挖泥船钢丝绳松弛及耙臂冲顶检测装置设计

杜中华，宋伟浩

（1.上海振华重工启东海洋工程股份有限公司，上海 226259；2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

耙吸挖泥船通过绞车收放钢丝绳并配合A字架的内外倾动作实现控制耙臂升降和水下姿态。对于单侧耙臂，3根钢丝绳分别缠绕固定于3部绞车的卷筒，钢丝绳自由端缠绕通过A字架滑轮组后分别牵引耙头、耙中以及弯管位置。耙吸挖泥船疏浚作业过程中，可能出现牵引耙臂的钢丝绳松弛、甚至耙臂冲顶的问题，前者对于施工工况判断和系统控制不利，而耙臂冲顶会损毁疏浚设备甚至危及施工人员的生命安全。

许多学者对矿用绞车钢丝绳松弛检测问题进行了研究。徐志鹏等通过应变片电桥电路测量滑轮内轴承内圈的应变情况，推算了钢丝绳受力与电桥电压的关系，配合PLC逻辑判断，检测了钢丝绳松弛状态[1]。曹姣赛在深度指示仪和天轮轴位置分别安装编码器和霍尔元件，利用PLC读取、运算获取两部位线转速，通过比较速度差值判定得出了钢丝绳松绳状态[2]。原志坤利用压磁传感器测量钢丝绳张力，并通过PLC对张力进行比较判别松绳状态[3]。有些学者采用红外感应技术和加装刚性托绳辊等方式对原有矿用绞车钢丝绳的松绳检测系统进行了改进，克服了原检测方式的缺点[4-8]。以往文献中对耙臂冲顶问题研究较少。

针对挖泥船钢丝绳松弛和耙臂冲顶问题，设计了一种钢丝绳松弛及耙臂冲顶检测装置，用以检测钢丝绳的工作状态并向控制系统提供相应的信号。

1 检测原理

绞车过快、过量释放钢丝绳或耙臂受到外力突然上升都会造成钢丝绳张力减小，外在表现为钢丝绳松弛。若对处于松弛状态的钢丝绳施加一沿其径向的推力，钢丝绳会径向移动一定距离直至其张力与所受推力达平衡状态，且钢丝绳越松弛钢丝绳受力点位移越大。据此，可由钢丝绳受外部推力后径向移动的距离，判断出钢丝绳的松紧状态。

在绞车卷收钢丝绳以提升耙臂的过程中，可能因操作不当或设备故障而造成钢丝绳卷收过量，进而导致耙臂上升超过安全位置造成碰撞事故，即耙臂冲顶。监测并保证卷筒上缠留钢丝绳不超过安全匝数即可避免冲顶事故。耙吸船耙臂绞车仅缠绕一层钢丝绳，故绞车卷收钢丝绳时，释放态钢丝绳会沿卷筒轴线向远离绳头固定端方向单向移动；绞车释放钢丝绳时，释放态钢丝绳单向移向卷筒绳头固定端。由上述事实可知：对于挖泥船耙臂绞车，卷筒上钢丝绳匝数与释放态钢丝绳沿滚筒轴线的位置呈一一对应关系。因此，监测释放态钢丝绳沿卷筒轴向位置即可检测出耙臂是否存在冲顶风险。

综合钢丝绳松弛和耙臂冲顶的原因和检测原理可知，通过检测钢丝绳受力位移和自由端位置，可判断出钢丝绳松紧及耙臂冲顶状态。检测钢丝绳松弛状态需对其施加一径向外力，且检测钢丝绳松紧及耙臂冲顶都伴随测试点位置的移动，而弹簧受力与长度变化量成正相关，故可利用弹簧的力学特性辅助检测钢丝绳状态。弹簧一端位置固定时，若其自由端与钢丝绳测试点相接触，钢丝绳的松紧程度及耙臂冲顶时钢丝绳状态可由弹簧自由端位置进退等效表示，故通过检测弹簧自由端位置可实现对钢丝绳松紧及耙臂冲顶状态的检测。

2 装置结构

钢丝绳工作状态检测装置主要由固定底座、伸缩装置和感应器3部分构成，见图1。

图1 装置整体结构图Fig.1 Overall structure of the device

固定底座见图2（a）。该座用于固定伸缩装置和感应器，使两者保持相对位置不变。固定底座带有1个U形孔及半圆形抱箍，用于安装感应器。感应器可沿U形孔移动，便于调整感应器安装位置。底座底部配有2个圆形螺孔，用于固定伸缩装置。图2（b）为感应器的外形图，为防护等级为IP67的电感式接近开关，以适应挖泥船高湿、高盐的海洋作业环境，减少装置的故障率。接近开关无需与受检部件产生机械接触，受检部件进入感应器探测范围时，感应器可自行动作并对外提供高电平信号。

