波浪补偿系统在自航绞吸挖泥船上的应用

霍学亮， 蔡建军， 张润喜

(1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457)

0 引 言

波浪补偿系统通常应用在耙吸船上，可使耙吸挖泥船在海面有波浪或水底地形有起伏的情况下耙头始终贴紧水底泥面[1]。波浪补偿系统是近代耙吸式挖泥船上普遍使用的一种疏浚辅助装置。波浪补偿实际上是升沉补偿，主要是在垂直方向上补偿钢丝绳的张力，防止船舶上下起伏导致钢丝绳松弛从而避免或减轻对设备的冲击。耙吸船波浪补偿系统是一套采用被动补偿方式的自动控制系统，应用恒张力的原理，用于补偿船舶因波浪升降而影响耙头对海底或河床的压力[2]。将波浪补偿系统应用于大型自航绞吸挖泥船桥架提升系统在国内开创先例。

1 波浪补偿系统

天鲲号是由我国自主设计建造的超大型自航绞吸挖泥船，船体艉部设置带有波浪补偿系统的重型桥架[3]，可确保起升桥架钢丝绳在船舶施工作业时始终保持张紧状态，避免船体随波浪上下垂荡造成绞刀头与疏浚物撞击，增强船舶在大风浪工况下的施工安全性和连续性[4]。该系统为被动型波浪补偿系统[5]，每套波浪补偿系统由油缸、导向滑轮组、蓄能器组、空气瓶组和控制系统等组成，其油缸两端各设置滑轮组。桥架钢丝绳通过油缸张紧，可确保起吊钢丝绳在风浪工况下作业始终保持张紧状态，减少船体在风浪中升沉对起吊设备的冲击，确保安全施工。波浪补偿系统如图1所示。起升桥架绞车和波浪补偿油缸安装在船体上，通过钢丝绳将波浪补偿油缸、滑轮组和桥架连接为一个整体。

图1 桥架波浪补偿系统

2 自航绞吸挖泥船桥架波浪补偿系统

自航绞吸挖泥船桥架波浪补偿系统由波浪补偿油缸、低压蓄能器、高压蓄能器、蓄能器控制阀组和电磁阀等组成，共2套，分左舷、右舷对称布置。

2.1 波浪补偿油缸

波浪补偿油缸由上端油缸和下端油缸组成，如图2所示。上端油缸行程较长，约4 m，为低压腔；下端油缸行程较短，为高压缓冲腔。油缸低压腔配备高精度位移传感器，用于测量油缸的运行速度。

图2 波浪补偿油缸

在船体随波浪下降时，桥架由于惯性相对船体上升，对地压力增大，钢丝绳受力减少，下端油缸受压伸出，上端油缸与下端油缸分离，桥架上端油缸快速伸出涨紧钢丝绳，防止钢丝绳松脱或绷断，可大幅提高桥架的安全性能。

在船体随波浪上升时，桥架由于惯性相对船体下降，桥架上端油缸被动快速缩回，钢丝绳始终处于涨紧状态。在上端油缸回缩至与下端油缸接触位置时，下端油缸起缓冲作用，减慢油缸相对速度，减少系统冲击。高压缓冲腔油缸运动位置如图3所示。

图3 高压缓冲腔油缸位置示例

2.2 蓄能器控制阀组

蓄能器控制阀组主要用于低压腔液压油的控制，由主阀、副阀、紧急阀、控制阀、安全阀等组成，如图4所示。主阀用于控制波浪补偿油缸低压腔和低压蓄能器主油路的通断，主油路流量较大。副阀用于控制波浪补偿油缸低压腔和低压蓄能器副油路的通断，副油路流量较小。紧急阀用于在油缸超速运行时紧急关闭主阀。安全阀主要用于在主阀关闭后管路油压超压时开启，以保护液压系统。

图4 蓄能器控制阀组

主阀、副阀、紧急阀等各阀组的开启关闭由各控制电磁阀实现。各控制电磁阀功能如表1所示。

表1 电磁阀功能

2.3 液压原理

低压蓄能器由5组1 600 L的压缩空气蓄能器为其缓冲，最大提供85 bar(1 bar=0.1 MPa)的压力，通过调节空气蓄能器的压力实现对钢丝绳恒张力的调节。在系统开启后，船体随波浪抬升，油缸缩回，钢丝绳保持设定的恒张力。在船体随波浪下降时，油缸伸出，钢丝绳保持设定的恒张力(小于起升桥架拉力)，确保绞刀头紧贴海床不被拉起。高压蓄能器由10组50 L的氮气蓄能器为其缓冲，最大提供300 bar压力，用于缓冲上端油缸高速运动。在上端油缸高速向下冲击时，上端油缸活塞撞击下端油缸活塞杆，氮气蓄能器对下端油缸进行缓冲，使上端油缸在接近底部时，不直接撞击油缸底部，减轻上端油缸活塞对油缸底部的撞击力，从而对油缸自身、船体及桥架滑轮组进行缓冲。波浪补偿系统液压原理如图5所示。

图5 波浪补偿系统液压原理

3 自航绞吸挖泥船桥架补偿控制系统

自航绞吸挖泥船在工作时船体一直受到波浪影响，波浪补偿油缸处于快速运动中，特别是在绞刀头摆动过程中遇到深坑的情况下，地面对绞刀的力会突然消失，绞刀和桥架会迅速下降，波浪补偿油缸会跟随快速运动直至活塞与缸体碰撞，造成波浪补偿油缸损坏。为保护油缸，专门为天鲲号配备1套桥架补偿控制系统，其可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)可在较短时间内迅速作出响应。

桥架补偿控制系统由PLC、位移传感器、电磁阀、压力传感器等组成。油缸内配置高动态和高精度的位移传感器，用于监控油缸位置，位移精度可达0.01 mm，速度精度可达4.0 m/s。PLC实时采集油缸位移、速度及两腔压力，在油缸失速达2.5 m/s时触发电磁阀(S2703)动作，紧急阀开启，通过控制油蓄能器迅速关闭主阀，从而制约油缸运动速度，使其减速，避免撞击造成油缸损坏。

在波浪补偿功能正常工作时，左油缸电磁阀S2702、S2704和右油缸电磁阀S2714、S2716得电工作；在出现掉坑和钢丝绳断裂引起失速报警时，左油缸电磁阀S2703、S2705和右油缸电磁阀S2715、S2717得电工作，迅速将2个油缸的速度降为原来的20%，尽可能避免速度过快引起撞缸。桥架补偿控制系统界面如图6所示。

图6 桥架补偿控制系统界面

4 结 语

自航绞吸挖泥船设置桥架波浪补偿系统可改善船体运动对桥架的冲击。在一定波浪情况下，船舶仍可施工作业，增加船舶作业时间；在工作时钢丝绳保持恒张力，使绞刀头紧贴海床施工，提高工作效率；降低设备损坏概率，对船体及桥架起到缓冲作用，避免浪产生的瞬间峰值负荷，并防止钢丝绳松脱。专门配置的桥架补偿控制系统实现防掉坑功能，可有效保护油缸安全。