遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍的研制與應(yīng)用

□宋玉蓮 □崔 武（河南黃河河務(wù)局）

遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍的研制與應(yīng)用

□宋玉蓮 □崔 武（河南黃河河務(wù)局）

隨著黃河標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)步伐的加快，旱地制漿機(jī)淤固堤施工方法被廣泛應(yīng)用于黃河堤防加固施工中，噴射水槍是土方水力沖挖淤填設(shè)備的重要組成部分，傳統(tǒng)的人工手持式高壓水槍沖挖效率低、施工環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍將控制技術(shù)與傳統(tǒng)施工相結(jié)合，首次在高壓噴射水槍上安裝動(dòng)力設(shè)備，無需人工直接手持作業(yè)，可一人操作兩支或多支水槍，實(shí)現(xiàn)了水平方向360°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)和豎直方向自由仰俯的射水作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了工作環(huán)境、提高了工作效率。

遠(yuǎn)程；控制；自動(dòng)；水槍

1.研究背景

隨著我國(guó)江河防洪標(biāo)準(zhǔn)的提高，黃河堤防加固實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，為了快速、經(jīng)濟(jì)地實(shí)施黃河堤防建設(shè)，吹填施工被廣泛應(yīng)用于黃河標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)中。目前黃河下游吹填固堤工程施工機(jī)械主要有水力沖挖機(jī)組和簡(jiǎn)易吸泥船。但由于黃河是游蕩性河道，部分河段灘區(qū)很寬，甚至有10多千米，由于河槽距離淤區(qū)很遠(yuǎn)，采用常規(guī)的吸泥船進(jìn)行吹填施工，遠(yuǎn)距離輸送泥漿費(fèi)用很高。此外，大量的機(jī)淤固堤工程施工，使得吸泥船缺口很大。因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地完成寬灘河段的堤防加固就成為黃河堤防加固的關(guān)鍵。經(jīng)過大量嘗試后，旱地制漿機(jī)淤固堤施工方法被廣泛應(yīng)用于黃河堤防加固施工中，這種方法需要在灘區(qū)合適的地段選取取土場(chǎng)，利用人造水源由高壓水槍沖挖土壤制備泥漿，同時(shí)利用泥漿輸送泵輸送至淤區(qū)淤填，達(dá)到吹填固堤的目的。而普通水力沖挖是人工手持式高壓水槍，一般每班兩人輪流作業(yè)。由于噴槍水壓隨著離開噴嘴的距離的增加而降低，所以沖挖效率很快下降。為了提高沖挖制漿效率，高壓水槍操作人員必須靠近土場(chǎng)作業(yè)面，工作人員在泥漿中操作，另加上作業(yè)面上泥漿的飛濺，使施工人員完全置身于泥漿中，特別是在寒冷的冬季施工，使得高壓制漿施工條件更差，施工環(huán)境極其惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。此外，沖挖施工受到自然條件的限制，尤其是冬季施工和雨季施工，給施工帶來很多困難。因此，在旱地機(jī)淤固堤中，必須改善施工條件，為施工人員創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境，同時(shí)也是有效提高施工效率的關(guān)鍵。如何將人工直接操作高壓水槍變?yōu)殚g接操作，實(shí)行高壓水槍的自動(dòng)工作和人工遠(yuǎn)距離控制迫在眉睫。

2.遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍的功能及設(shè)計(jì)原理

遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴式水槍是利用高壓水射流原理，以水為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)高壓水槍的自動(dòng)工作，達(dá)到高壓水槍的周期性自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)固定工作角度和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，并結(jié)合電機(jī)或其他機(jī)械電器，實(shí)現(xiàn)射流方向的可調(diào)可控，達(dá)到遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)作業(yè)。

2.1 旋噴水槍的水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 動(dòng)力及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋噴水槍使用機(jī)械和調(diào)控兩種模式，將噴槍轉(zhuǎn)動(dòng)分解為水平轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，其機(jī)械動(dòng)力裝置采用電動(dòng)推桿加曲柄連桿傳動(dòng)方式。

2.1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴槍轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用槍體整體水平轉(zhuǎn)動(dòng)和噴嘴豎直轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴射水流的空間定位調(diào)控。水平轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)采用軸瓦滑動(dòng)摩擦，以電動(dòng)推桿為動(dòng)力帶動(dòng)水槍整體水平轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴射水流水平方向的調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)射流壓力不大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高壓水槍的自由旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)采用22KW電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)噴槍時(shí)，由于噴射水壓力過大，促使軸瓦與轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間間隙不均，產(chǎn)生過大的摩擦力，因此，造成高壓水槍的旋轉(zhuǎn)受阻，電動(dòng)推桿無法完成水槍的水平旋轉(zhuǎn)。針對(duì)這種情況，在水平轉(zhuǎn)動(dòng)部分對(duì)水平和豎直2個(gè)方向增加3個(gè)軸承，使原來的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小了水平轉(zhuǎn)動(dòng)所需的動(dòng)力，在各種噴射壓力下進(jìn)行清水試驗(yàn)，水槍都能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了水平方向準(zhǔn)確有效的控制射流目標(biāo)。但由于未對(duì)軸承采取特殊密封措施，下部軸承處有輕微漏水現(xiàn)象。2005年9月10日在開封黃河柳園口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噴挖實(shí)驗(yàn)時(shí)，山于噴挖泥漿進(jìn)入清水泵的集水池，致使噴射水流中含有大量泥沙，長(zhǎng)時(shí)間噴挖后，下部軸承內(nèi)殘留沙粒，造成軸承卡死無法轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在下部軸承處增加密封裝置，解決了漏水問題。

