小型清淤設(shè)備的研制與應(yīng)用

小型清淤設(shè)備的研制與應(yīng)用

在山東無與倫比的水城線路中，從濟(jì)南到博山的管道是混凝土的一部分。該管道全長(zhǎng)300多公里，主要用于供水，同時(shí)承擔(dān)防洪和排水任務(wù)?，F(xiàn)在某些渠段已經(jīng)出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象,可以預(yù)見,將來運(yùn)行管理過程中會(huì)有大量的維護(hù)性清淤工作。目前國(guó)內(nèi)中小型水域的主要清淤方式是在無水的情況下用挖掘機(jī)或清淤機(jī)進(jìn)行清淤。這種工作方式需要河流改道或者把渠道水抽干,有時(shí)還不得不開挖臨時(shí)河道,并且常常由于河床地形的原因,無法使用大型工程機(jī)械進(jìn)行機(jī)械化作業(yè),因此現(xiàn)有工作方式工程量既大又繁瑣,不但使清淤目標(biāo)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)無法使用,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,而且工作效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,方法原始。當(dāng)前國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)混凝土襯砌渠道的專用清淤設(shè)備,現(xiàn)有的河湖清淤設(shè)備不能滿足南水北調(diào)工程要求,因此研制一種高效環(huán)保的渠道清淤設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)需求。1清淤設(shè)備的選擇南水北調(diào)東線工程混凝土襯砌輸水渠道清淤不同于一般的河湖疏浚,對(duì)于清淤設(shè)備有著特殊要求。(1)由于許多渠段地下水位較高,揚(yáng)壓力較大,渠道排干后有可能造成渠道破壞,所以設(shè)備只能帶水清淤,即在水下絞削泥沙,形成高濃度泥漿,通過泥泵輸送到岸上。但絞削渠底泥沙時(shí),要采取措施,限制所擾動(dòng)的泥沙向四周擴(kuò)散,形成二次污染。(2)由于不少渠道是全斷面襯砌,底部為100mm厚的素混凝土,承載能力較小,所以清淤設(shè)備不能采用一般河湖疏浚中常用的雙樁跨步行走方式,而應(yīng)采用鋼纜牽引裝置、水下行走工作裝置或其它接地比壓小的形式,以防止設(shè)備破壞渠底。同時(shí),清淤設(shè)備還要適應(yīng)淤積后水下起伏不平的地面,在水下能靈活動(dòng)作,具有一定的爬坡能力。根據(jù)這樣的要求,應(yīng)該選擇小型的橡膠履帶式的水下行走工作裝置。(3)由于輸水線路除輸水明渠外,還有許多輸水暗涵,如濟(jì)平干渠中的倒虹吸、濟(jì)南段的箱涵以及穿黃隧洞等。因此設(shè)備不僅能在寬闊的襯砌渠道中進(jìn)行清淤,還能在稍加改進(jìn)后進(jìn)入上述暗涵工作。(4)渠道中淤積泥沙的土質(zhì)較軟,可以采用環(huán)保疏浚工程常用的同軸互逆螺旋絞刀,與履帶行走裝置正好匹配。(5)水下雜草和大顆粒泥沙可能會(huì)堵塞泥泵,泥泵必須能夠通過較大直徑的顆粒,進(jìn)口還要有堵塞防護(hù)裝置,并且能夠比較快速地伸出水面以排除堵塞。(6)水下行走工作裝置要在陷入泥坑時(shí),有自救能力。清淤設(shè)備拆解后的單件體積、重量,要方便公路運(yùn)輸,其下水、出水和維護(hù)不需要大型的吊裝設(shè)備。(7)由于在狹窄的渠道空間里,排泥管路很難展開,若隨著清淤設(shè)備的移動(dòng)不斷連接排泥管路,則費(fèi)時(shí)費(fèi)力,若在沿線設(shè)置多個(gè)排泥場(chǎng)也很不經(jīng)濟(jì)。所以需要配備泥水分離設(shè)備,分離出的泥沙通過卡車運(yùn)往它處堆積,分離出的水分則重新排到渠道中回收利用。2新渠道清算設(shè)備的開發(fā)2.1種新型的水下清淤設(shè)備針對(duì)上述要求,南水北調(diào)東線工程混凝土襯砌輸水渠道清淤設(shè)備應(yīng)是一種具備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、工作安全可靠、能夠在水下連續(xù)作業(yè)、便于維修和運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)的小型潛水疏浚機(jī)。在國(guó)外已有類似設(shè)備,比如1990年日本建設(shè)省近畿技術(shù)事務(wù)所和日本電業(yè)株式會(huì)社機(jī)械制作所共同推出的一種經(jīng)過試驗(yàn)改進(jìn)后的潛入式小型疏浚機(jī)。