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        邢家渡灌區(qū)泥沙清淤自動化裝備研制

        2012-10-23 07:29:42蘇紅魯張擴成張厚芹
        山東水利 2012年10期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備設(shè)計

        蘇紅魯,張擴成,張厚芹

        (濟南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東 濟南 250100)

        為增強邢家渡引黃灌區(qū)渠道的引、排、蓄、供等功能,改善水環(huán)境質(zhì)量,加快建設(shè)現(xiàn)代新農(nóng)村、推進城鄉(xiāng)一體化步伐,針對邢家渡引黃灌區(qū)泥沙沉積問題,通過計算流體力學研究泥沙在設(shè)計條件下的流動特性和行為,進行了清淤自動化裝備設(shè)計研究,為預(yù)測泥沙清淤的運行效果和結(jié)構(gòu)的改進提供了一種有效手段。

        1 背景和意義

        由于邢家渡灌區(qū)沉沙池的嚴重淤積、廢棄,給鄉(xiāng)村帶來了一系列嚴重惡果。

        1)種植業(yè)用水受到威脅。一部分依靠邢家渡灌區(qū)灌溉的農(nóng)作物輕則干旱減產(chǎn),重則荒蕪失收。同時,由于邢家渡灌區(qū)的蓄灌能力降低,大幅度增加了農(nóng)用機具提灌莊稼用水的費用。

        2)制約了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。由于邢家渡灌區(qū)的容水量不斷下降,嚴重影響了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整計劃的實施。

        3)水土保持作用減弱。蓄水蓄沙、緩沖能量、減輕山洪對泥沙的沖刷,是邢家渡灌區(qū)水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌區(qū)的淤積和廢棄,蓄水容積減少,對山洪抵抗能力明顯減弱。

        2 國內(nèi)外清淤機械現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

        同造船業(yè)一樣,疏浚業(yè)源于歐美。1660年鏈斗式挖泥船的雛形“泥碾船”在荷蘭首創(chuàng)獲得成功;1855年美國人制成莫爾茨將軍號吸揚式挖泥船,用于開挖南卡羅來納州查爾斯頓港的攔門沙;1869年荷蘭制成吸揚式挖泥船,用于蘇伊士運河工程。隨著西方國家工業(yè)化和世界經(jīng)濟的發(fā)展,石油輸運、集裝箱輸運、河海聯(lián)運等推動了世界港口和航道的建設(shè),疏浚設(shè)備也因此得到快速發(fā)展。目前,應(yīng)用較先進的有絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船。

        在我國,交通系統(tǒng)擁有大中型的疏浚設(shè)備,以耙吸式和絞吸式挖泥船為主,數(shù)量不多但分布相對集中,疏浚能力較強。水利系統(tǒng)則以中小型挖泥船居多,各種類型應(yīng)有盡有,數(shù)量龐大,分布在全國各地。目前我國常用的清淤機械有兩棲式清淤機、兩棲絞吸式清淤機、長臂自航式清淤機、水管道清淤機、機井清淤機、水力挖泥機、淺魚池人工牽引船體式清淤機、螺旋滾筒潛水式清淤機、旋輪式水下清淤機、半旱式清淤機等。

        雖然國內(nèi)的清淤機種類很多,但主要以機械式作業(yè)為主,采用斗輪式和絞吸式。存在以下問題:1)功率大、能耗高,挖泥淺,一般只能挖深5~15 m的疏松泥砂和土層;2)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件多,如斗輪、絞刀和砂泵等構(gòu)件磨損嚴重,更換頻繁,維修量大,運行成本高,設(shè)備管理復(fù)雜;3)用機械式斗輪、絞刀破碎水下土巖,造成水質(zhì)變壞,污染環(huán)境。

        3 引黃灌區(qū)自動化清淤設(shè)備主要技術(shù)指標

        邢家渡引黃灌區(qū)泥沙清淤自動化設(shè)備主要技術(shù)指標及總體要求:1)渠道深度為3 m;2)渠道下口寬為20~22 m;3)渠道上口寬為 30~35 m;4)渠道內(nèi)水深為1.5 m;5)淤泥厚度≤1.5 m;6)清淤設(shè)備準備就位時間≤3 min;7)驅(qū)動控制方式為液壓式;8)整個清淤裝備機動靈活,效率高、操作維護方便,適應(yīng)性較強。

        圖1 邢家渡引黃渠道斷面

        4 泥沙清淤自動化裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

        要機動、靈活、高效地實現(xiàn)灌渠泥沙清淤工作,研究、設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)部分至關(guān)重要。在初步設(shè)計的4套方案中,經(jīng)三方領(lǐng)導專家的反復(fù)論證,并在Solid Edge平臺上繪制出了三維結(jié)構(gòu)圖樣,從操作及維護保養(yǎng)方便程度、性價比、可靠性、穩(wěn)定性、實用性等方面綜合考慮,最終確定了一套理想可行的方案。

        調(diào)查得知,戰(zhàn)壕挖掘機主要用于挖掘反坦克壕、交通壕、野外指揮所及技術(shù)兵器掩體等。車前裝有推土鏟,還可用于平整場地和回填平底坑。

        在充分調(diào)研分析戰(zhàn)壕挖掘機和國內(nèi)外水下機器人資料的情況下,提出了一種新型的水下清淤機器人的方案,如圖2所示。該方案是將耙形推土鏟、工作平臺、雙向旋轉(zhuǎn)清淤裝置和動力驅(qū)動等部分全部安裝在一輛特制的橡膠履帶車上,通過遙控方式控制泥沙清淤自動化裝備的行走和清淤作業(yè)。具體方案為:

        圖2 水下清淤機器人結(jié)構(gòu)-工作狀態(tài)

        1)為防止整個清淤設(shè)備在行走或工作時損壞壩面,采用液壓挖掘機底盤技術(shù)和加寬帶襯塊的橡膠履帶,這樣在保證履帶有足夠的強度和耐磨性的同時,保護壩面,如圖3所示。

        圖3 水下機器人底盤行走裝置(橡膠履帶)

        2)清淤設(shè)備前端設(shè)計可仰俯的耙形推土鏟,工作時可將水渠內(nèi)的樹枝和大石塊推開或者集中起來,為后面的泥沙攪動掃清障礙,如圖4所示。

        圖4 水下機器人耙形推土鏟

        3)創(chuàng)新性地設(shè)計了雙向旋轉(zhuǎn)泥沙清淤裝置,可將泥沙旋轉(zhuǎn)攪動起來,順水流沖走,如圖5所示。

        圖5 雙向旋轉(zhuǎn)泥沙清淤裝置

        5 結(jié)語

        根據(jù)邢家渡引黃灌區(qū)目前存在的清淤難題,提出了針對邢家渡引黃灌區(qū)的攪沖式清淤技術(shù),并深入研究了符合邢家渡引黃灌區(qū)的技術(shù)目標的自動化清淤裝備。裝配具有如下特點:1)該設(shè)計中融入了先進的機器人設(shè)計思想,整體結(jié)構(gòu)緊湊,自動化程度高;2)設(shè)計時充分考慮了渠道的實際情況,設(shè)計了前端耙形推土鏟,專門清理水渠中的樹枝及大塊物體;3)充分借鑒了軍用戰(zhàn)壕挖掘機的設(shè)計思想,創(chuàng)新性地設(shè)計了新型雙向泥沙清淤裝置,可充分地將泥沙攪動起來,達到清淤效果;4)由于該水下清淤機器人可以根據(jù)實際情況靈活定位,所以整體結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕,移動、定位方便,機動靈活;5)只需一名操作人員,即可完成整個清淤過程。

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