李建坤，魏永天，王超

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

隨著我國水工建設(shè)的高速發(fā)展，迫切需要具備自動化[1]更完善的定深平挖[2-4]抓斗挖泥船，來滿足沿海港口深水航道建設(shè)與海洋工程的樁基、墩臺、碼頭、海底隧道基礎(chǔ)等工程需求，借以實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)挖掘的高精度控制，有效提高施工質(zhì)量和作業(yè)效率，節(jié)約成本。目前，國內(nèi)抓斗挖泥船大都從日本等國進(jìn)口，挖掘超深控制在60 cm范圍，均采用手動補(bǔ)償潮位的人工調(diào)節(jié)方式來控制挖掘精度。

因此，我國急需提高抓斗挖泥船的功能型設(shè)計、開發(fā)能力，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)控制的高精度抓斗挖泥船，以滿足航道疏浚和海洋工程基礎(chǔ)建設(shè)的需要。

1 繩索疏浚抓斗水下挖掘功能概況

1.1 繩索疏浚抓斗挖掘方式

繩索疏浚抓斗水下作業(yè)時主要有沉挖、定深挖和定深平挖3種挖掘方式。

沉挖作業(yè)時，支持索保持松弛，僅開閉索收緊，抓斗以其自重扎入到海床中從而抓取大量的泥沙。

定深挖作業(yè)時，抓斗下降至指定深度，支持索保持張緊，收緊開閉索合斗，實(shí)現(xiàn)抓斗定深挖掘。

定深平挖作業(yè)時，開閉索收緊合斗、當(dāng)合斗至一定角度時，支持索斷續(xù)下降，保持斗口沿水平移動，實(shí)現(xiàn)對泥沙的平整挖掘。

1.2 繩索疏浚抓斗機(jī)結(jié)構(gòu)及挖掘方式

繩索疏浚抓斗主要由上承梁、下承梁、撐桿和斗體組成，其驅(qū)動系統(tǒng)包括與上承梁相連的支持索，分別位于上承梁、下承梁上的上滑輪組、下滑輪組以及起端位于上承梁纏繞于上下滑輪組之間的開閉索。抓斗作業(yè)時，依靠抓斗自重開斗，收緊開閉索合斗，完成挖掘過程。

2 潮汐對挖掘功能的影響

2.1 原因分析

挖泥船海上施工作業(yè)時，船舶浮態(tài)會隨著潮位漲落發(fā)生起伏改變，導(dǎo)致挖泥過程中設(shè)定的挖掘深度變化，對潮差較大及混合潮型海域挖泥作業(yè)影響最大。

經(jīng)施工現(xiàn)場定期統(tǒng)計，沉挖、定深挖、定深平挖功能隨著挖掘精度的逐級提高，對潮位修正精度也逐級增大。

2.2 效率分析

目前，挖泥船均采用人工手動輸入潮位差數(shù)值進(jìn)入挖掘控制系統(tǒng)[5-6]，通過加減挖掘深度來控制標(biāo)高，其潮差數(shù)值是抓斗機(jī)司操人員通過潮位儀顯示、人工通報水位等途徑獲取。手動輸入的挖掘控制精度，因輸入間隔時間內(nèi)潮位變化而降低，同時也降低生產(chǎn)效率。

以大連地區(qū)為例，年平均潮差2.167 m，最大潮差4.56 m，平均周期12 h 25 min，人工手動調(diào)節(jié)用時30 s，效能分析見表1。

表1 平挖工況效能分析Table 1 Performance analysis of flat dredging working conditions

3 潮位自動補(bǔ)償方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計背景

挖泥船挖掘精度控制中，定深平挖工況的精度最高，日本先進(jìn)的挖泥船精度控制在50 cm。通過對挖泥船綜合工況及控制系統(tǒng)分析，提出精挖工況，即在平挖工況基礎(chǔ)上，開發(fā)對潮位差自動補(bǔ)償裝置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抓斗恒定在設(shè)定標(biāo)高進(jìn)行平挖作業(yè)，不受潮位漲落影響，消除因此產(chǎn)生的誤差，使精度控制在20 cm以內(nèi)，有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

3.2 潮位補(bǔ)償設(shè)計

3.2.1 潮位補(bǔ)償原理

精挖是在定深平挖功能的基礎(chǔ)上，通過采集潮位遙報儀的潮位數(shù)值信息，自動獲取潮位差數(shù)值進(jìn)入挖掘機(jī)中心控制器，補(bǔ)償潮位對挖掘深度的影響，實(shí)時保持作業(yè)在設(shè)定的挖掘標(biāo)高，去除了人工校正補(bǔ)償?shù)淖鳂I(yè)方式，進(jìn)一步提高定深平挖精度，實(shí)現(xiàn)精挖功能，潮位補(bǔ)償原理見圖1。

圖1 潮位補(bǔ)償原理流程圖Fig.1 Flow chart of tidal level compensation principle

3.2.2 潮位傳輸

潮位儀水位數(shù)據(jù)，通過壓力傳感器探頭測得水位值，傳入主機(jī)與標(biāo)高值進(jìn)行運(yùn)算后輸出潮位值，數(shù)據(jù)通過主機(jī)端口上的發(fā)射機(jī)向外發(fā)送。潮位遙報接收儀位于抓斗機(jī)中心控制器端口，通過解析將其轉(zhuǎn)換成潮位值傳輸至挖掘控制系統(tǒng)的中心處理器內(nèi)，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸鏈路，使精挖功能實(shí)現(xiàn)挖掘全過程模糊化控制。

3.2.3 深度補(bǔ)正裝置

深度補(bǔ)正裝置通過接受潮位儀接收機(jī)解析信號后生成潮位數(shù)值，在中心處理器中運(yùn)算，實(shí)時補(bǔ)償?shù)阶ザ废路派疃仍O(shè)定值，其通信設(shè)計參數(shù)按以下內(nèi)容設(shè)定。

