另外提高挖泥船的操作舒适性、 降低振动，使之更加易于维护等也是各个公司发展新型挖泥船的重点方向。世界t 几乎 半数的挖泥船集中在美国、英国、法国、德国、荷兰、比利时、日本等少数工业发达国 家。这砦国家大多有着1 0 0 年以上的挖泥船制造和使用经历。仅荷兰i h c 、德国k r u p p 、 美国e l l i c o t t 三大国际著名公司己占据国际挖泥船市场8 0 以上的份额。其中以荷 兰的i h c 公司最为著名，9 0 年代以来，世界市场占有率达5 0 。较次规模的有：门本 i h i ，澳大利亚n e w m a n ，意大利p n e u m a ，荷兰d a m e n 和h a m ，以及法国f e r o d o 等公司【4 】【5 1 。 伴随着计算机技术的高速发展，国外疏浚技术发展非常迅速，已经开发鞋 应用于挖 泥船上的完善的人机交互系统( m m i ) ，实现疏浚过程中的数据的显示和所有功能的控 制，如：自动化疏浚、倾卸、输送过程、电源管理、记录报告、与勘察设备之间的通信 以及地理定位等等。日本开发了所谓“模糊控制系统”，它是把操作人员的经验、技术 编程数据和其它有关参数一并输入计算机系统，自动控制装置接收来自各种传感器和挖 泥机械的数据并经处理后，供给自控装置、调整横移速度、机具载荷等，使挖泥船达到 最佳浓度，实现高效生产，这属于完全的自动化。此外，国外部分挖泥船己装备有联合 避险与剖面绘制系统。当挖掘头前方出现障碍物时，避险系统就会产生报警信号。剖面 绘制系统每秒钟产生十几张剖面图，显示疏浚与泥沙倾卸处的实时3 d 图像，实现勘探 图的在线更新。 随着通信与信息技术的大踏步进步，可以预料在不久的将来，挖泥船技术将迎来新 的发展。其中之一就是挖泥船的动态定位( d p ) 和动态跟踪( d t ) 系统将更加集成化。 国外大型挖泥船制造厂商如荷兰的i h c 公司已经着眼于疏峻功能和导航功能的更加集 成化，导致系统更加一致，更加安全的显示，从而具有多任务操作功能。另。一个有关系 统集成的新产品和服务就是在文档资料方面，通过网络和c d - - r o m 提供的电子化信 息能够完全替代或结束手工的纸张记录。此外，多媒体技术的利用能使船上的工作环境 第一章绪论 浙江大学硕十学位论文 得到改善。未来的挖泥船效率将更高，更易于人们操作。 1 2 国内外挖泥船技术的现状及差距 我国从5 0 年代末设计制造挖泥船。开始在引进基础上逐步消化和仿造，后来发展 到自行研制开发。目前已能够生产耙吸、绞吸、斗轮、链斗、吸扬、抓斗、反铲等多种 船型，主要以绞吸( 斗轮) 式为主，已形成了4 0 m 3 h 、8 0 m 3 h 、1 2 0 m 3 h 、1 8 0 m 3 h 、 2 0 0 m 3 h 、3 5 0m 3 h 、5 0 0m 3 h 等系列规格，全国能够独立制造8 0m 3 h 以上挖泥船的 专门厂家有近2 0 家，年生产能力约1 0 0 艘，这些厂家分别隶属于交通、水利、船舶等 部门，水利部门生产的主要以河道清淤为主的中小型挖泥船【2 】【4 【5 j i l l 】。 我国现有8 0r n 3 h 以上各类挖泥船近1 0 0 0 艘，其中7 5 为国产船，2 5 为从国外 进口。进口船大多数为中、大型船只( 装机功率4 4 0 k w 以上) 。