耙吸挖泥船耙吸作业智能化控制策略分析

王友亮 张春

摘 要：耙吸挖泥船在不同土质下存在多种疏浚作业工况，通过智能化数据分析方式，将耙吸挖泥船的核心设备工作参数进行适配性调整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，为耙吸式挖泥船适应性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

关键词：挖泥船;工作效率;泥泵转速;控制策略

中图分类号：U674.31         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0105-03

1概述

目前耙吸挖泥船是港口和航道清淤的主要施工船舶，该船型主要由耙头、耙管、泥泵、泥管组合形成疏浚和装舱系统。耙吸挖泥船在工作过程当中，船舶的低速航行，耙头对地形成相对运动速度，泥泵通过离心工作形成负压，将海底泥沙抽取到泥管内，然后驳运装舱，实现对航道的疏浚作业[1]。

耙吸挖泥船广泛应用于疏浚市场，其疏浚施工依赖于技术人员的经验常识，且由于土质不同，存在多种复杂疏浚工况，因而导致其生产及工作效率不高[2-5]。因此，本文针对耙吸挖泥船在不同土质下所存在的多种疏浚作业工况进行分析，通过智能化数据分析方式，将耙吸挖泥船的核心设备工作参数进行适配性调整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，为耙吸式挖泥船适应性疏浚工作提供有效的控制策略分析方案。

2 耙吸挖泥船疏浚系统工作原理简介

泥泵是耙吸挖泥船核心疏浚设备，泥泵属于离心泵，工作原理是通过泥泵叶轮的旋转产生的离心力形成吸口端真空，以形成负压对水底泥沙进行抽吸工作，同时通过泵叶旋转的离心力将泥浆驳运送出，泥泵的排压与泥浆浓度、泵叶转速、泵叶直径有关[6]。

泥泵排压压力如式1所示，其中Pa为泥泵排压压力，ρ为泥浆密度，W为泵叶转速，R为叶轮半径;泥泵输出功率如式2所示，其中P为泥泵输出功率，K为有效工作系数，ρ为泥浆密度，Pa为泥泵排压，g为重力加速度，L为泥浆单位时间流量。

基于以上泥泵相关的运行公式可以得出，泥泵转速提高则泥泵排压提高，泥泵工作流量越大，泥泵输出功率越大。同时根据泥泵工作效率曲线可以得出泥泵等功率输出工况下，排压与流量成反比曲线。

耙头是耙吸挖泥船中直接影响泥浆抽取效率的设备，耙头是由具有一定长宽和面积的泥沙疏松和泥浆混合抽取设备。耙头因为泥泵的运行在耙头位置形成真空负压，耙头内外的负压将泥浆混合物吸入泥管，进行装舱作业。

3耙吸挖泥船装舱作业工况分析

耙吸挖泥船通过泥泵运行形成吸入真空和排压，疏浚系统利用泥泵吸入真空将泥浆吸入泥管后通过泥泵离心力排出装舱。泥泵的工作参数决定了泥泵排量，对于特定耙吸疏浚项目，特定转速下的泥泵其装舱排量相对固定。

耙吸挖泥船疏浚装舱过程中泥泵抽取的泥浆浓度取决于耙头疏松泥质的产量和泥泵装舱工况排量的比例，即耙头对目标泥质的疏浚获取量决定了装舱浓度，也决定了装舱时间，耙头水下疏浚工作状态如图5所示。泥浆密度计算表达如式3所示，其中D为疏浚泥浆密度，l为单位时间土方量，L为单位时间泥泵流量。

4耙吸挖泥船耙吸作业智能化控制策略

针对耙吸挖泥船耙吸作业原理，结合前述相关公式3以及泥泵工作曲线，可以得出单位时间土方量l对特定耙吸挖泥船是决定疏浚浓度的核心条件。耙头单位时间可抽取土方量如公式4所示，其中l为单位时间土方量，H为耙头有效入泥深度，W为耙头宽度，V为耙头对地移动速度。

从耙头单位时间可抽取土方量公式中可以见耙头单位时间土方量获取总量与耙头入泥深度H、耙头宽度W、耙头对地移动速度V有关，其中耙头宽度W对于特定船舶是常量，而耙头入泥深度H、耙头对地移动速度V是变量，这两个变量直接影响耙头的单位土方量的获取。其中，耙头对地移动速度V是可以直接通过控制耙吸挖泥船疏浚航速获得调整。而耙头入泥深度H不但与泥质硬度有关，同时也与耙头的重量、对地面积以及对水速度，可以用工程经验公式5近似表达，其中H为耙头有效入泥深度，G为耙头重量，F为耙头钢丝绳拉力，K为水动力系数，V1为耙头对水速度，S为耙头对地面积，A为土质硬度系数。

由耙头有效入泥深度公式5可见，影响耙头入泥深度的可控制变量主要有耙头鋼丝绳拉力F和耙头对水速度V1。

因此从上述耙头单位时间可抽取土方量公式4和耙头有效入泥深度公式5可见，针对相对稳定的疏浚工程项目，通过对挖泥船疏浚航速的适应性匹配优化调整可以有效提高疏浚浓度，从而提高疏浚效率，有效降低疏浚能耗。但是航速的提升将提升船舶推进系统能耗，从另外一方面会消减疏浚系统优化的效果，不能够达到最优。

基于能效寻优的目标，适当的耙头入泥深度H对于疏浚浓度的提高和船舶总体能耗的优化有指导意义。基于耙头有效入泥深度公式5，如果对地和对水航速V1相对不变，钢丝绳拉力F的调整将可以有效控制耙头对地压力，形成耙头有效入泥深度H的变化。其中F的调整可以通过波浪补偿器蓄能器压力的调整来实现。

从上述公式和控制响应结果分析，耙吸挖泥船耙吸作业的效率和能耗优化控制主要依赖于船舶对地航速V、对水航速V1、耙头对地压力（等效耙头钢丝绳拉力F）三个变量的优化匹配来实现能耗和效率的最优。具体工程项目的变量有效工作范围影响工作曲线的最优点。因此，基于具体工程疏浚控制的主导变量需要根据具体项目进行确认和判别，或者根据施工中数据变化的影响进行系统智能型判别，以保证系统的能耗及效率取得最优值。

5结论

目前挖泥船的工作对象复杂，船舶施工能耗高，通过对疏浚设备的工作特性和疏浚工况需求进行物理性分析，通过建立合理的疏浚工程模型，发现系统控制的关键参数变量，就能够通过系统智能型控制策略来保证耙吸挖泥船疏浚工作的工作效率，这是目前和未来耙吸挖泥船设计与建造市场需求的趋势。本文针对耙吸挖泥船在不同土质下所存在的多种疏浚作业工况，通过智能化数据分析方式，将耙吸挖泥船的核心设备工作参数进行适配性调整，以提升耙吸挖泥船的工作效率，提出耙吸式挖泥船适应性疏浚工作有效的控制策略分析方案，为后续耙吸式挖泥船设备运行机理的深度分析与适应性控制策略进一步研究奠定理论基础。

参考文献：

[1] T.M.特纳.水力疏浚原理[M].上海航道局设计研究所情报室：上海，1987：6.

[2] 魏鹏.船舶营运中经济航速的研究[D].大连海事大学，2016.

[3] 周维民，船舶使用经济航速浅析[J].中国远洋航务，2011（11）：86-88.

[4] 天津航道局.疏浚技术[M].天津，1997.

[5] 周明顺.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2007.

[6] Bray，R.N..疏浚工程手册[M].交通部上海航道局：上海，1994：8.