一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法
【专利摘要】本发明公布了耙吸式挖泥船在耙吸过程中，耙头受海床作用所产生的摩擦力系数估算方法以及对摩擦力系数进行数据处理的方法，本发明包含以下步骤：通过三维状态空间建立耙吸管系统受力分析数学模型，并推导出耙头受海床作用产生摩擦力系数的估算模型；利用ISODATA算法对耙头所受海床摩擦力系数进行数据处理。本发明能很好的预测耙吸式挖泥船在挖泥作业过程中海床地表特征对耙头的影响，对延长耙头使用时间、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参考价值。
【专利说明】
一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法
技术领域
[0001] 本发明属于疏浚工程技术领域，特别涉及一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析 方法。
【背景技术】
[0002] 耙吸式挖泥船在现代科技社会中得到广泛利用，尤其是在陆域形成及临海工业园 区的建设中发挥着至关重要的作用。耙吸式挖泥船挖泥控制具备了技术含量高、机械设备 繁杂、自动化要求高等特点，提高耙吸工作率成为挖泥指标的一个重要参数。一方面，由于 耙吸式挖泥船耙头在水下施工，工作人员很难判断耙头实际工作状态，从而难以提高耙吸 作业的工作率；另一方面，在耙吸过程中，如果耙头与海床之间的摩擦力过大，对耙头的使 用寿命以及船舶能耗带来影响。
[0003] 目前，我国对耙吸式挖泥船耙头问题的分析，尤其是海床对耙头摩擦力分析一直 处于二维空间分析阶段，这不利于准确把握耙头的动态过程，造成理论分析结果与实际情 况的偏差较大。随着科技的发展，耙吸挖泥船疏浚作业过程中使用液压控制系统和传感器 等技术，使对耙头所受到海床摩擦力问题的研究变得相对容易，计算耙头受海床的摩擦系 数分析也带来了方便。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是耙吸式挖泥船在疏浚作业过程中，耙头受到的海床摩 擦力系数估算以及对该系数进行数据处理方法。
[0005] -种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法，其特征在于包含以下步骤： a) 通过基于0PC信息采集与处理软件获得数据，并实时传送到上位机系统中； b) 建立耙吸管系统力学模型，并推导出关于摩擦力系数的计算方法； c) 通过聚类算法对计算出来的摩擦力系数进行数据处理； d) 经过聚类分析后的数据集合即为耙头受海床摩擦力影响的各种状态。
[0006] 所述步骤a)中，获取的数据包括：耙头的重力、海水的浮力、耙吸过程中海床对耙 头的反作用力、海床对耙头摩擦力、海水水流阻力、相邻耙管对耙头的作用力、耙管重力（包 括在挖泥过程中整段耙管内的泥浆的重力）、耙管受到海水的浮力、缆绳的拉力、临近耙管 之间的作用力、海水水流阻力、波浪补偿器缆绳张力、耙管之间作用力、挖泥船航行速度等。
[0007] 所述步骤b)中，通过三维状态空间建立耙吸式挖泥船耙吸管系统力学模型。
[0008] 所述步骤c)中，采用IS0DATA聚类分析算法对计算出摩擦力系数进行数据处理与 分析。
[0009] 本发明的有益效果是： 本发明利用IS0DATA算法所具有的自我调节与自适应强的特点，对摩擦力系数进行识 别处理，很好的预测了耙吸挖泥船在挖泥作业过程中海床地表特征对耙头的影响，对延长 耙头使用时间、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参考价值。
【附图说明】
[0010] 图1是耙头耙管受力分析图， 图2是耙吸管系统三维坐标图， 图3是耙头耙管投影比值关系图， 图4是IS0DATA算法控制流程图， 图5是耙头所受摩擦力系数分析图。
【具体实施方式】
[0011] 1)耙头、耙管的受力数学模型分析 建立耙头、耙管力学方程之前，首先对耙吸管进行状态空间体系的建立，该体系采用右 旋坐标系，X轴方向为沿挖泥船长轴方向并且指向船舶的艏向，Y轴方向为沿挖泥船短轴方 向并且指向船舶的右舷，坐标原点选取以耙头相接的耙管为起点，Z轴方向为吸泥口所在横 截面上的垂直方向。耙吸管系统三维坐标模型如图1所示。
