基于慧鱼模型的智能海上油污清理船的设计

2018-05-07应伟军范兴铎李映平

装备制造技术 2018年2期

应伟军，范兴铎，李映平

（浙江农林大学暨阳学院，浙江诸暨311800）

随着石油化工行业的快速发展和海洋资源的大力开发，人类在开发和利用海洋时频频出现各种海上漏油事故。2010年4月美国深水地平线钻井平台爆炸引起墨西哥湾漏油事故，至今仍是美国历史上最为严重的一次漏油事故。2013年11月中国中石化青岛开发区原油泄漏，胶州湾污染面积达到1万平方米左右。漏油事故对海洋和海岸线生态环境造成了严重破坏，导致沿海动植物、鸟类和海洋生物大量死亡，在严重情况下，沿海居民不得不暂时撤离自己的家园[1]。

当出现海上漏油事故时，通常由摩托艇前往事故海域投放围油栅控制油污扩散，吸油船进行油污清理。目前收放围油栅的常用方法主要包括人工和电机驱动收放。人工投放围油栅时，依靠锚机产生的拉力，顺势进行围油栅的投放，投放速度可随船速变化，灵活高效；人工收围油栅时，只能通过人力转动转盘来收围油栅，工作强度大、效率低。电机驱动投放围油栅时，只能定速投放，无法调节投放速度；电机驱动收围油栅，效率高。目前漏油处理方法主要包括堰式撇油+真空泵吸取、亲油材料吸附等。堰式撇油+真空泵吸取方法，其吸油效率高，但是堰式撇油器安装麻烦，需要花费大量时间；盘式亲油材料吸油效率高，但是体积庞大，仅适用于广阔海域作业；绳式、带式亲油材料操作方便，但是吸油效率低，适用于残油清理，作业地点限于河道、港口。因此本文将设计一款高效率、多场合应用的智能海上油污清理船，集收放围油栅、快速清理油污于一体，能在事故突发的第一时间处理原油泄漏，减小漏油的影响面积，实现快速控制油污扩散、快速收集漏油，将漏油导致的损失降到最低。

慧鱼创意组合模型（简称为慧鱼模型）是在德国Arthur Fischer博士发明“六面拼接体”的基础上研发而成的一款工程技术类智趣拼接模型，涵盖了计算机、自动化控制、机械设计、物理等多个学科，具有很强的扩展性和启发性，因此被广泛应用于实验教学、科学研究和实际生产。慧鱼模型通过各种构件（功能模块）以燕尾槽插接的形式组合拼接而成，各构件之间可以实现六面拼接、多次拆装和反复使用[2-3]。

1 智能海上油污清理船方案设计及特点

本文利用慧鱼模型对智能海上油污清理船进行了结构搭建、程序设计和系统调试，用以验证其在设计上是可行的，其模型如图1所示。

图1 智能海上油污清理船模型图

本文设计的智能海上油污清理船主要包括围油栅收放、快速清理油污等功能。

本文结合人工和电机驱动收放围油栅的优点，对电机驱动的围油栅收放机构进行了改进，在机构中加入了超越离合器。在投放围油栅时，依靠锚机产生的拉力，顺势进行围油栅的投放；收围油栅时，利用电机驱动超越离合器带动转盘进行收围油栅。

对于快速清理油污，常用方法包括堰式撇油+真空泵吸取、亲油材料吸附等。不同漏油收集方法适用场合不同，吸油效率差异大，配套设备不一样，各有利弊。因此本文对漏油收集方法进行了整合、创新，使其具有吸油效率高、适用于多种场合等优点。漏油收集步骤分为两步，第一步采用真空泵+油层测厚传感器相配合的方式，打开真空泵控制系统启动吸油，快速吸取海面厚油层，由油层测厚传感器自动调节真空泵的高度，使真空泵一直处于油层中，保证油水吸入比例；第二步采用传送带式吸油毡收集海面的残余原油。

