曾 軍，吳 斌，謝勇謀，吳大可，肖奇斌，宓祖田

（杭州杭重工程機(jī)械有限公司，浙江杭州 310004）

0 引言

船用抓斗挖掘機(jī)（又稱為挖泥船）是水下開挖施工、水域工程外科手術(shù)式治理的主要設(shè)備。我國(guó)港口眾多、內(nèi)河航道長(zhǎng)，特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)航道疏浚、水利建設(shè)、港口建設(shè)等基礎(chǔ)建設(shè)工程項(xiàng)目的廣泛展開，對(duì)船用抓斗挖掘機(jī)，特別是大斗容量機(jī)型的需求與性能要求都日益提高。

由于技術(shù)瓶頸的限制與國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格壁壘，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大斗容量的船用挖掘機(jī)大多是從國(guó)外購(gòu)買的二手設(shè)備，售后服務(wù)無(wú)法得到保證。此外，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中明確提出要提高重大技術(shù)裝備的自主化水平，國(guó)家的“十二五”規(guī)劃中更是將高端裝備制造也與海洋裝備制造業(yè)列為重中之重。因此，本項(xiàng)目立足與自主創(chuàng)新，在借鑒與引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，依靠杭州杭重工程機(jī)械有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）與浙江大學(xué)現(xiàn)有的技術(shù)力量，對(duì)船用抓斗挖掘機(jī)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中所面臨的技術(shù)瓶頸進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，依據(jù)“十二五”規(guī)劃中對(duì)高端裝備提出的高智能性、高可靠性與低能耗的指導(dǎo)原則，開發(fā)出符合我國(guó)具體施工工況的低成本、高性能船用抓斗挖掘機(jī)。

1 國(guó)內(nèi)外情況

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1）國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的船用抓斗挖掘機(jī)生產(chǎn)起步較晚，從1954年撫順挖掘機(jī)廠生產(chǎn)的第一臺(tái)斗容量為1 m3的機(jī)械式單斗挖掘機(jī)至今，大體上經(jīng)歷了測(cè)繪仿制、自主研制開發(fā)和發(fā)展提高等三個(gè)階段。通過(guò)多年施工實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，我國(guó)正逐步掌握疏浚施工關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)產(chǎn)部分型號(hào)的船用挖掘機(jī)，這是我國(guó)疏浚業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。但是，國(guó)產(chǎn)船用挖掘機(jī)主要用于解決單一工程問(wèn)題，大量工程屬于初期治理、大規(guī)模和基礎(chǔ)性建設(shè)，無(wú)法滿足逐漸專業(yè)化、多元化、系統(tǒng)化、綜合化的疏浚施工項(xiàng)目的要求。

目前市場(chǎng)上所擁有的大斗容量的船用挖掘機(jī)都是從國(guó)外進(jìn)口的二手設(shè)備，且已使用多年，面臨大修、報(bào)廢，急待更新，同時(shí)由于缺少大修備件，二手設(shè)備購(gòu)買使用性和性價(jià)比越來(lái)越低；此外，由于我國(guó)疏浚項(xiàng)目相對(duì)惡劣的施工環(huán)境所造成的與國(guó)外疏浚項(xiàng)目施工工況的顯著差異，造成了國(guó)外船用挖掘機(jī)產(chǎn)品并不能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。因此，市場(chǎng)急需國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家來(lái)制造高性價(jià)比且適用于我國(guó)具體工況的大斗容量的船用挖掘機(jī)。公司通過(guò)長(zhǎng)期的市場(chǎng)調(diào)研，探求到沿海港口和長(zhǎng)江中下游聚集了眾多的船用挖掘機(jī)用戶，多數(shù)用戶主要需求的抓斗容量為6 m3及以上的船用抓斗挖掘機(jī)，并對(duì)產(chǎn)品的價(jià)格、維護(hù)成本、挖掘性能及售后服務(wù)提出了較高要求。

