專利名稱：用于提高可操作性的裝置、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于至少部分地補(bǔ)償振蕩(swel 1 )或起伏(surge ) 對(duì)固定到船的挖掘部件、尤其是耙吸頭(draghead)的速率的影響的 裝置。本發(fā)明還涉及一種由船、尤其是拖曳吸入式挖掘船(trailing suction dredger )，和一個(gè)或多個(gè)這類裝置組成的組件，本發(fā)明還涉 及一種用于至少部分地補(bǔ)償這類影響的方法。
背景技術(shù)：
拖曳吸入式挖掘船是一種船，用它，物質(zhì)可以從水域床被吸起、 被收集并被運(yùn)輸?shù)竭m當(dāng)?shù)哪康牡亍Ｋ鏊蛲ǔＪ呛?，盡管拖曳吸入 式挖掘船也可以被用在湖或類似物上。拖曳吸入式挖掘船裝備有耦連 到它的長(zhǎng)吸管。該吸管由數(shù)個(gè)纜繩懸吊，這些纜繩沿該吸管的長(zhǎng)度分 布。在起重機(jī)(crane)(轉(zhuǎn)臂起重機(jī)(derr ick ))和固定到它的絞 盤的輔助下，纜繩被釋放，以使吸管可以被降入水域中。假定吸管的 底端是用于在水域床上耙動(dòng)的耙吸頭。在挖掘部件在床上耙動(dòng)期間， 床物質(zhì)(bed material)和水的混合物凈皮^:掘部件;^動(dòng)。在由一個(gè)或 多個(gè)離心泵制造的真空的影響下，松動(dòng)的床物質(zhì)被向上抽，隨后被存 儲(chǔ)在該船的船艙中。在船艙中，在這種情形下拖曳吸入式挖掘船被稱 為漏斗(hopper),所供應(yīng)的床物質(zhì)沉積下來(lái)，而過(guò)量的水被排出。 一旦船艙被充滿，吸管就再一次被拉起，該船移動(dòng)到前述目的地，以 運(yùn)送所吸起的床物質(zhì)。
拖曳吸入式挖掘船的最大挖泥深度通常由該船可以操縱的吸管的 長(zhǎng)度確定。這個(gè)最大長(zhǎng)度主要取決于船的長(zhǎng)度。多個(gè)因素的結(jié)果是， 吸管的長(zhǎng)度 一一 從而可以進(jìn)行挖泥的深度 一一 迄今仍被限制在最多大 約130米。所述的、在大深度(low depth)對(duì)挖泥有不利影響的因素 之一，是所出現(xiàn)的振蕩或起伏。例如，在高波浪高度和/或在特定波浪 頻率，挖泥是不可能的，因?yàn)檎袷幓蚱鸱慕Y(jié)果是，吸管一一尤其是 其挖掘部件——被壓入床或至少有被壓入床的風(fēng)險(xiǎn)。這可以導(dǎo)致挖掘部件、吸管甚或船的損壞。季節(jié)也起作用。在冬季時(shí)期，波浪常常比 其他時(shí)期高。在地球上的特定地區(qū)，甚至僅可能在更短的時(shí)期內(nèi)—— 例如僅在夏季一一挖泥，因?yàn)閮H在所述時(shí)期，波浪才平均保持在特定
臨界高度以下。這個(gè)在海中挖泥的可操作性(或"時(shí)間性(up time)") 的限制使挖泥的成本和挖泥的速率、例如在特定區(qū)域安裝用于開采氣 體和/或石油的基礎(chǔ)設(shè)施期間增加到可觀的程度。尤其是，該限制在大 深度挖掘期間出現(xiàn)。此時(shí)吸管相當(dāng)陡峭地延伸，從而挖掘部件更趨于 掘進(jìn)床。
前述對(duì)吸管、挖掘部件和/或船的損壞可以出現(xiàn)在挖掘部件獲得負(fù) 床速率(negative bed velocity )時(shí)。這意味著，船在振蕩或起伏的 影響下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是，即使該船具有運(yùn)行方向上的正床速率(即，相 對(duì)于床的速率)，吸管底部的挖掘部件自身也可能獲得反方向上的速 率。負(fù)耙吸頭床速率現(xiàn)象是在深水中挖泥期間最限制可操作性(或時(shí) 間性)的因素之一。
為了防止挖掘部件當(dāng)船在運(yùn)行方向上移動(dòng)期間獲得負(fù)床速率，可 以使用例如非常大且重的船。因其高質(zhì)量和大尺度，非常大的船受振 蕩影響較小，從而該船的運(yùn)動(dòng)也較小。因船的小運(yùn)動(dòng)，挖掘部件經(jīng)歷 較小的相對(duì)移動(dòng)和較慢的移動(dòng)速率。然而，缺點(diǎn)是，該解決方案非常 昂貴。此外，建造這類重型船相對(duì)耗時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種裝置、系統(tǒng)和方法，其可以克服或 至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種裝置、組件和方法，其可以提高 可操作性。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種裝置、組件和方法，用它，可以 在相對(duì)大的深度進(jìn)行挖泥并具有有限的損壞風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在用于至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏對(duì)用 于挖掘水域床的船的挖掘部件、尤其是耙吸頭、的速率的影響的裝置 中，實(shí)現(xiàn)了至少一個(gè)前述目標(biāo)，該裝置包含
