船載挖機水下自動化基床整平技術(shù)

船載挖機水下自動化基床整平技術(shù)荊雷;劉滔漲培生;姚平【摘要】為滿足長江南京以下12.5m深水航道二期工程儀征水道整治工程基床整平進度需要，結(jié)合現(xiàn)場工況條件，開發(fā)了新型的船載挖機水下自動化基床整平系統(tǒng).該整平系統(tǒng)采用了大型駁船搭載自動化整平挖機以及輔助拋石溜筒其整平設(shè)備建造周期短、投入少、費用低，且具備深水整平的能力,工藝安全可靠施工工效快，基床整平質(zhì)量可達規(guī)范±5cm的要求%Tomeettheneedsoffoundationbedlevelingforthe2ndphaseofYizhengwaterwayregulationprojectofthedeep-waterchannel12.5mbelowtheYangtzeRiverofNanjing,anovelautomaticbedlevelingsystembasedonshipborneunderwaterexcavatorwasdevelopedbycombiningwithworkingconditionsonsite.Thislevelingsystemappliedalarge-scalebargeequippedwithautomaticlevelingexcavatorandanauxiliaryriprapslipcylinder.Itwascharacterizedbyshortconstructionperiod,lowinvestment,lowcost,theabilityofdeep-waterleveling,safeandreliabletechnologies,andefficientconstruction.Additionally,thequalityoffoundationbedlevelingcouldreachtherequirements(±5cm).【期刊名稱】《水運工程》【年(卷)，期】2018(000)006【總頁數(shù)】6頁(P180-184,203)【關(guān)鍵詞】船載挖機;水下自動化;基床整平【作者】荊雷;劉滔漲培生;姚平【作者單位】中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032;中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032;中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000;中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000【正文語種】中文【中圖分類】U617儀征水道整治工程位于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)世業(yè)洲西側(cè)。本工程頭部潛堤、SL1丁壩、SL2丁壩和Y2丁壩采用〃拋石基床+梯形空心構(gòu)件”混合堤結(jié)構(gòu)形式［1］，梯形空心構(gòu)件安裝前需進行基床整平，基床整平作為預(yù)制構(gòu)件混合堤的關(guān)鍵工序，其整平質(zhì)量和進度直接影響構(gòu)件安裝和混合堤的形成。本工程施工區(qū)域流向以單向下瀉流為主，流速大，流向紊亂。施工區(qū)域最大流速達到2.5ms。整平最小水深4m、最大水深16m，整平總長為1595m,整平總面積為11165m2。且部分整平段存在9%?？v坡，單個構(gòu)件長4.94m，單個構(gòu)件基床高差為4.4cm。結(jié)合此工況，通過分析現(xiàn)有基床整平的工藝特點，發(fā)現(xiàn)人工整平不具備深水整平能力，精度低；而大型整平船舶整平精度高但數(shù)量少，調(diào)遣費用高；步履式整平機整平精度低，無補拋石料設(shè)備［2］。針對此種情況，進行了船載挖機水下自動化基床整平系統(tǒng)的設(shè)計?；舱焦に噷Ρ纫姳?。表1現(xiàn)有基床整平工藝對比整平類型配置投入精度/Cm效率/(m2-d-1)特點人工整平人員配置多，投入少、費用低±10約180(4組潛水)受水深、流速影響大，不具備深水整平能力，人工水下作業(yè)危險性大大型整平船整平大型船舶，投入、調(diào)遣費用高±5約300整平框架座底，整平精度高，不受水深流速影響，配置拋石溜筒3步履式整平機整平投入少、費用低±10約500座底式整平，整平精度低，不受水深流速影響，無補拋石料設(shè)備1整平系統(tǒng)設(shè)備布置整平系統(tǒng)采用三一重工SY850H型長臂挖掘機，該挖機內(nèi)部重新設(shè)計了伺服油路控制系統(tǒng)，采用電控先導(dǎo)。