[0012] 为研究耙吸式挖泥船在挖泥作业过程中的耙头、耙管的受力状态，对于耙头和耙 管进行受力分析。耙头主要受力包括：耙头的重力、海水的浮力、耙吸过程中海床对耙头的 反作用力、海床对耙头摩擦力、海水水流阻力、相邻耙管对耙头的作用力等；耙管主要受力 包括：耙管重力（包括在挖泥过程中整段耙管内的泥浆的重力)、耙管受到海水的浮力、缆绳 的拉力、临近耙管之间的作用力、海水水流阻力、波浪补偿器缆绳张力、耙管之间作用力等， 在挖泥过程中对于耙头和耙管进行受力分析，如图2所示。
[0013] 为获得耙管施工过程中三维工作姿态，在耙管上安装了角度传感器，检测信号包 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。图2中扇为垂 直角度、为水平角度。
[0014] 设耙管Κ!: =0,〇向量单元为
(1) 对耙头三维坐标方向作受力分析，根据受力平衡得到以下方程式：
(2) 式中，&为耙头受到海床的摩擦力；为临近耙管对耙头的作用力为耙头的 质量；·为重力加速度；ρ为海水的密度；为耙头的体积；石为耙头受到的吸力；屬_ 为海床对耙头的反作用力。
[0015] 其中为待估计量；:.??主要通过轴销传感器检测得到；，#:，_.为 固定量，可以通过测量得到。耙头受到吸力?可以近似用下式得到： (3) 式中G为耙头入口形状决定的无量纲系数；八为泥水混合物的密度大小；各为耙头 宽度；|为耙头长度；％为流体经过耙管内泥水混合物速度大小。
[0016] 其中、、通过泥泵出口的流量计和密度计测量得到。
[0017] 耙吸式挖泥船在耙吸过程中，耙管要受到海水阻力的影响，水流阻力主要涉及到 流体纯粘性阻力和涡旋阻力等。耙吸式挖泥船在海水内区域作业时，波浪的影响可以忽略。 但是海水相对运动对耙管的影响较大。
[0018] 在海洋工程领域中，计算流体的阻力一般采用莫里逊公式。计算公式如下
(4) 式中_:为水流阻力大小；G为拖拽力系数，耙管长度远大于外直径，一般取^>:=1 ; _:为耙管外直径：?为挖泥船航行速度；G为海水流速度；为耙管长度。
[0019] 当挖掘的泥水混合物经过耙管各个弯结和入口时，耙吸管中的泥水混合物的流动 方向发生相应的变化，从而导致耙管所受的力矩大小发生变化，进而对耙管产生冲击力。耙 管与耙管之间安装轴销传感器，可以检测出耙管之间作用力的大小。所以，流体对耙管冲击 力大小计算可以通过综合检测压力大小得到，￥*也即包含了冲击力大小。
[0020] 通过对耙管三维坐标方向受力分析，由受力平衡得到以下方程式：
(5) 式中，Λ为耙管受到缆绳的拉力为耙管的体积^为相邻耙管对耙管的作用 力。
[0021] 针对耙管受力分析，通过力学平衡和力矩平衡的知识得到：
式中，，耙管的质量/??耙管耙头之间的作用力，魏缆绳的拉力，I耙管的水平面投 影长度，义缆绳方向矢量，耙管的体积。
[0022] 耙吸式挖泥船上关于缆绳拉力/1计算，根据波浪补偿器的工作原理，得到
(8) 式中，知为缆绳的弹性系数为缆绳的阻尼系数；及为缆绳长度变化量；B为缆绳 长度变化速度。
[0023] 投影比值#的计算方法如下： 根据图3所示求得
(9) 式中￡2为耙管0处万向接头到耙管0与耙头衔接处的距离；至1为耙管0处万向接头 到耙头头部的距离。
[0024] 通过上述方程，结合耙管和耙头的力学平衡方程，解得
上式左仂R需诵忖浊洎补倥恶的张士i+笪就可以了，不需其他的假设。
[0025]
(12) 水平方向上，耙管拖拽力的表达式表示如下：
(13) 将（13)式代入（10)中可以得关弓
的预测方程。
[0026] 两耙管连接处的轴销传感器，连接处的张力根据作用力与反作用力可以得到 = ,由（7)解算得到
(14) 式中/3为轴销传感器检测力在三维空间三个方向力的大小； < 为耙管在三维空间向 量。
由上式可以得到线性回归方程为： (16) 式中2、C为1x3的矩阵，此处计算过程省略。
[0027] 推导出来的线性回归方程可以计算出一系列离散化的关于耙吸式挖泥船耙头与 海床的摩擦力系数。但是由于海床的复杂性，无法通过先验知识得到预估评测。