但是,我國(guó)在這方面仍然落后。本文根據(jù)南水北調(diào)東線工程混凝土襯砌輸水渠道清淤工作特點(diǎn),提出了一種新型的配備橡膠履帶行走裝置、螺旋絞刀挖掘裝置、泥泵吸排裝置等的小型水下清淤設(shè)備。此設(shè)備是對(duì)一種新型的履帶式滑移裝載機(jī)進(jìn)行改造而成?；蒲b載機(jī)采用靜壓傳動(dòng)技術(shù)和工裝快換技術(shù),具有無級(jí)變速、原地自傳、一機(jī)多用、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其改造方案如下:將發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、操控系統(tǒng)拆離,剩下的機(jī)體作為水下行走工作裝置;安裝水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵站,前端工作臂上安裝水平螺旋絞刀在水下挖掘攪拌;泥漿泵將泥、水混合物泵送到岸上進(jìn)行分離,泥漿泵采用獨(dú)立的水下電機(jī)驅(qū)動(dòng);水下行走工作裝置與輔助工作船之間,只有電纜連接,不需液壓軟管。設(shè)備的工作電力可以采用岸電,或者是掛車式的移動(dòng)發(fā)電站,設(shè)備操控系統(tǒng)由電信號(hào)控制?？紤]到檢修、排出故障方便,需要購(gòu)買一艘小型船舶輔助工作。輔助工作船見圖1,相關(guān)參數(shù)見表1。2.2設(shè)備系統(tǒng)組成改造的新型渠道清淤設(shè)備由底盤行走裝置、切削挖掘裝置、吸排泥系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水上操控系統(tǒng)、檢測(cè)顯示系統(tǒng)等六大部分組成。2.2.1次潤(rùn)滑+一次滑動(dòng)該設(shè)備擬采用液壓履帶式行走裝置,左右鏈輪分別各由一臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。軸端密封結(jié)構(gòu),從外部看,只有進(jìn)出油口,保證潤(rùn)滑油密封不外漏,并防止泥水進(jìn)入輪腔。在不超過10m水深的環(huán)境下工作完全能保證密封性能。支重輪、導(dǎo)向輪均采用滑動(dòng)軸承,一次性加油潤(rùn)滑可免除使用過程中維護(hù)和保養(yǎng)加油。將滑移裝載機(jī)的支重輪由原來的四個(gè)增至六個(gè),履帶長(zhǎng)度增加0.5m,以此來減小本機(jī)械在水中的接地比壓,減輕對(duì)渠道底的碾壓破壞,同時(shí)保證水下松軟淤泥環(huán)境作業(yè)時(shí)不會(huì)沉陷。另一方面,為保證水下裝置在渠底松軟的淤泥上行駛時(shí)有足夠的地面附著力,設(shè)計(jì)的履帶花紋溝槽寬而深,花紋塊接地面積小(約40%~60%)。設(shè)備在渠底上慢速行駛時(shí),較軟的淤泥被履帶壓軋排擠到履帶兩側(cè),稍硬些的泥土將嵌入花紋溝槽之中。只有當(dāng)嵌入花紋溝槽的泥土壤被剪切時(shí),鏈輪才有可能出現(xiàn)打滑。因此,適當(dāng)增加花紋溝槽尺寸,可提高進(jìn)駐花紋的泥土的剪切力,增大履帶對(duì)渠底抓著力。而且,在渠底上高速行駛時(shí),較大尺寸的花紋溝槽還有利于甩掉泥塊。2.2.2螺旋葉片軸的工作原理借鑒Ellicott清淤船的挖掘排泥裝置結(jié)構(gòu)形式,采用水平螺旋絞刀進(jìn)行切削攪拌。泥泵放置在水平螺旋絞刀長(zhǎng)度的中間,使得泥泵吸口直接面對(duì)絞刀,這樣能夠大大提高泥漿濃度。螺旋絞刀是由串聯(lián)在一根軸上但旋向相反的兩條螺旋葉片組成,絞刀后方有外罩。螺旋葉片軸由內(nèi)置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)(與絞刀同軸),如圖2。工作臂油缸推動(dòng)切削裝置上下擺動(dòng)。內(nèi)置液壓馬達(dá)能夠正反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)有鋼筋、石塊或其它雜物卡死或纏繞時(shí),通過反轉(zhuǎn)清理。絞刀外罩可防止泥水混合物擴(kuò)散形成二次污染,尤其當(dāng)作業(yè)環(huán)境中有水流時(shí)更有必要;外罩還可以配合絞刀將硬土顆粒粉碎,大幅度提高泥漿的濃度,減小泵送過程中管道堵塞的幾率。螺旋絞刀的工作原理見圖3,當(dāng)采取正挖方式時(shí),土體的反力合力N方向反向偏下,可以增加履帶對(duì)地面的附著力。