CN111535254A - 船舶靠泊锚定装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶靠泊锚定装置及其控制方法，装置包括至少一组电磁吸盘机构和液压能量吸收机构以及液压站；电磁吸盘机构包括液压锚机和与液压锚机连接的电磁吸盘，用于为船舶靠泊提供牵引拉力和系泊保持拉力；液压能量吸收机构包括若干级液压油缸，用于船舶靠泊运动能量的吸收和船舶与码头岸壁之间的距离控制；在船舶靠泊过程中，电磁吸盘机构提供靠泊牵引拉力，液压能量吸收机构基于多级液压油缸缓冲船舶靠泊对岸壁的冲击力，并对船舶与码头岸壁之间的距离进行控制，当靠泊完成后，电磁吸盘机构提供系泊保持拉力，液压能量吸收机构提供顶出力，实现的是无人自动化化靠泊，无缆绳系泊，消除了船舶对码头岸壁带来的巨大惯性冲击。
Description
技术领域
本发明属于码头设计技术领域，具体地说，是涉及一种船舶靠泊锚定装置及其控制方法。
背景技术
传统码头大型船舶靠泊时主要依靠拖轮将船舶抵靠至岸边，船舶在靠泊期间存在巨大的惯性，在船身接触码头岸壁时对岸边缓冲装置将产生巨大的挤压和冲击，船身一定程度倾斜，同时船舶靠泊成功后需依靠人力撇出带缆，带缆将缆绳带出栓挂至缆桩。由于潮汐涨落和船舶缆机工作不良，船舶经常出现松缆、断缆、移泊等情况，个别船舶缆绳长期失养，断缆伤人事件也是经常发生，强对流天气船舶缆绳全断失控，移泊后产生的灾难性碰撞事故也是时有发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶靠泊锚定装置及其控制方法，解决大型船舶靠泊期间对码头岸壁的冲击、船身的倾斜、缆绳断裂伤人危害、涨落潮和装卸作业期间船舶移泊、恶劣天气船舶断缆离岸等难题，实现自动化无缆绳无人员的船舶靠泊。
本发明采用以下技术方案予以实现：
提出一种船舶靠泊锚定装置，包括：至少一组电磁吸盘机构和液压能量吸收机构，以及液压站；所述电磁吸盘机构，安装于码头岸壁开设的锚机井坑中，包括液压锚机和与所述液压锚机连接的电磁吸盘，用于为船舶靠泊提供牵引拉力和系泊保持拉力；所述液压能量吸收机构，与所述电磁吸盘机构相隔设定距离安装于码头岸壁上，包括若干级液压油缸，用于船舶靠泊运动能量的吸收和船舶与码头岸壁之间的距离控制；所述液压站，用于驱动所述电磁吸盘机构和所述液压能量吸收机构。
进一步的，所述电磁吸盘机构还包括：液压伸缩装置，其一端固定在所述液压锚机上，另一端固定所述电磁吸盘；锚链，其一端固定在所述液压锚机的输出上，一端固定在所述电磁吸盘上。
进一步的，所述液压伸缩装置包括：可折叠伸缩臂，采用第一连杆与第二连杆相接的结构设计；伸缩油缸，由所述液压站控制，其两端分别固定于所述第一连杆和所述第二连杆上。
进一步的，所述第一连杆和所述第二连杆的相接处设有挡臂支点；所述液压伸缩装置还包括：止动块，固定于所述码头岸壁上，用于在所述可折叠伸缩臂缩回后，与所述挡臂支点接触，以止动所述液压伸缩装置。
进一步的，所述液压锚机的侧面设计有轨道轮，所述锚机井坑的侧壁对应所述轨道轮开设有轨道；和/或，所述液压锚机底部安装有漂浮箱，所述漂浮箱底部安装有配重块。
进一步的，所述液压锚机的前端安装有激光测距仪；和/或，所述锚机井坑的侧壁，在岸壁平台下设定位置安装有限位感应器。
进一步的，所述液压能量吸收机构还包括：位移磁尺，安装于所述液压油缸内，用于测量液压油缸的伸缩长度。
进一步的，所述液压能量吸收机构还包括：橡胶弹簧垫，固定于所述液压油缸底部；和/或，抗磨板，固定于所述液压油缸顶端。
提出一种船舶靠泊锚定装置的控制方法，应用于上述的船舶靠泊锚定装置中，包括以下步骤：步骤1）船舶靠泊前控制启动所述液压站；步骤2）所述液压站驱动所述液压能量吸收机构和所述电磁吸盘机构均伸出至最大距离；步骤3）在船舶移动至船身压缩所述电磁吸盘机构时，获取并基于所述电磁吸盘的位置信息和速度信息确定船舶相对码头的靠岸速度；步骤4）当所述靠岸速度小于第一速度值时，控制所述电磁吸盘机构施加额定电磁力，以提供船舶靠泊牵引拉力；步骤5）在所述液压能量吸收机构完成船舶靠岸动能吸收后，控制所述电磁吸盘机构和所述液压能量吸收机构均缩回至最小距离处停止；步骤6）控制所述液压锚机提供设定系泊预紧力，以及控制所述液压油缸提供设定顶出力。
