一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了耙吸式挖泥船在耙吸過(guò)程中，耙頭受海床作用所產(chǎn)生的摩擦力系數(shù)估算方法以及對(duì)摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法，本發(fā)明包含以下步驟：通過(guò)三維狀態(tài)空間建立耙吸管系統(tǒng)受力分析數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出耙頭受海床作用產(chǎn)生摩擦力系數(shù)的估算模型；利用ISODATA算法對(duì)耙頭所受海床摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明能很好的預(yù)測(cè)耙吸式挖泥船在挖泥作業(yè)過(guò)程中海床地表特征對(duì)耙頭的影響，對(duì)延長(zhǎng)耙頭使用時(shí)間、提高挖泥船疏浚效率以及降低挖泥船能量消耗方面具有一定參考價(jià)值。
【專利說(shuō)明】
一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于疏浚工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 耙吸式挖泥船在現(xiàn)代科技社會(huì)中得到廣泛利用，尤其是在陸域形成及臨海工業(yè)園 區(qū)的建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。耙吸式挖泥船挖泥控制具備了技術(shù)含量高、機(jī)械設(shè)備 繁雜、自動(dòng)化要求高等特點(diǎn)，提高耙吸工作率成為挖泥指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)。一方面，由于 耙吸式挖泥船耙頭在水下施工，工作人員很難判斷耙頭實(shí)際工作狀態(tài)，從而難以提高耙吸 作業(yè)的工作率；另一方面，在耙吸過(guò)程中，如果耙頭與海床之間的摩擦力過(guò)大，對(duì)耙頭的使 用壽命以及船舶能耗帶來(lái)影響。
[0003] 目前，我國(guó)對(duì)耙吸式挖泥船耙頭問(wèn)題的分析，尤其是海床對(duì)耙頭摩擦力分析一直 處于二維空間分析階段，這不利于準(zhǔn)確把握耙頭的動(dòng)態(tài)過(guò)程，造成理論分析結(jié)果與實(shí)際情 況的偏差較大。隨著科技的發(fā)展，耙吸挖泥船疏浚作業(yè)過(guò)程中使用液壓控制系統(tǒng)和傳感器 等技術(shù)，使對(duì)耙頭所受到海床摩擦力問(wèn)題的研究變得相對(duì)容易，計(jì)算耙頭受海床的摩擦系 數(shù)分析也帶來(lái)了方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是耙吸式挖泥船在疏浚作業(yè)過(guò)程中，耙頭受到的海床摩 擦力系數(shù)估算以及對(duì)該系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法。
[0005] -種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法，其特征在于包含以下步驟： a) 通過(guò)基于0PC信息采集與處理軟件獲得數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)中； b) 建立耙吸管系統(tǒng)力學(xué)模型，并推導(dǎo)出關(guān)于摩擦力系數(shù)的計(jì)算方法； c) 通過(guò)聚類算法對(duì)計(jì)算出來(lái)的摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； d) 經(jīng)過(guò)聚類分析后的數(shù)據(jù)集合即為耙頭受海床摩擦力影響的各種狀態(tài)。
[0006] 所述步驟a)中，獲取的數(shù)據(jù)包括：耙頭的重力、海水的浮力、耙吸過(guò)程中海床對(duì)耙 頭的反作用力、海床對(duì)耙頭摩擦力、海水水流阻力、相鄰耙管對(duì)耙頭的作用力、耙管重力（包 括在挖泥過(guò)程中整段耙管內(nèi)的泥漿的重力）、耙管受到海水的浮力、纜繩的拉力、臨近耙管 之間的作用力、海水水流阻力、波浪補(bǔ)償器纜繩張力、耙管之間作用力、挖泥船航行速度等。
[0007] 所述步驟b)中，通過(guò)三維狀態(tài)空間建立耙吸式挖泥船耙吸管系統(tǒng)力學(xué)模型。