图2 装置主要构成部分示意图Fig.2 Main components of the device

图2（c）为伸缩装置的外形图。该装置主要由滚轴、连接杆、腔体、弹簧以及感应片构成。位于伸缩装置前端的滚轴作为受力点直接与钢丝绳接触，钢丝绳可贴滚轴表面平稳滑动。滚轴具有一定长度，可保证钢丝绳在较小范围晃动时仍可对滚筒施加压力。连接杆用于将钢丝绳对滚轴的压力传递至弹簧，其前端与滚轴相连接，后端接入腔体并与腔体内弹簧对接。感应片为1个金属片，并由螺杆透过腔体侧面的U形孔固定于连接杆后端，其位置随弹簧自由端位置变化而前后等距移动，由此检测感应片位置即可获取弹簧自由端位置信息。腔体开口端以螺母形式与连接杆接合。弹簧置于腔体内用于提供松弛测试所需推力和耙臂冲顶检测的钢丝绳平衡阻力。

3 应用场景与方法

装置适用于绞车钢丝绳松弛检测，也可应用于钢丝绳单层缠绕的绞车进行冲顶检测，但不适用于对配备了多层缠绕钢丝绳的绞车进行冲顶检测。使用前应明确检测目的，以确定安装形式。不同检测目的对应的装置安装示意图见图3。

图3 装置安装示意图Fig.3 Installation of the device

装置用于检测钢丝绳松弛状态时，应将装置安装在钢丝绳横向移动范围较小的位置，防止钢丝绳与装置滚轴脱离接触造成检测失效，以钢丝绳竖直向下的途经线路为最佳安装区段。安装时应使钢丝绳处于正常松紧状态，使钢丝绳与滚轴保持接触，调整腔体与钢丝绳距离使弹簧适度压缩，之后释放钢丝绳至松弛报警状态，并保持滚轴与钢丝绳接触，调整并固定感应器至恰能检测到感应片的位置，至此完成安装。绞车作业过程中，若钢丝绳由紧变松，钢丝绳对弹簧的压力减小，处于压缩状态的弹簧将逐渐伸长并推动钢丝绳，感应片随之向腔体开口端移动，感应器检测到感应片后发出钢丝绳松弛信号。

用于检测耙臂冲顶钢丝绳位置时，装置多与绞车编码器配合使用，作为编码器失效后钢丝绳冲顶的检测手段。安装时应事先控制绞车释放钢丝绳至耙臂冲顶报警位置，保持装置连接杆与滚筒轴线平行安装，调整并固定检测装置使钢丝绳适度压缩弹簧，调整感应器位置使其恰能检测感应片。绞车提升耙臂时，释放态的钢丝绳逐渐远离绳头固定位置，临近冲顶限位位置时与滚轴相接触并推动连接杆压缩弹簧，感应片随之向腔体密闭端移动，感应器检测到感应片即向控制器发出耙臂已达冲顶报警位置信号。

4 应用效果

该检测装置已实际应用于多艘耙吸挖泥船的耙臂绞车钢丝绳松弛及耙臂冲顶检测。某型耙吸挖泥船最大设计挖深为28 m，其弯管、耙中、耙头部位绞车所配备钢丝绳全长分别约35 m、46 m和75 m，耙臂弯管、耙中和耙头都升至安全限位位置时，耙臂三部位绞车上缠绕的钢丝绳匝数分别为15匝、13匝和16匝，故为避免发生耙臂冲顶事故，需在上述匝数对应的位置分别装配检测装置获取释放态钢丝绳位置信息。图4（a）为某耙吸船弯管位置的检测钢丝绳松弛状态的装置实际安装图，图4（b）为某耙吸船检测耙臂冲顶状态的装置实际安装图。

图4 装置实际安装图Fig.4 Practical installation of the device

经过长时间运行测试，该装置运行稳定，可有效检测钢丝绳松弛和耙臂冲顶，并能实时向控制系统发送相应信号，为系统控制及安全报警提供重要参考。该装置已应用于多艘耙吸挖泥船，运行状态良好。

5 结语

针对耙吸挖泥船耙臂绞车钢丝绳松弛和耙臂冲顶问题，设计了一种检测装置。根据钢丝绳松弛和耙臂冲顶时钢丝绳的动作特点，将对钢丝绳的位移检测转化为对感应片的位置检测，感应器探测到感应片即发出高电平信号。针对松弛和冲顶检测需采用不同的安装方式，以满足检测和控制需求。在多艘挖泥船上对该装置进行了测试应用，结果表明该装置稳定可靠，可对钢丝绳松弛和耙臂冲顶及时响应，为系统控制提供重要数据与安全报警信息。