水下清淤車性能研究及工程應用*

黎宙，彭建平，程陽銳，彭賽鋒，李小艷

(長沙礦冶研究院有限責任公司 深海礦產資源開發(fā)利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

由于防洪和環(huán)保的需要，人們經常要對沉積在水底的淤泥進行清理。目前，常用的河道清淤方式有抓斗式、泵吸式、普通絞吸式、環(huán)保攪吸船等，大多依靠船載設備進行工作，在淺水和寬闊的河道湖泊中具有較好的清淤能力，但是在深水以及狹窄空間內則很難進行施工作業(yè)[1?2]。我國水庫多選擇在高山峽谷地區(qū)建壩，最大壩高已超過300m。相較于湖泊和河道清淤，水庫清淤具有壩前水深大、水深變化范圍大、淤積物粒徑差別大等特點，且水庫多建于內陸地區(qū)，不具備通航條件，大型挖泥船難以進入[3]。國內的江蘇氣力泵疏浚系統(tǒng)雖然疏浚深度可達160m，能進行淤泥、粉細砂等細顆粒松散淤積物清淤工作，但整體還是存在系統(tǒng)體積大，難以適用于孔洞清淤等問題[4]。

水下清淤車系統(tǒng)包括集絞吸和淤泥輸送功能為一體的自行式履帶清淤車，在岸上的配套鎧裝纜絞車及綜合控制室等，設備均可采用汽車單獨運輸，到場后無需再進行組裝，調試完成后即可進行清淤工作。由于清淤車體積較小，能適用于水下孔洞及其它各種深水清淤環(huán)境。本文主要對清淤車的各項作業(yè)性能進行試驗分析，并對其工程應用的效果進行簡要介紹。

1 設備作業(yè)性能

針對河湖與水庫深水區(qū)域和特定環(huán)境下的孔洞清淤問題，研制了一臺適用于深水環(huán)境和孔洞的自行式履帶清淤車（見圖1）。清淤車主要由履帶行走裝置、車體機構，清淤及輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)等組成；通過光電鎧裝纜進行動力和信號傳輸，在岸上遠程遙控進行操作，可適應不同環(huán)境下的清淤作業(yè)。設備的相關技術參數(shù)見表1。

圖1 清淤車實物照片

表1 水下清淤車相關技術參數(shù)

在試驗室對清淤車陸地和水下作業(yè)性能分別進行試驗研究，主要從設備的行走性能，越障能力，控制操作和清淤作業(yè)等方面進行試驗，以保證設備水下作業(yè)的安全性和可靠性。

1.1 陸地行走性能試驗

清淤車陸地行走試驗主要檢測設備的行走作業(yè)性能，通過模擬不同水下地形，對清淤車行走、爬坡能力進行測試，利用清淤車搭載的慣導裝置和監(jiān)測傳感器，對不同工況下行走狀態(tài)和左右履帶驅動馬達的流量功率特性進行分析。

清淤車的陸地行走測試包括陸地直線行走，直角轉彎、陸地速度測試和爬坡試驗等。試驗中，清淤車在試驗場水泥平地和16°的斜坡砂石地行走性能均良好[5]。

圖2為清淤車在自動控制程序下沿設定的航向直線行駛，行走時間為75 s，航向角為357°，實時角度偏差在1°范圍內波動；在直角轉彎試驗中，初始航向為252°，經過約20 s的轉彎調整后，航向穩(wěn)定在357°。試驗證明清淤車在陸地行走具有良好的直線行走和轉彎行走能力。

圖2 清淤車陸地行走航向曲線

對清淤車陸地行走速度進行了測試，在前進試驗中，測得13.3 s內行走了10.7m，平均速度為0.8m/s，在后退試驗中，在13.4 s內行走了10.6m，平均速度為0.79m/s。設備行走時左右履帶馬達的流量曲線如圖3所示，隨時間的變化，左右履帶的流量基本保持不變，說明清淤車的左右履帶行走速度匹配且能保持在設定的范圍內。

圖3 清淤車左右履帶流量隨時間變化曲線

清淤車行走時左右履帶功率變化見圖4，兩條履帶功率在此工況下行走時，數(shù)值基本保持穩(wěn)定，左履帶平均功率為5.03 kW，其絕對偏差平均值為1.86；右履帶平均功率為6.22 kW，其絕對偏差平均值為1.01。

圖4 清淤車左右履帶功率隨時間變化曲線

1.2 水下行走性能試驗

清淤車的水下行走測試在試驗水池中進行，通過遠程控制設備行走在模擬水底淤泥環(huán)境中，試驗測得在10m的距離內，清淤車的行走時間為13 s，計算可得最大速度約為0.76m/s。