2）國(guó)外產(chǎn)品現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)進(jìn)口的船用抓斗挖掘機(jī)產(chǎn)品主要集中在日本四國(guó)建機(jī)和石川島等企業(yè)，相對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品采用電驅(qū)動(dòng)形式，即傳動(dòng)形式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由船提供電源，由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)上主要采用雙輸出軸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，?離合器，再到變矩器、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)再到主、副卷?yè)P(yáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)抓斗提升下降，同時(shí)柴油機(jī)另一端驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，再帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器平臺(tái)回轉(zhuǎn)、變幅等動(dòng)作。目前，國(guó)外的產(chǎn)品正朝著高可靠性、高安全性、多工況適應(yīng)性、高效節(jié)能與智能化方向發(fā)展。

2 市場(chǎng)需求分析

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在全球物流持續(xù)增加、船舶日益大型化的趨勢(shì)下，港口的港池和航道必須不斷加深，同時(shí)港口數(shù)量也日益增加。

有關(guān)專家預(yù)測(cè)，未來(lái)十年間我國(guó)在沿海港口、航道建設(shè)與維護(hù)方面，沿海疏浚市場(chǎng)每年約有100～200億元投資，主要包括大型樞紐港深水航道的建設(shè)和維護(hù)、用于建港和臨江工業(yè)區(qū)建設(shè)的沿海大型陸域吹填項(xiàng)目以及港口航道的改造升級(jí)。

另外，中國(guó)疏浚治理具有較長(zhǎng)的歷史，但手段落后且規(guī)模較小，造成先前水利清淤疏浚欠債較多，進(jìn)而致使河道和入海口淤塞嚴(yán)重，水患頻繁，航道和港深相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)偏低，水庫(kù)面積和庫(kù)容萎縮普遍。數(shù)據(jù)顯示，2002年前我國(guó)各大主要江河年清淤疏浚量為1.81億立方米，2003～2010年年清淤疏浚量為2.71億立方米，而目前國(guó)內(nèi)船用挖掘機(jī)總的年清淤疏浚能力僅有約1億立方米。目前，我國(guó)大量的清淤疏浚工作已提上議事日程，該工作已不僅在防洪建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)對(duì)改善水環(huán)境、提高供水質(zhì)量、美化城市和觀光旅游等方面也有著重要作用。未來(lái)中國(guó)環(huán)保疏浚市場(chǎng)無(wú)疑將呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其市場(chǎng)潛力不可估量。基于上述情況預(yù)測(cè)，世界范圍內(nèi)的疏浚量將不斷上升，對(duì)疏浚船舶特別是大容量的船用挖掘機(jī)的需求將不斷增加。

3 項(xiàng)目主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵

3.1 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容

船用挖掘機(jī)的性能主要由工作裝置、控制系統(tǒng)決定。其技術(shù)難點(diǎn)在于泥漿濃度、挖深、輸泥距離等參數(shù)的確定、工作裝置的切削性能和耐磨性以及綜合監(jiān)控能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)外船用挖掘機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)疏浚項(xiàng)目的具體工況要求，本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容包括：

1）動(dòng)力匹配與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)；

2）虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)態(tài)特性仿真技術(shù)；

3）挖掘軌跡控制及綜合監(jiān)控研究。

3.2 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 挖掘機(jī)動(dòng)力匹配與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

抓斗式挖泥船的型式較多，但其工作原理相同。本項(xiàng)目研究的挖泥船挖泥系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：

1）挖掘土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)?？梢耘鋫涓鞣N不同類型的抓斗，如輕、中、重型抓斗，甚至可以配備超重型抓斗來(lái)適應(yīng)不同土質(zhì)的需要。在各種挖掘船中，抓斗式挖泥船適挖的土質(zhì)的范圍是最廣的。

2）挖深適應(yīng)性強(qiáng)?？梢酝ㄟ^(guò)更換不同長(zhǎng)度的抓斗鋼絲繩來(lái)滿足施工中不同挖掘深度的需要，最大挖深可達(dá)80 m。

3）抓斗機(jī)配起重吊鉤或配碎石重錘，可兼作起重船或作水下巖石預(yù)處理的鑿巖船使用，使船用挖掘機(jī)成為多用途工程船。

4）可作業(yè)于其它類型挖泥船不適應(yīng)作業(yè)的水域。如狹小水域、港池、碼頭、大型廠礦企業(yè)專用航道、岸邊以及防波堤等區(qū)域的施工。