国产船除了少数几艘5 0 0 m 3 h 外，大多数都在2 0 0 m 3 h 以下，与国外船相比，性能落后、能耗大、功效低。 国外技术先进、知名度较高的挖泥船制造厂商有荷兰i h c 公司，德国k r u p p 公司， 美国e t l i c o t t e 公司，日本三菱重工、三井造船公司，澳大利亚的n u n m a n 公司等。这些 厂商的产品各有特点并各具一定的优势，其中i h c 公司以生产历史悠久、技术先进、 规格齐全、结构紧凑、功率匹配合理、自动化程度高、市场复盖率大而最具代表性。该 公司生产的挖泥船占世界市场的5 0 以上，从1 9 6 3 年以来，我国从i h c 公司进口了上 百艘挖泥船，总功率约5 0 万k w 。 挖泥船有三大关键部件，即：泥泵、工作装置、控制系统。技术难点主要在以下的 参数和性能上：泥浆浓度、挖深、输泥距离、泵的效率和寿命、工作装置的切削性能和 耐磨性以及综合监控能力。 我国的挖泥船技术与国外的差距主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 泥泵的工作效率不足 国产挖泥舱泥泵的效率约为7 5 ，而国外的泥泵效率最大可达8 5 。荷兰i h c 公 司的泥泵效率都能超过8 0 。泵的吸入高度国内一般为8 m 左右，国外却能达到9 m 以 上。 ( 2 ) 工作装置设计落后 国内设计时对工作装置缺乏研究，例如斗轮的设计缺乏充分可靠的试验数据，在几 何形状、切削角度等方面还没有成熟的设计依据，工作装置效率较低。荷兰i h c 公司 第章绪论浙江大学硕士学位论文 对不同土壤能提供不同的工作装置，并已成系列化、标准化。 ( 3 )泥泵、工作装置的耐磨性差 国内泥泵和工作装置在挖掘不同类土质时，平均寿命一般为3 0 4 0 万m 3 ，而国外 的寿命为6 0 8 0 万m 3 ，是国内的1 5 2 倍。荷兰i h c 公司对泥泵和1 ：作装置的耐磨 性作了大量试验研究，不仅从几何形状上，而且从材料上、受力上、结构上进行改进。 例如他们为了提高泵的寿命，研究出双壁泵，允许泵的内壁磨损掉，这样能减少运行期 间的维修保养工作。 ( 4 ) 主要技术性能较差 挖泥船的一些主要技术性能参数与国外相比差距较大。以斗轮式为例，图内的泥浆 浓度在一般工况下约为2 0 ，国外可达3 0 ；国内的挖深一般只能达到2 0 m ，国外可 达到2 5 m 以上；陆泥距离国内般在3 k m 左右，而国外可达5 k m 以上。 ( 5 ) 挖泥船功率与船型尺寸匹配不合理 在相同尺寸、重量下，国外船型装机功率大、生产率高，结构比较紧凑，发动机功 率的利用率也高，节约了大量原材料。而国内的船型显得庞大、笨重。 ( 6 ) 综合监测与控制程度及智能化水平偏低 国内的挖泥船控制系统大大落后于国外，一些重要仪器，例如产量计、浓度计、挖 掘轨迹显示仪等目前尚且空白，而且挖泥船的旌工操作单纯依赖经验，设备利用率和生 产效率不高。而i h c 公司可以用微机有效地对挖掘深度、挖掘轨迹、生产率、挖掘功 率、泵的流量和泥浆浓度等进行有效监控和综合显示。 1 3 斗轮式挖泥船的应用及其特点 由于各国的自然历史条件不尽相同，挖泥船工作的具体环境千变万化，工作情况复 杂。