船载挖机水下自动化基床整平技术

船载挖机水下自动化基床整平技术荆雷;刘滔涨培生;姚平【摘要】为满足长江南京以下12.5m深水航道二期工程仪征水道整治工程基床整平进度需要，结合现场工况条件，开发了新型的船载挖机水下自动化基床整平系统.该整平系统采用了大型驳船搭载自动化整平挖机以及辅助抛石溜筒其整平设备建造周期短、投入少、费用低，且具备深水整平的能力,工艺安全可靠施工工效快，基床整平质量可达规范±5cm的要求%Tomeettheneedsoffoundationbedlevelingforthe2ndphaseofYizhengwaterwayregulationprojectofthedeep-waterchannel12.5mbelowtheYangtzeRiverofNanjing,anovelautomaticbedlevelingsystembasedonshipborneunderwaterexcavatorwasdevelopedbycombiningwithworkingconditionsonsite.Thislevelingsystemappliedalarge-scalebargeequippedwithautomaticlevelingexcavatorandanauxiliaryriprapslipcylinder.Itwascharacterizedbyshortconstructionperiod,lowinvestment,lowcost,theabilityofdeep-waterleveling,safeandreliabletechnologies,andefficientconstruction.Additionally,thequalityoffoundationbedlevelingcouldreachtherequirements(±5cm).【期刊名称】《水运工程》【年(卷)，期】2018(000)006【总页数】6页(P180-184,203)【关键词】船载挖机;水下自动化;基床整平【作者】荆雷;刘滔涨培生;姚平【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032;中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032;中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江212000;中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江212000【正文语种】中文【中图分类】U617仪征水道整治工程位于镇江市丹徒区世业洲西侧。本工程头部潜堤、SL1丁坝、SL2丁坝和Y2丁坝采用〃抛石基床+梯形空心构件”混合堤结构形式［1］，梯形空心构件安装前需进行基床整平，基床整平作为预制构件混合堤的关键工序，其整平质量和进度直接影响构件安装和混合堤的形成。本工程施工区域流向以单向下泻流为主，流速大，流向紊乱。施工区域最大流速达到2.5ms。整平最小水深4m、最大水深16m，整平总长为1595m,整平总面积为11165m2。且部分整平段存在9%。纵坡，单个构件长4.94m，单个构件基床高差为4.4cm。结合此工况，通过分析现有基床整平的工艺特点，发现人工整平不具备深水整平能力，精度低；而大型整平船舶整平精度高但数量少，调遣费用高；步履式整平机整平精度低，无补抛石料设备［2］。针对此种情况，进行了船载挖机水下自动化基床整平系统的设计。基床整平工艺对比见表1。表1现有基床整平工艺对比整平类型配置投入精度/Cm效率/(m2-d-1)特点人工整平人员配置多，投入少、费用低±10约180(4组潜水)受水深、流速影响大，不具备深水整平能力，人工水下作业危险性大大型整平船整平大型船舶，投入、调遣费用高±5约300整平框架座底，整平精度高，不受水深流速影响，配置抛石溜筒3步履式整平机整平投入少、费用低±10约500座底式整平，整平精度低，不受水深流速影响，无补抛石料设备1整平系统设备布置整平系统采用三一重工SY850H型长臂挖掘机，该挖机内部重新设计了伺服油路控制系统，采用电控先导。