CN106759077B

CN106759077B - 河流清淤水车

Info

Publication number: CN106759077B
Application number: CN201611137194.5A
Authority: CN
Inventors: 舒大兴
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-08-28
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106759077A

Abstract

本发明公开了一种河流清淤水车，包括水上平台（10）、水下平台（15）和升降平台（14），所述升降平台（14）中部贯穿式设置有用于刮起河床泥沙的柔性叶轮（13），所述升降平台（14）四角均设置有转杆（22），所述转杆（22）位于所述水上平台（10）上面的部分设置有风机（3），所述柔性叶轮（13）的驱动齿轮轴（29）的两端分别与减速齿轮组（12）相咬合，所述减速齿轮组（12）与套于所述转杆（22）上的风机转杆齿轮（23）相咬合。本发明提供的一种河流清淤水车，利用流水动能搅动河床底泥后随流水输送到下游海洋，没有二次运输费用，并利用水面风能和太阳能作为附加动力，提高清淤效率，使用清洁能源，零碳排放。

Description

河流清淤水车

技术领域

本发明涉及一种河流清淤水车，属于水利机械技术领域。

背景技术

三门峡水库的主要问题是渭河淤积。渭河长约818千米，流域面积13.48万平方千米，流域人口约2300万。渭河、泾河、洛河等河流下游冲积形成的关中平原，号称八百里秦川，自古便有天下第一粮仓的美誉。三门峡水库最大的负面影响就是造成渭河下游严重淤积，两岸农田受淹没和浸没，土地盐碱化，给渭河下游及古都西安带来高洪水风险。

三门峡水库运用方式经历了“蓄水拦沙”、“滞洪排沙”和“蓄清排浑”3个阶段。各阶段水库运用的基本特点是：(1)蓄水拦沙期。在1960年9月到1962年3月水库蓄水初期，按照原设计，采用蓄水拦沙运行方式，水库整年都在高水位运行。这种运行方式是利用高坝大库的特点，将来水来沙全部拦截到水库中，以库区的淤积换取下泄清水，1959至1961年，三门峡水库蓄水拦沙造成潼关高程突然从323.5米上升到329.1米。(2)滞洪排沙期。在1962年3月到1973年10月，采用了滞洪排沙运行方式。在此时期，水库用来滞洪和排沙，即汛期闸门全开敞泄，让洪水穿堂而过。除在汛期拦滞洪水外，水库整年都在低水位运行，以利用尽可能大的洪水冲沙，潼关高程下降到325.2米，此阶段几乎没有发电效益。(3)蓄清排浑期。吸取蓄水拦沙运用和滞洪排沙运用的经验与教训，三门峡水库于1973年11月开始采用蓄清排浑调水调沙控制运用，在来沙少的非汛期(11月至次年6月)蓄水防凌、春灌、发电，汛期(7月至10月)降低水位防洪排沙，汛期低水位运行，把非汛期淤积在库内的泥沙在洪水期泄排出库。随着整个库区的持续淤积，潼关高程又逐渐抬升到328.5米。

近年来，黄河流域水土保持项目推进，黄土高原的植被大大改善，整个黄土高原从黄尘漫天变成绿野茫茫。随着黄土高原水土流失治理力度的进一步加大，以及黄河水沙调控体系的逐渐完善，黄河泥沙在未来一段时期有可能进一步减少，但流域产流能力也随之下降，进入河道的水量不断减少，不能形成大洪水来冲刷河床，长期淤积在潼关河段的泥沙难以向下游输送。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于刮起河床泥沙的柔性叶轮的旋转动力由河道水流流动的动能和水面的风能来提供的，节能减排的河流清淤水车；进一步地，本发明提供一种利用河道水流流动的动能、水面的风能和太阳能作为动力，开发出一种零碳排放的河流自行走清淤水车。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

河流清淤水车，包括水上平台、水下平台和设置于二者之间的升降平台，所述升降平台中部贯穿式设置有用于刮起河床泥沙的柔性叶轮，所述水下平台上设置有用于穿过所述柔性叶轮的通孔，所述升降平台四角均设置有转杆，所述转杆位于所述水上平台上面的部分设置有风机，所述柔性叶轮的驱动齿轮轴的两端分别与减速齿轮组相咬合，所述减速齿轮组与套于所述转杆上的风机转杆齿轮相咬合；所述水下平台下表面设置有若干载重轮，所述水下平台前端通过支架连有驱动转向轮。