因此，在挖泥船的长期发展过程中形成了很多种类，用途相当广泛并且也各具特点。 根据其工作装置的结构型式和工作原理，当前常用的挖泥船主要有如下几大类：绞 吸式( c u t t e rs u c t i o nd r e d g e r ) 、斗轮式( w h e e ld r e d g e r ) 、耙吸式( t r a i l i n gs u c t i o n d r e d g e r ) 、链斗式( b u c k e tl a d d e rd r e d g e r ) 、抓斗式( c l a m s h e l ld r e d g e r ) 、铲斗式 ( b a c k h o ed r e d g e r ) 等。 斗轮式挖泥船是七十年代末出现的新型挖泥船船1 1 2 f 3 】1 4 【5 11 6 ，其设计思想在于综 合了链斗式挖泥船的可控制、均匀挖泥和绞吸式挖泥船的液压输送泥土的优点，荷兰为 第| 章绪论浙江大学硕士学位论文 首创者。新型的斗轮式挖泥船既具有链斗式挖泥船开挖能力强，泥土泄漏较少和挖槽平 整的优点，又具有绞吸式挖泥船采用水力管道运输、挖、运、卸连接生产和生产成本低 的优点，挖掘硬质土、粘性上、密实沙等具有绞刀所无法比拟的功能。同时斗轮在挖泥 作、世左右横移移时均能连续均匀、有效地进行切割和挖掘，保持比较均衡的生产率。 斗轮式挖泥船几乎能处理所有土质的泥土，在在地形复杂、砾石较多、士质变化大 的地区，也大都采用斗轮式挖泥船，当然这取决于所安装的挖掘动力，斗轮式挖泥船形 式多种多样，挖掘斗轮的功率范围最小2 0 k w ，最大可达到4 0 0 0 k w 。一般来说其挖掘深 度有限，最大的挖掘深度在2 5 m 到3 0 m 之间。对斗轮式挖泥船来晚，最小的挖掘深度 一般取决于船体浮箱的吃水深度【l “ 中小型斗轮式挖泥船具有可拆卸的形式，适合公路运输到那些不接近水域的内陆地 区进行施工，这是可拆卸斗轮式挖泥船的最大优点整体结构如图1 一l 所示。 园 图1 1 斗轮式挖泥船整体结构图 斗轮桥架悬挂在“a ”型框架上，斗轮、传动装置和吸泥管安装在桥架上，斗轮式 挖泥船的浮箱通常比固定式吸泥船重，因为其部分挖掘力被浮箱和定位桩吸收，挖掘出 来的泥土通过管道输送到填埋地点。斗轮式挖泥船是一种非自航型的挖泥船，一般都配 备有驳船装载系统。 第一章绪论浙江大学硕十学位论文 当前斗轮式挖泥船上的甲板机械大多采用液压传动。主要有以下部分： ( 1 )斗轮驱动装置。由液压马达通过减速箱在水下驱动斗轮切削泥沙； ( 2 ) 斗桥架起落装置。由液压马达带动斗轮卷筒收放缆索起落斗桥架，改变斗轮 对泥层的切削深度； ( 3 ) 横移绞车装置。左右各，可以单独操作，也可以联合操作。在挖泥时，通 过联合操作可以连续的收放系于左右锚柄上的缆索，船首就以插入河床中的主定位桩为 中心向左或向右摆动，使斗轮能连续的切削泥土并有一定的开挖宽度； ( 4 ) 主定位桩起落装置。按作业需要，拔起或放下钢桩。主、副定位桩的提升都 是通过液压缸、滑轮和缆索来实现的，下落则是靠其自重坠落而插入泥层巾； ( 5 )主定位桩台车装置。由装置在主浮箱上的液压缸驱动。当主定位桩插入泥层 中时，可使船体前进或后退；当主定位桩提起时，可驱动台车沿着主浮箱内侧的导轨前 后移动； ( 6 ) 锚机装置。