小型清淤设备的研制与应用

小型清淤设备的研制与应用

在山东无与伦比的水城线路中，从济南到博山的管道是混凝土的一部分。该管道全长300多公里，主要用于供水，同时承担防洪和排水任务。现在某些渠段已经出现泥沙淤积现象,可以预见,将来运行管理过程中会有大量的维护性清淤工作。目前国内中小型水域的主要清淤方式是在无水的情况下用挖掘机或清淤机进行清淤。这种工作方式需要河流改道或者把渠道水抽干,有时还不得不开挖临时河道,并且常常由于河床地形的原因,无法使用大型工程机械进行机械化作业,因此现有工作方式工程量既大又繁琐,不但使清淤目标在较长一段时间内无法使用,造成一定的经济损失,而且工作效率低,劳动强度大,方法原始。当前国内还没有针对混凝土衬砌渠道的专用清淤设备,现有的河湖清淤设备不能满足南水北调工程要求,因此研制一种高效环保的渠道清淤设备成为现实需求。1清淤设备的选择南水北调东线工程混凝土衬砌输水渠道清淤不同于一般的河湖疏浚,对于清淤设备有着特殊要求。(1)由于许多渠段地下水位较高,扬压力较大,渠道排干后有可能造成渠道破坏,所以设备只能带水清淤,即在水下绞削泥沙,形成高浓度泥浆,通过泥泵输送到岸上。但绞削渠底泥沙时,要采取措施,限制所扰动的泥沙向四周扩散,形成二次污染。(2)由于不少渠道是全断面衬砌,底部为100mm厚的素混凝土,承载能力较小,所以清淤设备不能采用一般河湖疏浚中常用的双桩跨步行走方式,而应采用钢缆牵引装置、水下行走工作装置或其它接地比压小的形式,以防止设备破坏渠底。同时,清淤设备还要适应淤积后水下起伏不平的地面,在水下能灵活动作,具有一定的爬坡能力。根据这样的要求,应该选择小型的橡胶履带式的水下行走工作装置。(3)由于输水线路除输水明渠外,还有许多输水暗涵,如济平干渠中的倒虹吸、济南段的箱涵以及穿黄隧洞等。因此设备不仅能在宽阔的衬砌渠道中进行清淤,还能在稍加改进后进入上述暗涵工作。(4)渠道中淤积泥沙的土质较软,可以采用环保疏浚工程常用的同轴互逆螺旋绞刀,与履带行走装置正好匹配。(5)水下杂草和大颗粒泥沙可能会堵塞泥泵,泥泵必须能够通过较大直径的颗粒,进口还要有堵塞防护装置,并且能够比较快速地伸出水面以排除堵塞。(6)水下行走工作装置要在陷入泥坑时,有自救能力。清淤设备拆解后的单件体积、重量,要方便公路运输,其下水、出水和维护不需要大型的吊装设备。(7)由于在狭窄的渠道空间里,排泥管路很难展开,若随着清淤设备的移动不断连接排泥管路,则费时费力,若在沿线设置多个排泥场也很不经济。所以需要配备泥水分离设备,分离出的泥沙通过卡车运往它处堆积,分离出的水分则重新排到渠道中回收利用。2新渠道清算设备的开发2.1种新型的水下清淤设备针对上述要求,南水北调东线工程混凝土衬砌输水渠道清淤设备应是一种具备价格低廉、操作简单、工作安全可靠、能够在水下连续作业、便于维修和运输等特点的小型潜水疏浚机。在国外已有类似设备,比如1990年日本建设省近畿技术事务所和日本电业株式会社机械制作所共同推出的一种经过试验改进后的潜入式小型疏浚机。但是,我国在这方面仍然落后。本文根据南水北调东线工程混凝土衬砌输水渠道清淤工作特点,提出了一种新型的配备橡胶履带行走装置、螺旋绞刀挖掘装置、泥泵吸排装置等的小型水下清淤设备。此设备是对一种新型的履带式滑移装载机进行改造而成。滑移装载机采用静压传动技术和工装快换技术,具有无级变速、原地自传、一机多用、操作简便等优点。对其改造方案如下:将发动机、驾驶室、操控系统拆离,剩下的机体作为水下行走工作装置;安装水下电机驱动液压泵站,前端工作臂上安装水平螺旋绞刀在水下挖掘搅拌;泥浆泵将泥、水混合物泵送到岸上进行分离,泥浆泵采用独立的水下电机驱动;水下行走工作装置与辅助工作船之间,只有电缆连接,不需液压软管。设备的工作电力可以采用岸电,或者是挂车式的移动发电站,设备操控系统由电信号控制。考虑到检修、排出故障方便,需要购买一艘小型船舶辅助工作。辅助工作船见图1,相关参数见表1。2.2设备系统组成改造的新型渠道清淤设备由底盘行走装置、切削挖掘装置、吸排泥系统、液压系统、水上操控系统、检测显示系统等六大部分组成。2.2.1次润滑+一次滑动该设备拟采用液压履带式行走装置,左右链轮分别各由一台液压马达驱动。轴端密封结构,从外部看,只有进出油口,保证润滑油密封不外漏,并防止泥水进入轮腔。在不超过10m水深的环境下工作完全能保证密封性能。