进一步的，所述液压能量吸收机构实现船舶靠岸动能吸收，具体包括以下步骤：获取所述液压油缸被船身压缩的缩回速度；在所述缩回速度未减小至零时，控制所述液压油缸保压缓冲；在所述缩回速度减小至零时，检测所述液压油缸的伸出位置，在所述伸出位置大于所述最小距离时，控制所述液压油缸以设定速度向岸壁回缩直至所述最小距离处。
进一步的，在步骤6）之后，所述方法还包括：以设定时间间隔控制所述电磁吸盘断电并缩回，延时设定时间后伸出所述电磁吸盘并供电，以实现所述电磁吸盘机构随潮水高度位置的调整。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的船舶靠泊锚定装置及其控制方法中，在码头岸壁安装至少一组电磁吸盘机构和液压能量吸收机构，二者均由同一液压站驱动，在船舶靠泊过程中，电磁吸盘机构提供靠泊牵引拉力，液压能量吸收机构基于多级液压油缸缓冲船舶靠泊对岸壁的冲击力，并对船舶与码头岸壁之间的距离进行控制，当靠泊完成后，电磁吸盘机构提供系泊保持拉力，液压能量吸收机构提供顶出力，实现的是无人自动化化靠泊，无缆绳系泊，消除船舶对码头岸壁带来的巨大惯性冲击，减轻船舶靠岸时的船身倾斜，消除缆绳伤人事故，消除船舶移泊离岸的重大安全隐患，确保大型船舶在码头装卸作业、潮水涨落、恶劣天气下的码头靠泊安全。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明提出的船舶靠泊锚定装置的安装结构示意图；
图2为本发明提出的船舶靠泊锚定装置中电磁吸盘机构的组成架构图；
图3为本发明提出的船舶靠泊锚定装置中液压能量吸收机构的组成架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明提出的船舶靠泊锚定装置，尤其适用于大型船舶自动靠泊，如图1所示，在一个码头泊位中，包括至少一组（图示中为8组）电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2，一组电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2由同一液压站3驱动，还包括一套靠泊PLC组成的电气管理系统，统一控制泊位中的所有液压站3、电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2；如图2所示，电磁吸盘机构1安装于码头岸壁开设的锚机井坑11中，包括液压锚机12和与液压锚机12连接的电磁吸盘13，用于为船舶靠泊提供牵引拉力和系泊保持拉力；液压能量吸收机构2与电磁吸盘机构1相隔设定距离a安装于码头岸壁上，如图3所示，包括若干级液压油缸21，用于船舶靠泊运动能量的吸收和船舶与码头岸壁之间的距离控制；多组电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2之间按照预设距离b排布
每个泊位设计一台靠泊终端PLC4，每个电磁吸盘牵引机构1产生的牵引拉力与运动控制由该PLC4进行控制；每个液压能量吸收机构2的能量吸收速率和船舶距离控制由该PLC4进行控制。
在本发明的一个实施例中，每个泊位长度按照400米计算，每个泊位设计8个电磁吸盘机构1和8个液压能量吸收机构2，电磁吸盘机构1与液压能量吸收机构2间隔交替布置，二者间隔距离为25米；相邻的两个电磁吸盘机构1间隔距离为50米；相邻的两个液压能量吸收机构2间隔距离为50米。电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2使用同一液压站3作为动力驱动，每个泊位在岸边设计8个液压站3。