由液压马达带动卷筒，通过缆索、抛锚杆按需要吊起或抛出左右 锚，以完成正常的挖泥施工工作。该装置通常并不安装在挖泥船上，而是安装在辅助船 一。 1 4 斗轮式挖泥船作业监控方式的发展概况及趋势 由于斗轮式挖泥船施工过程较为复杂，影响其施工效率和质量的因素很多，并且由 于挖泥船作业时斗轮挖掘过程发生在水下，因此将这个不可视的过程及时准确地显示在 操作人员面前，对疏浚作业过程进行全面有效的监控是非常必要的。 以前，许多挖泥船多采用导标及人工探水等传统方法进行定位和铡深，不仅劳动强 度大、工效低，而且定位和探水精度差，造成漏挖、超挖现象严重。因此，早期的挖泥 船谈不上有什么实时监控，挖泥船效能的充分发挥和施工质量的控制基本上依赖于操作 人员的技能，设备利用率和生产效率都很低。 8 0 年代以来国外开始了利用微机对挖泥船的作业信息进行采集和处理，辅助操作 人员进行挖泥作业，进而实现挖泥船工况的实时监测和控制。在这方面，以荷兰的i h c 和德国k r u p p 公司为代表，早已走在了前面，利用计算机和传感器技术，采用d g p s 定 位，超声波测深和水下成像技术监视水下挖掘断面来达到挖泥工况的实时检测和控制， 效果良好，配套软件成熟，实现了机舱自动化和疏浚技术的较为紧密结合。例如荷兰i h c 第一- 章绪论浙江大学硕士学位论文 公司就开发了基于p cw i n d o w s 的全套监控软件，共包括吸管位置监控( s t p m ) 、挖 掘剖面监控( d p m ) 、挖掘机位置监控( x p m ) 和船舶吃水及负载监测( d l m ) 网部 分 2 】 4 6 】。荷兰n e s a 公司也推出了基于全球卫星定位系统( g p s ) 实时动态定位技术 的挖掘和勘测状态三维映像软件。这些软件的配套使用可以保证挖泥船处于正确的位置 并按预设的轨迹进行精确挖泥，不受风、海浪、水流的影响，使挖泥船的挖掘和推进过 程实现高度自动化和计算机化，挖泥船始终处于高效率挖泥状态，并能有效保证旌工的 质量。这些监控软件的成功使用，显示了自动化控制与智能监测显示技术是提高挖泥船 施工质量和效能的重要手段，是挖泥船技术发展的重要方向。 国内对挖泥船施工工况的监控研究要比国外开展的晚，自9 0 年代初以来，才陆续 有国内相关科研单位投入研究，起点相对较高，但在实现方式和集成度方面还做的不尽 如人意，存在着综合化程度比较低，外设通信方式较复杂等不足之处，与国外相比差距 很大，所以广泛开展这方面的研究是很有必要的，本论文主要的研究内容也将基于这个 方向。 1 5 课题的研究背景和意义 为提高清淤疏浚效率，降低生产成本，发达国家直致力于研制适合各种清淤疏浚 船舶的自动化控制系统和自动化清淤疏浚监控仪表，其中，国外斗轮式挖泥船经历了“高 效疏浚精确疏浚监控疏浚”三个技术台阶。近年来我国挖泥船技术有了较大的 发展，但与国外先进水平相比还有较大的差距，尤其是在挖泥船监控手段方面的差距最 为明显。目前国内许多挖泥船上的施工工况监控手段与国外先进的同类型挖泥船相比还 相当落后，在疏浚作业中挖泥船效能的充分发挥在很大程度上还依赖于操作人员的技 能，设备利用率和生产效率都还较低。随着计算机技术、自动化通信技术的深入发展， 自动化与智能监测显示控制技术必然是挖泥船技术发展的重要方向和技术水平的标志。 