基于MATLAB/SIMULINK的绞吸式挖泥船吸扬系统仿真设计

学院(系)：能源与动力工程学院

专业班级：轮机工程1407

学生姓名： 李亚隆

指导教师： 范世东

论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：

2018年 月 日

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作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.1.1课题的研究背景 1

1.2挖泥船的国内外发展水平及研究现状 4

1.3 研究内容及技术路线 7

第二章 本文涉及的软件及研究方法 8

2.1 MATLAB/SIMULINK软件概述 8

2.2 MATLAB/SIMULINK特性介绍 8

2.3 本章小结 10

第三章 吸扬系统的数学模型 11

3.1 基于系统产能和工作效率优化猜想 11

3.2泥泵的特性曲线公式 12

第四章 基于Maltab/Simulink的吸扬系统仿真研究 18

4.1 Matlab/Simulink仿真模型的搭建 18

4.2 基于Matlab/Simulink的实例分析 20

第五章 总结与展望 22

5.1结论 22

5.2 本文的创新点 22

5.3 展望 22

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.1.1课题的研究背景

作为近几年来的热点问题，南海问题在互联网平台上有着极高的关注度。人们对国家海洋资源利用的讨论也从未停止过。海洋资源的利用与疏浚工程设备息息相关，挖泥船作为疏浚行业常见的应用船舶，因此渐渐进入了人们的视线。我国的挖泥船技术在短短几年内实现了飞跃式的大跨步发展。自2013年至今的“填砂造岛”作业中，我国的各种疏浚设备大放异彩，一座又一座坚固的“桥头堡”在极短的时间里在我国的海疆“拔地而起”。2017年11月天鲲号在江苏启东顺利下水，这艘亚洲最大的绞吸式挖泥船是我国在海疆建设领域的又一里程碑。该船凝聚着我国第一线技术人员的心血，融当前世界的最新科技于一身，成为目前亚洲最顶尖的疏浚设备，该船配备4种不同类型（通用，黏土，挖岩以及重型挖岩）的绞刀，甚至连海底硬度极高的岩石都可以挖掘。它的工作效率极高，每小时可以将6000方的速度将疏浚物输送到15公里外的目的地。这是一个什么概念呢，打个比方说，如果使用天鲲号，填满一座水立方游泳馆，只需要6天半的时间。天鲲号这类大型疏浚设备的问世，体现了我国科学技术水平“人无我有，人有我优”的蓬勃发展态势，这一系列重大成果也必将成为我国稳步迈向海洋强国行列的坚实基石。

挖泥船的工作原理，是通过流体动力和挖泥机械装置将水下沉积物包括沙、石块、泥土和珊瑚礁等进行挖掘、提升以及输送。本世纪初期，国家不断发展改革，沿海地区经济实现了腾飞，随之而来的是深水港口和围海造地的工程逐渐增多，而且随着政府对内地水力工程的大力度扶持，使得大小型挖泥船都具有良好的应用前景。

作为绞吸式挖泥船的重要组成部分，吸扬系统是完成疏浚任务的主要工作单位。在实地进行工程作业时，通过监测和控制抽吸工作参数，操作人员可以将绞吸式挖泥船保持在最佳工况下，从而控制和减少疏浚成本，提高产量。于是乎，在短时间内找到最优工况点，对系统参数进行即时的调整，成为了绞吸式挖泥船吸扬系统效率优化的重要研究目标。许多学者对挖泥船吸扬系统效率的优化进行了一系列的研究。在已知系统特性和土壤质量疏浚假设下进行的多约束静态优化是大多数研究的主要研究方向。由何炎平等一系列专家提出，通过控制变量的方法来逐一分析土壤性质、排放距离、输送泥浆的体积分数以及临界流速等条件对提升系统产量和效率变化的影响因素，从而分析得出优化工况点的方法目前运用的最为广泛。但是，该方法虽然可以获得较好的优化方案，但实验周期长，各工况的计算因子复杂的问题依然存在。 而在实际施工过程中，随着土壤等环境因素的变化，最佳工况点也会发生变化。故该方法在实际生产作业中并不能起到很好的优化作用。 传统的吸扬系统效率优化方法显然不具备施工现场要求的实时性。