——吸管，其被固定到船，用于吸起床物質(zhì)，其中該吸管的實(shí)施方式是，數(shù)個(gè)可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的吸管片段鉸接，并且其中每個(gè)吸
管片段相對(duì)于船的前進(jìn)方向傾斜地向后延伸；
——挖掘部件，其裝備在吸管的端部，并且其可以在床上耙動(dòng)，
用于松動(dòng)并吸起床物質(zhì)；
一_纜繩，其裝備在吸管和船之間，用于支撐單個(gè)的吸管片段； 一一至少一個(gè)提升元件，其用于通過(guò)提起或釋放至少一個(gè)纜繩來(lái)
使得吸管片段相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)；
——控制單元，其用于致動(dòng)提升元件，該控制單元被配置為，通 過(guò)吸管片段的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)適配挖掘部件的床速率。
吸管片段可以通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)提升元件提起一個(gè)或多個(gè)纜繩 來(lái)向上移動(dòng)，并且可以通過(guò)釋放纜繩并允許片段在重力的影響下降落 來(lái)向下移動(dòng)。 一個(gè)或多個(gè)吸管片段的適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)可以使得耦連到吸管的 挖掘部件移動(dòng)。通過(guò)以正確方式(例如，考慮到時(shí)間、振幅、速率和 接合點(diǎn))設(shè)置這個(gè)移動(dòng)，挖掘部件相對(duì)于床的最終速率可以被控制。
這個(gè)實(shí)施方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該裝置不僅可以被用在尚待建造 的新船上，而且可以被附接到已存在的船上。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，吸管片段由基本直的管彼此延伸地 附接而構(gòu)成。結(jié)果是，例如在相繼吸管片段之間的耦連位置，吸管阻 塞的風(fēng)險(xiǎn)低。此外，這意味著，整個(gè)吸管_一其在使用后沿著船提起 并/或安置在船的甲板上一一具有相對(duì)小的寬度。在特定實(shí)施方案中， 例如利用在吸管片段之間的耦連橡膠件，吸管所需的總寬度僅略寬于 該管的直徑。這樣，吸管的總寬度(包括耦連件)與該管的直徑處于 同一數(shù)量級(jí)(例如大約lm)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這樣的吸管中的力的方 向(course of force)比一個(gè)或多個(gè)吸管片段向前傾斜放置的管中的 力的方向有利得多，以使可以限制損壞風(fēng)險(xiǎn)和/或磨損程度。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，控制單元的實(shí)施方式是，致動(dòng) 前述一個(gè)或多個(gè)提升元件，以使通過(guò)至少一個(gè)纜繩的提起或釋放來(lái)控 制挖掘部件的床速率。這樣就不會(huì)出現(xiàn)負(fù)速率，并且損壞風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì) 低。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，該裝置包含吸管端部片段，挖掘部件附接 到其一端，中間片段附接到其另一端。這個(gè)吸管片段在本文獻(xiàn)中被稱為端部片段，并且，附接到端部片段的(中間)片段，至少在這個(gè)實(shí) 施方案中，在被控制單元致動(dòng)的纜繩的影響下移動(dòng)。在吸管由四個(gè)片 段組成的情形下，這意味著，例如，被控制單元致動(dòng)的纜繩被固定到 第三片段。端部片段和耦連到它的片段最接近行為必然被影響的元件， 即最接近挖掘部件。從而，在許多情形下，這些片段的移動(dòng)對(duì)挖掘部 件的行為有最直接的影響，該影響具有最短的時(shí)間延遲并要求最少的
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，該裝置包含速率確定單元，尤其是速度 計(jì)，用于確定挖掘部件相對(duì)于床的速率。速率確定單元發(fā)出表示測(cè)得 的速率的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)被返回控制單元?？刂茊卧S后通過(guò)利用控 制算法——其利用所返回的挖掘部件的床速率——來(lái)確定所要求的、 提升元件的致動(dòng)。以這種方式，可能實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘部件的運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控 制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘部件的床速率的主動(dòng)控制。
