CN103115712B - 一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法。本发明属于精确疏浚技术领域。一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特点是：耙吸挖泥船设有信息采集系统，获取耙吸状态各评估指标物理量，信息采集系统包括耙管连接处的轴销传感器、耙管接头处的角度编码器、缆绳接头处的角度编码器、缆绳对耙管耙头的测力传感器、波浪补偿器；耙管拖拽力检测时，通过对耙头、耙管的受力平衡分析，以及耙头在耙吸过程中受到海床摩擦力作用大小的评估，从而对降低耙头受到海床的阻力进行有效的估算。本发明通过耙头与海床摩擦系数和正压力的评估，进行了耙吸挖泥船耙管拖拽力的补偿，实现了精确疏浚，具有检测方便，实用性强，应用范围广等优点。

Description

一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法

技术领域

本发明属于精确疏浚技术领域，特别是涉及一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法。

背景技术

目前，耙吸挖泥船得到了越来越多广泛利用，尤其在陆域形成及临海工业园区的建设中发挥着越来越关键的作用。挖泥控制具备了技术含量高，机械设备繁杂，自动化要求高等特点。精确疏浚成为挖泥指标的一个重要参数。由于挖泥船耙头在水下进行，工作人员很难判断耙头实际工作状态，从而难以提高吸泥的高效率。另一方面，如果在耙吸过程中，耙头与海床之间有过大的摩擦力，对于耙头的使用寿命包括对船舶能源动力的节约也带来很严重的影响。如今，对挖泥船耙头问题的分析，尤其是对海床对耙头摩擦力分析一直处于二维空间分析模型，对于准确的把握耙头的动态过程带来了一些不足，从而导致在这类似问题分析上理论与实际的偏差比较大。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法。

本发明的目的是分通过耙头与海床摩擦系数和正压力的评估，摆脱了过分依赖经验的弊端，通过耙吸挖泥船耙管拖拽力的补偿，实现了精确疏浚，具有检测方便，实用性强，应用范围广等特点的耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法。

采用轴销传感器和参数估计方法，给耙头所受到海床摩擦力问题的研究带来了方便，从而更加有助于计算耙管拖拽力。本发明是通过对耙吸挖泥船耙头、耙管建立三维坐标，通过建立数学模型，计算耙头所受到摩擦力系数和正压力函数关系。

本发明耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法所采取的技术方案是：

一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特点是：耙吸挖泥船设有信息采集系统，获取耙吸状态各评估指标物理量，信息采集系统包括耙管连接处的轴销传感器、耙管接头处的角度编码器、缆绳接头处的角度编码器、缆绳对耙管耙头的测力传感器、波浪补偿器；耙管拖拽力检测时，通过对耙头、耙管的受力平衡分析，以及耙头在耙吸过程中受到海床摩擦力作用大小的评估，从而对降低耙头受到海床的阻力进行有效的估算。

本发明耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法还可以采用如下技术方案：

所述的耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特点是：信息采集系统获取的耙吸状态各评估指标物理量，包括耙头质量、耙管质量、耙管体积、耙头体积、重力加速度、海水密度、万向接头到耙头部距离、万向接头到耙管头部距离、耙头的吸口面积。

所述的耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特点是耙管拖拽力检测时，具体步骤如下：

1）在静态状态下，对挖泥船的耙头以及耙管做受力分析，建立数学模型；

2）对于垂直角度传感器检测方向进行确定；

3）测出在挖泥过程中，相关设备的位置、压力变化过程；

在耙管之间安装轴销传感器，轴销传感器装在耙管连接处,并且是一边一个，两个传感器是平行地装在一对接头上，用于测量在挖泥过程中耙管之间的受力过程；

在缆绳末端安装垂直角度传感器观测缆绳在挖泥过程中，通过波浪补偿器调节过程中观察缆绳角度变化过程；

在耙管密封的不锈钢壳体内，安装垂直角度传感器，用于观测耙管在吸泥过程中耙管的角度变化；

海底泥水混合物的流动在耙头入口处与海床之间产生了压力差，通过在耙头耙管之间安装压力传感器测量压力差值；

通过力学分析，推出耙头所受的摩擦力与以下物理量相关，耙头耙管的三维角度、耙头的入口处与海床之间产生了压力差、轴销传感器的拉力值变化有关系；

为让耙头在吸泥过程中摩擦力能最小，在挖泥过程中通过对耙管的角度变化对缆绳拉力的控制，从而使得摩擦力系数得到优化控制。

本发明具有的优点和积极效果是：

耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明通过耙头与海床摩擦系数和正压力的评估，摆脱了过分依赖经验的弊端，通过耙吸挖泥船耙管拖拽力的补偿，实现了精确疏浚，具有检测方便，实用性强，应用范围广等优点。

附图说明

图1是本发明耙臂拖拽力计算流程结构示意图；

图2是耙管垂直角度传感器检测角度结构示意图（耙管标注1）；

图3是缆绳垂直角度传感器检测角度结构示意图（标注2）。

图中，1、耙管，2、缆绳。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1、图2和图3。

实施例1

一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，通过对耙头、耙管的受力平衡分析以及耙头在耙吸过程中受到海床摩擦力作用大小的评估，从而对如何降低耙头受到海床的阻力进行有效的合理进行估算。

