絞吸挖泥船新型環(huán)保絞刀設(shè)計

郭志勇，楊建華，陳九肖

（中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津 300457）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，環(huán)境問題越發(fā)凸顯，尤其是各大江河湖泊的污染更是觸目驚心。因此，環(huán)保疏浚勢在必行，而環(huán)保疏浚不同于普通的工程疏浚[1]，它是將常規(guī)施工中的疏挖行為與水土護(hù)理、生態(tài)重建、環(huán)境整治和資源利用等環(huán)保內(nèi)容相結(jié)合，通過綜合治理，最終實現(xiàn)清除湖泊污染內(nèi)源和創(chuàng)造有利于生態(tài)恢復(fù)條件的雙重目標(biāo)[2]。

為了提高環(huán)保疏浚的效率，好的疏浚裝備必不可少，世界上第一臺環(huán)保疏浚設(shè)備是1969年由意大利PNEUMA公司研發(fā)的氣力泵挖泥船[3]，隨后，荷蘭IHC公司、BOSKALIS疏浚公司、HAM公司和國際上其他疏浚公司分別成功地研制出帶罩式環(huán)保絞刀、立式圓盤環(huán)保絞刀、螺旋環(huán)保絞刀和掛掃吸頭等多種環(huán)保絞刀[4]。這些環(huán)保型絞刀雖然都具有防止污染底泥泄露和擴(kuò)散的功能，但實際使用過程中也存在著一些問題，如吸口位置不合理，擴(kuò)散罩開度不可調(diào)，大量使用油脂潤滑軸承，易產(chǎn)生二次污染。

本文通過對環(huán)保疏浚施工過程的分析研究，并結(jié)合已有環(huán)保絞刀施工過程中出現(xiàn)的問題，設(shè)計出一款新型環(huán)保絞刀。該新型環(huán)保絞刀實船試驗后，取得不錯的使用效果，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

1 研究內(nèi)容及技術(shù)難點

1.1 主要研究內(nèi)容

以減少環(huán)保疏浚施工中的二次污染，提高環(huán)保施工效率與疏浚精度為研究方向和主要內(nèi)容開展新型環(huán)保絞刀的優(yōu)化設(shè)計，并通過現(xiàn)場實物試驗對研究成果進(jìn)行驗證。主要研究內(nèi)容如下：

1）環(huán)保絞刀在污染底泥挖掘過程中二次污染擴(kuò)散機(jī)理與有效預(yù)防技術(shù)；

2）環(huán)保絞刀防雜物堵塞與快速清理雜物技術(shù)與裝置；

3）環(huán)保絞刀一次挖泥深度控制技術(shù)與裝置。

1.2 技術(shù)難點

1）二次污染機(jī)理研究

由于環(huán)保疏浚中所疏挖的對象一般是較松軟的污染底泥，有時還是處于半流動狀態(tài)的淤泥，此性質(zhì)的污染底泥本身具有易擴(kuò)散性，另一方面，影響二次污染的因素很多，如疏浚過程中挖泥絞刀的旋轉(zhuǎn)、船體的左右擺動和前移、泥泵吸入性能等都和二次污染密切相關(guān)。

2）可調(diào)挖泥深度的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般環(huán)保絞刀一次挖泥深度為固定值，要做到一次挖泥深度可調(diào)，不僅需要對絞刀結(jié)構(gòu)做大的調(diào)整，還要增加必要的機(jī)械裝置，而絞刀外形尺寸、重量以及動力傳動方式等還要受現(xiàn)有挖泥船的制約。

由此看出，對二次污染機(jī)理的研究以及可調(diào)挖泥深度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有研究復(fù)雜程度高、設(shè)計難度大的特點。

2 環(huán)保型絞刀設(shè)計

2.1 設(shè)計原則與思路

依托天津航道局“浚湖”號環(huán)保挖泥船，在維持現(xiàn)有環(huán)保絞刀驅(qū)動液壓馬達(dá)功率以及環(huán)保絞刀基本外形尺寸不變的前提下，環(huán)保絞刀將根據(jù)以下思路進(jìn)行設(shè)計：

1）針對國外進(jìn)口環(huán)保絞刀存在的問題，新研制的環(huán)保絞刀將對泥漿吸入口結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，以增加泥漿吸入性能；

2）設(shè)計挖泥厚度可調(diào)裝置，根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)一次挖泥厚度；

