基于无线传感的抓斗挖泥船钢丝绳监测力研究
摘要
智能抓斗式挖泥船的文章研究，在疏浚抓斗平挖工作过程建立了钢丝绳的工作力机械模型。然后，可以得到钢丝绳应力的理论计算。很容易得到疏浚抓斗钢丝绳的结果。同时，提出了一种基于对挖泥船卷扬机中无线传感器网络技术的检测，将旋转轴扭矩改变为钢丝绳应力的方法。理想的结果是实时显示闭合卷扬机和提升绳的应力曲线。实时监测的试验结果表明，钢丝绳应力的理论计算结果与实验结果一致。为实施无线传感器技术在监测抓斗式挖泥船钢丝绳的应力的应用提供了基础。
1介绍
随着“海洋盆栽”战略的实施，中国已经在海洋的发展，海洋的使用，海洋的保护和海洋的控制方面发起了一系列重要的运动。“海洋锅炉”的建设对国民经济的健康发展具有关键性的影响，促进海洋工程的快速发展。目前，大型挖泥船[1-2]非常需要具有平挖功能，挖掘海底平面，用于大型海洋工程如南海建设工程中的港珠澳大桥、海底管道和隧道施工等的沉箱工艺。而现有国内外设备难以满足高精度施工要求。因此，平地挖掘过程是抓斗挖掘机在大型海洋工程研究中的热点和难点问题。
命名
Fi 抓斗斗体所受的力i取值1-4
B 抓斗斗体刃口宽度（m）
D 抓斗斗体刃口厚度（m）
Y 抓斗斗体刃口切入物料的深度（m）
theta; 抓斗刃口底背角（°）
v 抓斗斗体刃口切入物料的速度（m/s）
s 物料计算粒度（mm）
rho;物料密度（t/m3）
phi;物料颗粒间内摩擦角
f 抓斗斗体刃口形状影响系数
k 物料颗粒表面状况和形状对抓取阻力的影响系数
Qx 进入抓斗内的物料的重力（kN）
lQ 到铰点A的长度（m）
P 起重杆的支撑力（kN）
R 起重杆到A的长度（m）
GB 起重杆在抓斗上的压力（kN）
G3 抓斗自重（kN）
S1 关闭绳的张力（kN）
S2 支撑杆的张力（kN）
G1 上滑轮的重力（kN）
GB 抓斗上的压力（kN）
F1 水平切削刃的切削阻力（kN）
F2 横向切削刃的切削阻力（kN）
F3 在水平方向推动阻力（kN）
F4 侧面摩擦阻力（kN）
如图1所示，抓斗挖泥船的挖泥斗在挖掘，铲斗关闭和提升过程中将力通过绳索传递到卷轴上[3-4]。 使用无线传感器技术，关闭和提升卷轴的轴上的扭矩应力由其上的扭矩传感器检测，扭矩传感器由电阻应变计组成。
闭合绳索和提升绳索的张力根据反映挖掘过程中抓斗的负载的二次数据转换来计算。
图1 抓斗挖泥船的外观
2.疏浚抓斗平挖的钢丝绳力分析
2.1疏浚抓斗的挖掘机理
疏浚抓斗的基本结构主要由上滑轮组，下滑轮组，斗体，斗齿，提升杆，提升绳，关闭绳等组成，如图2所示。疏浚抓斗自重通过一定的传力机构产生抓取力矩和下沉力。 在抓取过程中，下沉力可以克服抓力，抓取力矩与抓取阻力矩相平衡，这种平衡是动态的，随着挖掘深度的变化不断的建立，打破、再建立，从而实现挖掘 [5-6]
1上梁2上部滑轮组3提升杆4下梁5下滑轮组
6铲斗体7铲斗齿8起重绳9关闭绳索
图2疏浚抓斗结构
在挖掘抓斗的平面挖掘过程中，为了确保铲刀总是处于相同的高度，关闭绳索必须同时支撑动作，必须相应地调整提升绳索以补偿与水平线的偏离。 提升绳和闭合绳同时移动，实现平挖。
2.2疏浚抓斗平挖过程的应力分析
抓斗是一个对称结构，通常选择一半抓斗作为研究对象，抓斗的受力如图3所示
图3 疏浚抓斗平挖过程的受力图
在挖掘进程中，疏浚抓斗受重力、切割阻力、摩擦阻力和推力阻力的影响[7-8]。 具体受力如下：抓斗的水平切削刃的切割阻力F1，抓斗的侧边F2的切割阻力，抓斗水平方向上的推力阻力F3; 抓斗侧摩擦阻力F4。
2.3疏浚抓斗平挖方案中钢丝绳力的计算
在对抓斗的研究中，通常选择半个抓斗的斗体即Delta;ABC作为研究对象，抓取力和抓取阻力对中心铰点A取矩，建立挖掘过程中不同挖掘深度（对应抓斗的各个开度）的力矩平衡方程，即M1=M2。
抓取力矩是抓斗挖掘的动力，由撑杆支撑力、撑杆对斗体的压力、斗体自重和进入斗内物料重量对底板压力对铰点A处所产生的力矩组成。