智能海上油污清理船的油污清理步骤如下：油污清理船收到海上漏油事故处理命令后，快速前往事故区域；在事故发生区域，首先投放围油栅围住泄露的原油，防止其在海面上继续扩散；接着打开真空泵控制系统启动吸油，快速吸取海面厚原油层；最后由吸油毡将海面上的残余原油吸尽。

智能海上油污清理船的创新点如下：

1）真空泵升降机构

真空泵可在油层测厚传感器的作用下，自动调节吸油泵的高度，使吸油泵一直处于油层最佳吸油位置，确保吸入的油水比例。

2）传送带吸油毡机构

真空泵吸油处理后的表面残油，采用传送带的形式，在循环中及时挤出吸附的原油，使吸油毡重复使用，加快了吸收残油的速度，提高了吸油毡的利用率。

3）围油栅收放机构

在电机驱动的围油栅收放机构中，加入了超越离合器。在投放围油栅时，依靠锚机提供的拉力，顺势进行围油栅的投放；收围油栅时，利用电机驱动超越离合器带动转盘进行收围油栅。

4）功能上三位一体

集围油栅收放、真空泵吸油、传送带吸油毡吸附残油于一体，提高了油污清理船的专业性，加快了原油泄漏后的清理速度。

2 机构设计

2.1 真空泵升降机构设计

真空泵升降机构主要部件包括齿轮齿条、油层测厚传感器、步进电机。真空泵升降机构收到升降信号后，步进电机提供驱动力，驱动齿轮齿条相对运动，由于齿条固定在船体上，因此实现齿轮带动真空泵做上下动作，实现升降运动。真空泵升降机构图如图2所示。

图2 真空泵升降机构图

2.2 传送带吸油毡机构设计

传送带吸油毡机构主要部件包括履式传送带、圆柱齿轮对、挤压滚轴、吸油毡和电机，电机选用常规交流电机即可。在传送带吸油毡机构设计中，将吸油毡加工后附着在履带上，制成传送带式吸油毡，由电机同时驱动传送带和齿轮对运转，传送带使吸油毡可以连续接触海面并吸取残油，齿轮对运转带动挤压滚轴反向运动，将传送带吸油毡上的溢油被统统挤压出来。传送带吸油毡机构图如图3所示。

图3 传送带吸油毡机构图

2.3 围油栅收放机构设计

围油栅收放机构主要部件包括电机、涡轮蜗杆、超越离合器、绕绳盘，电机选用常规交流电机即可。在投放围油栅时，借助锚机提供的拉力，顺势拉动绳盘转动，进行围油栅的投放，超越离合器的使用避免了绳盘转动给电机充电的现象；收围油栅时，电机输出动力给减速器，通过减速器减速后再将动力传输给蜗杆涡轮机构，涡轮旋转带动超越离合器，实现围油栅的回收。机构如图4所示。

图4 围油栅收放机构

3 控制系统设计

3.1 整机控制系统设计

整机控制系统分别包括真空泵升降控制子系统、收放围油栅控制子系统、传送带吸油毡控制子系统。整机控制系统采用集中控制模式，总控按钮对各子系统进行集中控制，包括整机系统的启动和紧急停机；各子系统之间分别独立控制，保证各子系统的独立运行，互不干扰。真空升降控制子系统控制着真空泵吸油及吸油位置的调整，对油污清理是至关重要的。围油栅收放控制子系统控制着收放围油栅的任务。传送带吸油毡控制子系统控制着吸油毡吸取残油的任务。整机控制流程图如图5所示。

图5 整机控制流程图

整机控制程序图如图6所示。

图6 整机控制程序图

3.2 真空泵升降控制子系统设计

油层测厚传感器实时采集海面油层高度和厚度，并传输给慧鱼控制器，控制器通过信号处理、分析、计算，比较真空泵实际位置和理想位置之间的关系，并将控制信号输出给真空泵升降机构控制电机，实时调节真空泵在油层中位置，使真空泵在吸油过程中一直处于油层最佳位置。其具体控制流程中一直处于油层最佳位置。其具体控制流程如图6所示。