典型的挖泥船管道输送系统（吸扬系统）如图所示，我们可以很直观的看到，系统主要由绞刀/斗轮、吸泥管、泥泵、柴油机及其机械传动机构、排泥管和各类仪表和传感器（如真空传感器，压力传感器，超声波流量计和伽马射线泥浆浓度计等）这些部分构成。吸扬系统的主要工作是由绞刀将疏浚物切碎并与水混合形成泥浆，再通过管道由泥泵泵送到指定的卸料区。柴油机是挖泥船泥浆管道系统最常用的动力装置，通过机械传动机构变速后驱动泥泵运转。泥浆在泥泵中高速旋转，在离心力的作用下向叶轮外侧甩出，在泥管的入口侧形成负压，外界大气压力将吸泥管入口处的泥浆压入泥泵，然后泥浆经过泥泵的驱动，通过排泥管被输送到卸料点。

图1-1 泥泵管路输送系统（吸扬系统）

泥泵管道输送系统（吸扬系统）虽然基本原理简单，但是具有非常复杂的动态特性。例如在实际疏浚作业过程中，泥浆成分非常复杂，不同比重的泥浆，在吸扬系统中的输送情况是截然不同的，同时还要考虑汽蚀余量，弯管处的阻力等等因素。为了加深对吸扬系统的认识，深入分析吸扬系统的输入和输出参数及其之间的关系，从而为提高吸扬系统输送效率，减少堵管和爆管等事故的发生提供有力的理论支持。对吸扬系统的绞刀、泥泵、管路进行的特性分析和建模仿真具有的实际意义是毋庸置疑的。

1.1.2课题的研究意义

在对外开放的潮流推动下，海洋经济建设成为众多沿海城市发展的重头戏，建设港口特别是建设深水港口在全国范围形成了不可阻挡的潮流。与此同时，港口以及船舶的发展趋势偏向大型化和专业化，港口航道和港池浚深作业任务十分繁重。除此以外，吹填造陆工程（例如空港建设）也越来越多。

由于沿海天然深水海岸线资源的极度稀缺，留给用来建设港口的位置十分有限。因此在浅滩上挖建泊位或者建设人工岛已经成为港口建设的趋势。这些情况都导致了一个结果，就是疏浚行业对于疏浚设备的需求疯狂增长。由此我们可以预知，在未来的10年或者更长时间里，我国沿海港口航道建设将会达到高峰，我国疏浚行业也将进入技术发展迅猛的黄金时期。

在港口建设如火如荼的时期，对于疏浚设备的需求十分巨大，而挖泥船很好的满足了港口建设的疏浚需要，但是面对规模更大，环境更复杂，要求更严格的工程项目，挖泥船的疏浚设备（即吸扬系统），对其的工作效率优化就显得十分重要和迫切。现在面临的挑战主要有：

1)对挖泥船的挖深能力有了更高的要求。为了满足万吨及以上级别船舶的进出港以及停靠，现在的港口建设挖深都至少在15m以上；挖深能力在20m以上的挖泥船供不应求。虽然我国挖泥船数量逐年增长，但仍然不能完全满足所有工程建设的需要。

2)现有的挖泥船的疏浚物排放能力已经不能满足现在的排距需求。无论疏浚任务的目的是什么，现代城市的建设不允许挖泥船在施工的同时将挖出来的疏浚物保存在原地，因而只能排放到更远的地方或者从更远的地方挖来泥土满足建设任务的需求。现代疏浚工程的基本排距要求均在2km以上，而现在更多工程的研究甚至达到了7km以上。