所述水上平台的中部设置有控制箱，所述控制箱顶端下表面与所述水下平台上表面之间连有至少4根垂直的导向杆，所述导向杆外套有螺纹管，所述螺纹管底端与所述升降平台固定连接，所述升降平台穿过所述导向杆；所述螺纹管中上部螺纹连接有升降齿轮，所述升降齿轮与设置于升降电机的输出轴相咬合；所述控制箱内还设置有控制器和蓄电池，所述控制箱顶端设置有太阳能板，所述太阳能板与蓄电池相连；所述风机外表面上设置有磁钢，所述控制箱与磁钢相对应处设置有干簧管，所述升降电机和干簧管分别与控制器相连；所述太阳能板上设置有GPS接收机，所述GPS接收机与控制器相连；所述蓄电池给控制器和升降电机供电。

所述支架内设置有与所述驱动转向轮相连的驱动电机，所述水下平台前端设置有弧形的转向轨道，所述转向轨道上设置有转向电机，所述转向电机与所述支架活动连接；所述控制器分别与所述驱动电机和转向电机相连，所述蓄电池给驱动电机和转向电机供电。

所述转杆顶端安装有安全警戒灯，所述安全警戒灯由蓄电池供电。

所述活动连接包括销轴连接。

所述柔性叶轮包括位于中心的所述驱动齿轮轴，所述驱动齿轮轴的长度与所述升降平台的宽度相同，所述驱动齿轮轴的轮毂上设置有至少4个柔性叶片。

所述风机底端与所述水上平台上表面之间设置有空隙。

所述导向杆包括金属杆。

两组所述减速齿轮组均包括与所述柔性叶轮的驱动齿轮轴相咬合的中心齿轮，每个所述中心齿轮分别与两侧边齿轮相咬合，两所述侧边齿轮分别与两所述风机转杆齿轮相咬合。

本发明的清淤水车沉没于水中，利用河道水流上层流速大、下层流速小的垂向流速分布特征，柔性叶轮上部的叶轮为展开姿势，受上层大流速的冲力作用大，柔性叶轮下部的叶轮为卷曲姿势，受下层小流速的冲力作用小，柔性叶轮在受水流冲力作用下而转动，搅起河床泥沙悬浮混入于水中，之后随流水输送到河流下游，直至河口。

本发明的显著特点在于：

1、清洁动力，零碳排放

本发明以水动力为主，风力作为辅助动力来驱动柔性叶轮运转，刮起河床的泥沙随水流向下游输送；太阳能为清淤水车上的控制设备和驱动设备供电。所有能量直接利用，无转换损失；所有能量为清洁能源，无碳排放。

2、无人值守，长期运转

将清淤水车置于起始断面，自动向目标断面移动，在水力和风力作用下长期运转，无需能量补给，实现无人值守，全天候运行，提高工作效率。

3、智能控制，稳定运行

以控制器为核心，监测水车的运行状态，控制升降平台高低位置，使水车转动速度匹配水流速度，处于最佳运转状态；水力与风力互补互控，使清淤水车处于长期稳定运行状态。

4、传统水车，北斗导航

黄河水车是古老的，本发明采用在水下运转的柔性叶轮水车是创新之举，水面流速大，水车在水下运转，水流冲力力矩明显增大，刮泥阻力力臂减小；又因使用柔性叶片，刮泥工作时间增长，刮泥效率大大提高。在北斗导航的指引下，清淤水车在清淤河段往复运动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中柔性叶轮的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

黄河中游河龙区间各站多年平均泥沙中值粒径在0.0194～0.0694mm，黄河下游小浪底至利津站多年泥沙中值粒径在0.009～0.035mm，沉积的粉沙群体颗粒间有一定的粘着力，密实性好，因此粉沙又称“铁板沙”，在河道中存在悬移质、推移质和临底高浓度含沙层三种运动形态。

泥沙的起动、止动和扬动流速的表达式分别为：

起动速度U_C:

止动速度U_C’:

扬动速度U_S:

式中:r-水的容重，kg/m³；r_s-泥沙容重，kg/m³；g-重力加速度，m/s²；d-泥沙粒径，mm；ω-泥沙在静水中沉降速度，m/s；R_b-水力半径，m。

水温为10℃时，水的容重γ＝999.7kg/m³，运动粘性系数＝1.307×10^-6m²/s，泥沙的容重γ_s＝2650kg/m³，水深2.0m的河段，使用上述公式计算的各种粒径泥沙的特征流速见下表。

各种粒径泥沙的特征流速表

从表中数据可以看出，河道中静止的泥沙需要较大的启动流速才能使之运动，处于运动状态的泥沙只需要较小的水流流速就能使泥沙保持运动状态；对于粒径小于0.04mm的泥沙，保证泥沙悬浮在水中需要的流速也小于泥沙的启动流速；对于粒径小于0.08mm的泥沙，泥沙运动后的止动流速也小于泥沙的启动流速。这就说明需要设法使泥沙从静止状态转变为运动状态。

本发明利用水流的动能和水面的风能驱动水车，将河流底泥搅起后，浑浊的泥浆随着水流向下游输送，达到采用水流自身的能量全天候转移搬运河底泥沙、塑造河槽的作用。具体方案如下。