在一個(gè)特定實(shí)施方案中，控制單元的實(shí)施方式是，通過(guò)提升元件 來(lái)提起或釋放纜繩，以減小測(cè)得的床速率和參考速率之差。假如，例 如，挖掘部件的床速率變得低于參考速率，則控制元件將減小施加在 纜繩上的力，以使固定到纜繩上的管片段向下降落，從而提高挖掘部 件的速率。反之，當(dāng)挖掘部件的床速率變得大于參考速率時(shí)，該力增 大，以使所討論的吸管片段略被提起。在另一個(gè)實(shí)施方案中，前述差 的減小是最小化的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了一種裝置，其中控制單元 被配置為，隨一個(gè)或多個(gè)作為振蕩或起伏特性的變量的變化，來(lái)致動(dòng) 提升元件。該變量可以例如由波浪頻率構(gòu)成。當(dāng)前波浪頻率可以例如 使用波浪頻率計(jì)測(cè)得。例如，假如波浪的頻率降至預(yù)定閾值之下，可 以4吏控制單元不致動(dòng)。波浪的頻率也可以通過(guò)專門用于此目的的波浪 浮標(biāo)來(lái)確定。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，控制單元的響應(yīng)特性取決于這 些作為振蕩或起伏特性的變量中的一個(gè)或多個(gè)，所述特性例如被適配 為隨主導(dǎo)振蕩頻率(起伏頻率)而變化的響應(yīng)特性。
在其他實(shí)施方案中，控制單元的實(shí)施方式是，通過(guò)提升元件提起 或釋放纜繩，以使基本恒定的力被施加在纜繩上。在這類被動(dòng)控制的 情形下，測(cè)得的挖掘部件的床速率的反饋是不必要的。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，提升元件包括一個(gè)或多個(gè)水力提升筒
(hydraulic lifting cylinder)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，提升元件 包含主動(dòng)絞盤。這兩類提升元件的組合也是可能的。美國(guó)專利申請(qǐng) 2007-0170296中描述了這類組合裝置的一個(gè)實(shí)例。
前述用于確定挖掘部件的床速率的速度計(jì)可以具有許多實(shí)施方 案。在一個(gè)特別有利的實(shí)施方案中，速度計(jì)包含多普勒傳感器。該傳 感器優(yōu)選地附接到挖掘部件，盡管不同的位置也是可能的。在另一個(gè) 實(shí)施方案中，定位單元(posit ion-defining unit),例如GPS接收 器，可以替換性地或補(bǔ)充性地用于基于挖掘部件的位置隨時(shí)間的變化 來(lái)確定挖掘部件的速率。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在由裝備有至少一個(gè)本文獻(xiàn)確定的類型 的裝置的船、尤其是拖曳吸入式挖掘船組成的組件中，實(shí)現(xiàn)了至少一 個(gè)目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，在用于至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏對(duì)用 于挖掘水域床的船、尤其是拖曳吸入式挖掘船的挖掘部件、尤其是耙 吸頭的速率的影響的方法中，實(shí)現(xiàn)了至少一個(gè)目標(biāo)，該方法包括
——在床上耙動(dòng)吸管，該吸管固定到船并裝備有用于松動(dòng)并吸起 床物質(zhì)的挖掘部件，其中吸管的實(shí)施方式是，數(shù)個(gè)可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn) 動(dòng)的吸管部件鉸接；
——通過(guò)提起或降下至少一個(gè)前述可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的吸管片 段，來(lái)適配挖掘部件的床速率。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括，連續(xù)地適配前述一 個(gè)或多個(gè)提升元件的致動(dòng)，以使該致動(dòng)可以緊隨起伏。在另一個(gè)實(shí)施 方案中，該致動(dòng)以短時(shí)間間隔發(fā)生，例如優(yōu)勢(shì)波'浪(dominant wave) 的每個(gè)周期內(nèi)兩次，或每1或2秒或更短期間內(nèi)一次。這些時(shí)間間隔 足夠短，從而能夠緊隨船的有關(guān)運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該方法包括，通過(guò)提起或降下至少一個(gè)吸管 片段來(lái)防止挖掘部件在運(yùn)行的反方向上移動(dòng)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該方法包括僅提起和降下耦連到吸管端部片 段的吸管片段，以保持吸管的構(gòu)造且致動(dòng)是筒單的，以使吸管的成本 j氐，并且擾動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)寸氐。


