CN116434643A - 一种疏浚模型实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疏浚模型实验装置及方法，装置包括土壤挖掘系统、泥泵管道输送系统以及数据采集控制系统；土壤挖掘系统包括加沙斗和移动实验台车，移动实验台车包括下横移机架、横移电机减速机、横移轮、上横移机架、升降电机减速机、丝杆轴承座、丝杆、吸入管、横移轮轴、小链轮、链条、大链轮、支撑槽钢、丝杆螺母、U型卡箍、安装板、多维力传感器、绝对编码器以及挖掘工具；泥泵管道输送系统包括泥泵、排出管、流量计、浓度计、测压罐、差压传感器、电动蝶阀、T型槽以及吸入胶管，数据采集控制系统包括PC上位机和PLC下位机。本发明为疏浚挖泥船的自动化研究提供边界条件可控的实验数据，同时也为挖泥船自动控制和寻优方法提供实验验证手段。

Description

一种疏浚模型实验装置及方法

技术领域

本发明涉及疏浚实验研究技术领域，具体涉及一种疏浚模型实验装置及方法。

背景技术

疏浚是指利用各类疏浚设备及其配套工具对近岸海底及内河河床进行挖掘形成港池与航道，以及吹填形成陆地的水上工程施工作业。疏浚的基本作业过程是：绞刀切削水下介质（如淤泥），再经由舱内泥泵或绞刀桥架上的水下泥泵抽吸，输送至指定地点排放、处理。挖掘和输送是挖泥船疏浚施工的最主要的两个工序。

由于挖泥船施工具有装机功率大（可达几千甚至数万千瓦）、海底地形土质复杂、24小时不间断施工等特点，需要操作人员长时间保持注意力高度集中，工作强度大，同时出于对设备安全的考虑，经常会保守施工，疏浚施工产量远低于预期，因此迫切需要开展疏浚自动化研究，以逐步替代现有的人工操作。目前，疏浚自动化研究所需的施工数据大多来自于实船，由于实际施工地形和土质的复杂性，造成挖掘和输送过程很难维持在一个相对稳定状态，数据波动很大，挖泥船配备的仪表也多为施工准备，数据的完整性和准确性也难以满足研究需要。而且现有的研究手段多以理论计算和仿真模拟为主，缺乏控制方法的实际验证手段。目前，在挖掘自动化方面，国内外研究均已获得很大进展，但大都是理论仿真手段，未在试验台或者实船中进行控制方法的验证、测试，现有的疏浚挖掘试验台，也主要是以单纯的挖掘机具和挖掘工艺研究为主，且比尺较大，运行维护复杂，目前还未见自动化研究的公开成果发表；在泥泵输送自动化方面，现阶段研究也大都停留在理论仿真阶段，未经实验测试验证。而现有试验台为封闭循环管道，泥沙浓度需要定量投喂、回收，且浓度在输送过程中不发生变化，和挖泥船实际的开敞式施工方式还存在较大差别，无法进行完整的挖掘和泥泵输送自动化研究。

发明内容

针对挖泥船实船施工中操作人员保守施工导致产量和效率较低，以及实际施工地形和土质复杂性导致数据波动大、完整性和准确性不足的问题，本发明研制一套能够真实模拟疏浚挖掘和输送过程的模型实验台和实验方法，为挖泥船的自动化研究提供和边界条件可控的实验数据，同时也为挖泥船自动控制和寻优方法提供实验验证手段。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下本发明的技术方案如下：

一种疏浚模型实验装置，所述装置包括土壤挖掘系统、泥泵管道输送系统以及数据采集控制系统；

所述土壤挖掘系统包括加沙斗和移动实验台车，移动实验台车包括下横移机架、横移电机减速机、横移轮、上横移机架、升降电机减速机、丝杆轴承座、丝杆、吸入管、横移轮轴、小链轮、链条、大链轮、支撑槽钢、丝杆螺母、U型卡箍、安装板、多维力传感器、绝对编码器以及挖掘工具；