支重轮、导向轮均采用滑动轴承,一次性加油润滑可免除使用过程中维护和保养加油。将滑移装载机的支重轮由原来的四个增至六个,履带长度增加0.5m,以此来减小本机械在水中的接地比压,减轻对渠道底的碾压破坏,同时保证水下松软淤泥环境作业时不会沉陷。另一方面,为保证水下装置在渠底松软的淤泥上行驶时有足够的地面附着力,设计的履带花纹沟槽宽而深,花纹块接地面积小(约40%~60%)。设备在渠底上慢速行驶时,较软的淤泥被履带压轧排挤到履带两侧,稍硬些的泥土将嵌入花纹沟槽之中。只有当嵌入花纹沟槽的泥土壤被剪切时,链轮才有可能出现打滑。因此,适当增加花纹沟槽尺寸,可提高进驻花纹的泥土的剪切力,增大履带对渠底抓着力。而且,在渠底上高速行驶时,较大尺寸的花纹沟槽还有利于甩掉泥块。2.2.2螺旋叶片轴的工作原理借鉴Ellicott清淤船的挖掘排泥装置结构形式,采用水平螺旋绞刀进行切削搅拌。泥泵放置在水平螺旋绞刀长度的中间,使得泥泵吸口直接面对绞刀,这样能够大大提高泥浆浓度。螺旋绞刀是由串联在一根轴上但旋向相反的两条螺旋叶片组成,绞刀后方有外罩。螺旋叶片轴由内置马达驱动(与绞刀同轴),如图2。工作臂油缸推动切削装置上下摆动。内置液压马达能够正反两个方向转动,当有钢筋、石块或其它杂物卡死或缠绕时,通过反转清理。绞刀外罩可防止泥水混合物扩散形成二次污染,尤其当作业环境中有水流时更有必要;外罩还可以配合绞刀将硬土颗粒粉碎,大幅度提高泥浆的浓度,减小泵送过程中管道堵塞的几率。螺旋绞刀的工作原理见图3,当采取正挖方式时,土体的反力合力N方向反向偏下,可以增加履带对地面的附着力。水平螺旋绞刀的技术参数为:绞刀长度(即切削宽度)2.0m,外径210mm,螺距200mm,轴扭矩10708N·m,转速0~90r/min。2.2.3泥泵的动力及参数确定当泥泵吸入石块发生堵转时,如果使设备出离水面再取出石块,那么再次回到水中后重新找准挖掘位置,将严重降低清淤效率。为避免上述情况,可以把泥泵设计成宽流道叶轮,必要时可以更换为无堵塞泵。还可以考虑在靠近螺旋绞刀的吸口处设置格栅,过滤大颗粒。泥泵的动力,采用液压径向柱塞高速马达驱动。泥泵的技术参数初步确定见表2。根据泥泵的流量、扬程以及输送泥水的浓度情况,清淤机的排拒在1~2km之间。2.2.4速度控制回路液压系统采用闭式回路,由压力控制回路、速度控制回路和方向控制回路等基本回路组成。压力控制回路通过压力控制阀来控制系统的工作压力,满足执行元件对力或力矩的要求,起到稳压、增压、减压等作用,防止系统过载及减少能量损耗;速度控制回路用来控制和调节进入液压油缸或液压马达的流量,满足运动速度的各项要求,如调速、限速、制动、多个元件的同步运动等;方向控制回路用来对油路进行接通、切断或改变方向,从而使执行元件能按照需要相应做出起动、停止、换向等一系列动作。该液压系统采用变量泵、定量马达。变量泵采用斜盘结构,输出流量随斜盘倾角的变化而增加。执行系统不工作时,变量泵虽然旋转,但是没有输出流量。水下的液压控制阀组用箱体单独密封。液压油采用生物可降解液压油。2.2.5系统的传输操作人员对水下工作行走装置的操控,通过一个总的船用多芯信号电缆,采用电信号控制。电缆的长度可以预留。通过电控方式控制各个电磁阀的打开、关闭,从而实现整机的行走、转向。另外单独用一台发动机驱动大流量的液压泵,带动工作装置切削挖泥,吸、排泥浆。2.2.6泥泵泵出口压力检测该新型渠道清淤设备可以显示多项清淤参数、进行设备检测,便于工作人员根据实际情况,调整工作方式和进程。比如:随时显示当前螺旋绞刀距离水面的高度,指示挖深;采用电阻远传压力表显示泥泵泵前真空度、泵后压力测量、行走系统工作压力等;采用普通的压力表进行液压泵出口压力检测;采用市场上较为成熟的漏水报警器作为水下装置报警装置。2.3水下装置的切削及转向工作时,行走系统驱动整套水下装置向水下土体推进,螺旋绞刀旋转,切削淤泥黏土,然后搅拌成泥浆,输送给泥浆泵吸口,泥浆泵将黏稠的泥浆送至岸上。若土层较厚,需要工作臂上下移动,切削当前断面,然后行走至下一个断面,工作臂重复上下移动,继续切削。若土层厚度1.0m以下时,可以在水下装置正前方抛锚,利用液压绞车牵引推进,不但防止行走机构打滑,还可提供足够大的切削力,挖掘较硬的土层。水下装置不工作时,给行走马达供油,可以实现前进后退;若两个马达转向相反,则实现原地转向。整个清淤设备所需要的活动空间很小,因此可以在倒虹吸、隧道、大型涵管、小型闸门等环境中作业。如