考虑到电磁吸盘13的有效强磁距离较小，本发明实施例中，如图2所示，设计一套液压伸缩装置14以实现电磁吸盘13与船体的远距离接触，其一端固定在液压锚机12上，一端固定在电磁吸盘13上。锚机井坑11设计在码头岸壁，设计为一体高强钢结构，可承载液压锚机12的1500KN的牵引力，锚机井坑11内嵌于码头岸壁中。电磁吸盘13的设计尺寸为2000mm*2000mm，其吸附力技术要求不小于10kg/cm²，电磁吸盘13与船体钢板接触时可提供不小于3920KN（400吨）的磁性吸附力，电磁吸盘13的面板使用耐磨硅钢片制作，以增强磁力传导，硅钢片做表面处理，使其摩擦系数达到0.40；利用连杆结构设计一套可平面折叠的钢结构可折叠伸缩臂，包括第一连杆141和与第一连杆141可转动连接的第二连杆142，其关节处设有伸缩油缸143，伸缩油缸143一端固定于第一连杆141，另一端固定于第二连杆142，通过其伸或所实现伸出伸缩臂或被动（受船舶抵压）收缩伸缩臂，伸缩油缸143由液压站13控制主动伸出，缩回；伸缩臂两端关节处设挡臂支点144，使用高强钢块，当伸缩臂缩回后与布置在码头岸壁的止动块145做接触配合，用于实现电磁吸盘沿码头岸线方向的1568KN的受力支撑，止动液压伸缩装置14，8个电磁吸盘机构1合计提供12544KN（1280吨）的静摩擦力。
电磁吸盘机构设计选型一个额定牵引力不小于1500KN的液压锚机12安装于码头岸壁的锚机井坑11中，其核算方法为：以4台拖轮动力进行核算，每台拖轮2万马力，拖轮每1000KW功率提供199.92KN拖力，总拖力为11755.3KN，平均至8个电磁吸盘机构1，每个电磁吸盘机构1的液压锚机牵引力约1469.4KN；液压锚机12通过钢制的锚链19与电磁吸盘13相连，液压锚机12回转时将电磁吸盘13拉回码头岸壁。
液压锚机12机体四面均设计钢制轨道轮18，在锚机井坑11对应位置设计有钢制轨道，锚机井坑设计深度为18.0米；液压锚机12底部设计有与锚机整备重量相配套的漂浮箱，漂浮箱底部设计配重铁，使锚机设备整体可随潮水的涨落而上下浮动，同时配重铁对锚机设备的浮动产生一定阻尼作用，避免锚机设备浮动幅度过大。
在液压锚机13前端安装激光测距仪15，实时测量电磁吸盘13与液压锚机12之间的距离，该距离信号反馈至靠泊PLC4，用于控制电磁吸盘13的伸出距离和缩回距离，当激光测距仪15检测到电磁吸盘13伸出至最大距离3米时，靠泊PLC4控制液压站3停止电磁吸盘机构1伸缩油缸143的伸出动作；当检测到电磁吸盘13缩回至最小距离1.5米时，靠泊PLC4控制液压站3停止液压锚机12的收绞动作；伸缩油缸143可使用液压动力伸出，可被动挤压缩回；在锚机井坑11的任一侧，岸壁平台向下1.0米位置安装限位感应器16，当液压锚机12被动到达最高位置时，靠泊PLC4控制释放电磁吸盘13与船舶脱离以调整液压锚机12安全位置，具体的描述见下述控制方法中针对液压锚机12潮汐高度自动调整的说明。
电磁吸盘13所需的防水供电线缆布设于可折叠伸缩臂箱体中，可随伸缩臂做弯折动作，并与液压锚机12的液压管路通过左后侧管路拖链17与岸边液压站3、供电站相连接；伸缩油缸143所需的液压油管也通过伸缩臂延伸至液压锚机12配套的管路拖链17内，可随液压锚机12上下浮动。
本发明实施例中的液压能量吸收机构2，主要用于船舶靠岸时的能量吸收和船舶与岸壁之间距离的控制，具体如图3所示。液压能量吸收装置主要由多级圆柱形液压油缸21构成，油缸最大外径设计为1000mm，油缸的最大伸出距离为3米，正常工作保持位置为1.5米；其安装于码头岸壁，安装高度位于码头工作面以下1.0米位置；液压油缸21底座设计为橡胶弹簧垫22，固定于码头岸壁；液压油缸21内装设一根位移磁尺23，用于测量液压油缸21的伸出长度，液压油缸21最前端设计安装一块尺寸为1300mm*1300mm，厚度为30mm，摩擦系数为0.1的聚四氟乙烯抗磨板24，用于与船身的直接贴合接触。
本发明实施例中，靠泊系统的电力供应由码头岸壁电源提供，使用双回供电，保障靠泊系统供电安全。
基于上述提出的船舶靠泊锚定装置，本发明提出一种想配套的控制方法，包括如下步骤：
步骤S41：船舶靠泊前控制启动液压站。
本发明中的控制由靠泊PLC4来实现，在船舶靠泊前，启动液压站3，由液压站3驱动电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2的后续动作。
步骤S42：液压站驱动液压能量吸收机构和电磁吸盘机构均伸出至最大距离。
船舶靠泊时，液压油缸21提前伸出至最大距离3米的位置，当船身侧面与抗磨板24贴合时，船舶开始挤压液压油缸21，此时液压油缸21的内部压力由液压站3控制，液压油缸21的能量吸收行程设计为1.50米，具体工作压力根据船舶靠岸冲击力和靠岸速度由靠泊PLC4通过相应的液压系统进行调节控制。
