邢家渡灌區(qū)泥沙清淤自動化裝備研制

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計條件下的流動特性和行為，進行了清淤自動化裝備設計研究，為預測泥沙清淤的運行效果和結構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)結構的調(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)結構調(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，疏浚設備也因此得到快速發(fā)展。目前，應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）旋轉構件多，如斗輪、絞刀和砂泵等構件磨損嚴重，更換頻繁，維修量大，運行成本高，設備管理復雜；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)自動化清淤設備主要技術指標

邢家渡引黃灌區(qū)泥沙清淤自動化設備主要技術指標及總體要求：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構設計

要機動、靈活、高效地實現(xiàn)灌渠泥沙清淤工作，研究、設計合理的結構部分至關重要。在初步設計的4套方案中，經(jīng)三方領導專家的反復論證，并在Solid Edge平臺上繪制出了三維結構圖樣，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 水下清淤機器人結構-工作狀態(tài)

1）為防止整個清淤設備在行走或工作時損壞壩面，采用液壓挖掘機底盤技術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）清淤設備前端設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)新性地設計了雙向旋轉泥沙清淤裝置，可將泥沙旋轉攪動起來，順水流沖走，如圖5所示。

圖5 雙向旋轉泥沙清淤裝置

5 結語

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，并深入研究了符合邢家渡引黃灌區(qū)的技術目標的自動化清淤裝備。裝配具有如下特點：1）該設計中融入了先進的機器人設計思想，整體結構緊湊，自動化程度高；2）設計時充分考慮了渠道的實際情況，設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)壕挖掘機的設計思想，創(chuàng)新性地設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，所以整體結構尺寸較小、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。