当前国外一些先迸的挖泥船施工作业监控手段的自动化程度已经很高，国内自八十年代 束、九十年代初开始，对斗轮工况及挖泥船自动控制系统，才陆续有科研单位投入研究。 本课题顺应斗轮式挖泥船的发展趋势，对挖泥船的挖掘轨迹及挖泥船的综合监控系统进 行了研究，它具有一下几方面的意义： ( 1 ) 提高斗轮挖掘施工精度。使挖泥船在施工作业过程中既不超挖、也不漏挖， 从而减少废方，并且获得正确的挖掘剖面； 第一章绪论 浙江大学硕上学位论文 ( 2 ) 改善操作人员的旌工条件，提供简单易用的计算挖掘土方量方法，简化了 挖泥船的施工作业操作步骤并减轻劳动强度； ( 3 )尝试利用模糊数学中的模糊综合评判理论对斗轮式挖泥船的施工方案进行 综合评价，以确定最佳方案，有效地克服了船员施工的盲目性，降低了旌工成本； ( 4 )对挖泥船的国产化起到了积极的推动作用，也使我国在斗轮式挖泥船上的 监测、显示、控制水平提高到一个新的水平，缩短与国外挖泥船技术水平的差距。 1 6 课题主要研究内容 本论文结合国内外斗轮式挖泥船的现状及发展趋势，通过对国产斗轮式挖泥船整个 疏浚作业过程及其液压系统较为详尽的分析，根据挖泥船作业系统的具体要求，本文 的研究内容包括以下几个方面： ( 1 )挖泥船斗轮挖掘轨迹控制 结合斗轮式挖泥船施工特点建立其挖槽剖面坐标系数学模型以及斗轮在当前挖槽 剖面中相对位置即挖深、挖宽相应的数学模型，分析了控制斗轮挖宽、挖深的液压系统； 根据实际施工作业要求，对该系统的硬件整体结构进行设计，并选取合适的斗轮挖掘轨 迹控制方案，实现斗轮的挖掘轨迹的监测与控制，使斗轮按照预定的挖槽剖面进行施t ， 显著提高挖泥船的施工精度。 ( 2 ) 综合监控系统软件开发 结合系统硬件结构，利用面向对象程序设计方法合理划分了软件各功能模块，应用 m i c r o s o f to f f i c ea c c e s s 创建旖工水深及坐标数据库，采用a d o 数据库访问作为数据库 与用户界面和图形系统的数据接口实现施工水深查询，在原有挖泥船作业过程监控系统 的基础上开发出挖泥船综合监控系统，制作了系统软件帮助文件以及对软件进行发布。 ( 3 ) 挖泥船施工技术方案的模糊决策 基于模糊数学的综合评判模型，提出了斗轮式挖泥船施工技术方案的综合评价模 型，利用经验数据和专家提供的语言模糊信息，能够比较全面、合理地选择出适合工程 特点的技术方案，从而克服挖泥船施工过程中的复杂性和客观存在的模糊性，能够显著 提高施工的安全性和降低施工操作人员的盲目性，并且减少了施工的成本。 第二章挖掘轨迹控制及综台监控系统的总体构成 浙江大学硕十学位论文 第二章挖掘轨迹控制及综合监控系统的总体构成 摘要：本章详细阐述了斗轮式挖泥船斗轮施工作业流程以及挖泥船液压控制系统的工作 原理。根据实际施工作业要求，对挖掘轨迹控制及其综合监控系统的硬件整体结构进行 设计，并论述了系统中各个监控环节的工作原理以及系统各传感器件闯的数据传输及通 信方式。 关键词：作业工序液压系统传感器数据通信 2 1 斗轮式挖泥船施工作业流程 2 1 1 施工作业工序 斗轮挖泥船大多为非自航式挖泥船，在非作业过程中，依靠其他辅助船拖动到施工 区域。