步骤S43：在船舶移动至船身压缩电磁吸盘机构时，获取并基于电磁吸盘的位置信息和速度信息确定船舶相对码头的靠岸速度。
靠泊PLC4分别对多组中的液压站3进行单独控制，船舶靠岸前靠泊PLC4控制启动液压站3，使液压能量吸收机构2的液压油缸21伸出至3米最大位置，使电磁吸盘机构1的伸缩油缸143同时伸出至3米的最大位置，做好靠船准备；当船舶逐渐移动靠近，船身贴合电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2，电磁吸盘机构1的伸缩油缸143开始被动压缩，电磁吸盘13实际位置和缩回速度均可以通过激光测距仪15得到并反馈至靠泊PLC4，进而得知船身相对码头岸壁的靠近速度。
步骤S44：当靠岸速度小于第一速度值时，控制电磁吸盘机构施加额定电磁力，以提供船舶靠泊牵引拉力。
当电磁吸盘机构1反馈的船舶靠岸速度小于等于30mm/s时，控制电磁吸盘机构1的电磁吸盘13通电并施加额定电磁力，电磁力牵引船舶，提供船舶靠泊的牵引拉力。
步骤S45：在液压能量吸收机构完成船舶靠岸动能吸收后，控制电磁吸盘机构和液压能量吸收机构均缩回至最小距离处停止。
当液压能量吸收机构2完成船舶靠岸动能吸收后，靠泊PLC4控制电磁吸盘机构1和液压能量吸收机构2统一缩回至最小距离1.50米位置处。
此时电磁吸盘机构1通过液压锚机12提供1500KN的系泊预紧力，液压能量吸收机构2提供最大约2083.3KN的顶出力。
本发明实施例中，使用比例阀控制液压能量吸收机构2的液压油缸23的溢流压力，使油缸压力可实现线性调节，以适应船舶惯性冲击；具体的，设计液压油缸21缓冲吸能工作压力为4.5 Mpa（以20万吨级船舶满载进行计算，船舶靠岸初始速度默认0.5m/s，液压油缸23底部端面面积约为0.5m²，如液压油缸23使用恒力对船舶进行能量吸收，根据能量守恒定律可得，液压油缸23液压系统所需提供的压力为4.17MPa，考虑到其他干扰因素，适量提高该值），靠泊PLC4通过油缸内位移磁尺23实时测算液压油缸23被船身压缩的缩回速度，也即船舶靠岸速度，当船舶靠岸速度未减小至0时，控制液压油缸23保压缓冲吸能；当船舶靠岸速度减小为0时，靠泊PLC4检查液压油缸23的伸出距离，如大于最小距离1.5m，则通过液压系统控制液压油缸23以设定速度2mm/s的向岸边缩回，同时电磁吸盘机构1的液压锚机12以2mm/s速度向岸边牵引船舶，直至到达最小距离1.5米位置处，电磁吸盘机构有效卡入止动块145，两个机构同时停止运动并进入液压保压状态。
电磁吸盘机构1和液压能量回收机构2需要同步协调控制，靠泊PLC4同时监控船舶靠岸后的电磁吸盘机构1和液压能量回收机构2的位置，如实际位置偏离最小距离1.50米超过50mm，则控制两个机构同时做伸出或缩回动作，使其到达1.50米位置。靠泊PLC4对8个液压站3所控制的两个机构均进行实时监控，按照上述50mm偏差作为调整标准，实时进行调整。
针对潮汐导致船身高度的变化，本发明实施例中，针对潮汐变化控制液压锚机12实现高度的自动调整，具体的，靠泊PLC4对泊位内所有液压站3进行协调控制，如图1所示，为使电磁吸盘机构1始终处于水面或不被抬离水面，则由靠泊PLC4每隔设定时间间隔，例如20分钟，控制逐个释放电磁吸盘机构1的电磁吸盘13，基于其漂浮箱和配重块实现潮水高度位置调整，例如，首先使第一个液压站控制的电磁吸盘机构1的液压锚机12释放预紧牵引力，控制其电磁吸盘13断电，控制可折叠伸缩臂回收200mm，延时设定时间15秒后再次伸出可折叠伸缩臂，恢复电磁吸盘13的通电吸合，控制液压锚机12牵拉达到预设牵引力；第一个液压站3的电磁吸盘机构1完成释放动作后，按照同样动作流程控制第二个液压站实现潮汐高度调整，第二个液压站完成后再控制第三个液压站进行调整，以此类推，直至8个液压站均调整完毕；以1号液压站调整完毕为调整周期的开始计时点，每个调整循环8个液压站依次完成一次电磁吸盘机构1的潮汐调整。按照设计每个液压站的调整耗时约1分钟，每次只有一个液压站做调整，该控制逻辑通过软件程序写入靠泊PLC4。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.船舶靠泊锚定装置，其特征在于，包括：