下面將基于對(duì)多種優(yōu)選實(shí)施方案的描述，來(lái)闡述本發(fā)明的其他優(yōu) 點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)。
該描述將參考附圖，其中
圖1是裝備有根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選實(shí)施方案的拖曳吸入式挖 掘船的側(cè)^L圖2是圖1的優(yōu)選實(shí)施方案的更詳細(xì)的視圖3是示意性地圖示控制單元的功能的圖4是在不具備致動(dòng)、具備被動(dòng)致動(dòng)和具備主動(dòng)致動(dòng)的情形下， 性能指數(shù)隨波浪頻率而變化的模擬結(jié)果的曲線圖5圖示了最小耙吸頭速率隨波浪振幅和波浪周期的變化；和
圖6是裝備有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的床速度計(jì)的耙吸頭的 詳細(xì)側(cè)4見圖。
具體實(shí)施例方式
如前文所述，在深水中挖泥期間，船運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是，可以出現(xiàn)相 對(duì)大的耙吸頭移動(dòng)和相對(duì)高的移動(dòng)速率，因?yàn)槲芪挥谒邢喈?dāng)深處。 假如挖掘部件相對(duì)于船的向后速率大于該船的床速率，則挖掘部件獲 得負(fù)的床速率。因?yàn)?，如前文所述，?fù)耙吸頭床速率限制了在深水中 挖泥，所以根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的裝置是這樣一種裝置，其防 止挖掘部件獲得負(fù)的床速率。結(jié)果是，可以提高挖泥裝置的可操作性。
圖1示出了這類裝置的一個(gè)實(shí)施方案。該圖示出了由拖曳吸入式 挖掘船2組成的系統(tǒng)1，拖曳吸入式挖掘船2本身是已知的，吸管4 經(jīng)由鉸鏈3固定在拖曳吸入式挖掘船2上。吸管4由數(shù)個(gè)相繼的吸管 片段構(gòu)成，這些吸管片段被稱為第一吸管片段5、第二吸管片段6、第 三吸管片段7、最后是第四吸管片段8。吸管片段5至8在某種程度上 可通過(guò)相應(yīng)的鉸鏈構(gòu)造9相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)。前述耙吸頭10附接到最后 的第四吸管片段8。當(dāng)拖曳吸入式挖掘船2在運(yùn)行方向(正方向Pv) 上移動(dòng)時(shí)，耙吸頭IO可以以已知方式在床B上耙動(dòng)。
吸管由鋼制成，并且，假如沒(méi)有以某種方式支撐，它的重量會(huì)使它下沉。通過(guò)連接到吸管的數(shù)個(gè)纜繩，可以實(shí)現(xiàn)支撐。在所示的實(shí)施
方案中，第一吸管片段5被第一纜繩16支撐，第二吸管片段6被第二 纜繩17支撐，第三吸管片段7被第三纜繩18支撐，第四吸管片段8 被第四纜繩19支撐。纜繩16至19中的每一個(gè)都通過(guò)相應(yīng)的、裝備有 提升元件的起重機(jī)12至15耦連到船。這些起重;feM皮配置為，通過(guò)改 變起重機(jī)和所討論的吸管片段之間的纜繩的長(zhǎng)度，來(lái)確定吸管4的所 討論的局部的深度。
吸管優(yōu)選地滿足數(shù)個(gè)要求。首先，吸管局部5至8中的每一個(gè)與 豎直方向的最小絕對(duì)角度必須大于預(yù)定最小值，以防止纜繩16至19 在挖泥期間的任何時(shí)刻不被拉緊。
此外，還要求相繼吸管片段5至8之間的最大相對(duì)角度必須不大 于預(yù)定值，例如30° ,因?yàn)榉駝t，鉸鏈構(gòu)造9會(huì)太迅速地磨損，這可 以縮短吸管的服務(wù)壽命。此外，第三吸管片段7和笫四吸管片段8之 間的最小相對(duì)角度必須具有確定的最小值。這個(gè)角度必須比0°大預(yù) 定量，因?yàn)橹挥羞@樣，耙吸頭10的向前速率誤差才可以被第三吸管片 段7的提起補(bǔ)償。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，相對(duì)角度被選為接近20° , 因?yàn)檫@樣，在前述第三片段7和第四片段8之間最大相對(duì)角度的限制 內(nèi)，所討論的提升元件的致動(dòng)沖程(activation stroke)是最大的。