3)挖泥船的工作效率亟待提高。在完成目标的同时，建设单位更要求了花费尽可能短的时间和极高的工作效率，以此尽快实现投资效益。那么施工单位就只能使用高效率的施工设备才能在市场上拥有足够的竞争力。同时施工单位也需要通过提高设备的工作效率来实现更好的经济效益。只有不断对挖泥船的性能进行优化才能更好的满足双方的需求。

4)自动化控制将成为挖泥船控制和管理的主流。为了降低劳动者的劳动强度，并使工资性成本在疏浚总成本中的占比降低，必须要尽量减少工人的工作量，才能以更低的成本获取更高的经济效益。目前挖泥船设备中已经广泛运用了计算机、电子电路液压传感等技术，疏浚工程自动化监控和挖泥疏浚的自动化采集已经基本得以实现，不难看出，挖泥船的智能化趋势已经不可阻挡。

世界上第一艘绞吸式挖泥船1880年在英国交付使用，世界绞吸式挖泥船在一百多年内有了很大发展。据不完全统计，全世界拥有挖泥船2500余艘，其中绞吸式挖泥船占比高达40%，在各类挖泥船中所占比例最大。与其他类型的挖泥船相比，绞吸式挖泥船具有以下优点：

a.从淤泥到岩石，绞吸式挖泥船都可以挖掘，工作环境适应性非常强；

b.生产过程连续，产量高；

c.作业时操作人员较少；

d.大多数绞吸式挖泥船上的操作设备并不多，因此操作维方便。

正是因为绞吸式挖泥船许多其他类型挖泥船所不具有的优点，所以现在越来越多的疏浚工程选择了绞吸式挖泥船。

虽然与疏浚强国之间的差距仍然存在，但是经过多年的发展，我国的疏浚技术水平已然迈入世界前列。根据2012 年的统计显示，2012年国内疏浚市场营业额占比全球疏浚市场的33%。而以2011 年为界，国内有96 艘疏浚耙吸式挖泥船，约占世界四大公司总和的4/5；有168 艘绞吸式挖泥船，几乎是世界四大公司总和的两倍。现在国内疏浚能力已经不弱于世界上著名的四大疏浚公司，并且完全可以满足国内市场的需求。中国的疏浚技术已经实现了飞跃式的发展，紧跟世界潮流，甚至在某些方面已经处于了世界领先水平。

单位成本高，设备投资大，作业时间长是现代疏浚工程的存在已久的三大问题。因此在疏浚技术的研究领域中，对疏浚设备工作过程的优化工作一直都是重中之重，在未来数十年内，也将一直是疏浚行业的研究主流。在提高挖泥船的工作效率的同时，降低疏浚作业的成本，同时也可以完成一些节能减排以及环境保护的优化目标。

对疏浚工程优化问题的研究从古至今一直都没有中断过，一直都是国内外学者的研究重点。传统的优化方法是基于疏浚系统运行参数不变的前提下，优化疏浚作业过程中的泥浆浓度，泥浆流量和功率匹配，使疏浚量在这些假设下达到理论最大值。究其根本，这是一种离线静态的优化方法，它的理论依据是：依据挖泥船的设备参数和施工环境的具体情况对挖泥船作业时的控制参数进行离线近似，通过计算机计算分析，最终确定最优参数的过程。但是实际上在疏浚过程中，由于工作状态和时间的不同，控制系统的过程会呈现出动态变化，挖泥船设备的特性也不会依照计算机模拟的参数变化。因此这样的假设条件得到的优化结果是不准确的，只可以为参考人员提供一个参考的系统调节量，如果直接应用到自动疏浚作业过程，作业过程的精度会非常低，甚至使工作效率不升反降。

本文的研究思路是，以2000方绞吸式挖泥船的吸扬系统作为研究对象，对泥泵以及输泥管路进行特性分析，展开运行工况参数影响因素以及作业故障分析，绘制各单元之间输入输出关系图。同时运用Matlab/Simulink软件，建立泥泵、管线模型。最后预设若干挖泥环境和相关参数，基于高效和低耗的优化目标，选用优化算法，仿真分析，提出优化建议。