[0008] 所述步驟c)中，采用IS0DATA聚類分析算法對(duì)計(jì)算出摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與 分析。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明利用IS0DATA算法所具有的自我調(diào)節(jié)與自適應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)摩擦力系數(shù)進(jìn)行識(shí) 別處理，很好的預(yù)測(cè)了耙吸挖泥船在挖泥作業(yè)過(guò)程中海床地表特征對(duì)耙頭的影響，對(duì)延長(zhǎng) 耙頭使用時(shí)間、提高挖泥船疏浚效率以及降低挖泥船能量消耗方面具有一定參考價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是耙頭耙管受力分析圖， 圖2是耙吸管系統(tǒng)三維坐標(biāo)圖， 圖3是耙頭耙管投影比值關(guān)系圖， 圖4是IS0DATA算法控制流程圖， 圖5是耙頭所受摩擦力系數(shù)分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 1)耙頭、耙管的受力數(shù)學(xué)模型分析 建立耙頭、耙管力學(xué)方程之前，首先對(duì)耙吸管進(jìn)行狀態(tài)空間體系的建立，該體系采用右 旋坐標(biāo)系，X軸方向?yàn)檠赝谀啻L(zhǎng)軸方向并且指向船舶的艏向，Y軸方向?yàn)檠赝谀啻梯S方 向并且指向船舶的右舷，坐標(biāo)原點(diǎn)選取以耙頭相接的耙管為起點(diǎn)，Z軸方向?yàn)槲嗫谒跈M 截面上的垂直方向。耙吸管系統(tǒng)三維坐標(biāo)模型如圖1所示。
[0012] 為研究耙吸式挖泥船在挖泥作業(yè)過(guò)程中的耙頭、耙管的受力狀態(tài)，對(duì)于耙頭和耙 管進(jìn)行受力分析。耙頭主要受力包括：耙頭的重力、海水的浮力、耙吸過(guò)程中海床對(duì)耙頭的 反作用力、海床對(duì)耙頭摩擦力、海水水流阻力、相鄰耙管對(duì)耙頭的作用力等；耙管主要受力 包括：耙管重力（包括在挖泥過(guò)程中整段耙管內(nèi)的泥漿的重力)、耙管受到海水的浮力、纜繩 的拉力、臨近耙管之間的作用力、海水水流阻力、波浪補(bǔ)償器纜繩張力、耙管之間作用力等， 在挖泥過(guò)程中對(duì)于耙頭和耙管進(jìn)行受力分析，如圖2所示。
[0013] 為獲得耙管施工過(guò)程中三維工作姿態(tài)，在耙管上安裝了角度傳感器，檢測(cè)信號(hào)包 括：上耙管垂直角度、下耙管垂直角度、上耙管水平角度、下耙管水平角度。圖2中扇為垂 直角度、為水平角度。
[0014] 設(shè)耙管Κ!: =0,〇向量單元為
(1) 對(duì)耙頭三維坐標(biāo)方向作受力分析，根據(jù)受力平衡得到以下方程式：
(2) 式中，&為耙頭受到海床的摩擦力；為臨近耙管對(duì)耙頭的作用力為耙頭的 質(zhì)量；·為重力加速度；ρ為海水的密度；為耙頭的體積；石為耙頭受到的吸力；屬_ 為海床對(duì)耙頭的反作用力。
[0015] 其中為待估計(jì)量；:.??主要通過(guò)軸銷傳感器檢測(cè)得到；，#:，_.為 固定量，可以通過(guò)測(cè)量得到。耙頭受到吸力?可以近似用下式得到： (3) 式中G為耙頭入口形狀決定的無(wú)量綱系數(shù)；八為泥水混合物的密度大?。桓鳛榘翌^ 寬度；|為耙頭長(zhǎng)度；％為流體經(jīng)過(guò)耙管內(nèi)泥水混合物速度大小。
[0016] 其中、、通過(guò)泥泵出口的流量計(jì)和密度計(jì)測(cè)量得到。
[0017] 耙吸式挖泥船在耙吸過(guò)程中，耙管要受到海水阻力的影響，水流阻力主要涉及到 流體純粘性阻力和渦旋阻力等。耙吸式挖泥船在海水內(nèi)區(qū)域作業(yè)時(shí)，波浪的影響可以忽略。 但是海水相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)耙管的影響較大。
[0018] 在海洋工程領(lǐng)域中，計(jì)算流體的阻力一般采用莫里遜公式。計(jì)算公式如下
(4) 式中_:為水流阻力大??；G為拖拽力系數(shù)，耙管長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于外直徑，一般取^>:=1 ; _:為耙管外直徑：?為挖泥船航行速度；G為海水流速度；為耙管長(zhǎng)度。
[0019] 當(dāng)挖掘的泥水混合物經(jīng)過(guò)耙管各個(gè)彎結(jié)和入口時(shí)，耙吸管中的泥水混合物的流動(dòng) 方向發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致耙管所受的力矩大小發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)耙管產(chǎn)生沖擊力。耙 管與耙管之間安裝軸銷傳感器，可以檢測(cè)出耙管之間作用力的大小。所以，流體對(duì)耙管沖擊 力大小計(jì)算可以通過(guò)綜合檢測(cè)壓力大小得到，￥*也即包含了沖擊力大小。
[0020] 通過(guò)對(duì)耙管三維坐標(biāo)方向受力分析，由受力平衡得到以下方程式：