圖2示出了吸管4的底端，即第三片段7的局部、第四片段8和 耙吸頭IO。也示意性地示出，纜繩18的長(zhǎng)度L可以在提升元件20的 輔助下被適配。如在所圖示的實(shí)施方案中，提升元件20可以包含水力 筒21，其固定到船2的起重機(jī)。通過(guò)改變筒21的長(zhǎng)度，提升元件20 和所討論的吸管片段7、 8之間的纜繩18的長(zhǎng)度可以被相應(yīng)地適配。 當(dāng)提升筒21的長(zhǎng)度變大時(shí)(這在該圖中通過(guò)雙頭箭頭Pj旨示)，纜 繩18的相應(yīng)長(zhǎng)度也增大；而當(dāng)提升元件20的長(zhǎng)度變小時(shí)，纜繩18的 相應(yīng)長(zhǎng)度也變大。同樣地，其余纜繩中的一個(gè)或多個(gè)的長(zhǎng)度可以被適 配。通過(guò)個(gè)別地控制相應(yīng)纜繩的長(zhǎng)度，吸管片段5至8中的每一個(gè)相 對(duì)于船2的位置可以被改變?？梢愿鶕?jù)本發(fā)明來(lái)進(jìn)行這個(gè)改變當(dāng)振 蕩和起伏產(chǎn)生使耙吸頭10出現(xiàn)負(fù)速率(即，在運(yùn)行方向Pv的反方向 上移動(dòng))的威脅時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)吸管5至8中的一個(gè)或多個(gè)，以使該轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn) 動(dòng)至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏。從而，防止了負(fù)速率。通過(guò)使得一個(gè)或多個(gè)吸管片段以正確方式(即，以正確的時(shí)間、
速率、振幅等等)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以影響耙吸頭10的速率。可能同時(shí)或相繼 地操作提升元件12至15中的兩個(gè)或更多，以使得這多個(gè)片段相對(duì)于 彼此移動(dòng)。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在許多情形下，只需要適配這些纜繩之
---尤其是可以轉(zhuǎn)動(dòng)第三片段7和第四片段8的纜繩18——的長(zhǎng)
度。因?yàn)榈谌|繩18與可以被用來(lái)影響耙吸頭10的管片段最接近， 所以在一個(gè)特定實(shí)施方案中，僅有第三纜繩18被適配。
用于改變第三纜繩18的長(zhǎng)度的提升元件20經(jīng)由電連接線24連接 到控制單元25。該控制單元可以包含以適當(dāng)方式編程的計(jì)算機(jī)，或類 似的電控制器。在這種情形下，控制單元25包含電控制器26,控制 器26被配置為，根據(jù)提前存儲(chǔ)在該控制器中的計(jì)算規(guī)則來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 在這些計(jì)算的基礎(chǔ)上，控制單元25的致動(dòng)信號(hào)發(fā)生器27向提升元件 20發(fā)送控制信號(hào)，以使該提升元件可以影響耙吸頭的移動(dòng)。
提升元件20的致動(dòng)可以以被動(dòng)或主動(dòng)方式進(jìn)行。圖3是控制單元
25的設(shè)計(jì)的示意圖。為了使用控制單元控制耙吸頭床速率(Vdraghead)，
床速率被測(cè)得，并與所需的參考速率(vref)比較。假如床速率不等于
參考速率，則誤差s被測(cè)得，控制器26將采取行動(dòng)以減小這個(gè)誤差。 這導(dǎo)致了要由提升元件20供給的控制輸出力(Fc。ntrol)。信號(hào)發(fā)生器 27隨后生成信號(hào)，并將所述信號(hào)發(fā)送到提升元件20，提升元件20將 在所接受的信號(hào)的基礎(chǔ)上確保第三管片段7 (以及耦連到它的端部片 段8的頂部)向上或向下移動(dòng)。這再一次使得前述誤差s的改變和提 升元件20的進(jìn)一步致動(dòng)。以下過(guò)程是可重復(fù)的(其中重復(fù)頻率必須大 于波浪的頻率)測(cè)量床速率、將測(cè)得的床速率與參考速率比較、確 定這兩個(gè)速率之差、在測(cè)得的差(和提前存儲(chǔ)在控制器26上的控制數(shù) 據(jù))的基礎(chǔ)上確定所要求的控制力Fc。他。i、向前述一個(gè)或多個(gè)提升元 件20發(fā)送表示所要求的控制力的致動(dòng)信號(hào)。
假如，例如力Feq是在平衡配置中經(jīng)由纜繩18施加在第三吸管片
段7上的力，P是比例控制參數(shù)、誤差e是速率誤差s=Vdraghead-Vf，則
在一個(gè)特定實(shí)施方案中，提升元件14要施加的控制力Ff。ree等于 Feq+P S。這意味著，例如當(dāng)耙吸頭床速率Vdraghead變得低于—參考速率 Vref時(shí)，纜繩18中的力將減小。當(dāng)該力減小時(shí)，結(jié)果是所討論的吸管片段7將開始下沉。假如吸管片段7下沉，它將確保吸管片段8的底