至少一组电磁吸盘机构和液压能量吸收机构，以及液压站；
所述电磁吸盘机构，安装于码头岸壁开设的锚机井坑中，包括液压锚机和与所述液压锚机连接的电磁吸盘，用于为船舶靠泊提供牵引拉力和系泊保持拉力；
所述液压能量吸收机构，与所述电磁吸盘机构相隔设定距离安装于码头岸壁上，包括若干级液压油缸，用于船舶靠泊运动能量的吸收和船舶与码头岸壁之间的距离控制；
所述液压站，用于驱动所述电磁吸盘机构和所述液压能量吸收机构。
2.根据权利要求1所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述电磁吸盘机构还包括：
液压伸缩装置，其一端固定在所述液压锚机上，另一端固定所述电磁吸盘；
锚链，其一端固定在所述液压锚机的输出上，一端固定在所述电磁吸盘上。
3.根据权利要求2所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述液压伸缩装置包括：
可折叠伸缩臂，采用第一连杆与第二连杆相接的结构设计；
伸缩油缸，由所述液压站控制，其两端分别固定于所述第一连杆和所述第二连杆上。
4.根据权利要求3所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述第一连杆和所述第二连杆的相接处设有挡臂支点；
所述液压伸缩装置还包括：
止动块，固定于所述码头岸壁上，用于在所述可折叠伸缩臂缩回后，与所述挡臂支点接触，以止动所述液压伸缩装置。
5.根据权利要求1所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述液压锚机的侧面设计有轨道轮，所述锚机井坑的侧壁对应所述轨道轮开设有轨道；和/或，
所述液压锚机底部安装有漂浮箱，所述漂浮箱底部安装有配重块。
6.根据权利要求1所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述液压锚机的前端安装有激光测距仪；和/或，
所述锚机井坑的侧壁，在岸壁平台下设定位置安装有限位感应器。
7.根据权利要求1所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述液压能量吸收机构还包括：
位移磁尺，安装于所述液压油缸内，用于测量液压油缸的伸缩长度。
8.根据权利要求1所述的船舶靠泊锚定装置，其特征在于，所述液压能量吸收机构还包括：
橡胶弹簧垫，固定于所述液压油缸底部；和/或，
抗磨板，固定于所述液压油缸顶端。
9.船舶靠泊锚定装置的控制方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的船舶靠泊锚定装置中，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）船舶靠泊前控制启动所述液压站；
步骤2）所述液压站驱动所述液压能量吸收机构和所述电磁吸盘机构均伸出至最大距离；
步骤3）在船舶移动至船身压缩所述电磁吸盘机构时，获取并基于所述电磁吸盘的位置信息和速度信息确定船舶相对码头的靠岸速度；
步骤4）当所述靠岸速度小于第一速度值时，控制所述电磁吸盘机构施加额定电磁力，以提供船舶靠泊牵引拉力；
步骤5）在所述液压能量吸收机构完成船舶靠岸动能吸收后，控制所述电磁吸盘机构和所述液压能量吸收机构均缩回至最小距离处停止。
10.根据权利要求9所述的船舶靠泊锚定装置的控制方法，其特征在于，所述液压能量吸收机构实现船舶靠岸动能吸收，具体包括以下步骤：
获取所述液压油缸被船身压缩的缩回速度；
在所述缩回速度未减小至零时，控制所述液压油缸保压缓冲；
在所述缩回速度减小至零时，检测所述液压油缸的伸出位置，在所述伸出位置大于所述最小距离时，控制所述液压油缸以设定速度向岸壁回缩直至所述最小距离处。
11.根据权利要求9所述的船舶靠泊锚定装置的控制方法，其特征在于，在步骤5）之后，所述方法还包括：
以设定时间间隔控制所述电磁吸盘断电并缩回，延时设定时间后伸出所述电磁吸盘并供电，以实现所述电磁吸盘机构随潮水高度位置的调整。
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