在正常的施工作业过程中，其动作工序大致如下【4 【6 】 7 】【8 】： 在当前开挖剖面内，用斗桥架绞车下放斗轮至适当深度；横移绞车在锚与主定位桩 的配合下，通过缆索使斗轮以主定位桩为中心从一边以弧形轨迹运动到另一边，斗轮始 终以一个方向连续转动并切削当前泥层，通过泥泵将被切削的泥吸到排泥管，这样就完 成了斗轮的一个工作挖宽，通过执行斗轮的多个工作挖宽，把当前剖面挖到规定深度后， 令斗桥架绞车提起斗轮，操作主定位桩台车液压缸，使船体沿当前挖槽开挖中心线前进 一个步长，又下放斗轮至某一深度，开始一个新的剖面开挖。当主定位桩台车液压 缸走完台车行程时，则先将船体摆至挖槽中心线上，然后下放副定位桩，提升主定位桩， 再操纵台车液压缸，使主定位桩随着台车一起向船首方向滑动，到位后再下放主定位桩， 提升副定位桩，完成挖泥船的一个进桩过程( 一个桩位就是一个台车行程) 。当挖泥船 经过几次进桩后，若原来的锚位已不利于挖泥操作时，则应利用锚机、吊锚杆等装置将 锚吊起，再抛至前侧位置，以便继续进行挖泥。由以上作业工序可以看出，非自航式挖 泥船的机动灵活性较差，在作业过程中通常会影响附近水域船只的正常通航。 2 1 2 剖面施工方法 由整体旄工作业动作工序可以看出，斗轮挖泥船是沿着当前挖槽中心线一个剖面一 个剖面不断前移进行施工作业。斗轮挖泥船大多采用横挖法进行分层施工，视施工区域 第二章挖掘轨迹控制及综合监控系统的总体构成浙江大学硕十塑瓷文 的实际状况，有时还得考虑顺流、逆流、施工区域分段及分条。采用定位桩定位的斗轮 挖泥船施工时，其施工方法主要分为中间切入分双层施工和边线切入单层施工穗种。 ( 1 ) 中间切入分双层施工是主定位桩定位的斗轮挖泥船主要施：i ：= 方法。旖工时斗 轮的切入点和收尾点都落在下落副定位桩时斗轮停留位置，因它靠近挖槽中间部位，故 称中间切入。分双层开挖，即按设计开挖层分为若干个双层，最后一层薄一些，每个双层 操作时从下落副定位桩时的斗轮停留位置，向左半个往返，向右半个往返，构成一个来 回挖完一个双层，其施工示意图见图2 1 。 i 一， 一 坶面一一_ 图2 一l 中间切入分双层施工示意图 ( 2 ) 边线切入分单层砸工主要用于开挖淤泥或泥层较薄隋况下的维护施工。施工 时斗轮的切入点和收尾点都在开挖边线上，斗轮从一侧边线到另一侧边线就挖完一个单 层，其施工示意图见图2 2 。 i 。 。)一一 紧譬 二、一 一 一 一 ? 图2 2 边线切入分单层施工示意图 比较上述两种方法，中间切入分双层施工法重挖少、吸清水少、效率高、质量可靠， 只是操作稍复杂。边线切入分单层施工法较简单，但收尾过程中重挖和吸清水时间多。 第二章挖掘轨迹控制及综合监控系统的总体构成浙江大学硕士学位论文 县体采用那种方法，主要取决于开挖泥层深度、斗轮的切削量。在开挖泥层很薄、斗轮 切削量大、斗轮的一个单层就可达到理想挖深的情况f ，采用边线切入分单层施工为宜。 在其他情况下大多采用中间切入分双层施工为宜。 2 2 挖掘轨迹控制及综合监控系统硬件总体结构 由上一节可以看出，挖泥船的整个施工作业流程比较复杂，而且作业环境比较恶劣， 运行参数较多。尤其是斗轮完全工作于水下，操作人员不能直接观测斗轮的实际工作状 态，也就难以根据其工作状况调整参数，从而难以保证高效率挖泥。为了确保施工的质 量和效率，采用计算机技术和自动化技术对挖泥船的挖掘轨迹进行控制以及对施工作业 工况进行综合监控已成为必然要求，也是挖泥船技术发展的重要方向。 