上横移机架安装在下横移机架上，下横移机架上安装有若干组横移轮，横移轮沿着加沙斗的内壁移动；所述横移电机减速机安装在下横移机架上，横移电机减速机转动带动小链轮，小链轮通过链条连接横移轮轴 上的大链轮，横移轮轴的两端连接一组横移轮，通过横移电机减速机能够带动横移轮移动；

所述升降电机减速机安装在上横移机架上，升降电机减速机的驱动端连接一个丝杆轴承座，丝杆轴承座上连接一个丝杆，所述丝杆上套有一个丝杆螺母，丝杆螺母在丝杆的带动下，沿着支撑槽钢上下移动，支撑槽钢安装在下横移机架上，用于限制丝杆螺母的转动；所述吸入管的端部通过安装板连接一个多维力传感器，多维力传感器底部连接挖掘工具，多维力传感器用于实时获得切削力的大小，所述丝杆螺母通过U型卡箍与吸入管固定；

所述横移电机减速机和升降电机减速机后部还设置绝对编码器，用于精确测量台车的横移距离、速度和升降距离、速度；

所述泥泵管道输送系统包括泥泵、排出管、流量计、浓度计、测压罐、差压传感器、电动蝶阀、T型槽以及吸入胶管；

所述吸入管通过吸入胶管连接泥泵，所述泥泵安装在T型槽上，所述泥泵通过排出管连接到加沙斗，在连接处设置一个电动蝶阀；所述排出管上设置若干流量计、浓度计、测压罐、差压传感器；流量计用于测量管道内的实时流量，浓度计可用于测量管道内的实时泥沙浓度，测压罐和差压传感器用于测量垂直输送管道的沿程阻力；

所述数据采集控制系统包括PC上位机和PLC下位机，PLC下位机采集多维力传感器、绝对编码器、流量计、浓度计、测压罐、差压传感器的数据以及电机电流、转速、频率等设备参数，通过S7通信协议传送至PC上位机进行数据的显示、存储；

所述PC上位机采用C#软件，有手动控制和自动控制两种功能，手动控制时，能够直接对PLC输入设备启停调节指令；自动控制时，根据设定的恒压切削或稳定流速等控制目标，由用户设计的控制器根据传感器反馈的挖掘速度、横移距离、下放深度、挖掘阻力、管道流量、压力、浓度等工艺参数，进行运算处理后，自动发送启停调节指令，通过PLC下位机对横移电机、升降电机的转速、位置和泥泵电机的转速进行自动调节。

优选地，上述矩形状的下横移机架的四个角上设置导向轮，防止移动试验台车跑偏。

优选地，上述下横移机架和上横移机架均设置限位开关，防止移动实验台车冲出轨道或者升降超限，损坏设备。

优选地，上述排出管还设置观察管一和观察管二，用于观察管道内泥沙流动状态。

优选地，上述T型槽上还设有槽钢支架，所述排出管放置于槽钢支架上。

一种疏浚模型实验方法，利用上述的装置，其步骤如下：

（1）、启动横移电机减速机，将移动实验台车移至加沙斗的一侧；

（2）、加沙斗中沿长度方向上分段制备不同特性的土壤或同一特性，不同厚度的土壤，具体情况根据实验需求确定；

（3）、加沙斗内注入清水；

（4）、启动升降电机减速机带动挖掘机具上下运动，直至挖掘机具与土壤接触并达到实验要求的切削厚度；

（5）、启动泥泵，使得加沙斗的水从吸入管、吸入胶管进入泥泵中，经泥泵的叶轮作用，排入排出管，后经过电动蝶阀流回加沙斗，至此，泥泵管道输送系统、加沙斗形成开式的循环系统，此时，管道内输送的为清水；

（6）、启动横移电机减速机，设置不同的横移速度和横移距离，移动实验台车带动吸入管和挖掘机具一起移动，待与土壤接触的挖掘机具将土壤破碎后，挖掘机具后的吸入管在泥泵的吸力下抽吸破碎后的土壤，至此，管道内输送的为泥沙混合物。

（7）、通过PC上位机和PLC下位机组成的数据采集控制系统实时获得实验过程中的横移速度、横移距离、切削力、泵扬程、浓度、流量和垂直管的沿程阻力的数据，从而获得自动化研究所需的实验数据；

