抓斗挖泥船潮位自动补偿定深精挖功能开发与应用

李建坤，魏永天，王超

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

随着我国水工建设的高速发展，迫切需要具备自动化[1]更完善的定深平挖[2-4]抓斗挖泥船，来满足沿海港口深水航道建设与海洋工程的桩基、墩台、码头、海底隧道基础等工程需求，借以实现对基础挖掘的高精度控制，有效提高施工质量和作业效率，节约成本。目前，国内抓斗挖泥船大都从日本等国进口，挖掘超深控制在60 cm范围，均采用手动补偿潮位的人工调节方式来控制挖掘精度。

因此，我国急需提高抓斗挖泥船的功能型设计、开发能力，研制具有自主知识产权控制的高精度抓斗挖泥船，以满足航道疏浚和海洋工程基础建设的需要。

1 绳索疏浚抓斗水下挖掘功能概况

1.1 绳索疏浚抓斗挖掘方式

绳索疏浚抓斗水下作业时主要有沉挖、定深挖和定深平挖3种挖掘方式。

沉挖作业时，支持索保持松弛，仅开闭索收紧，抓斗以其自重扎入到海床中从而抓取大量的泥沙。

定深挖作业时，抓斗下降至指定深度，支持索保持张紧，收紧开闭索合斗，实现抓斗定深挖掘。

定深平挖作业时，开闭索收紧合斗、当合斗至一定角度时，支持索断续下降，保持斗口沿水平移动，实现对泥沙的平整挖掘。

1.2 绳索疏浚抓斗机结构及挖掘方式

绳索疏浚抓斗主要由上承梁、下承梁、撑杆和斗体组成，其驱动系统包括与上承梁相连的支持索，分别位于上承梁、下承梁上的上滑轮组、下滑轮组以及起端位于上承梁缠绕于上下滑轮组之间的开闭索。抓斗作业时，依靠抓斗自重开斗，收紧开闭索合斗，完成挖掘过程。

2 潮汐对挖掘功能的影响

2.1 原因分析

挖泥船海上施工作业时，船舶浮态会随着潮位涨落发生起伏改变，导致挖泥过程中设定的挖掘深度变化，对潮差较大及混合潮型海域挖泥作业影响最大。

经施工现场定期统计，沉挖、定深挖、定深平挖功能随着挖掘精度的逐级提高，对潮位修正精度也逐级增大。

2.2 效率分析

目前，挖泥船均采用人工手动输入潮位差数值进入挖掘控制系统[5-6]，通过加减挖掘深度来控制标高，其潮差数值是抓斗机司操人员通过潮位仪显示、人工通报水位等途径获取。手动输入的挖掘控制精度，因输入间隔时间内潮位变化而降低，同时也降低生产效率。

以大连地区为例，年平均潮差2.167 m，最大潮差4.56 m，平均周期12 h 25 min，人工手动调节用时30 s，效能分析见表1。

表1 平挖工况效能分析Table 1 Performance analysis of flat dredging working conditions

3 潮位自动补偿方案设计

3.1 方案设计背景

挖泥船挖掘精度控制中，定深平挖工况的精度最高，日本先进的挖泥船精度控制在50 cm。通过对挖泥船综合工况及控制系统分析，提出精挖工况，即在平挖工况基础上，开发对潮位差自动补偿装置系统，实现抓斗恒定在设定标高进行平挖作业，不受潮位涨落影响，消除因此产生的误差，使精度控制在20 cm以内，有效降低生产成本，提高生产效率。

3.2 潮位补偿设计

3.2.1 潮位补偿原理

精挖是在定深平挖功能的基础上，通过采集潮位遥报仪的潮位数值信息，自动获取潮位差数值进入挖掘机中心控制器，补偿潮位对挖掘深度的影响，实时保持作业在设定的挖掘标高，去除了人工校正补偿的作业方式，进一步提高定深平挖精度，实现精挖功能，潮位补偿原理见图1。

图1 潮位补偿原理流程图Fig.1 Flow chart of tidal level compensation principle

3.2.2 潮位传输

潮位仪水位数据，通过压力传感器探头测得水位值，传入主机与标高值进行运算后输出潮位值，数据通过主机端口上的发射机向外发送。潮位遥报接收仪位于抓斗机中心控制器端口，通过解析将其转换成潮位值传输至挖掘控制系统的中心处理器内，构成数据传输链路，使精挖功能实现挖掘全过程模糊化控制。