(5) 式中，Λ為耙管受到纜繩的拉力為耙管的體積^為相鄰耙管對(duì)耙管的作用 力。
[0021] 針對(duì)耙管受力分析，通過(guò)力學(xué)平衡和力矩平衡的知識(shí)得到：
式中，，耙管的質(zhì)量/??耙管耙頭之間的作用力，魏纜繩的拉力，I耙管的水平面投 影長(zhǎng)度，義纜繩方向矢量，耙管的體積。
[0022] 耙吸式挖泥船上關(guān)于纜繩拉力/1計(jì)算，根據(jù)波浪補(bǔ)償器的工作原理，得到
(8) 式中，知為纜繩的彈性系數(shù)為纜繩的阻尼系數(shù)；及為纜繩長(zhǎng)度變化量；B為纜繩 長(zhǎng)度變化速度。
[0023] 投影比值#的計(jì)算方法如下： 根據(jù)圖3所示求得
(9) 式中￡2為耙管0處萬(wàn)向接頭到耙管0與耙頭銜接處的距離；至1為耙管0處萬(wàn)向接頭 到耙頭頭部的距離。
[0024] 通過(guò)上述方程，結(jié)合耙管和耙頭的力學(xué)平衡方程，解得
上式左仂R需誦忖濁洎補(bǔ)倥惡的張士i+笪就可以了，不需其他的假設(shè)。
[0025]
(12) 水平方向上，耙管拖拽力的表達(dá)式表示如下：
(13) 將（13)式代入（10)中可以得關(guān)弓
的預(yù)測(cè)方程。
[0026] 兩耙管連接處的軸銷傳感器，連接處的張力根據(jù)作用力與反作用力可以得到 = ,由（7)解算得到
(14) 式中/3為軸銷傳感器檢測(cè)力在三維空間三個(gè)方向力的大?。?< 為耙管在三維空間向 量。
由上式可以得到線性回歸方程為： (16) 式中2、C為1x3的矩陣，此處計(jì)算過(guò)程省略。
[0027] 推導(dǎo)出來(lái)的線性回歸方程可以計(jì)算出一系列離散化的關(guān)于耙吸式挖泥船耙頭與 海床的摩擦力系數(shù)。但是由于海床的復(fù)雜性，無(wú)法通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)得到預(yù)估評(píng)測(cè)。
[0028] 2) IS0DATA算法對(duì)耙頭所受海床摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 由于IS0DATA算法具有試探性、適用于識(shí)別致密聚類優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)算過(guò)程中對(duì)于所 取的聚類中心的數(shù)目是可變的，而且可以根據(jù)具體情況進(jìn)行反復(fù)的修改，這種修改的方式 主要通過(guò)模式類的合并和分裂來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)附圖4所示： 利用上述線性回歸方程（16)計(jì)算出在某一時(shí)間段耙吸式挖泥船在挖泥施工工程中所 計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)，設(shè)該數(shù)據(jù)組成的樣本為石.石。通過(guò)IS0DATA算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行 聚類分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： (1)預(yù)選@個(gè)聚類中心，％不要求為希望的聚類數(shù)目（這些初始聚類中 心可以通過(guò)：減個(gè)模式選取),預(yù)選方式如下： 尤：為所期望聚類中心的數(shù)量:每個(gè)聚類中最少的樣本數(shù)； 巧：為一個(gè)聚類域中樣本距離分布標(biāo)準(zhǔn)差；％ :兩個(gè)聚類中心最小距離； 必：再一次迭代中允許合并的聚類中心最大對(duì)數(shù)；Γ :允許迭代次數(shù)。
[0029] (2)把及個(gè)樣本按照最近鄰規(guī)則分配到和個(gè)聚類中去，若
則16? (3) 若考中樣本數(shù)%:<%:，則取消該類，并且％@:4 ; (4) 修正各聚類中心數(shù)值：
(5) 計(jì)算聚類域_中各樣本到該聚類中心平％
(6) 計(jì)算全部樣本到各樣本到該聚類中心平坨
(7) 判斷進(jìn)行分裂還是進(jìn)行合并，決定迭代步驟：1.如果迭代次數(shù)達(dá)到了，則爲(wèi)=0,則 跳至（11);2.如果<5尤/2，則跳至（8);3.如果％^二，則跳至（11)，否則跳至（8)。
[0030] (8)計(jì)算每個(gè)聚類樣本的標(biāo)準(zhǔn)差向量：
其中各分量為
[0031] (9)求每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差向量的最大分量； (10)在最大分量I
如果>巧，此時(shí)又能滿足以下條件之
[0032] 則將&分別和_，并且凡=凡+1，如果本步驟完成聚類計(jì)算，迭代次數(shù)加 1，則跳至（2)，否則跳至（11); (11) 計(jì)算所有聚類中心的距離_ ^ .