（8）、自动控制时，能够通过PLC采集的各类实验数据，根据用户设定的控制目标和设计的控制器，对步骤（6）中的横移速度、横移距离和泥泵转速等，进行自动调节，并根据实验结果对所设计的控制器进行改进升级。

本发明的有益效果是：

本装置包括水下土壤挖掘系统、泥泵管道输送系统、数据采集控制系统三部分。水下土壤挖掘系统包括加沙斗、移动实验台车、挖掘机具以及多维力等相关测量传感器等，用于完成不同特性土壤的制备、不同挖掘机具的安装、不同切削速度的调节、切削力实时测量等工作，可进行疏浚绞刀、耙头等挖掘机具切削土壤特性等方面的实验研究。泥泵管路输送系统包括泥泵、管路以及浓度计、流量计等相关测量传感器等，可对挖掘下来土壤的泵吸过程以及管道输送特性等方面进行实验研究。数据采集控制系统包括PLC系统和PC机。本发明所涉及到的疏浚模型实验装置将疏浚挖泥船施工过程中的挖掘和输送两个最主要的工序包括在内，可实现对疏浚关键施工过程的准确模拟，为挖泥船控制模型的建立提供可靠的实验数据；也可以对不同目标下的自动控制及寻优方法提供实验验证手段，从而检验挖掘输送控制方法和参数优化方法的有效性。

附图说明

图1是本发明的装置图一；

图2是本发明的装置图二；

图3是本发明的装置图三；

图4是移动实验台车的局部放大图；

图5是数据采集控制系统的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-4所示，一种疏浚模型实验装置，所述装置包括土壤挖掘系统、泥泵管道输送系统以及数据采集控制系统；

所述土壤挖掘系统包括加沙斗1和移动实验台车，移动实验台车包括下横移机架2、横移电机减速机3、横移轮4、上横移机架5、升降电机减速机6、丝杆轴承座7、丝杆8、吸入管10、横移轮轴18、小链轮19、链条20、大链轮21、支撑槽钢22、丝杆螺母23、U型卡箍25、安装板26、绝对编码器（未在图中标注）、多维力传感器27以及挖掘机具28；

上横移机架5安装在下横移机架2上，下横移机架2上安装有若干组横移轮4，横移轮4沿着加沙斗1的内壁移动；所述横移电机减速机3安装在下横移机架2上，横移电机减速机3转动带动小链轮19，小链轮19通过链条20连接横移轮轴18 上的大链轮21，横移轮轴18的两端连接一组横移轮4，通过横移电机减速机3能够带动横移轮4移动；

所述升降电机减速机6安装在上横移机架5上，升降电机减速机6的驱动端连接一个丝杆轴承座7，丝杆轴承座7上连接一个丝杆8，所述丝杆8上套有一个丝杆螺母23，丝杆螺母23在丝杆8的带动下，沿着支撑槽钢22上；支撑槽钢22安装在下横移机架2上，用于限制丝杆螺母23的转动，所述吸入管10的端部通过安装板26连接一个多维力传感器27，多维力传感器27底部连接挖掘机具28，多维力传感器27用于实时获得切削力的大小，所述丝杆螺母23通过U型卡箍25与吸入管10固定；

所述横移电机减速机3和升降电机减速机6后部还设置绝对编码器，用于精确测量台车的横移距离、速度和升降距离、速度；

所述泥泵管道输送系统包括泥泵11、排出管12、流量计13、浓度计14、测压罐15、差压传感器16、电动蝶阀17、T型槽24以及吸入胶管29；

所述吸入管10通过吸入胶管29连接泥泵11，所述泥泵11安装在T型槽24上，所述泥泵11通过排出管12连接到加沙斗1，在连接处设置一个电动蝶阀17；所述排出管12上设置若干流量计13、浓度计14、测压罐15、差压传感器16；流量计13用于测量管道内的实时流量，浓度计14可用于测量管道内的实时泥沙浓度，测压罐15和差压传感器16用于测量垂直输送管道的沿程阻力；