1.2挖泥船的国内外发展水平及研究现状

1.2.1挖泥船的国内外发展现状

在上世纪中后期，中东深水港建设在毫无掩护的海域，其海底大多是十分坚硬的岩石。很显然，小型的绞吸式挖泥船并不能在这样广阔的海域中作业，对于坚硬的海底岩石也毫无办法。由此更加体现出了大型自航式绞吸式挖泥船的优势。大型自航式绞吸式挖泥船具有生产效率高，单方费用低的特点，而且能够依靠本身的动力自航，机动性好，能在工作区域出现无法控制的危险情况下迅速地撤离施工现场。因此，许多大型自航式绞吸式挖泥船在这各时期完工下水。如1978年荷兰建造的“oranje”号，总功率达到了14736KW，绞刀功率265KW，最大挖深为31.5m；1980年建造的“Taurus”号自航绞吸式挖泥船总功率为15628kw，挖深30m；1980年建造的自航绞吸式挖泥船“Bilberg I”号，1979年荷兰IHC公司建造的自航绞吸式挖泥船“Marco Polo”号，总功率达到了16117KW。

我国最大的绞吸式挖泥船是于2017年11月3日下水，由中交天津航道局有点公司投资并联合设计，交付上海振华启东造船厂建造的6600KW绞刀功率重型自航绞吸式挖泥船“天鲲号”。

在国内，只有天津航道局拥有一艘“天鲸号”自航绞吸挖泥船。自投产以来，该船在建设很多重点项目时大放异彩。特别是在挖掘岩石与长排距的疏浚工程中发挥了极大的作用，更是外海岛礁施工中一战成名。

新一代重型自航绞吸挖泥船“天鲲号”设计建造工作由中国船舶工业集团公司第七○八研究所设计，上海振华重工集团启东公司2016年年初开工建造。 

图1-2 2017年11月3日“天鲲号”下水

1.2.2 绞吸式挖泥船吸扬系统的国内外研究现状

绞刀系统，泥泵系统，横移系统和定位系统构成了整个绞吸式挖泥船的疏浚系统。其中绞刀和泥泵系统又被单独划分出来，合成为吸扬系统。

绞刀系统包括：

绞刀：通过高速旋转切削目标疏浚物，使之变形破碎，与液体（一般是水）形成泥浆，通过吸泥管进入到泥泵中。从结构上可划分为开式和闭式两种。

刀架：安装在船艏中部，一般为钢架结构。绞刀动力装置以及减速传递系统、绞刀以及吸泥管安装在其上。

吸泥管：通过泥泵的真空作用，将泥浆从吸泥口输送至泥泵，安装在绞刀桥架内部。

绞刀桥架起落装置：主要构成为绞车、支架、滑轮组和牵引钢丝绳。牵引钢丝绳与起落绞车的正转、反转和停止，分别对应桥架的起升、下落和停止。通过调整桥架的起落，调节绞刀的开挖深度。。

绞刀动力装置：现代挖泥船多采用液压泵，旧船型可能会采用电动机。

作为整个泥浆输送装置的关键环节，泥泵系统包括：

泥泵：在主机的带动下吸取泥浆、产生一定的压力和流速后将泥浆经排泥管送至指定位置。

主机：一般采用柴油机.

齿轮箱：安装在泥泵和主机之间，对主机起减速加力作用。

排泥管：均为钢管，前端连接泥泵，在船尾通过一个活动接头（鹅颈管）与水上的管路相连。

横移系统分为左右两套，分布在船艏两侧对称的位置上，根据其具体方位分别称为左横移，右横移，在施工过程中完成左右摆动以达到挖泥船的挖宽。

作为一种点挖式的挖泥船，绞吸式挖泥船的横向和向前移动是通过定位系统实现的。定位桩，定位桩包箍和定位桩起落装置共同组成了定位系统。

“高效、安全、节能、环保、智能化”是国内外的众多研究机构和生产企业开展绞吸式挖泥船研究工作的共同目标。荷兰、比利时、美国和德国的疏浚研究机构的研究水平位于世界前列，诸如荷兰的Deflt University of Technology和IHC公司，美国的德克萨斯农业和机械工程大学以及Ellicott公司，比利时的DEME公司和JanDeNul公司还有德国的VOSTA LMG公司等。上海交通大学、河海大学、大连理工大学、武汉理工大学等高校和研究所乃是国内疏浚界的主要研究力量所在。