采用耙吸挖泥船信息采集系统获取耙吸状态各评估指标物理量，其中包括耙管连接处的轴销传感器、耙管接头处的角度编码器、缆绳接头处的角度编码器、缆绳对耙管耙头的测力传感器、波浪补偿器等所采集的物理量数据。

采用耙吸挖泥船信息采集系统获取的耙吸过程中物理量，包括：耙头质量、耙管质量、耙管体积、耙头体积、重力加速度、海水密度、万向接头到耙头部距离、万向接头到耙管头部距离、耙头的吸口面积。

本实施例的具体实施过程详细描述：

一种挖泥船耙吸挖泥船耙头受到海床摩擦力大小估算方法，主要通过耙管、缆绳上的垂直角度传感器以及耙管之间的拉力传感器所测量的数据，进行分析摩擦力大小估算，该方法的具体步骤如下：

1）排除风浪、船速的影响，在理想的静态状态下，对挖泥船的耙头以及耙管做受力分析，建立相关的数学模型；

2）对于垂直角度传感器检测方向规定如附图2（耙管垂直角度传感器检测角度与耙管2的位置关系）；

3）利用测量设备，测出在挖泥过程中，相关设备的位置、压力变化过程；

a．在耙管之间安装轴销传感器，轴销传感器装在耙管连接处,并且是一边一个，两个传感器是平行的装在一对接头上，用于测量在挖泥过程中耙管之间的受力过程；

b．在缆绳末端安装垂直角度传感器观测缆绳在挖泥过程中，通过波浪补偿器调节过程中观察缆绳角度变化过程；

c．在耙管密封的不锈钢壳体内，安装垂直角度传感器。用于观测耙管在吸泥过程中耙管的角度变化；

d．海底泥水混合物的流动在耙头入口处与海床之间产生了压力差，通过在耙头耙管之间安装压力传感器测量压力差值；

通过力学分析，推出耙头所受的摩擦力与以下物理量相关，耙头耙管的三维角度、耙头的入口处与海床之间产生了压力差、轴销传感器的拉力值变化有关系；

为了能让耙头在吸泥过程中摩擦力能最小，在挖泥过程中通过对耙管的角度变化对缆绳拉力的控制，从而使得摩擦力系数得到优化控制。

所述步骤1）中，利用牛顿力学分析耙吸挖泥船耙头耙管，使用物理量包括：耙管质量、耙头质量、海水密度、缆绳拉力、海床对耙头的摩擦力、轴销传感器张力、缆绳耙管垂直从角度传感器测量的角度。

A.耙管受力分析

所述步骤2）、3）中，耙管受力分析，可以通过测量的物理量通过力学平衡和力矩平衡的知识计算方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{f}_{1.x}-F_{p,h.x}+F_{\mathrm{out}.x}\\ f_{1.y}-F_{p,h.y}+F_{\mathrm{out}.y}\\ \mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{v}_{\mathrm{pipe}}+f_{1.z}-F_{p,h.z}+F_{\mathrm{out}.z}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ m1g-\mathrm{\ρg}{v}_{\mathrm{pipe}}\end{array}\right)\×\frac{l}{2}\×\left(\begin{array}{c}-\cos \left(x2\right)\cos \left(x1\right)\\ -\cos \left(x2\right)\sin \left(x1\right)\\ \sin \left(x2\right)\end{array}\right)+f1\×t_r^0\×\mathrm{ls}\×\left(\begin{array}{c}-\cos \left(x2\right)\cos \left(x1\right)\\ -\cos \left(x2\right)\sin \left(x1\right)\\ \sin \left(x2\right)\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}{F}_{p,h,x}\\ F_{p,h,y}\\ F_{p,h,z}\end{array}\right)\×\mathrm{ls}\×\left(\begin{array}{c}-\cos \left(x2\right)\cos \left(x1\right)\\ -\cos \left(x2\right)\sin \left(x1\right)\\ \sin \left(x2\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

式中：m1耙管的质量，ρ海水的密度，g重力加速度，F_p,h耙管耙头之间的作用力，x2x1为垂直角度传感器所接受的数值，f1缆绳的拉力，l耙管的水平面投影长度，缆绳方向矢量，s为万向接头到耙管头部与万向接头到耙头头部投影的比值，v_pipe耙管的体积；

B.耙头受力分析

对于耙头的分析过程与耙管受力分析方法相同，耙管的受力平衡计算方法如下：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{full}.x}+F_{p,h.x}\\ F_{\mathrm{full}.y}+F_{p,h.y}\\ \mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{V}_{\mathrm{head}}+f2-F_{\mathrm{eject}}+F_{p,h.z}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

