绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统设计_丁宏锴.doc

——————————————————————————————————————————————— 绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统设计_丁宏锴 第30卷第6期 2002年11月河海大学学报(自然科学版)JOURNALOFHOHAIUNIVERSITY(NATURALSCIENCES)Vol.30No.6Nov.2002 绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统设计 丁宏锴,倪福生 (河海大学机电工程学院,江苏常州　213022) 摘要:对绞吸式挖泥船疏浚动态特性的数学模型和仿真系统设计进行了探讨.采用面向对象的VisualC++语言和MicrosoftFoundationClass图形函数,仿真不同疏浚工况下的动态特性,有助于指导挖泥船的高效、安全运行. 关键词:数学模型;仿真;动态特性;绞吸式挖泥船 中图分类号:U616;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1000-1980(2002)06-0040-04 我国江河湖库众多,泥沙淤积问题严重,清淤疏浚是提高大江、大河、大湖防洪及通航能力行之有效的工程措施.在机械疏浚工程中,淤积泥沙或粘性土在绞刀或斗轮的切削作用下与水混合形成高浓度泥浆,并在泥泵的抽吸与推动下,通过各种途径输送到排泥场.由于疏浚土质、河床形态和作业过程的复杂性,严格地讲,疏浚工况是非恒定的.对于多泵和多船接力远距离输送系统,其清淤过程,特别是启动、停机过程的动态特性,将更为复杂,直接关系到挖泥船设备的安全高效运行.因此,研究泥泵管道系统的动态特性变化,仿真疏浚实际作业过程,对于船员掌握先进的疏浚设备,高效的作业方法,避免泥泵出现汽蚀乃至整船意外事故的发生,具有重要的意义. 以疏浚工程中应用较为广泛的绞吸式挖泥船为例,开发基于Windows9X/NT/2000的挖泥船疏浚动态系统仿真数学模型,实时显示疏浚作业过程中挖泥船动态的俯视图、侧视图、横剖面图及各项性能参数,帮助船员对挖泥船进行有效的操作和控制,提高疏浚效率和安全性. 1　数学模型的建立 在实际的疏浚作业过程中,被输送泥浆的密度和特性随时间变化,导致泥泵进口真空度和出口压力随之发生变化.泵出口压力的变化一方面会引起泵轴扭矩的变化,另一方面又会使泥浆流速发生变化,这就意味着混合物会加速或减速,管道的阻力随之发生变化.泥泵在泥浆通过时,会对泥浆的密度和固体颗粒或泥团特性的变化迅速作出响应,而管道的阻力却是由贯穿整个管道的混合物流动决定的,对泥浆密度和固体颗粒或泥团特性的变化,响应相对缓慢,这就构成了一个复杂的动态系统[1,2]. 挖泥船疏浚过程包含土壤切削和泥浆输送两个过程,在实际的疏浚作业中,水流、风力和波浪等的作用也不容忽视.从动态特性研究的角度来看,泥浆输送过程是疏浚作业的核心部分.鉴于水下土壤切削涉及机械、岩土、流体力学等多门学科,切削机理和固液混合过程十分复杂,为简便起见,本文将切削过程作为泥浆输送过程的一个边界条件来处理. 1.1　泥泵柴油机机组旋转运动 挖泥船上一般采用柴油机直接驱动或通过减速箱驱动泥泵,在稳定状态下,柴油机输出的扭矩Tde等于泥泵做功所需的扭矩Tht.此时柴油机的角加速度为零.如果柴油机的扭矩负载大于额定全扭矩点(图1A点),则转速下降,柴油机在满喷油量下工作,即A-B线.对大多数柴油机而言,随着转速的下降,燃油泵的喷油效率相对提高,而使扭矩略有增加.一般情况下,近似认为在A-B线工作范围内扭矩保持不变,也就是柴油机在所谓的恒扭矩区工作(即功率N与转速n之比N/n=常数).随着泥泵流量进一步增加,柴油机的　　收稿日期:2001-10-18 基金项目:教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教技司[2000]65号);教育部留学回国人员科研启动基金(教外司留[2000]367号)1977,,,, 第30卷第6期丁宏锴,等　绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统设计41转速持续下降,在工作点B处,没有足够的空气进行 完全燃烧,此时会发生“堵转”,扭矩急速下降.B点又 称为“冒烟极限”点,此时的运转极为不利,将加剧柴 油机的磨损.A-C线是柴油机近似的恒速工作区. 在此区域内,柴油机负荷下降时,转速略有上升,这是 调速器控制的结果,转速的微小变化取决于调速器的 调节特性. 上述特性说明,负载的变化导致柴油机转速变 化,变化的快慢还取决于泥泵柴油机机组的惯性.所 以,泥泵柴油机机组旋转运动的数学模型可表示为[2] (Ide+Icp+Igbdt=Tde-Tht(1) 式中:Ide———柴油机的转动惯量;Ig