抓取阻力是物料对抓斗的反作用力的矩，包括四个反作用力F1-F4。
通过公式（1），（2），（3），（4），（5）表明，当平挖到达一定深度时， 闭合绳、起升绳的作用力是时间和抓斗开启状态的函数。。 选择抓取30立方的抓斗为例，当平挖深度为100cm时，闭合绳和起升绳的受力作用如图4所示。
a
b
图4（a）平挖过程中起升索的受力图;（b）平挖过程中闭合绳的受力图。
3.抓斗式挖泥船起重扭矩无线传感器系统设计
3.1抓斗式挖泥船起重扭矩无线传感器系统
抓斗式挖泥船起重扭矩无线传感系统是无线传感器网络技术、一组驱动轴扭矩和轴功率无线测试系统的组合，如图5所示。系统主要由四部分组成：无线扭矩节点（包括转速测量功能），传感器元件（扭矩测试应变片），无线接收网关，数据处理计算机。网关和无线节点通过无线通信，无线节点依靠外部电池，节点和电池与驱动轴一起旋转，在节点上，过程测试信号实时放大滤波，A / D转换数据采集，数据传输和执行测试指令。
无线系统自动识别每个节点，独立组网。无线接收网关一般与计算机USB连接，如图6所示，电源由计算机USB直接供电。通过计算机上的采集软件发送测试指令，接收和存储。完成整个测试过程。
图5 扭矩无线传感器系统 图6 与计算机的无线网关
支撑绳（或开闭绳）的受力直接测量不容易实现，可以间接测量。 在钢丝绳上安装轴扭矩传感器，并且通过应变仪测试轴的扭矩。 然后开始转换相应的力，这样，我们可以得到支撑绳和开闭绳的张力
3.2抓斗挖泥船起升扭矩测试
通过测量和绘制起升部件的几何尺寸，检测卷扬机的轴扭矩和转速（如图7所示），我们可以得到钢丝绳的张力和功率，实时显示开闭绳和支撑绳张力曲线，反映了挖掘、闭合上升和卸载过程中抓斗的张力变化曲线。
测试部件：两个无线扭矩传感器节点：第一个扭矩传感器放置在支撑绳卷扬机轮毂的输入大齿轮轴孔的侧面（2个无线扭矩传感器节点），第二个扭矩速度传感器的位置放置在开闭绳和卷扬机的轮毂输入大齿轮轴孔的侧面 （2个无线扭矩传感器节点）。每个节点包含无线扭矩传感器通道和速度转矩通道，转矩速度传感器（由扭矩电阻应变片和光电传感器组成）通过无线传输测量信号到二次测量仪器 ，路由器，工业PC）。转矩检测传感器布局如图8所示。
图7挖泥船卷扬机和钢丝绳系统
a b
图8.（a）支撑绳扭矩检测传感器布局; （b）开闭绳扭矩检测传感器布局
抓斗式挖泥船平挖过程中钢丝绳的受力分析
在抓泥机的平挖操作过程中，通过使用无线传感器技术和实时监测，绞车可以获得测量的扭矩数据。然后，通过转矩和钢丝绳力的转换，可以得到工作区域开闭绳的受力曲线，如图9（a）所示。和支撑绳的受力曲线如图9（b）所示
在图中，横轴表示时间，单位：s; 纵轴表示力的大小，单位：kN。
a b
图9（a）开闭绳的测量力曲线; （b）支撑绳的测量力曲线
从图9（a）和图9（b）可以看出，抓斗的开闭绳张力逐渐增大，当抓斗式挖泥船开始挖掘作业时，支撑绳受力也逐渐增大。 在挖掘阶段，主要操作开闭绳，使得开闭绳的平均张力大于支撑绳的平均张力。 根据测量数据，开闭绳的平均张力为621.4KN，支撑绳的平均张力为365.3KN。 在提升阶段期间，开闭和支撑绳都受到应力。 根据测量数据，开闭绳的平均张力为732.8KN，支撑绳的平均张力为487.4KN。
与2.3中的抓斗挖泥船钢丝绳力的理论计算相比，可以发现钢丝绳力的变化规律是一致的，但是力的大小存在一定的误差。 通过分析，显示误差主要受钢丝绳和卷筒之间摩擦的影响，误差在允许范围内。 因此，钢丝绳力的理论计算可以认为与实时监测试验数据一致。
5总结
本文主要研究平面挖掘过程中理论计算和实时监测的实验。 在平挖过程中的钢丝绳的受力曲线通过基于抓斗式挖泥船的机械模型的理论计算获得。 根据检测要求，实验方法创新性地提出了基于无线传感器网络技术实时显示闭合绳和提升绳的张力曲线的轴扭矩转换成绳的张力。测试结果与确认本研究正确性的理论计算是一致的.