斗轮式挖泥船挖掘轨迹控制及其综合监控系统硬件结构框图如图2 3 所示。本系 统采用上、下位机结构，下位机p l c 完成挖泥船施工、移船等各项动作的控制以及数 据采集、警报逻辑判断等任务。p l c 采用m i t s u b i s h if xp l c ，该型p l c 采用模块化结 构，能适应各种工况要求，组成系统方便灵活，适用于中小型控制系统。f x 系列p l c 虽属小型p l c ，但由于采用了先进的微处理器，使其功能和处理速度都超出了般小型 机，而且与上位机的通信可以通过其附带的软件方便的实现。在p l c 上配备了f x 一4 a d 模拟量输入模块，用于转换传感器输入的电流、电压信号，同时还配备了液晶触摸屏用 于设置、显示p l c 各参数以及显示各传感器的读数。上位机采用强抗干扰的工业控制 机( i p c ) ，i p c 可完成对各传感器读数的实时有效的处理，得到并显示挖泥船的实时状 态参数，并通过这些状态参数发送相应的指令到下位机p l c 实现对挖泥船的斗轮自动 挖泥控制。 第二章挖掘轨迹控制及综台监控系统的总体构成渐江大学硕士学位论文 2 1 3 液压控制系统构成 图2 3 系统硬件结构框图 在斗轮式挖泥船液压系统中，主要应用图2 - - 4 和图2 - - 5 两种控制方式。另外，其 单个插装阀主要是采用图2 6 中所示的控制压力引出方式。即从a 、b 口同时引出控 制油并通过控制盖板中的内嵌选择阀( 或称梭阀) 进行压力比较，再经过先导换向阀进 入阀芯实施控制的控制方式。这种控制方式不论p a 、p b 高低，均能可靠地关闭。 第二章挖掘轨迹控制及综合监控系统的总体构成 浙江大学硕士学位论文 图2 4 二通插装阀控制基本回路结构 图2 5 具有两个受控腔的四通插装阀回路简图 t 第二章挖掘轨迹控制及综台监控系统的总体构成浙江丈学硕士学位论文 厂 l x 图2 6 先导控制引出方式 斗轮式挖泥船采用横挖施工法，决定斗轮挖掘轨迹的有台车液压系统、横移液压系 统以及斗桥液压系统。斗轮的挖宽将同时受这三个系统的影响，而斗轮挖深只由斗桥液 压系统控制，因此，在斗轮挖掘过程中，只要对这三个系统进行精确控制，就能使斗轮 按预定的挖掘轨迹运动，开挖出理想的挖掘剖面。 挖泥船横移液压系统是由左、右液压马达驱动两台绞车并依靠抛在挖泥区两侧的边 锚来实现挖泥船船首的左右摆动。如图2 7 所示为横移液压系统原理图，左、右横移 马达的进、回油路分别由系统中的对应插装阀来控制。控制过程如下：当电磁阀$ 3 0 通 电时。插装阀v 1 开启，油路a 与回油路相通，v 1 的安全开启压力由溢流阀v 1 4 调定， v 1 的回油背压由点液比例溢流阀v 8 调定，与电液比例方向阀v 1 3 一起组成回油背压 + 旁路节流调速回路。施工过程中只需要调节比例方向阀v 1 3 的输入信号，就可以对 横移速度进行控制，从而不断改变斗轮的实时挖宽。斗桥液压系统是由斗桥液压马达驱 动斗桥绞车收放缆索来实现斗桥的升、降动作。 第二章挖掘轨迹控制及综合监控系统的总体构成浙江大学硕十学位论文 图2 - - 7 横移液压系统原理图 斗桥液压系统原理图如图2 - - 8 所示，也是采用回油背压+ 旁路节流调速回路，通 过回路中电磁换向阀$ 2 1 、$ 2 2 的轮流通、放电，实