伺服油路由电磁阀组控制，电磁阀组再由挖掘机主控制器控制。对动臂和斗杠进行加长，最大整平深度可达到17m。铲斗采用2m宽的平口，斗容弧形设计，为满足整平坡比要求，平口两端有9%。高差具体参数见表2。表2SY850H长臂挖机（主机85t）参数主要配置名称参数五十铃发动机6WG1功率343kW川崎K3V280DTH单泵540L/min动臂长度15m斗杆长度86m泵流量响应时间200ms铲斗宽度2m将挖机固定在3000t驳船船头，驳船规格为70.15mx19.51m,通过6个锚缆移船定位，使整平驳船垂直于基床轴线，保证船头的挖机能够对准基床。辅助配置为深水抛石溜筒，配置1台80t履带吊，可补抛精抛规格粒径为10~20cm的二片石，其布置见图1。图1船载挖机设备布置2挖机自动化基床整平系统构建2.1挖机铲斗定位挖机驾驶台后方盖板上安装2台GPS,运用RTK定位模式，接收主基准站信号，结合挖机尺寸参数，计算挖掘机的方向和车身实时高程，再通过安装在车身上4个传感器的纵向倾斜角度和关键轴之间的长度，经过软件精确计算挖铲尖的实时高程和水平坐标，完成GPS三维坐标向铲尖传递的整个过程，其布置见图2。图2铲斗定位原理2.2整平工作原理建立整平控制系统数学模型，见图3。注：0点为动臂点；A为动臂与斗杆铰点；B为斗杆与挖斗铰点；C为铲尖。a、B与。分别为上述连线与水平面的夹角。图3挖机数学模型1） 自动平地时，铲尖C始终运行在地面上，所以铲尖的运动高度h=0。2） 在铲尖C从远处向车体运行的过程中，B的变化程度大于a，易于控制，故作为自变量，以a作为因变量，随着B的变化按照一定的函数关系变化，使铲尖始终在水平面上运动。3） 平地时锁定铲斗油缸，即中=e+B为常量，模型中只有a和B两个变量。其控制方法为：1）以速度模型为控制基础，从任意姿态点开始，用速度模型计算出动臂和斗杆控制输出，使挖铲尖连贯地水平运动；2）用位移模型作为铲尖离地高度的控制依据，当铲尖高度出现偏差时对1）中的动臂控制量进行调整，使铲尖高度控制在预设的数值上，同时根据定位系统上传高程数据实现闭环控制，保证整平面高度一致。其原理见图4。图4挖机自动化基床整平系统工作原理车载电脑将GPS定位数据和4个传感器的数据进行汇总，发送到挖机水下基床自动化整平控制系统中，计算铲斗尖的坐标并与设计数据进行比对，给出差值并显示在屏幕上。同时CAN总线得到引导控制系统的挖掘机姿态信息及铲斗尖位置与目标位置的差值，然后通过阀芯、限流比例阀实现对主阀、主泵的控制，主阀节流、主泵容积调速，实现对工作装置各油缸的精确控制，调整动臂、斗杆及回转动作，实现自动整平。3挖机自动化基床整平精度分析3.1挖斗尖运行轨迹的高程误差系统能自动检测到铲斗斗尖的位置，自动与目标位置进行对比并能适时调整到目标的位置。自动控制系统监测到的铲斗斗尖在60s内的运行轨迹线见图5。图5铲斗斗尖在60s内的运行轨迹线经分析计算，铲斗斗尖接受自动化整平系统控制指令后斗尖运行轨迹的高程最大误差为±3.4cm，平均值为±2.25cm。3.2船舶运动响应对整平精度的影响整平船采用3000t方驳，使用锚缆带紧来保持船身的稳定性，而江面上的波浪、风力及船行波等综合因素对整平船产生一定的位移及高程偏差。采用瑞典SMC的IMUS-108传感器来测量船舶的横摇、纵摇以及升沉运动对被测点Z方向（挖机中轴线）的影响，并得到时间历程曲线（图6）。通过分析计算，船舶的升沉运动幅值为0~1.46cm，最小周期5s。期间受巨轮船行波的影响，船舶的升沉运动幅值最大为±6cm,作用周期大于100s。由于基床自动整平控制系统的控制响应周期为0.206s，因此船舶的升沉运动影响可以通过控制系统予以消除。同时，船行波是可预见的，在施工时可以规避（单子步自动整平的最长时间为80s）。