端略被向前拉，使得耙吸頭的速率V細(xì)ghead增大。同樣地，當(dāng)耙吸頭的 速率大于參考速率時(shí)，纜繩18中的力將增大，以使第三吸管片段7略 被向上提。這導(dǎo)致吸管片段8向后移動(dòng)(在方向Pv的反方向上)，從 而減小了耙吸頭的速率。
比例控制參數(shù)Pe的大小取決于很多因素，并將根據(jù)具體情形(例 如隨船的設(shè)計(jì)而變化)確定。比例控制參數(shù)也可以取決于當(dāng)前振蕩或 起伏。為了這個(gè)目的，船可以裝備有測(cè)量?jī)x器41 (在圖1中示意性地 示出)，其用于測(cè)量振蕩或起伏特性變量，例如波浪頻率。繼而，控 制單元的控制特性可以凈皮適配為隨測(cè)得的變量而變化，以更進(jìn)一步改 進(jìn)振蕩或起伏補(bǔ)償?？刂铺匦钥梢岳缤ㄟ^(guò)適配控制參數(shù)Ps的值而被 適配，但其他適配控制特性的辦法也是可能的?？刂茀?shù)Pe也可以被 選擇為等于零。在這個(gè)特定情形下，沒(méi)有耙吸頭速率的反饋，控制是 -故動(dòng)的。
用來(lái)替換比例控制器或作為其補(bǔ)充，控制器也可以被實(shí)施為，在
籠統(tǒng)或模糊邏輯系統(tǒng)(general or fuzzy logic system)中的自學(xué)習(xí) 系統(tǒng)一一尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一一的輔助下參與一個(gè)或多個(gè)提升元件的致 動(dòng)。
為了測(cè)量控制單元的表現(xiàn)，可以引入性能指數(shù)，引入形式被公知 為平均積分絕對(duì)誤差(mean integral absolute error)(或簡(jiǎn)稱 MIAE) 。 MIAE是速率誤差e在控制單元打開的時(shí)間間隔內(nèi)的平均絕對(duì) 值。性能指數(shù)MIAE可以例如被定義為
jV豐
翅五=^-
控制單元25的性能尤其取決于波浪運(yùn)動(dòng)的頻率。圖4示出了在具 備或不具備根據(jù)本發(fā)明的控制器的情形下，前述MIAE隨多個(gè)波浪頻率 而變化的模擬結(jié)果。參考數(shù)字33表示非受控系統(tǒng)的結(jié)果，參考數(shù)字 34表示比例控制參數(shù)P等于0 (P-0)的情形下的結(jié)果，參考數(shù)字35 表示P值適當(dāng)?shù)那樾蜗碌慕Y(jié)果。圖4清晰地揭示，在非受控系統(tǒng)的情 形下，主要變化發(fā)生在性能指數(shù)中，取決于頻率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)非受控系統(tǒng)的MIAE的峰值大致位于與船2的縱傾運(yùn)動(dòng)的峰值相同的位置。這意 味著，當(dāng)吸管4未被控制時(shí)，船的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上轉(zhuǎn)化為耙吸頭10的運(yùn)動(dòng)。 35——其中耙吸頭10的速率以主動(dòng)方式被控制——表示的結(jié)果 顯示，在整個(gè)頻率范圍上，此情形下的性能指數(shù)低于非受控系統(tǒng)。這 意味著，在整個(gè)頻率范圍上，此情形下所出現(xiàn)的誤差一一即耙吸頭的 速率和參考速率之差_—低于非受控系統(tǒng)。結(jié)論是，控制單元使得整
個(gè)頻率范圍上的速率誤差減小。
在控制力(Fc。他。。等于平衡力(Feq)時(shí)，即當(dāng)恒定力被施加在纜 繩18上時(shí)，也出現(xiàn)改進(jìn)。在圖4中，點(diǎn)劃線34示出，例如，在P=0 的情形下，MIAE——從而耙吸頭速率和參考速率之差——在頻率范圍 的大部分遠(yuǎn)低于非受控系統(tǒng)。在確定的波浪頻率、例如在圖4中由參 考數(shù)字40顯示的頻率的情形下，提升元件20的致動(dòng)也將對(duì)該系統(tǒng)的 性能有正面效果。恒定的力可以，例如，通過(guò)經(jīng)由導(dǎo)輪將纜繩18連接 到固體重物(solid mass)而^皮施加。另 一個(gè)辦法是通過(guò)控制單元15 來(lái)致動(dòng)提升元件20,以使提升元件在纜繩18上施加恒定的力。這可 以例如通過(guò)為提升元件20裝備耦連到控制單元25的力感應(yīng)器(force transducer )來(lái)實(shí)現(xiàn)。4艮據(jù)通過(guò)力感應(yīng)器測(cè)得的力，控制單元可以以 適當(dāng)方式致動(dòng)提升元件20。