3）對絞刀片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加其抗沖擊強(qiáng)度；

4）采取新的技術(shù)，降低環(huán)保施工中的二次污染。

2.2 防擴(kuò)散罩結(jié)構(gòu)與作用原理

相對進(jìn)口環(huán)保絞刀，新型環(huán)保絞刀防擴(kuò)散罩將以往的整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)為三部分，主體部分是薄鋼板和加強(qiáng)筋板焊接結(jié)構(gòu)，在其上設(shè)計了液壓缸支撐座。此部分的作用一方面起到絞刀挖掘過程中阻止污泥擴(kuò)散作用，另一方面還是絞刀刀片、液壓馬達(dá)、傳動軸等的支撐結(jié)構(gòu)。另外，在防擴(kuò)散罩左右兩側(cè)設(shè)計2個活動擋水板，該擋水板為曲面形狀，通過鉸鏈與防擴(kuò)散罩主體結(jié)構(gòu)連接。每個擋水板由1個液壓缸驅(qū)動完成開啟和關(guān)閉動作，液壓缸一端通過銷軸和擋水板連接，另一端也通過銷軸和防擴(kuò)散罩上部的軸承座連接。這樣，當(dāng)其在完全閉合狀態(tài)時與防擴(kuò)散罩配合形成一個整體結(jié)構(gòu)，起到防擴(kuò)散作用，當(dāng)其在開啟狀態(tài)時污泥由此進(jìn)入絞刀內(nèi)部，見圖1。

圖1 新型環(huán)保絞刀動作原理圖Fig.1 Operating principleof the new type environmental cutter

在實施疏浚過程中，根據(jù)需要疏挖的泥層厚度，可預(yù)先設(shè)定擋水板的轉(zhuǎn)動角度，使挖泥一側(cè)的擋水板抬起的高度符合一次挖泥厚度。例如當(dāng)環(huán)保絞刀向右擺動時（見圖1），由設(shè)置在船舶操縱室內(nèi)的按鈕控制液壓缸收縮，將右側(cè)擋水板抬高至所需高度H，這時絞刀刀片伸出防擴(kuò)散罩的高度亦即絞刀挖泥深度H。絞刀刀片由液壓馬達(dá)（序號7）驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運動，刀片的旋轉(zhuǎn)運動和絞刀向右的擺動使右側(cè)的泥面不斷被挖下并由絞刀內(nèi)部的吸口吸入。在右側(cè)擋水板抬起的同時，液壓系統(tǒng)控制環(huán)保絞刀左側(cè)的擋水板下放同樣的高度，這樣就控制了左側(cè)進(jìn)入絞刀的水量，從而達(dá)到提高挖泥濃度的目的。

3 試驗成果

該新型環(huán)保型絞刀安裝到“浚湖”號挖泥船上，在無錫太湖現(xiàn)場進(jìn)行實際挖泥試驗（圖2），通過大約2個月的現(xiàn)場試驗，該絞刀運轉(zhuǎn)正常，挖泥效果較原絞刀有顯著提升，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖2 現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig.2 The site construction photo

1）挖泥濃度大幅提高

對同一工地施工使用不同類型絞刀挖泥船排出的泥漿進(jìn)行采樣實測濃度（見表1），其中A樣是與“浚湖”號同類型環(huán)保船排出的泥漿，B樣和C樣是“浚湖”號挖泥船安裝新型環(huán)保型絞刀后排出的泥漿，其中B樣沒有使用液壓調(diào)節(jié)裝置，C樣使用了液壓調(diào)節(jié)裝置。

表1 挖泥濃度實測結(jié)果Table 1 The measured resultsof dredging density

2）挖泥平整度提高

水深測量結(jié)果表明，新型環(huán)保型絞刀的挖泥平整度較原絞刀明顯提高。

3）挖泥時間利用率提高

使用新型環(huán)保型絞刀后，絞刀頭堵塞頻率明顯減小，且堵塞后易清理，挖泥時間利用率明顯提高。

4 結(jié)語

該環(huán)保型絞刀的使用，既可提高環(huán)保施工的挖泥濃度和挖泥精度，又減少了環(huán)保疏浚施工過程中的二次污染，挖泥濃度的提高可減小堆場容積和堆場建設(shè)費用以及堆場余水處理費用，該環(huán)保型絞刀具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 莫孝翠，楊開，袁德玉.湖泊內(nèi)源污染治理中的環(huán)保疏浚淺析[J].人民長江，2003，34（12）：47-49.MOXiao-cui,YANGKai,YUANDe-yu.Analysison environmental dredgingfor inner pollution regulation of lakes[J].Yangtze River,2003,34(12):47-49.

[2]張建專.絞吸式挖泥船環(huán)保清淤刀具的設(shè)計與模擬試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.ZHANG Jian-zhuan.Design and simulation test of environmental conservation clearing silt cutter for cutter suction dredger[D].Harbin:Harbin Engineering University,2007.

[3] 朱玉強(qiáng).環(huán)保疏浚與環(huán)保疏浚設(shè)備探析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010，16（10）：1 118-1 120.ZHUYu-qiang.Analysis on environmental dredging and dredging equipment[J].Water Conservancy Science and Technology and Economy,2010,16(10):1 118-1 120.

[4] 李進(jìn)軍.污染底泥環(huán)保疏浚技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2005（6）：46-47.LIJin-jun.Technology for environmental dredgingof contaminated bottomsilt[J].China Harbour Engineering,2005(6):46-47.