(12) 比較所有4與今大小，按照小于爲(wèi)升序排列； (13) 如果將距離^兩類合并，得到新的聚類中心，每合并一次況=_.-1 ; (14) 如果是最后一次迭代，則算法結(jié)束；否則有兩種情況： 1.需要修改參數(shù)，跳至（1);2.輸入?yún)?shù)不修改，跳至（2)。
[0033] 此時(shí)，迭代次數(shù)加1，繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算。
[0034] 3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 圖5是耙吸式挖泥船在疏浚作業(yè)過(guò)程中，利用公式（16)計(jì)算出耙頭受海床作用摩擦力 系數(shù)分布。
[0035] 圖5中XI，X2為列舉出來(lái)的聚類，兩個(gè)聚類相對(duì)整個(gè)摩擦力系數(shù)分布來(lái)說(shuō)，為小 概率事件，但對(duì)于耙頭的工作效率和使用壽命的影響是不可忽略的，與其它聚類距離較大， 耙頭摩擦系數(shù)過(guò)大對(duì)耙吸式挖泥船疏浚作業(yè)來(lái)說(shuō)是不理想的，通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)的聚類分 析，可以識(shí)別耙頭的工作狀態(tài)，對(duì)于特殊海床地形的情況下，耙頭受到海床的摩擦力大小變 化有一定預(yù)測(cè)性；同時(shí)，IS0DATA算法在運(yùn)算過(guò)程中對(duì)所取的聚類中心數(shù)目可以修改，對(duì)于 摩擦力系數(shù)較大的特定土質(zhì)環(huán)境,一方面可以調(diào)節(jié)高壓沖水流量來(lái)改變地質(zhì)泥沙的物理特 性，從而降低耙頭摩擦力；另一方面可以通過(guò)調(diào)節(jié)耙頭挖深等方式改變耙頭受到海床摩擦 力的影響；同時(shí)，對(duì)于改變大硬度物質(zhì)對(duì)耙頭的損傷也具有一定預(yù)測(cè)和保護(hù)性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法，其特征在于包含以下步驟： a) 通過(guò)基于OPC信息采集與處理軟件獲得數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)中； b) 建立耙吸管系統(tǒng)力學(xué)模型，并推導(dǎo)出關(guān)于摩擦力系數(shù)的計(jì)算方法； c) 通過(guò)聚類算法對(duì)計(jì)算出來(lái)的摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； d) 經(jīng)過(guò)聚類分析后的數(shù)據(jù)集合即為耙頭受海床摩擦力影響的各種狀態(tài)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法，其特征在于所 述步驟a)中，獲取的數(shù)據(jù)包括：耙頭的重力、海水的浮力、耙吸過(guò)程中海床對(duì)耙頭的反作用 力、海床對(duì)耙頭摩擦力、海水水流阻力、相鄰耙管對(duì)耙頭的作用力、耙管重力（包括在挖泥過(guò) 程中整段耙管內(nèi)的泥漿的重力）、耙管受到海水的浮力、纜繩的拉力、臨近耙管之間的作用 力、海水水流阻力、波浪補(bǔ)償器纜繩張力、耙管之間作用力、挖泥船航行速度等。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法，其特征在于所 述步驟b)中，通過(guò)三維狀態(tài)空間建立耙吸式挖泥船耙吸管系統(tǒng)力學(xué)模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耙吸式挖泥船耙頭摩擦力系數(shù)分析方法，其特征在于所 述步驟c)中，采用ISODATA聚類分析算法對(duì)計(jì)算出摩擦力系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK106033486SQ201510099643
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月7日
【發(fā)明人】仲建芳, 許亦清, 夏冬
【申請(qǐng)人】鎮(zhèn)江市億華系統(tǒng)集成有限公司