伺服油路由電磁閥組控制，電磁閥組再由挖掘機主控制器控制。對動臂和斗杠進行加長，最大整平深度可達到17m。鏟斗采用2m寬的平口，斗容弧形設(shè)計，為滿足整平坡比要求，平口兩端有9%。高差具體參數(shù)見表2。表2SY850H長臂挖機（主機85t）參數(shù)主要配置名稱參數(shù)五十鈴發(fā)動機6WG1功率343kW川崎K3V280DTH單泵540L/min動臂長度15m斗桿長度86m泵流量響應(yīng)時間200ms鏟斗寬度2m將挖機固定在3000t駁船船頭，駁船規(guī)格為70.15mx19.51m,通過6個錨纜移船定位，使整平駁船垂直于基床軸線，保證船頭的挖機能夠?qū)驶?。輔助配置為深水拋石溜筒，配置1臺80t履帶吊，可補拋精拋規(guī)格粒徑為10~20cm的二片石，其布置見圖1。圖1船載挖機設(shè)備布置2挖機自動化基床整平系統(tǒng)構(gòu)建2.1挖機鏟斗定位挖機駕駛臺后方蓋板上安裝2臺GPS,運用RTK定位模式，接收主基準站信號，結(jié)合挖機尺寸參數(shù)，計算挖掘機的方向和車身實時高程，再通過安裝在車身上4個傳感器的縱向傾斜角度和關(guān)鍵軸之間的長度，經(jīng)過軟件精確計算挖鏟尖的實時高程和水平坐標，完成GPS三維坐標向鏟尖傳遞的整個過程，其布置見圖2。圖2鏟斗定位原理2.2整平工作原理建立整平控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，見圖3。注：0點為動臂點；A為動臂與斗桿鉸點；B為斗桿與挖斗鉸點；C為鏟尖。a、B與。分別為上述連線與水平面的夾角。圖3挖機數(shù)學(xué)模型1） 自動平地時，鏟尖C始終運行在地面上，所以鏟尖的運動高度h=0。2） 在鏟尖C從遠處向車體運行的過程中，B的變化程度大于a，易于控制，故作為自變量，以a作為因變量，隨著B的變化按照一定的函數(shù)關(guān)系變化，使鏟尖始終在水平面上運動。3） 平地時鎖定鏟斗油缸，即中=e+B為常量，模型中只有a和B兩個變量。其控制方法為：1）以速度模型為控制基礎(chǔ)，從任意姿態(tài)點開始，用速度模型計算出動臂和斗桿控制輸出，使挖鏟尖連貫地水平運動；2）用位移模型作為鏟尖離地高度的控制依據(jù)，當鏟尖高度出現(xiàn)偏差時對1）中的動臂控制量進行調(diào)整，使鏟尖高度控制在預(yù)設(shè)的數(shù)值上，同時根據(jù)定位系統(tǒng)上傳高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證整平面高度一致。其原理見圖4。圖4挖機自動化基床整平系統(tǒng)工作原理車載電腦將GPS定位數(shù)據(jù)和4個傳感器的數(shù)據(jù)進行匯總，發(fā)送到挖機水下基床自動化整平控制系統(tǒng)中，計算鏟斗尖的坐標并與設(shè)計數(shù)據(jù)進行比對，給出差值并顯示在屏幕上。同時CAN總線得到引導(dǎo)控制系統(tǒng)的挖掘機姿態(tài)信息及鏟斗尖位置與目標位置的差值，然后通過閥芯、限流比例閥實現(xiàn)對主閥、主泵的控制，主閥節(jié)流、主泵容積調(diào)速，實現(xiàn)對工作裝置各油缸的精確控制，調(diào)整動臂、斗桿及回轉(zhuǎn)動作，實現(xiàn)自動整平。3挖機自動化基床整平精度分析3.1挖斗尖運行軌跡的高程誤差系統(tǒng)能自動檢測到鏟斗斗尖的位置，自動與目標位置進行對比并能適時調(diào)整到目標的位置。自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到的鏟斗斗尖在60s內(nèi)的運行軌跡線見圖5。圖5鏟斗斗尖在60s內(nèi)的運行軌跡線經(jīng)分析計算，鏟斗斗尖接受自動化整平系統(tǒng)控制指令后斗尖運行軌跡的高程最大誤差為±3.4cm，平均值為±2.25cm。3.2船舶運動響應(yīng)對整平精度的影響整平船采用3000t方駁，使用錨纜帶緊來保持船身的穩(wěn)定性，而江面上的波浪、風(fēng)力及船行波等綜合因素對整平船產(chǎn)生一定的位移及高程偏差。采用瑞典SMC的IMUS-108傳感器來測量船舶的橫搖、縱搖以及升沉運動對被測點Z方向（挖機中軸線）的影響，并得到時間歷程曲線（圖6）。通過分析計算，船舶的升沉運動幅值為0~1.46cm，最小周期5s。期間受巨輪船行波的影響，船舶的升沉運動幅值最大為±6cm,作用周期大于100s。由于基床自動整平控制系統(tǒng)的控制響應(yīng)周期為0.206s，因此船舶的升沉運動影響可以通過控制系統(tǒng)予以消除。同時，船行波是可預(yù)見的，在施工時可以規(guī)避（單子步自動整平的最長時間為80s）。