式中：m耙管的质量，V_head耙头头部的体积，f2耙头的吸力，F_eject海床对耙头的反作用力，F_full耙头受到的摩擦力；

C.轴销传感器压力分析

耙管0和耙管1之间连接处的轴销传感器，连接处的张力由作用力与反作用力知：

f3=-F_out

进而可以得到

$f3=\left(\begin{array}{c}{f}_{1.x}+F_{\mathrm{full}.x}\\ f_{1.y}+F_{\mathrm{full}.y}\\ \mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{v}_{\mathrm{pipe}}+f_{1.z}+\mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{V}_{\mathrm{head}}+f2-F_{\mathrm{eject}}\end{array}\right)$

$f4=t_r^1\×f3=t_r^1\×\left(\begin{array}{c}{f}_{1.x}+F_{\mathrm{full}.x}\\ f_{1.y}+F_{\mathrm{full}.y}\\ \mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{v}_{\mathrm{pipe}}+f_{1.z}+\mathrm{mg}-\mathrm{\ρg}{V}_{\mathrm{head}}+f2-F_{\mathrm{eject}}\end{array}\right)$

式中：f³为轴销传感器检测拉力三维空间三个方向力的大小，f³为轴销传感器检测拉力大小，

为耙管垂直角度变送器三维空间向量；

D．耙头的吸力分析

对于耙头的吸力，近似用耙头吸口压力差与耙管的吸口面积的乘积得到

f2=ΔP*S₁

式中：ΔP可以由耙头压力传感器测量得到，S₁为耙头吸口面积；

E.投影比例系数s：

由于在挖掘过程中，耙管和耙头处于运动状态中，所以导致投影比值s处于变化过程中。

可以近似看做三角形相似性。让s近似看做耙管与耙管节点到该耙管与缆绳节点距离与其到耙头的距离比值

$s=\frac{s{L}_0}{L_0}=\frac{L2}{L1}$

式中：L2万向接头到耙管头部的在海床平面投影距离，L1万向接头到耙头头部的在海床平面投影距离；

通过对上述讨论，我们可以得到耙头的摩擦力与以下物理量相关，即：耙头质量、耙管质量、耙头体积、耙管体积、耙管的实际长度、缆绳的拉力、轴销传感器压力大小、耙头吸口面积、缆绳与耙管的垂直角度变送器数值相关；由于耙头质量、耙管质量、耙头体积、耙管体积、耙头吸口面积、耙管的实际长度在某个特定的船舶这些物理量都是固定的；所以，在讨论耙头摩擦力系数分析时，关注变化的物理量为缆绳的拉力、轴销传感器压力大小、缆绳与耙管的垂直角度变送器数值这些物理量的变化；

再由物理学可知：f=u×N

式中：f为摩擦力，u为摩擦因子，N正压力；

也即直接与摩擦系数相关。

综上所述，通过对垂直角度变送器、轴销传感器、缆绳拉力调节对摩擦系数进行控制，计算出耙管拖拽力，具体流程控制见附图1。

Claims (2)

1.一种耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特征是：耙吸挖泥船设有信息采集系统，获取耙吸状态各评估指标物理量，信息采集系统包括耙管连接处的轴销传感器、耙管接头处的角度编码器、缆绳接头处的角度编码器、缆绳对耙管耙头的测力传感器、波浪补偿器；耙管拖拽力检测时，通过对耙头、耙管的受力平衡分析，以及耙头在耙吸过程中受到海床摩擦力作用大小的评估，从而对降低耙头受到海床的阻力进行有效的估算；耙管拖拽力检测时，具体步骤如下： 

1）在静态状态下，对挖泥船的耙头以及耙管做受力分析，建立数学模型； 

2）对于垂直角度传感器检测方向进行确定； 

3）测出在挖泥过程中，相关设备的位置、压力变化过程； 

在耙管之间安装轴销传感器，轴销传感器装在耙管连接处,并且是一边一个，两个传感器是平行地装在一对接头上，用于测量在挖泥过程中耙管之间的受力过程； 

在缆绳末端安装垂直角度传感器观测缆绳在挖泥过程中，通过波浪补偿器调节过程中观察缆绳角度的变化过程； 

在耙管密封的不锈钢壳体内，安装垂直角度传感器，用于观测耙管在吸泥过程中耙管的角度变化； 

海底泥水混合物的流动在耙头入口处与海床之间产生了压力差，通过在耙头耙管之间安装压力传感器测量压力差值； 

通过力学分析，推出耙头所受的摩擦力与以下物理量相关：与耙头耙管的三维角度、耙头的入口处与海床之间产生的压力差、轴销传感器的拉力值变化有关系； 

为让耙头在吸泥过程中摩擦力能最小，在挖泥过程中通过对耙管的角度变化对缆绳拉力的控制，从而使得摩擦力系数得到优化控制，计算出耙管拖拽力。 

2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船耙管拖拽力检测方法，其特征是：信息采集系统获取的耙吸状态各评估指标物理量，包括耙头质量、耙管质量、耙管体积、耙头体积、重力加速度、海水密度、万向接头到耙头部距离、万向接头到耙管头部距离、耙头的吸口面积。 

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