因此，船用抓斗挖掘機(jī)是一種多功能的工程裝備，所遇到的作業(yè)對(duì)象，即體質(zhì)變化較大；此外，使用方式與要求也不同，有時(shí)強(qiáng)調(diào)能源經(jīng)濟(jì)性，而在狹小水域或港口工況下，則重視精度和安全。同時(shí)，根據(jù)不同的挖掘土質(zhì)，所配備的抓斗型號(hào)也有所不同，在不同的水深情況下，抓斗鋼絲繩的長(zhǎng)度同樣不同。因此，一般的在滿足系統(tǒng)正常工作的前提下，應(yīng)根據(jù)作用工況、抓斗結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用要求來(lái)對(duì)電源與電氣傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇船用挖掘機(jī)系統(tǒng)各元件的參數(shù)，使之與工況向適應(yīng)，工作時(shí)能夠達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)局部和整體效率，達(dá)到節(jié)能效果。

3.2.2 虛擬樣機(jī)建模與動(dòng)態(tài)特性仿真技術(shù)

船用抓斗挖掘機(jī)的傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)——物理樣機(jī)——現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)——樣機(jī)修改的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程由于其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低且無(wú)法分析工作過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性而無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。此外，船用抓斗挖掘機(jī)是一個(gè)由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置、制動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成的剛體——柔性體耦合的機(jī)、電、氣復(fù)雜系統(tǒng)，其各部件、總成以及施工工況決定了其整機(jī)性能，采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法很難甚至無(wú)法對(duì)其三維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行求解（圖1、圖2所示）。因此需要將多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與虛擬樣機(jī)理論引入船用抓斗挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)中來(lái)，解決其設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵的理論問(wèn)題，建立起運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)建立不同物理參數(shù)設(shè)計(jì)方案的虛擬樣機(jī)模型，確定影響性能的敏感參數(shù)，并通過(guò)可視化技術(shù)，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以獲得具有最優(yōu)工作性能的設(shè)計(jì)方案，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性和性能指標(biāo)。

3.2.3 挖掘軌跡控制及綜合監(jiān)控研究

抓斗式挖泥船軌跡控制的目標(biāo)是使挖泥船的施工精度和質(zhì)量得到明顯的提高，通過(guò)對(duì)作業(yè)土體參數(shù)的在線識(shí)別，采用人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。本項(xiàng)目研究抓斗式挖泥船抓斗施工作業(yè)流程以及挖泥船液壓控制系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)實(shí)際施工作業(yè)要求，對(duì)挖掘軌跡控制及其綜合監(jiān)控系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)監(jiān)控環(huán)節(jié)的工作原理以及系統(tǒng)各傳感器件間的數(shù)據(jù)傳輸及通信方式進(jìn)行研究。

圖2 平臺(tái)整體位移云圖

3.3 技術(shù)路線

3.3.1 三變頻電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力匹配技術(shù)

解決途徑：船用抓斗挖掘機(jī)主要由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)臂與變幅、抓斗提升與回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。挖掘機(jī)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)分別由三臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提升電機(jī)為一臺(tái)400 kW的變頻電機(jī)，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)抓斗的開閉和升降。平臺(tái)的回轉(zhuǎn)由一臺(tái)90kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)臂的變幅由一臺(tái)30 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

異步電機(jī)變頻調(diào)速原理：異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速是由供給電機(jī)的電源頻率決定，如8極電機(jī)50Hz時(shí)750轉(zhuǎn)/分，10 Hz時(shí)為120轉(zhuǎn)/分，80 Hz時(shí)為1200轉(zhuǎn)/分，因此只要改變變頻器輸出頻率就能對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，變頻調(diào)速異步電機(jī)輸出機(jī)械特性如圖3。

圖3 變頻調(diào)速異步電機(jī)輸出機(jī)械特性圖

圖4 平臺(tái)整體布局圖

由于變頻調(diào)速通過(guò)內(nèi)部計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，在50Hz以下實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速性能能與直流電機(jī)相媲美，50Hz以上實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。恒功率調(diào)速主要用于快速下放，由于快速下放一般為空斗或輕負(fù)載時(shí)下放，因此變頻調(diào)速也能滿足工況要求，為了實(shí)現(xiàn)較硬的機(jī)械器組成閉環(huán)控制。

