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可升降式多波束仪传动机构在内河航道船舶中的应用

2024-09-29 188 上传者：管理员

摘要：多波束仪越来越多应用于内河航道的河底地貌检测，但是大部分的检测船由简易船舶改装而来，多波束仪由于价格昂贵，目前在内河航道检测工作过程中存在较大的安全风险。为了满足工作安全和维护方便的要求，采用斜齿轮与丝杆传动相结合方式，在检测船头部井道内设计了可升降式传动机构，实现多波束仪上下运动。结合限位监控系统，有效提升多波束仪在不同航道条件下的工作安全。

关键词：
传动机构
内河航道
多波束仪
工作安全
智能传感技术
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内河航道河底地貌检测，以前最常见的方法是采用两条船舶拖铁链来实施人工“扫床”。此方法仅能知道河底是否有较大障碍物，无法满足航道智能化、数字化、绿色化、快速化“建管养”的需要。近年来多波束仪已经广泛应用于海底输油气管道、沉管、海底电缆、桥梁基础冲刷[1-4]和水利工程[5]检测中，但是目前多波束仪主要应用于在海洋、大江大河上。针对内河的多波束仪的应用技术包括利用无人船、无人机联合扫测开展信息采集[6-7]，也有利用小型测量艇加装多波束仪开展检测[8]。目前大部分测量单位都没有自有大型船只，多波束作业时，通常是雇用当地交通船、渔船等，或者采用船舷外安装，舷外安装必须装在船上牢固及不活动的部位，安装位置远离发动机等噪音源。安装杆要尽量靠近近水线的地方，而且安装多波束时船上至少需要4名工作人员进行安装和拆卸作业，工作效率和安全性大打折扣。由于内河航道条件复杂，障碍物偏多，一旦操作不小心，则会导致多波束仪的破坏而引起巨大的经济损失。

为了满足工作安全和维护方便的要求，基于轴传动和智能传感技术，在检测船头部设计了可升降式传动机构，并嵌入于船舶专用维修口。结合多冗余度限位监控系统，满足多波束仪在不同航道条件下的检测安全和工作范围调整。

一、设计原理

1．船舶设计

结合安全、智能、多功能、数字化和绿色化的指导思想，本项目整合专用航测船舶、多波束仪、数据处理单元、全方位监控单元等关键功能模块，设计了内河专用检测船，总体设计图如图1所示。本船舶适用于六级航道以上作业环境，能够设计能够容纳5人以上长期作业的工作生活空间，并要求开发适用于多波束仪的专用工作空间和配备中小型应急救援专用设备，满足紧急情况下的救援作业。具体设计如下：

(1）在船舶前部船舱预留安装井道，井道设计尺寸为1,200mm×1,000mm，为多波束仪的上下运动提供上下运动空间。船舶总体设计要求适用六级以上航道数字化水下测量、年度清障扫床、工程疏浚项目施工以及航道数字化巡航工作。

(2）船舶上安装多波束仪所需要大型数据处理单元和服务器、打印机、大屏幕投影等数据中心单元，实现数据的可视化、实时化处理、打印和远程协作输出等；

(3）安装全方位北斗定位、水底视频监控、船舶视频监控等模块，实现水上和水下监控无死角，保护多波束工作安全。

为了控制空船重量、降低船舶重心，减小摇摆，提高乘坐舒适性，本船主船体采用钢质结构，甲板室为铝质结构。

本船按CCS《内河小型船舶建造规范》（2022）、《内河小型船舶检验技术规则》（2016）及《修改通报》（2019）、《公务船技术规则》（2020）的要求设计校核。船舶主要参数见表1。

图1 航测船设计图

表1 船舶主要技术参数

2．传动机构设计

多波束仪的上下运动机构设计，要满足如下的技术要求：手柄摇动应灵活无卡滞现象；电气控制系统采用就地控制，控制按钮为启动/停止按钮、起升按钮、下降按钮，上下设置行程限位；传动机构在安装时应保证垂直度；传动机构在与船体结构焊接时应控制好焊接电流，以防止焊接变形，尤其是安装支架焊接完毕后，应校核安装精度，以满足使用要求。具体设计如下：

(1）采用电机带动斜齿轮、斜齿轮带动丝杆、丝杆带动多波束仪的传动机构设计，具有较高的机械可靠性和稳定性，如图2所示。

(2）考虑电机故障，设计了冗余机构，实现应急手摇装置的切换，实现多波束仪提升或者下放，将多波束仪转移到水线以上，方便维修。

(3）在多波束仪上下运动行程中，设立上下限位开关检测，用于多波束仪上下极限位置报警。在极限位置之后，设置机械限位挡块，防止电气控制出现故障。在测深仪探头结构上安装安全保护装置，防止在工作过程中突发碰撞事故导致仪器损坏。

传动机构的实景图如图3所示。

图2 多波束仪传动机构图

图3 多波束仪传动机构实景图

二、工程实例

常州金坛常宜线X309航道段全长约22.5km，周边采石场、储沙场较为密布，其中河床质底为卵石和岩石居多。此航道为每年都需要进行扫测，测区条件比较恶劣。按照往年扫测经验，一般采用小型简易航测艇加装多波束仪开展扫测工作。多波束仪的安拆需要大量时间，准备工作较长。同时艇身较小，稳定性较差，速度较慢，一般需要扫测2遍才能采集完数据。如图4所示的小型航测艇。

图4 小型简易航测艇加装多波束仪（侧置和前置）

本次航测采用专用航测艇施工，而且数据可以直接在航测艇内完成数据处理，由于新型航测船协作平台集成了图形工作站、船舶监控系统和指挥中心，能够在船上就可以开展数据处理，如图5所示。并与岸上指挥中心沟通，如遇到紧急事情，就可以开展应急救援作业。

检测过程如下：

(1）基于多波束扫测，断面间距不超过2公里；

(2）在扫测过程中，对航道水下目标物需要进行实时判断，如果发现有影响通航安全的障碍物，工作人员先进行记录，并在24h内通知委托人；

(3）编制扫测分析报告，内容包括但不限于控制成果资料、航道多波束扫测三维dat数据、航道全断面三维dat数据、多波束航道断面图等数据。

本项目通过建议船舶和新型航测船两个检测方案的对比见表2，可以看出，新的方案优势明显。

图5 航测艇工作室与扫测数据

表2 常州金坛常宜线X309航道段不同扫测方案对比

三、结论

本论文提出了一种依船而建的多波束仪施工方法，通过齿轮与丝杆传动机构，实现多波束仪的上下升降，满足工作和运维安全要求。

为了防止电机控制系统故障，设计了应急手摇装置。为了保护多波束仪在运动过程中的可能产生的碰撞，在行程控制中采用了限位开关与机械限位相结合的方式。