美国疏浚界的资深学者John B. Herbich，他著有疏浚领域的专业报告和论文200多篇，编撰有《沿海和海洋工程手册》等著作。美国Ellicott公司的Thomas.M.Turner深入研究了泥浆管道特性，吸扬系统工作效率等方面的原理，为疏浚工程研究做出了不可磨灭的贡献。

在疏浚泥浆的研究方面，沿用至今的著名的二维切削理论，是由荷兰Delft University of Technology的Miedema 博士通过对绞刀的水下切削过程 进行受力分析得出。到今天，该理论仍然被许多的学术论文所引用。在国内，河海大学疏浚技术中心也建立了各种土壤切削刀具的试验平台，进行了一系列的研究。李新军针对绞吸式挖泥船泥泵与绞刀的功率匹配优化问题展开了研究，充分考虑了疏浚土壤、泥浆流量和排放距离等对功率匹配的影响，提出了一组实用的绞刀与泥泵功率匹配优化公式。

在管线输送研究中，泥浆的临界流速是一个非常关键的内容。因为这个流速对应了管线阻力损耗的极小值。若泥浆内的颗粒全部处于临界流速，那么所有的颗粒将处于悬浮流态，即是管线输送效率最高的一点，同时也是保证管线泥浆流动的约束条件。然而对此，学界并没有统一的定义。也是目前疏浚行业研究的一大经典问题。

1.3 研究内容及技术路线

本文的主要研究内容为，研究在吸扬系统工作时，怎样才能使管道的输送和泥泵的抽吸达到理想的匹配工况。我们可以在这里做出假设，若泥泵的抽吸扬程极大，泥泵的输送扬程过小，则造成泥泵做的功大部分被浪费，并没有达到工作目的，驱动泥泵的主机做功也因此而浪费。若泥泵的抽吸扬程远小于管路，那么则会导致管路输送的泥浆不能全部被送走，会慢慢沉积在管路中，导致堵管的发生。而在对吸扬系统的效率进行评价的时候，无论是堵管或者是主机做功被浪费的情况，显然都违背了提高效率的初衷。因此本文从管道和泥泵的扬程匹配入手，找出泥泵和管路的扬程特性曲线，运用Matlab/Simulink进行模型解算，找到系统的匹配点。技术路线如下：

第二章 本文涉及的软件及研究方法

2.1 MATLAB/SIMULINK软件概述

MATLAB ，主要包括MATLAB和Simulink两大部分，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件。

MATLAB是matrixamp;laboratory两个词的组合，意思是矩阵实验室（工厂）。是由美国mathworks公司发主要针对科学计算、可视化以及交互式程序设计而开发的高科技计算平台。在一个简明易用的视窗环境中，Matlab可以实现数值分析，矩阵计算，科学数据可视化以及非线性动态系统的仿真建模等功能。为科学研究、工程设计以及众多必须进行有效数值计算的科学领域提供了一种全面的解决方案。并且Matlab在一定程度上摆脱了传统程序设计语言（如C、Fortran）的非交互式的编辑模式，在当今国际科学计算软件中独树一帜。

MATLAB、Mathematica、Maple是现代科学研究的三大数学计算软件。Matlab在众多数学类软件中在数值计算方面更是首屈一指。进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等无所不能。广泛应用于各个科学领域，如工程计算、控制设计、信号处理与通讯、金融建模设计与分析等。

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