控制包括氣路控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，抓斗的挖掘、升降，平臺(tái)回轉(zhuǎn)及動(dòng)臂變幅的調(diào)速通過(guò)先進(jìn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該變頻調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)軸上安裝編碼器以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)械裝置的快速響應(yīng)和高精度速度控制?；剞D(zhuǎn)支承采用三派柱式回轉(zhuǎn)支承，特點(diǎn)是軸向及徑向間隙小，受載更加穩(wěn)定，承載能力更強(qiáng)，安裝方便等特點(diǎn)；整機(jī)回轉(zhuǎn)制動(dòng)采用電氣控制，提升卷筒采用大直徑，并且是單出繩，減少鋼繩彎曲度與損耗，增加鋼繩壽命；提升鋼繩采用雙出繩，增加提升穩(wěn)定性；配重部分采用配重沙，減少生產(chǎn)成本。方案設(shè)計(jì)圖見圖4。

3.3.2 剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)

解決途徑：本項(xiàng)目通過(guò)Pro/E、ANSYS、ADAMS的聯(lián)合仿真平臺(tái)（圖5）對(duì)船用抓斗挖掘機(jī)的抓斗作業(yè)過(guò)程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及振動(dòng)響應(yīng)特性等進(jìn)行分析。抓斗機(jī)動(dòng)作由起升、回轉(zhuǎn)和變幅三大動(dòng)力系統(tǒng)組成。項(xiàng)目通過(guò)建立船用抓斗挖掘機(jī)抓斗的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并利用聯(lián)合仿真平臺(tái)得到仿真結(jié)果；利用Pro/E建立船用抓斗挖掘機(jī)的三維實(shí)體模型，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS完成吊索以及彈性動(dòng)臂的固有模態(tài)分析，通過(guò)ANSYS與ADAMS的專用接口生成模態(tài)中性文件并導(dǎo)入ADAMS，實(shí)現(xiàn)工作裝置剛體——柔性體耦合建模。同時(shí)為滿足運(yùn)動(dòng)控制研究的需要，對(duì)挖泥船抓斗進(jìn)行水平直線、斜線、垂直線及弧線的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并給出相關(guān)的仿真結(jié)果。

項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行了船用抓斗挖掘機(jī)疏浚作業(yè)過(guò)程的建模與仿真的研究，研究在不同的疏浚環(huán)境和作業(yè)方式下吸口處泥漿的形成過(guò)程和計(jì)算泥漿比重的仿真模型，根據(jù)水力疏浚原理和6立方挖泥船的技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)泥泵和管路的清水特性曲線與泥漿特性曲線，在此基礎(chǔ)上給出了泥泵工作點(diǎn)的計(jì)算方法。以提高挖泥船作業(yè)的工作效率。

3.3.3 挖掘軌跡控制以及綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

解決途徑：通過(guò)疏浚作業(yè)的要求建立抓斗挖掘剖面坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選取合適的抓斗挖掘軌跡控制方案，實(shí)現(xiàn)抓斗的挖掘軌跡的監(jiān)測(cè)與控制。使抓斗按照預(yù)定的挖槽剖面進(jìn)行施工，顯著提高挖泥船的挖掘精度。

在實(shí)現(xiàn)挖泥船抓斗挖掘軌跡控制及原有挖泥船作業(yè)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)抓斗式挖泥船綜合監(jiān)控系統(tǒng)。利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，合理劃分系統(tǒng)軟件各功能模塊，創(chuàng)建施工水深及坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)與用戶界面圖形系統(tǒng)的接口，實(shí)現(xiàn)施工水深查詢。

圖5 虛擬樣機(jī)平臺(tái)

5 結(jié)論

綜上分析，采用變頻調(diào)速提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。同時(shí)改變?cè)瓉?lái)的變流機(jī)組由異步電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組成，效率在0.8以下，而變頻器效率在0.95以上，從而起到了節(jié)能的效果。

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