如图5所示，所述数据采集控制系统包括PC上位机和PLC下位机，PLC下位机采集多维力传感器27、绝对编码器、流量计13、浓度计14、测压罐15、差压传感器16的数据以及电机电流、转速、频率的设备参数，通过S7通信协议传送至PC上位机进行数据的显示、存储；

所述PC上位机采用C#软件，有手动控制和自动控制两种功能，手动控制时，能够直接对PLC输入设备启停调节指令；自动控制时，根据设定的恒压切削或稳定流速等控制目标，由用户设计的控制器根据传感器反馈的挖掘速度、横移距离、下放深度、挖掘阻力、管道流量、压力、浓度等工艺参数，进行运算处理后，自动发送启停调节指令，通过PLC下位机对横移电机、升降电机的转速、位置和泥泵电机的转速进行自动调节。

优选地，上述矩形状的下横移机架2的四个角上设置导向轮9，防止移动试验台车跑偏。

优选地，上述下横移机架2和上横移机架5均设置限位开关（未在图中标注），防止移动实验台车冲出轨道或者升降超限，损坏设备。

优选地，上述排出管12还设置观察管一30和观察管二31，用于观察管道内泥沙流动状态。

优选地，上述T型槽24上还设有槽钢支架32，所述排出管12放置于槽钢支架32上。

一种疏浚模型实验方法，利用上述的装置，其步骤如下：

（1）、启动横移电机减速机3，将移动实验台车移至加沙斗1的一侧；

（2）、加沙斗1中沿长度方向上分段制备不同特性的土壤或同一特性，不同厚度的土壤，具体情况根据实验需求确定；

（3）、加沙斗1内注入清水；

（4）、启动升降电机减速机6带动挖掘机具28上下运动，直至挖掘机具28与土壤接触并达到实验要求的切削厚度；

（5）、启动泥泵11，使得加沙斗1的水从吸入管10、吸入胶管29进入泥泵11中，经泥泵11的叶轮作用，排入排出管12，后经过电动蝶阀17流回加沙斗，至此，泥泵管道输送系统、加沙斗形成开式的循环系统，此时，管道内输送的为清水；

（6）、启动横移电机减速机3，设置不同的横移速度和横移距离，移动实验台车带动吸入管10和挖掘机具28一起移动，挖掘机具28安装在吸入管10上，待与土壤接触的挖掘机具28将土壤破碎后，挖掘机具28后的吸入管10在泥泵11的吸力下抽吸破碎后的土壤，至此，管道内输送的为泥沙混合物。

（7）、通过PC上位机和PLC下位机组成的数据采集控制系统实时获得实验过程中的横移速度、横移距离、切削力、泵扬程、浓度、流量和垂直管的沿程阻力的数据，从而获得自动化研究所需的实验数据；

（8）、自动控制时，能够通过PLC采集的各类实验数据，根据用户设定的控制目标和设计的控制器，对步骤（6）中的横移速度、横移距离和泥泵转速等，进行自动调节，并根据实验结果对所设计的控制器进行改进升级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种疏浚模型实验装置，其特征在于所述装置包括土壤挖掘系统、泥泵管道输送系统以及数据采集控制系统；

所述土壤挖掘系统包括加沙斗和移动实验台车，移动实验台车包括下横移机架、横移电机减速机、横移轮、上横移机架、升降电机减速机、丝杆轴承座、丝杆、吸入管、横移轮轴、小链轮、链条、大链轮、支撑槽钢、丝杆螺母、U型卡箍、安装板、绝对编码器、多维力传感器以及挖掘机具；

上横移机架安装在下横移机架上，下横移机架上安装有若干组横移轮，横移轮沿着加沙斗的内壁移动；所述横移电机减速机安装在下横移机架上，横移电机减速机转动带动小链轮，小链轮通过链条连接横移轮轴上的大链轮，横移轮轴的两端连接一组横移轮，通过横移电机减速机能够带动横移轮移动；

所述升降电机减速机安装在上横移机架上，升降电机减速机的驱动端连接一个丝杆轴承座，丝杆轴承座上连接一个丝杆，所述丝杆上套有一个丝杆螺母，丝杆螺母在丝杆的带动下，沿着支撑槽钢上下移动，支撑槽钢安装在下横移机架上，用于限制丝杆螺母的转动；所述吸入管的端部通过安装板连接一个多维力传感器，多维力传感器底部连接挖掘工具，多维力传感器用于实时获得切削力的大小，所述丝杆螺母通过U型卡箍与吸入管固定；