在水下行走時，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控，清淤車航向角變化如圖5所示，可知設備在水下定向行走時，自動控制程序可根據(jù)慣導反饋的航向數(shù)據(jù)及時對清淤車履帶行走速度進行調節(jié)，使其保持穩(wěn)定的方向繼續(xù)前進，航向偏差在1°范圍內。

圖5 設備行走時航向角變化曲線

在水下地形環(huán)境未知的情況下，可根據(jù)設備的橫滾角和俯仰角對設備的行走狀態(tài)進行判斷，其中橫滾角表示設備左右傾斜角度，俯仰角表示設備前后的傾斜角度，如圖6所示，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，設備可在傾斜2°～3°范圍內行走在凹凸不平的水底。

圖6 設備行走時橫滾角及俯仰角隨時間變化曲線

圖7為清淤車水下行走時左右履帶柱塞泵流量變化曲線，從設備啟動至穩(wěn)定行走后，左右履帶流量基本保持穩(wěn)定，說明清淤車水下行走時能保持穩(wěn)定的速度，對于水下穩(wěn)定的清淤具有較好的基礎。

清淤車從啟動至正常行走后，兩條履帶功率曲線變化基本一致，其中左履帶功率為6.76 kW左右，數(shù)值絕對偏差的平均值為2 kW；右履帶功率為8.53 kW左右，數(shù)值絕對偏差的平均值為0.7 kW。陸地測試時，左右履帶行走平均功率分別為5.03 kW和6.22 kW，計算可知，清淤車水下行走時左右履帶功率值分別比陸地行走大25%、27%，因為水下行走時還包括水阻力及淤泥的黏附力等。

圖7 左右履帶流量變化曲線

1.3 絞吸輸送能力試驗

絞吸輸送能力試驗用于對清淤車進行絞吸能力和淤泥的輸送能力試驗，具體包括泵流量測定試驗和清淤濃度試驗。輸送泵在進行絞吸試驗時，通過安裝在泵出入口的壓差傳感器對輸送泵的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，如圖8所示，泵出入口壓差的平均值約為36 kPa左右，在正常的區(qū)間內波動，波動范圍絕對偏差的平均值為2.6 kPa，說明輸送泵能進行穩(wěn)定的淤泥輸送，滿足此工況下的輸送要求，無堵塞情況發(fā)生。

圖8 輸送泵進出口壓差隨時間變化曲線

輸送泵流量及濃度的測定試驗采用人工標定的方法進行。通過標定箱對輸送泵的流量進行測算，測得2min內輸送泵輸送的體積為5.3m3，計算可得輸送泵此工況下的流量為159m3/h。在進行連續(xù)清淤試驗時，選取流量穩(wěn)定的一段進行清淤濃度標定，在多次標定試驗后，測得砂石的體積平均值為0.025m3，水和砂石混合物總體積平均值為0.124m3，因此，可得輸送體積濃度為20%左右。

2 工程試驗應用

2019年12月，為解決深孔泄水建筑物孔洞淤塞或閘門卡死等問題，清淤車在小浪底樞紐排沙洞進行了孔洞模擬清淤試驗，通過布放設備至排沙洞外，利用清淤車的綜合導航定位系統(tǒng)，控制設備行走至排沙洞內，將洞內的淤積物絞吸后通過軟管輸送至洞外。

清淤車著底后，由于水質渾濁的影響，水下燈光攝像系統(tǒng)能見度很低[7]，不能對周圍環(huán)境進行準確識別，只能通過圖像聲吶和慣導綜合導航定位的方式，完成孔洞的尋找及孔洞清淤作業(yè)，圖9為圖像聲吶尋找到排沙洞以及清淤車進入排沙洞后開展清淤作業(yè)的監(jiān)控畫面[8?9]。

圖9 清淤車圖像聲吶孔洞環(huán)境感知

3 結論

本文針對河湖與水庫深水區(qū)域以及特定環(huán)境下孔洞的清淤問題，提出了一種深水清淤車的清淤作業(yè)方法，并通過陸地性能、水下作業(yè)和清淤功能在內的一系列實驗室試驗，對清淤車的行走、控制、絞吸和輸送能力等進行了研究。試驗結果表明，清淤車在陸地行走的前進速度最大約為0.80m/s，后退速度最大為0.79m/s；在水下行走時平均速度為0.76m/s；且相同速度下，水下行走的履帶功率比陸地 行走大25%左右；清淤車可在16°的斜坡自由行走；在水下清淤輸送試驗中，淤泥的輸送濃度為20%。清淤車及系統(tǒng)成功地在小浪底水利樞紐進行了工程應用試驗。