图6Z方向的时程曲线3.3挖机结构挠度变形造成的误差进行整平施工时，挖掘机的刮刀刮动石料会产生约46kN（经过刮刀阻力试验得到铲板的有效线阻力为23.08kNm）的刮铲阻力，这个会使挖机结构挠度变形造成误差。经陆地试验，铲斗阻力为46kN时，铲斗尖平面位置变化为4cm,铲斗尖高程变化为±0.3cm。通过上述计算，挖机整平船整平精度综合误差为±3.7cm（3.4cm+0.3cm），满足规范±5cm整平精度要求［4］。4挖机自动化基床整平施工自动化基床整平过程中，车载电脑软件自动标注已完成整平区域整平深度（高程），在导航界面上显示驳船和定位桩的位置，显示已经整平、未整平、正在整平的区域。如出现铲斗刮不动有抬升的现象，在控制系统中进行设置，分多层进行刮铲，保证基床的平整度。4.1施工工艺1） 整平前，在粗抛基床断面上划分抛石网格，根据粗基床顶面水深测量数据结合基床预留沉降量计算每个网格的精抛二片石方量。2） 基床整平时，根据整平驳船定位系统的指示，移船就位将挖机对准拟整平基床位置，进行粗定位。同时设置基床整平的控制高程、范围、里程号和相关参数，进行分层、层高等设置（图7）。图7挖机自动化基床整平系统3） 按下挖机操作界面的〃开始整平”按钮，挖机铲尖在整平基床最远端自动进行精定位，同时在车载电脑上实时显示偏差，偏差满足要求后，挖机开始进行单子步的自动化整平作业，整平时间约为80s，挖掘机由远及近整平一个长8m的区域，中途自动调整动臂和斗杠，该整平子步完成后，挖机动臂自动抬起，在屏幕上显示“整平完成，请移船”。4） 驳船同步绞锚移船，平移1m，整平下一区域，按照2）、3）步骤进行整平，每个子步之间搭接1m（挖斗宽度为2m时，每个子步整平的有效进尺为1m），以铲刮多余石料，循环施工直至完成。整平流程见图8。图8挖机自动化基床整平流程4.2基床整平质量整平完成后采用溜筒内GPS测绳检测和辅助多波束测量。测量前将抛石溜筒下放到距离基床顶面20cm位置，在溜筒内测量，可有效克服水流大、测绳拉伸不直等误差影响。同时对测绳的总长进行校核，确保钢丝测绳和人为因素误差在1cm以内。为了系统判断基床整平质量，对测量断面和测点均进行了加密，以1~2m—个断面，每个断面5个点进行测量，共测量921个断面。统计结果见表3。表3基床整平数据检测位置允许偏差检测点数合格点数不合格点数合格率％距基床轴线南、北侧2m1842178953971距基床轴线南、北侧4m±5cm18421719123933基床轴线92190219979合计46054410195957基床整平测点合格率达到95.7%，符合设计以及规范要求，不合格点大部分分布在基床轴线最远端。通过多波束扫测3D成图，整平后的基床十分平整，而外部河床则坑洼不平，证明水下挖机自动化整平工艺是可行的。4.3基床整平工效通过现场测试挖机整平能达到6mh，按照每个工作日12h计算，工效达到576m2d。该工效为铲斗宽度2m时的工效，根据施工中挖机油缸的压力情况，2m刮刀整平的刮铲阻力远小于挖机的额定刮铲力，如制作3m宽的铲斗，则每刮一次有效进尺2m,跟现有的2m刮刀相比，整平的工效能够极大提高。5结语1） 船载挖机整平设备采用改造的长臂挖机搭载驳船，其建造时间比大型整平船的短，投入的费用低，其整平不受水深、流速的影响，配备补抛石溜筒，相比较人工整平和步履式基床整平，能极大提高整平的精度和效率，成效显著。2） 船载挖机水下自动化基床整平技术采用全球卫星定位监测技术与丰富的设计控制软件相结合，是一种新型可行的浮式智能控制水下基床整平的施工技术，无需挖机人工操作，软件显示的基床整平信息量完整、丰富。可调取铲尖高程的轨迹曲线，查看基床整平的情况，实现基床整平自动化控制和检验。3） 通过对挖机自动化基床整平精度分析，综合考虑各种因素的影响，铲斗斗尖高程精度能很好地控制在允许偏差范围以内，其整平精度完全符合±5cm的规范要求，其用于深水航道整治工程施工，可为类似水深条件下航道整治工程基床整平施工提供借鉴，具有广泛的应用前景