致谢
这项研究得到国家高技术研发计划（863计划）和大型港口机械安全绩效分析项目的支持。
第二篇
抓斗侧表面上的摩擦力可以通过在侧表面上积分剪切应力来导出。 从研究中可以看出，这部分力在沙子中可以忽略不计。
可以根据不同的理论计算系数Nc，Ngamma;和Nq。最着名的理论是太沙基浅基础理论。浅层和深基础的理论由De Beer，迈尔霍夫，Brinch Hansen，Caquot-Kerisel，Skempton-Yassin-Gibson，Berantzef，Vesic和Terzaghi开发。 Lambe＆Whitman 1979 [23]概述了这些理论。所提到的不同理论是基于土壤的不同破坏模式。所有理论基于排水条件，意味着过多的孔隙压力可以容易地消散。这个假设对于静态基础是合理的，但不是用于抓斗的挖掘过程。在挖掘过程中，将在压力下产生孔隙，增加侧边缘上的土壤压力。现在在对侧边缘上的力建模时出现两个问题。第一个问题是，在排水条件下（例如在干砂中的初始穿透和挖掘过程中发生的那些），选择哪种理论来选择侧边力。第二个问题涉及孔隙压力对当切割饱和砂时发生的侧边缘力的影响的建模。 第一个问题是通过检查干砂中8次试验的初始渗透和挖掘曲线来解决的。 它需要一些试验和误差来找到方程（20）的令人满意的系数。 第二个问题通过检查饱和砂中的初始渗透和测量的挖掘曲线来解决。 虽然侧边缘上的力的所得方程是实验式，但它是基于Terzaghi的基础理论和Miedema的切割理论的组合。
式（21）中的压力下的孔隙Delta;p来自于砂切理论Miedema 1987 [7]。 包含Nc和Ngamma;的等式（20）的部分似乎是可忽略，因此不能在等式（21）中找到。
研究进行
对于前面段落所述的计算方法的验证和确认，在代尔夫特理工大学土壤运动实验室建立了一个试验台。
试验台由抓斗模型，填充有100mu;m砂的容器，振动装置，锥形透度计和数据采集系统组成。 图8展示了试验台的布置。 图9显示了使用的抓斗模型。 在抓斗模型上有两个位移传感器，测量垂直位置和关闭角度。 在闭合绳中安装了力传感器来测量闭合力。
振动装置用于压实砂子，从而可以获得具有不同土壤机械性能的砂子。 锥体透度计用于确定砂的锥阻力
图8 具有抓斗模型，振动装置和锥度透度计的试验台
通过校准图（Miedema 1987 [7]），当锥体电阻已知时，可以确定密度，内摩擦角，土壤界面摩擦角和砂的渗透性。
所有传感器与数据采集系统连接，因此数据可以由计算机处理。 研究的目的是在干燥和饱和的砂中进行测试，将结果与CLAMSHELL程序的模拟进行比较，并调整计算方法。 由于计算方法是主要的，因此在哪个量程上进行测试不重要。 如在前一段中所解释的，由砂施加在抓斗上的力包括由干砂的机械性质确定的部分和由饱和砂的机械性质确定的部分。 此外，力由作用在抓斗的切削刃上的部分和作用在抓斗的侧边缘上的部分组成。 从Miedema 1987 [7]和1989 [8]，可以在干燥和饱和砂中计算切削刃上的切削力。 当研究开始时，侧边缘上会发生什么并不知道。
为了量化侧边力，在干砂中进行前8次测试。 由于测量了闭合绳的力并且可以计算实际切削力，所以侧边缘上的力保持不变。 在饱和砂中用14次试验重复这一过程给出了饱和砂对侧边力的影响。 作为这些试验的结果，对于如前面段落中所描述的干燥和饱和砂中的侧边缘力导出等式。
图9 封闭式抓斗模型
图10，图11，图12和图13给出了测试结果和
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