[0028] 2) IS0DATA算法对耙头所受海床摩擦力系数进行数据处理 由于IS0DATA算法具有试探性、适用于识别致密聚类优点，同时在运算过程中对于所 取的聚类中心的数目是可变的，而且可以根据具体情况进行反复的修改，这种修改的方式 主要通过模式类的合并和分裂来实现，见附图4所示： 利用上述线性回归方程（16)计算出在某一时间段耙吸式挖泥船在挖泥施工工程中所 计算出来的数据，设该数据组成的样本为石.石。通过IS0DATA算法对这些数据进行 聚类分析，具体实现步骤如下： (1)预选@个聚类中心，％不要求为希望的聚类数目（这些初始聚类中 心可以通过：減个模式选取),预选方式如下： 尤：为所期望聚类中心的数量:每个聚类中最少的样本数； 巧：为一个聚类域中样本距离分布标准差；％ :两个聚类中心最小距离； 必：再一次迭代中允许合并的聚类中心最大对数；Γ :允许迭代次数。
[0029] (2)把及个样本按照最近邻规则分配到和个聚类中去，若
则16? (3) 若考中样本数%:<%:，则取消该类，并且％@:4 ; (4) 修正各聚类中心数值：
(5) 计算聚类域_中各样本到该聚类中心平％
(6) 计算全部样本到各样本到该聚类中心平坨
(7) 判断进行分裂还是进行合并，决定迭代步骤：1.如果迭代次数达到了，则爲=0,则 跳至（11);2.如果<5尤/2，则跳至（8);3.如果％^二，则跳至（11)，否则跳至（8)。
[0030] (8)计算每个聚类样本的标准差向量：
其中各分量为
[0031] (9)求每个标准差向量的最大分量； (10)在最大分量I
如果>巧，此时又能满足以下条件之
[0032] 则将&分别和_，并且凡=凡+1，如果本步骤完成聚类计算，迭代次数加 1，则跳至（2)，否则跳至（11); (11) 计算所有聚类中心的距离_ ^ .
(12) 比较所有4与今大小，按照小于爲升序排列； (13) 如果将距离^两类合并，得到新的聚类中心，每合并一次况=_.-1 ; (14) 如果是最后一次迭代，则算法结束；否则有两种情况： 1.需要修改参数，跳至（1);2.输入参数不修改，跳至（2)。
[0033] 此时，迭代次数加1，继续进行运算。
[0034] 3)实验结果分析 图5是耙吸式挖泥船在疏浚作业过程中，利用公式（16)计算出耙头受海床作用摩擦力 系数分布。
[0035] 图5中XI，X2为列举出来的聚类，两个聚类相对整个摩擦力系数分布来说，为小 概率事件，但对于耙头的工作效率和使用寿命的影响是不可忽略的，与其它聚类距离较大， 耙头摩擦系数过大对耙吸式挖泥船疏浚作业来说是不理想的，通过对摩擦系数的聚类分 析，可以识别耙头的工作状态，对于特殊海床地形的情况下，耙头受到海床的摩擦力大小变 化有一定预测性；同时，IS0DATA算法在运算过程中对所取的聚类中心数目可以修改，对于 摩擦力系数较大的特定土质环境,一方面可以调节高压冲水流量来改变地质泥沙的物理特 性，从而降低耙头摩擦力；另一方面可以通过调节耙头挖深等方式改变耙头受到海床摩擦 力的影响；同时，对于改变大硬度物质对耙头的损伤也具有一定预测和保护性。
【主权项】
1. 一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法，其特征在于包含以下步骤： a) 通过基于OPC信息采集与处理软件获得数据并实时传送到上位机系统中； b) 建立耙吸管系统力学模型，并推导出关于摩擦力系数的计算方法； c) 通过聚类算法对计算出来的摩擦力系数进行数据处理； d) 经过聚类分析后的数据集合即为耙头受海床摩擦力影响的各种状态。2. 根据权利要求1所述的一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法，其特征在于所 述步骤a)中，获取的数据包括：耙头的重力、海水的浮力、耙吸过程中海床对耙头的反作用 力、海床对耙头摩擦力、海水水流阻力、相邻耙管对耙头的作用力、耙管重力（包括在挖泥过 程中整段耙管内的泥浆的重力）、耙管受到海水的浮力、缆绳的拉力、临近耙管之间的作用 力、海水水流阻力、波浪补偿器缆绳张力、耙管之间作用力、挖泥船航行速度等。3. 根据权利要求1所述的一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法，其特征在于所 述步骤b)中，通过三维状态空间建立耙吸式挖泥船耙吸管系统力学模型。4. 根据权利要求1所述的一种耙吸式挖泥船耙头摩擦力系数分析方法，其特征在于所 述步骤c)中，采用ISODATA聚类分析算法对计算出摩擦力系数进行数据处理与分析。
【文档编号】G06F19/00GK106033486SQ201510099643
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月7日
【发明人】仲建芳, 许亦清, 夏冬
【申请人】镇江市亿华系统集成有限公司