隨后，所描述的吸管4的控制在多種情況下對(duì)可操作性的效果被 算出。首先，關(guān)于波浪高度和波浪周期的信息是可得到的，這些信息 現(xiàn)今可以經(jīng)由衛(wèi)星收集。在這種情形下，可以利用散點(diǎn)圖(scatter diagram),其詳細(xì)說(shuō)明了確定的波浪周期間隔(單位為秒)和確定的 波浪振幅間隔(單位為米)出現(xiàn)的百分比。依據(jù)預(yù)定的參考速率—— 例如1米每秒，隨后可以算出耙吸頭10的速率。圖5是最小耙吸頭速 率隨波浪振幅和波浪周期而變化的圖。參考數(shù)字30顯示了非受控吸管 的情況，參考數(shù)字31指示了受控吸管的情況?？梢郧逦乜吹?，非受 控情況下的最小耙吸頭速率(參考數(shù)字30)可小于0，這是不可接受 的。在吸管4受控的情形下(參考數(shù)字31)，最小耙吸頭速率從不降 至0以下。這意味著，當(dāng)吸管4沒(méi)有被致動(dòng)時(shí)，在部分時(shí)間期間不可 能進(jìn)行挖泥，然而當(dāng)該系統(tǒng)打開時(shí)，可以在所有時(shí)間挖泥,不論波浪 的高度和/或波浪的周期(波浪頻率)如何。圖6示出了裝備有速度計(jì)36的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的耙吸頭10的 一個(gè)實(shí)施方案。耙吸頭10以已知方式包含口 37，經(jīng)由口 37, ;^動(dòng)的 床物質(zhì)可以被吸起。為了松動(dòng)床物質(zhì)，耙吸頭10的端部裝備有爭(zhēng)〉動(dòng)機(jī) 構(gòu)38。為了確定耙吸頭10相對(duì)于床B的速率，可以利用多束式 (multi-bundle)多普勒傳感器36。該多束式多普勒傳感器利用以下 事實(shí)當(dāng)聲源發(fā)出的聲波被移動(dòng)物體反射時(shí)，所述聲波的頻率會(huì)改變。 當(dāng)多束式多普勒傳感器自身移動(dòng)而聲波被靜止物體(即，床)反射時(shí)， 這也同樣適用。所發(fā)送和所接收的聲信號(hào)之間的頻率差異水平直接關(guān) 系到耙吸頭10的速率。表示測(cè)得的速率的信號(hào)經(jīng)由連接纜繩39被傳 到控制單元25，并被控制器26用來(lái)計(jì)算控制力Fe。ntrol。
所闡述的實(shí)施方案僅示出了單個(gè)多束式多普勒傳感器36。然而， 其他實(shí)施方案可以提供利用多個(gè)頻率的數(shù)個(gè)傳感器，它們相對(duì)于床在 多個(gè)角度延伸，以提高速率測(cè)量的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明不局限于本文獻(xiàn)描述的優(yōu)選實(shí)施方案。所請(qǐng)求的權(quán)益由隨 后的權(quán)利要求限定，在這些權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行多種修改是可能的。
權(quán)利要求
1.用于至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏對(duì)用于挖掘水域床的船的挖掘部件、尤其是耙吸頭、的速率的影響的裝置，該裝置包含——吸管，其被固定到船，用于吸起床物質(zhì)，其中該吸管的實(shí)施方式是，數(shù)個(gè)可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的吸管片段鉸接，并且其中每個(gè)吸管片段相對(duì)于船的前進(jìn)方向傾斜地向后延伸；——挖掘部件，其裝備在吸管的端部，并且其可以在床上耙動(dòng)，用于松動(dòng)并吸起床物質(zhì)；——纜繩，其裝備在吸管和船之間，用于支撐單個(gè)的吸管片段；——至少一個(gè)提升元件，其用于通過(guò)提起或釋放至少一個(gè)纜繩來(lái)使得吸管片段相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)；——控制單元，其用于致動(dòng)提升元件，該控制單元被配置為，通過(guò)吸管片段的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)適配挖掘部件的床速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的裝置，其中吸管片段由基本直的管彼此延伸 地附接而構(gòu)成。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其中控制單元被配置為，隨一 個(gè)或多個(gè)作為振蕩或起伏特性的變量的變化來(lái)致動(dòng)提升元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中控制單元耦連到一測(cè)量?jī)x器，測(cè) 量?jī)x器用于測(cè)量一個(gè)或多個(gè)作為振蕩或起伏特性的變量，優(yōu)選地是波 浪頻率。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其包含吸管端部片段，挖掘部 件附接到該端部片段的一端，中間片段附接到該端部片段的另 一端， 并且其中要被提起和釋放的纜繩被固定到中間片段，并且其中控制單 元的實(shí)施方式是，通過(guò)提起或釋放至少一個(gè)纜繩來(lái)保持挖掘部件的床 速率為正。