耙吸式挖泥船耙管显示装置的研究及应用

胡春亮，范柏乾

(镇江中船系统集成股份有限公司，江苏 镇江 212009)

耙吸式挖泥船耙管显示装置的研究及应用

胡春亮，范柏乾

(镇江中船系统集成股份有限公司，江苏 镇江 212009)

针对国内自主建造的自航耙吸挖泥船的需求，设计了一种耙吸式挖泥船耙管显示系统。主要通过传感器采集相关耙管信号，经过运算后用图形的方式在计算机显示器上显示出疏浚耙管位置，进一步提升国内自主自航耙吸挖泥船的电气自动化程度。经实船应用，该装置显示直观，运行可靠稳定。

耙吸挖泥船；耙管；显示装置；传感器

0 引言

由于自航耙吸挖泥船在施工过程中，其耙管始终处于水下，施工人员无法直接观测到耙管的状态，对疏浚施工的效率、船舶的安全造成一定的影响，因此，研制了一种耙管显示系统来检测自航耙吸挖泥船耙管在水下的状态。在自航耙吸挖泥船耙管上面安装位置检测传感器，通过计算，可以将耙管在水面下的状态很直观显示在计算机显示器上，避免施工人员的视觉盲区，有效提高施工效率，降低耙管对船舶安全的影响。

1 数据采集与显示系统

耙管位置显示系统主要通过传感器采集相关耙管信号，用图形显示器显示疏浚耙管位置及状态的测量和监控系统。图1为数据采集与显示系统图。

图1 数据采集与显示系统图

目前普遍采用角度及重力加速度计传感器检测，经转换，获得耙管状态信息，并在计算机界面上显示耙管状态及相关信息。耙管状态及数据显示界面如图2所示。

图2 耙管状态及数据显示界面

2 耙管位置的测量传感器

2.1耙管吸口到位传感器

电感式接近开关，确认弯管是否正确到达吸口，该功能通过安装在电缆伺服架上的传感器判断弯管是否到位的实现。此外，另一种方法是采用弯管绞车钢丝绳松弛装置检测，该功能通过安装在弯管滑块钢丝绳轴上的限位开关来判断吊索是否松弛。如果弯管被物体堵塞，松弛吊索信号将给出，但此时所显示弯管的位置并非到达吸口位置。

2.2垂直角度传感器

垂直角度传感器用于确定上下耙管的深度，通过测量上下耙管垂直角度来计算耙管位置(深度)，该角度传感器输出模拟信号(4～20 mA=-90°～+90°)。

垂直角度传感器为重力加速度计，测量上/下耙管相对于大地的垂直角度。

2.3水平角度传感器

上下耙管间万向节之间的水平角度变化通过(机械弹簧)驱动水平角度传感器，该角度传感器输出模拟信号(4～20 mA =-90°～+90°)。

水平角度传感器采用可旋转的高精度电位器，测量耙管相对于船舶中线的角度。

2.4传感器安装位置

传感器安装位置如图3所示。

图3 传感器安装位置

3 主要功能

(1)分别装于上、下吸管的水平及垂直位置传感器, 检测出上下耙吸管在水中的实际水平及垂直位置状态与预设水平状态时的角度偏差。计算机通过计算转换出耙管在水中的实际状态。

(2)装于船舷吸口旁的压力传感器反映船的吃水深度。

(3)计算机连续检测位置信号及压力信号， 经计算以图形方式及数字方式显示耙管及耙头在水中的位置，并根据水下耙管实际位置与船体位置关系判断压耙危险, 实时发出压耙报警；当耙头下放深度超设定值时发出超深报警。

4 工作原理

耙管位置通过安装的垂直和水平传感器测得数据，转化为角度，通过三角函数计算得出耙头的位置。耙管俯视图、侧视图分别如图4、图5所示。

图4 耙管俯视图

图5 耙管侧视图

图4、图5中，a1为吸口到弯管的横向距离；a2为弯管至耙中纵向距离；a3为耙中至耙头的纵向距离；a4为耙管直径；a5为耙头宽度；d1为吸口深度；d2为耙管吸口至船底垂直距离；α1为上水平角度(通过上水平传感器测量计算)；α2为下水平角度(通过下水平传感器测量计算)；β1为上垂直角度(通过上垂直传感器测量计算)；β2为下垂直角度(通过下垂直传感器测量计算)；h1为耙头距船舷水平距离；h2为耙头深度；h3为耙头距船底垂直距离。

h1=a3sin(α1+α2)+a2sinα1+a1-a5/2

h2=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ+d1

h3=a3sinβ2+α2sinβ1+α1sinθ-d2

式中：θ为横倾角度(通过船舶横纵倾传感器测量计算)，为中间变量。

由于每条挖泥船的耙管尺寸是固定的，只要精确检测出耙管相对于船舷的水平角度α1和α2，相对于海面的垂直角度β1和β2，以及船舶的横倾角度θ，就可以计算得到耙头距船舷的水平距离h1以及耙头深度h2。

5 结语

自航耙吸挖泥船的耙管显示系统目前已经在多艘耙吸挖泥船上装船使用，可以帮助施工人员直观地了解到耙管在水下的状态。

但是由于安装在耙管上的传感器工作环境处于水下，所以使用初期经常会出现传感器密封不严或水下电缆磨损等情况，导致系统不能正常工作。

经过实船的检查及验证，逐步改进传感器的保护及密封工艺，更换水下电缆的型号及保护方式，目前此系统已经可以可靠、稳定的运行。

[1]程峰，何援军．数据采集系统在耙吸挖泥船耙吸管位置监视中的应用研究[J]．船舶，2005，(1)：49-51.

[2]顾龙祥，朱生山，陈健．挖泥船耙管位置监视器和产量计算系统[J]．船舶，2000，(1)：21-25.

[3]金华．自航耙吸挖泥船耙管位置指示装置[C] //中国设备管理协会.中国设备工程专家代表会议论文集．北京：中国设备管理协会：2007：159-160.

2014-06-08

胡春亮(1982-)，男，工程师，主要从事船舶电气自动化；范柏乾(1979-)，男，工程师，主要从事船舶电气自动化。

U674.31

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