2.2 噴射水流豎向調(diào)控設(shè)計(jì)

噴射水流的豎向調(diào)控設(shè)計(jì)主要考慮電機(jī)和推桿兩種方案，經(jīng)過對(duì)比，電機(jī)方案體積較大不便于操作，采用電動(dòng)推桿方案（見圖1）。后端支座6固定在回轉(zhuǎn)水槍1上，俯仰電動(dòng)推桿5后端與后端支座6鉸接，前端與槍頭支架3下端鉸接。槍頭支架3的上端則鉸接在上支座2上。俯仰電動(dòng)推桿伸縮時(shí)，可驅(qū)動(dòng)槍頭支架3及槍頭4俯仰擺動(dòng)。槍頭4與回轉(zhuǎn)水槍1之間則采用高壓橡膠管連接。該設(shè)計(jì)可以使水流在上下30°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，操作方便快捷，且不影響水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)思路

噴槍水平方向的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)依靠水能控制，利用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并配合相應(yīng)機(jī)械裝置控制噴槍的噴射方向。垂直方向的控制由電動(dòng)推桿直接驅(qū)動(dòng)，同樣由控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.3.2 原理框圖

該方案的原理框圖見圖2，電動(dòng)推桿與噴槍安裝在同一支架上，其體積和重量都較小，具有可靠的防水功能?？刂破魍ㄟ^電纜與電動(dòng)推桿相連，可以靈活移動(dòng)，控制器上設(shè)有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鍵，能夠方便地控制噴槍的噴射方向。

圖2 控制系統(tǒng)方案原理框圖

2.3.3 控制器工作原理

控制器直接控制電動(dòng)推桿內(nèi)的直流電動(dòng)機(jī)，通過控制輸出電壓的極性達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的目的，進(jìn)而達(dá)到控制噴槍噴射方向的目的，通過控制輸出電壓的大小達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2.3.4 完善的保護(hù)功能

短路保護(hù)：在電源端設(shè)置熔斷器實(shí)現(xiàn)電路的短路保護(hù)，以保護(hù)設(shè)備和人身安全,控制器本身也有短路保護(hù)功能，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，控制器自動(dòng)切斷交流側(cè)電源，保護(hù)控制器的安全。過載保護(hù)：當(dāng)發(fā)生機(jī)械卡阻的故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)推桿中電動(dòng)機(jī)過載，電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，輕則減少壽命，重則電動(dòng)機(jī)被燒毀,當(dāng)遇到過載故障時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)切斷電源。限位保護(hù)：電動(dòng)推桿配置有限位裝置，當(dāng)噴槍旋轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，能快速切斷電源，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)。

3.應(yīng)用效果及效益分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，最終改進(jìn)完成的遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍試驗(yàn)性能指標(biāo)如下：直徑φ65mm的水槍，工作壓力為400～800 KPa，流量30～80m3/h，射程可達(dá)30～40m。遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍與傳統(tǒng)的人工操作高壓水槍的工作效率相比，兩者最大射程、適中的噴挖距離、最佳噴挖效果基本相當(dāng)。黃河放淤固堤取土場(chǎng)大都選在黃河灘區(qū)，為砂土或砂壤土，屬Ⅱ類土。根據(jù)黃河水利出版社2004年6月出版發(fā)行的《黃河下游放淤（泵淤）工程預(yù)算定額（試行）》，4P1水力沖挖機(jī)組，Ⅱ類土，排距300m，每10000m3放淤土方的人工費(fèi)消耗對(duì)比情況見表1。

表1 遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍與人工水槍人工費(fèi)消耗對(duì)比表

由此可知，每10000m3放淤土方，采用遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍比采用人工操作水槍節(jié)約人工費(fèi)348.36元。遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍可以節(jié)約人力75%，提高有效工作時(shí)間約15%，因此可以降低直接成本近20%。而且采用遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍代替人工手持操作水槍，由原來兩人操作一支水槍變?yōu)橐蝗瞬僮鲀芍Щ蚨嘀畼?，耗用人工是傳統(tǒng)人工直接操作的1/4。從而減少工程資金投入，節(jié)約投資，同時(shí)加快施工進(jìn)度，提高泵淤施工效率，經(jīng)濟(jì)效益極為明顯。

4.結(jié)論

遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍是在黃河機(jī)淤固堤施工中的一次重大突破，新型水槍改善了泵淤施工人員的工作環(huán)境，節(jié)約了人力，同時(shí)提高了機(jī)淤生產(chǎn)效率。無論是在放淤固堤淤筑吹填、河道整治、基槽開挖，還是水渠、池塘的清淤等工程建設(shè)中，該項(xiàng)成果都能得到應(yīng)用。人性化的設(shè)計(jì)和良好的經(jīng)濟(jì)性能，將會(huì)使遠(yuǎn)程控制式自動(dòng)旋噴水槍在我國(guó)江河治理、水利基本建設(shè)中，有廣泛的應(yīng)用前景和較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2012-09-03