所述横移电机减速机和升降电机减速机后部还设置绝对编码器，用于精确测量移动实验台车的横移距离、速度和升降距离、速度；

所述泥泵管道输送系统包括泥泵、排出管、流量计、浓度计、测压罐、差压传感器、电动蝶阀、T型槽以及吸入胶管；

所述吸入管通过吸入胶管连接泥泵，所述泥泵安装在T型槽上，所述泥泵通过排出管连接到加沙斗，在连接处设置一个电动蝶阀；所述排出管上设置若干流量计、浓度计、测压罐、差压传感器；流量计用于测量管道内的实时流量，浓度计可用于测量管道内的实时泥沙浓度，测压罐和差压传感器用于测量垂直输送管道的沿程阻力；

所述数据采集控制系统包括PC上位机和PLC下位机，PLC下位机采集多维力传感器、绝对编码器、流量计、浓度计、测压罐、差压传感器的数据以及电机电流、转速、频率等设备参数，通过S7通信协议传送至PC上位机进行数据的显示、存储；

所述PC上位机采用C#软件，有手动控制和自动控制两种功能，手动控制时，能够直接对PLC输入设备启停调节指令；自动控制时，根据设定的恒压切削或稳定流速等控制目标，由用户设计的控制器根据传感器反馈的挖掘速度、横移距离、下放深度、挖掘阻力、管道流量、压力、浓度的工艺参数，进行运算处理后，自动发送启停调节指令，通过PLC下位机对横移电机、升降电机的转速、位置和泥泵电机的转速进行自动调节。

2.根据权利要求1所述的一种疏浚模型实验装置，其特征在于所述下横移机架的四个角上设置导向轮，防止移动试验台车跑偏。

3.根据权利要求1所述的一种疏浚模型实验装置，其特征在于所述下横移机架和上横移机架均设置限位开关，防止移动实验台车冲出轨道或者升降超限，损坏设备。

4.根据权利要求1所述的一种疏浚模型实验装置，其特征在于所述排出管还设置观察管一和观察管二，用于观察管道内泥沙流动状态。

5.根据权利要求1所述的一种疏浚模型实验装置，其特征在于所述T型槽上还设有槽钢支架，所述排出管放置于槽钢支架上。

6.一种疏浚模型实验方法，其特征在于利用权利要求1所述的装置，其步骤如下：

（1）、启动横移电机减速机，将移动实验台车移至加沙斗的一侧；

（2）、加沙斗中沿长度方向上分段制备不同特性的土壤或同一特性，不同厚度的土壤，具体情况根据实验需求确定；

（3）、加沙斗内注入清水；

（4）、启动升降电机减速机带动挖掘机具上下运动，直至挖掘机具与土壤接触并达到实验要求的切削厚度；

（5）、启动泥泵，使得加沙斗的水从吸入管、吸入胶管进入泥泵中，经泥泵的叶轮作用，排入排出管，后经过电动蝶阀流回加沙斗，至此，泥泵管道输送系统、加沙斗形成开式的循环系统，此时，管道内输送的为清水；

（6）、启动横移电机减速机，设置不同的横移速度和横移距离，移动实验台车带动吸入管和挖掘机具一起移动，，待与土壤接触的挖掘机具将土壤破碎后，挖掘机具后的吸入管在泥泵的吸力下抽吸破碎后的土壤，至此，管道内输送的为泥沙混合物；

（7）、通过PC上位机和PLC下位机组成的数据采集控制系统实时获得实验过程中的横移速度、横移距离、切削力、泵扬程、浓度、流量和垂直管的沿程阻力的数据，从而获得自动化研究所需的实验数据；

（8）、自动控制时，能够通过PLC采集的各类实验数据，根据用户设定的控制目标和设计的控制器，对步骤（6）中的横移速度、横移距离和泥泵转速等，进行自动调节，并根据实验结果对所设计的控制器进行改进升级。

Images