圖6Z方向的時程曲線3.3挖機結(jié)構(gòu)撓度變形造成的誤差進行整平施工時，挖掘機的刮刀刮動石料會產(chǎn)生約46kN（經(jīng)過刮刀阻力試驗得到鏟板的有效線阻力為23.08kNm）的刮鏟阻力，這個會使挖機結(jié)構(gòu)撓度變形造成誤差。經(jīng)陸地試驗，鏟斗阻力為46kN時，鏟斗尖平面位置變化為4cm,鏟斗尖高程變化為±0.3cm。通過上述計算，挖機整平船整平精度綜合誤差為±3.7cm（3.4cm+0.3cm），滿足規(guī)范±5cm整平精度要求［4］。4挖機自動化基床整平施工自動化基床整平過程中，車載電腦軟件自動標注已完成整平區(qū)域整平深度（高程），在導(dǎo)航界面上顯示駁船和定位樁的位置，顯示已經(jīng)整平、未整平、正在整平的區(qū)域。如出現(xiàn)鏟斗刮不動有抬升的現(xiàn)象，在控制系統(tǒng)中進行設(shè)置，分多層進行刮鏟，保證基床的平整度。4.1施工工藝1） 整平前，在粗拋基床斷面上劃分拋石網(wǎng)格，根據(jù)粗基床頂面水深測量數(shù)據(jù)結(jié)合基床預(yù)留沉降量計算每個網(wǎng)格的精拋二片石方量。2） 基床整平時，根據(jù)整平駁船定位系統(tǒng)的指示，移船就位將挖機對準擬整平基床位置，進行粗定位。同時設(shè)置基床整平的控制高程、范圍、里程號和相關(guān)參數(shù)，進行分層、層高等設(shè)置（圖7）。圖7挖機自動化基床整平系統(tǒng)3） 按下挖機操作界面的〃開始整平”按鈕，挖機鏟尖在整平基床最遠端自動進行精定位，同時在車載電腦上實時顯示偏差，偏差滿足要求后，挖機開始進行單子步的自動化整平作業(yè)，整平時間約為80s，挖掘機由遠及近整平一個長8m的區(qū)域，中途自動調(diào)整動臂和斗杠，該整平子步完成后，挖機動臂自動抬起，在屏幕上顯示“整平完成，請移船”。4） 駁船同步絞錨移船，平移1m，整平下一區(qū)域，按照2）、3）步驟進行整平，每個子步之間搭接1m（挖斗寬度為2m時，每個子步整平的有效進尺為1m），以鏟刮多余石料，循環(huán)施工直至完成。整平流程見圖8。圖8挖機自動化基床整平流程4.2基床整平質(zhì)量整平完成后采用溜筒內(nèi)GPS測繩檢測和輔助多波束測量。測量前將拋石溜筒下放到距離基床頂面20cm位置，在溜筒內(nèi)測量，可有效克服水流大、測繩拉伸不直等誤差影響。同時對測繩的總長進行校核，確保鋼絲測繩和人為因素誤差在1cm以內(nèi)。為了系統(tǒng)判斷基床整平質(zhì)量，對測量斷面和測點均進行了加密，以1~2m—個斷面，每個斷面5個點進行測量，共測量921個斷面。統(tǒng)計結(jié)果見表3。表3基床整平數(shù)據(jù)檢測位置允許偏差檢測點數(shù)合格點數(shù)不合格點數(shù)合格率％距基床軸線南、北側(cè)2m1842178953971距基床軸線南、北側(cè)4m±5cm18421719123933基床軸線92190219979合計46054410195957基床整平測點合格率達到95.7%，符合設(shè)計以及規(guī)范要求，不合格點大部分分布在基床軸線最遠端。通過多波束掃測3D成圖，整平后的基床十分平整，而外部河床則坑洼不平，證明水下挖機自動化整平工藝是可行的。4.3基床整平工效通過現(xiàn)場測試挖機整平能達到6mh，按照每個工作日12h計算，工效達到576m2d。該工效為鏟斗寬度2m時的工效，根據(jù)施工中挖機油缸的壓力情況，2m刮刀整平的刮鏟阻力遠小于挖機的額定刮鏟力，如制作3m寬的鏟斗，則每刮一次有效進尺2m,跟現(xiàn)有的2m刮刀相比，整平的工效能夠極大提高。5結(jié)語1） 船載挖機整平設(shè)備采用改造的長臂挖機搭載駁船，其建造時間比大型整平船的短，投入的費用低，其整平不受水深、流速的影響，配備補拋石溜筒，相比較人工整平和步履式基床整平，能極大提高整平的精度和效率，成效顯著。2） 船載挖機水下自動化基床整平技術(shù)采用全球衛(wèi)星定位監(jiān)測技術(shù)與豐富的設(shè)計控制軟件相結(jié)合，是一種新型可行的浮式智能控制水下基床整平的施工技術(shù)，無需挖機人工操作，軟件顯示的基床整平信息量完整、豐富?？烧{(diào)取鏟尖高程的軌跡曲線，查看基床整平的情況，實現(xiàn)基床整平自動化控制和檢驗。3） 通過對挖機自動化基床整平精度分析，綜合考慮各種因素的影響，鏟斗斗尖高程精度能很好地控制在允許偏差范圍以內(nèi)，其整平精度完全符合±5cm的規(guī)范要求，其用于深水航道整治工程施工，可為類似水深條件下航道整治工程基床整平施工提供借鑒，具有廣泛的應(yīng)用前景