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其中控制單元的實(shí)施方式是， 通過(guò)提升元件來(lái)提起或釋放纜繩，以使基本恒定的向上力被施加在該 纜繩上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中有重物耦連到纜繩，用于提供恒 定的向上力。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其包含速率確定設(shè)備，尤其是速度計(jì)，用于確定挖掘部件相對(duì)于床的速率，其中控制單元的實(shí)施方 式是，在測(cè)得的挖掘部件床速率的基礎(chǔ)上致動(dòng)提升元件。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其中控制單元的實(shí)施方式是， 使得提升元件在纜繩上施加力，該力由用于維持平衡的平衡力(Feq) 和比例控制參數(shù)(P￡)確定。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其中端部片段和連接到它的 中間片段之間的相對(duì)角度在0和30度之間，優(yōu)選地在15和30度之間。
11. 包含船、尤其是拖曳吸入式挖掘船的組件，其裝備有至少一 個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置。
12. 用于至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏對(duì)用于挖掘水體床的船、尤 其是拖曳吸入式挖掘船的挖掘部件、尤其是耙吸頭、的速率的影響的 方法，該方法包括一一在床上耙動(dòng)吸管，該吸管固定到船并裝備有用于松動(dòng)并吸起 床物質(zhì)的挖掘部件，其中吸管的實(shí)施方式是，數(shù)個(gè)可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn) 動(dòng)的吸管部件鉸接；——通過(guò)提起或降下至少一個(gè)前述可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的吸管片 段，來(lái)適配挖掘部件的床速率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其包括連續(xù)地或以短間隔致動(dòng)前述 一個(gè)或多個(gè)提升元件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其包括僅提起和降下耦連到 吸管端部片段的吸管片段。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12至14之一的方法，其包括在前述一個(gè)或多 個(gè)吸管片段上施加基本恒定的力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12至15之一的方法，其包括測(cè)量挖掘部件相 對(duì)于床的速率，并在測(cè)得的床速率的基礎(chǔ)上適配該挖掘部件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l2至16之一的方法，其包括在吸管片段上施 加力，該力由用于維持平衡的平衡力(Feq)和比例控制參數(shù)(P￡)確 定。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其中使用了根據(jù)權(quán)利要求l 至15之一的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于至少部分地補(bǔ)償振蕩或起伏對(duì)固定到船的挖掘部件的速率的影響的裝置，該裝置包含吸管，其用于吸起床物質(zhì)，其中該吸管的實(shí)施方式是，數(shù)個(gè)可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的吸管片段鉸接；耙吸頭，其裝備在吸管的端部，并可以在床上耙動(dòng)，用于松動(dòng)和吸起床物質(zhì)；纜繩，其裝備在吸管和船之間，用于支撐單個(gè)的吸管片段；至少一個(gè)提升元件，其用于通過(guò)提起或釋放至少一個(gè)纜繩來(lái)使得吸管片段相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)；控制單元，其用于致動(dòng)提升元件，該控制單元被配置為，通過(guò)吸管片段的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)適配挖掘部件的床速率。本發(fā)明還涉及用于補(bǔ)償這類振蕩或起伏的方法。
文檔編號(hào)E02F3/90GK101555696SQ200910133659
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者A·C·L·德克里格, J·C·格爾瑞, P·M·維克魯斯 申請(qǐng)人:Ihc荷蘭Ie公司