水平螺旋絞刀的技術(shù)參數(shù)為:絞刀長(zhǎng)度(即切削寬度)2.0m,外徑210mm,螺距200mm,軸扭矩10708N·m,轉(zhuǎn)速0~90r/min。2.2.3泥泵的動(dòng)力及參數(shù)確定當(dāng)泥泵吸入石塊發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí),如果使設(shè)備出離水面再取出石塊,那么再次回到水中后重新找準(zhǔn)挖掘位置,將嚴(yán)重降低清淤效率。為避免上述情況,可以把泥泵設(shè)計(jì)成寬流道葉輪,必要時(shí)可以更換為無堵塞泵。還可以考慮在靠近螺旋絞刀的吸口處設(shè)置格柵,過濾大顆粒。泥泵的動(dòng)力,采用液壓徑向柱塞高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。泥泵的技術(shù)參數(shù)初步確定見表2。根據(jù)泥泵的流量、揚(yáng)程以及輸送泥水的濃度情況,清淤機(jī)的排拒在1~2km之間。2.2.4速度控制回路液壓系統(tǒng)采用閉式回路,由壓力控制回路、速度控制回路和方向控制回路等基本回路組成。壓力控制回路通過壓力控制閥來控制系統(tǒng)的工作壓力,滿足執(zhí)行元件對(duì)力或力矩的要求,起到穩(wěn)壓、增壓、減壓等作用,防止系統(tǒng)過載及減少能量損耗;速度控制回路用來控制和調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓油缸或液壓馬達(dá)的流量,滿足運(yùn)動(dòng)速度的各項(xiàng)要求,如調(diào)速、限速、制動(dòng)、多個(gè)元件的同步運(yùn)動(dòng)等;方向控制回路用來對(duì)油路進(jìn)行接通、切斷或改變方向,從而使執(zhí)行元件能按照需要相應(yīng)做出起動(dòng)、停止、換向等一系列動(dòng)作。該液壓系統(tǒng)采用變量泵、定量馬達(dá)。變量泵采用斜盤結(jié)構(gòu),輸出流量隨斜盤傾角的變化而增加。執(zhí)行系統(tǒng)不工作時(shí),變量泵雖然旋轉(zhuǎn),但是沒有輸出流量。水下的液壓控制閥組用箱體單獨(dú)密封。液壓油采用生物可降解液壓油。2.2.5系統(tǒng)的傳輸操作人員對(duì)水下工作行走裝置的操控,通過一個(gè)總的船用多芯信號(hào)電纜,采用電信號(hào)控制。電纜的長(zhǎng)度可以預(yù)留。通過電控方式控制各個(gè)電磁閥的打開、關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向。另外單獨(dú)用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)大流量的液壓泵,帶動(dòng)工作裝置切削挖泥,吸、排泥漿。2.2.6泥泵泵出口壓力檢測(cè)該新型渠道清淤設(shè)備可以顯示多項(xiàng)清淤參數(shù)、進(jìn)行設(shè)備檢測(cè),便于工作人員根據(jù)實(shí)際情況,調(diào)整工作方式和進(jìn)程。比如:隨時(shí)顯示當(dāng)前螺旋絞刀距離水面的高度,指示挖深;采用電阻遠(yuǎn)傳壓力表顯示泥泵泵前真空度、泵后壓力測(cè)量、行走系統(tǒng)工作壓力等;采用普通的壓力表進(jìn)行液壓泵出口壓力檢測(cè);采用市場(chǎng)上較為成熟的漏水報(bào)警器作為水下裝置報(bào)警裝置。2.3水下裝置的切削及轉(zhuǎn)向工作時(shí),行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)整套水下裝置向水下土體推進(jìn),螺旋絞刀旋轉(zhuǎn),切削淤泥黏土,然后攪拌成泥漿,輸送給泥漿泵吸口,泥漿泵將黏稠的泥漿送至岸上。若土層較厚,需要工作臂上下移動(dòng),切削當(dāng)前斷面,然后行走至下一個(gè)斷面,工作臂重復(fù)上下移動(dòng),繼續(xù)切削。若土層厚度1.0m以下時(shí),可以在水下裝置正前方拋錨,利用液壓絞車牽引推進(jìn),不但防止行走機(jī)構(gòu)打滑,還可提供足夠大的切削力,挖掘較硬的土層。水下裝置不工作時(shí),給行走馬達(dá)供油,可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退;若兩個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)向相反,則實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。整個(gè)清淤設(shè)備所需要的活動(dòng)空間很小,因此可以在倒虹吸、隧道、大型涵管、小型閘門等環(huán)境中作業(yè)。如