3.2.3 深度补正装置

深度补正装置通过接受潮位仪接收机解析信号后生成潮位数值，在中心处理器中运算，实时补偿到抓斗下放深度设定值，其通信设计参数按以下内容设定。

同期方式：非同期方式

传输方式：非二重通信

传输速度：9 600 bps

数据：2位文字位16进制，1位文字位为ASCII

3.3 定深平挖原理

挖掘系统设计有平挖控制单元，平挖控制单元由工业控制计算机控制，实时获取开闭索和支持索的实际索长，将检测到的数据和抓斗动作轨迹曲线进行对比，通过中心控制模块和运算器，计算出开闭索和支持索的运行速率，并将控制信号发送给PLC控制器，由PLC的现场总线系统控制卷筒及碟刹，使抓斗运行在预定的轨迹上，实现沉挖、定深挖和平挖控制功能，平挖合斗方式见图2。

图2 平挖合斗示意图Fig.2 Sketch map of horizontal dug dump

在实际定深平挖作业中，为使挖掘后海床面尽可能平坦，需要通过抓斗的提升与开闭联动控制，使抓斗齿尖运动轨迹在合斗期间垂直深度保持不变。平挖控制模式下，需要事先设置挖深以及闭斗过程中钢丝绳的补偿位移。抓斗下降到达预先设定深度后进行闭斗工作，抓斗钢丝绳的数据实时送往控制器与事先存储的理论数值进行比较，计算得出钢丝绳对应的放缆量，及时给碟刹发出工作指令，使抓斗钢丝绳的运动随着抓斗开闭动作实时调节，确保挖掘后泥面接近平整状态，定深平挖工作原理见图3。

4 定深平挖潮位自动补偿应用

定深平挖潮位自动补偿方案设计完成后，通过水、陆两种方式应用验证。

4.1 陆上应用试验

4.1.1 应用方式

在码头前沿选取18 m×10 m试验区域，并回填2 m厚度渣土作为开挖料，顶面标高设定为+5 m（85高程），抓斗挖泥船顶靠码头并对应试验区驻位、执行陆挖试验。采取分层开挖工艺，根据试验前进行单点挖深能力测试，分层厚度取0.5 m。

4.1.2 陆挖平整度分析

1）精挖工况

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

精挖作业时，开挖后底面类似田间地垄，底面平整，垄台和垄沟高差约20 cm（与斗齿长度相关），垄台之间高差在30 cm以内，垄台与设定标高偏差在±16 cm以内，标高控制较好，数据统计见表2。

表2 陆上精挖工况标高统计表Table 2 Statistical table of elevation of land fine excavation working conditions

2）沉挖工况

抓斗挖泥船不使用精挖工况常规作业时，抓出底面呈中部凸起状，中部与两侧高差达1.00 m，垄台与设定标高偏差在±50 cm以内，标高控制较差。

4.2 水上应用试验

4.2.1 应用方式

选取20 m×20 m水下已炸礁区域作为试验区域，试验前采用多波束进行原始水深测量。根据现场工况按自西向东的施工顺序进行分层作业；抓斗每层开挖厚度设定为0.5 m；开挖标高为-10.5 m、-11.0 m。

4.2.2 水挖平整度分析

精挖作业时，第一层标高设定为-10.5 m，平均标高为-10.69 m，最大标高为-10.84 m，最小标高为-10.55 m，多数偏差可控制在30 cm；第二层标高设定为-11.0 m，平均标高为-11.02 m，最大标高为-11.3 m，最小标高为-10.74 m，多数偏差可控制在30 cm，误差统计见图4。

图4 水上精挖工况误差趋势图Fig.4 Error trend of water fine excavation working conditions

4.3 结论

通过水、陆两种应用实测数据显示，潮位自动补偿定深精挖功能开挖平均偏差可控制在30 cm以内。陆上应用受影响较小，直观反映精挖效果，精度更高；水上应用受地质平整度等不利因素影响，存在偏差波动较大情况，在后续实施过程中，将进一步根据地质条件和设计要求，预留开挖下沉量，进一步提高精度。

5 结语

通过对潮位自动补偿定深精挖功能的开发与应用，进一步提高了抓斗挖泥船自动控制能力，填补了此类装备国内的空白。潮位自动补偿功能减少了因人工手动输入数据时间损耗和行为误差，提高了施工质量和施工效率。