同期方式：非同期方式

傳輸方式：非二重通信

傳輸速度：9 600 bps

數(shù)據(jù)：2位文字位16進(jìn)制，1位文字位為ASCII

3.3 定深平挖原理

挖掘系統(tǒng)設(shè)計有平挖控制單元，平挖控制單元由工業(yè)控制計算機(jī)控制，實(shí)時獲取開閉索和支持索的實(shí)際索長，將檢測到的數(shù)據(jù)和抓斗動作軌跡曲線進(jìn)行對比，通過中心控制模塊和運(yùn)算器，計算出開閉索和支持索的運(yùn)行速率，并將控制信號發(fā)送給PLC控制器，由PLC的現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制卷筒及碟剎，使抓斗運(yùn)行在預(yù)定的軌跡上，實(shí)現(xiàn)沉挖、定深挖和平挖控制功能，平挖合斗方式見圖2。

圖2 平挖合斗示意圖Fig.2 Sketch map of horizontal dug dump

在實(shí)際定深平挖作業(yè)中，為使挖掘后海床面盡可能平坦，需要通過抓斗的提升與開閉聯(lián)動控制，使抓斗齒尖運(yùn)動軌跡在合斗期間垂直深度保持不變。平挖控制模式下，需要事先設(shè)置挖深以及閉斗過程中鋼絲繩的補(bǔ)償位移。抓斗下降到達(dá)預(yù)先設(shè)定深度后進(jìn)行閉斗工作，抓斗鋼絲繩的數(shù)據(jù)實(shí)時送往控制器與事先存儲的理論數(shù)值進(jìn)行比較，計算得出鋼絲繩對應(yīng)的放纜量，及時給碟剎發(fā)出工作指令，使抓斗鋼絲繩的運(yùn)動隨著抓斗開閉動作實(shí)時調(diào)節(jié)，確保挖掘后泥面接近平整狀態(tài)，定深平挖工作原理見圖3。

4 定深平挖潮位自動補(bǔ)償應(yīng)用

定深平挖潮位自動補(bǔ)償方案設(shè)計完成后，通過水、陸兩種方式應(yīng)用驗(yàn)證。

4.1 陸上應(yīng)用試驗(yàn)

4.1.1 應(yīng)用方式

在碼頭前沿選取18 m×10 m試驗(yàn)區(qū)域，并回填2 m厚度渣土作為開挖料，頂面標(biāo)高設(shè)定為+5 m（85高程），抓斗挖泥船頂靠碼頭并對應(yīng)試驗(yàn)區(qū)駐位、執(zhí)行陸挖試驗(yàn)。采取分層開挖工藝，根據(jù)試驗(yàn)前進(jìn)行單點(diǎn)挖深能力測試，分層厚度取0.5 m。

4.1.2 陸挖平整度分析

1）精挖工況

圖3 水平挖掘工作原理流程圖Fig.3 Flow chart of working principle of horizontal excavation

精挖作業(yè)時，開挖后底面類似田間地壟，底面平整，壟臺和壟溝高差約20 cm（與斗齒長度相關(guān)），壟臺之間高差在30 cm以內(nèi)，壟臺與設(shè)定標(biāo)高偏差在±16 cm以內(nèi)，標(biāo)高控制較好，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

表2 陸上精挖工況標(biāo)高統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of elevation of land fine excavation working conditions

2）沉挖工況

抓斗挖泥船不使用精挖工況常規(guī)作業(yè)時，抓出底面呈中部凸起狀，中部與兩側(cè)高差達(dá)1.00 m，壟臺與設(shè)定標(biāo)高偏差在±50 cm以內(nèi)，標(biāo)高控制較差。

4.2 水上應(yīng)用試驗(yàn)

4.2.1 應(yīng)用方式

選取20 m×20 m水下已炸礁區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)前采用多波束進(jìn)行原始水深測量。根據(jù)現(xiàn)場工況按自西向東的施工順序進(jìn)行分層作業(yè)；抓斗每層開挖厚度設(shè)定為0.5 m；開挖標(biāo)高為-10.5 m、-11.0 m。

4.2.2 水挖平整度分析

精挖作業(yè)時，第一層標(biāo)高設(shè)定為-10.5 m，平均標(biāo)高為-10.69 m，最大標(biāo)高為-10.84 m，最小標(biāo)高為-10.55 m，多數(shù)偏差可控制在30 cm；第二層標(biāo)高設(shè)定為-11.0 m，平均標(biāo)高為-11.02 m，最大標(biāo)高為-11.3 m，最小標(biāo)高為-10.74 m，多數(shù)偏差可控制在30 cm，誤差統(tǒng)計見圖4。

圖4 水上精挖工況誤差趨勢圖Fig.4 Error trend of water fine excavation working conditions

4.3 結(jié)論

通過水、陸兩種應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，潮位自動補(bǔ)償定深精挖功能開挖平均偏差可控制在30 cm以內(nèi)。陸上應(yīng)用受影響較小，直觀反映精挖效果，精度更高；水上應(yīng)用受地質(zhì)平整度等不利因素影響，存在偏差波動較大情況，在后續(xù)實(shí)施過程中，將進(jìn)一步根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計要求，預(yù)留開挖下沉量，進(jìn)一步提高精度。

5 結(jié)語

通過對潮位自動補(bǔ)償定深精挖功能的開發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)一步提高了抓斗挖泥船自動控制能力，填補(bǔ)了此類裝備國內(nèi)的空白。潮位自動補(bǔ)償功能減少了因人工手動輸入數(shù)據(jù)時間損耗和行為誤差，提高了施工質(zhì)量和施工效率。