如图1～图2所示，河流清淤水车，包括水上平台10、水下平台15和设置于二者之间的升降平台14，所述升降平台14中部贯穿式设置有用于刮起河床泥沙的柔性叶轮13，所述水下平台15上设置有用于穿过所述柔性叶轮13的通孔，所述升降平台14四角均设置有转杆22，所述转杆22位于所述水上平台10上面的部分设置有风机3，所述柔性叶轮13的驱动齿轮轴29的两端分别与减速齿轮组12相咬合，所述减速齿轮组12与套于所述转杆22上的风机转杆齿轮23相咬合；所述水下平台15下表面设置有若干载重轮16，所述水下平台15前端通过支架24连有驱动转向轮17。

所述水上平台10的中部设置有控制箱25，所述控制箱25顶端下表面与所述水下平台15上表面之间连有4根垂直的导向杆26，所述导向杆26外套有螺纹管11，所述螺纹管11底端与所述升降平台14固定连接，所述升降平台14穿过所述导向杆26；所述螺纹管11中上部螺纹连接有升降齿轮9，所述升降齿轮9与设置于升降电机8的输出轴相咬合；所述控制箱25内还设置有控制器6和蓄电池7，所述控制箱25顶端设置有太阳能板2，所述太阳能板2与蓄电池7相连；所述风机3外表面上设置有磁钢5，所述控制箱25与磁钢5相对应处设置有干簧管4，所述升降电机8和干簧管4分别与控制器6相连；所述太阳能板2上设置有GPS接收机1，所述GPS接收机1与控制器6相连；所述蓄电池7给控制器6和升降电机8供电。

所述支架24内设置有与所述驱动转向轮17相连的驱动电机18，所述水下平台15前端设置有弧形的转向轨道20，所述转向轨道20上设置有转向电机19，所述转向电机19与所述支架24活动连接；所述控制器6分别与所述驱动电机18和转向电机19相连，所述蓄电池7给驱动电机18和转向电机19供电。

所述转杆22顶端安装有安全警戒灯21，所述安全警戒灯21由蓄电池7供电。

所述活动连接为销轴连接。

所述柔性叶轮13包括位于中心的所述驱动齿轮轴29，所述驱动齿轮轴29的长度与所述升降平台14的宽度相同，所述驱动齿轮轴29的轮毂上设置有4个柔性叶片30。

所述风机3底端与所述水上平台10上表面之间设置有空隙。

所述导向杆包括金属杆。

两组所述减速齿轮组12均包括与所述柔性叶轮13的驱动齿轮轴29相咬合的中心齿轮27，每个所述中心齿轮27分别与两侧边齿轮28相咬合，两所述侧边齿轮28分别与两所述风机转杆齿轮23相咬合。

本发明的清淤水车，柔性叶轮13位于水下，安装在升降平台14上，水流冲击柔性叶轮13使之转动，底部的叶片会刮起河床的泥沙，搅动的泥沙悬浮在水中随水流漂向下游。风机3也安装在升降平台14上，减速齿轮组12与柔性叶轮13的驱动齿轮轴29咬合，风机3为柔性叶轮13提供辅助动力。水下平台15安装在载重轮16上，螺纹管11焊接在升降平台14上，升降平台14在升降电机8和升降齿轮9的作用下在水下平台15和水上平台10之间上下移动，以便控制柔性叶轮13的转动速度。在风机3上安装磁钢5，磁钢5随风机3转动，风机3转动速度与柔性叶轮13转动速度成正比，在水上平台与磁钢5高度的水平位置固定干簧管4，风机3每转动1圈，磁钢5扫过干簧管4，控制器6监测到干簧管4的通断过程，计算柔性叶轮13的转速，从而可启动升降电机8的运行来控制水下平台15的升降运动。太阳能板2对蓄电池7充电，蓄电池7给控制器6、驱动电机18和转向电机19提供电力。控制器6采集GPS接收机1的位置信息，计算与预先置入的目标位置的方向角，控制驱动电机18和转向电机19运转。驱动电机18为驱动转向轮17提供动力，转向电机19在转向轨道20运动，控制驱动转向轮17的方向。在风车的中心轴上安装安全警戒灯21，提供夜间航行安全预警。

控制器6内置水车起点和终点位置，采集GPS接收机1提供的定位数据，驱动转向轮17按航迹运行。

风机3在受风力作用下转动，通过减速齿轮组12将动力传输到柔性叶轮13上，作为柔性叶轮13清淤的辅助动力。

太阳能板2提供电能存贮于蓄电池7中，为清淤水车上的升降电机8、驱动电机18和转向电机19提供动力，使用清洁能源，无碳排放。

本装置利用流水动能搅动河床底泥后随流水输送到下游海洋，没有二次运输费用，并利用水面风能和太阳能作为附加动力，提高清淤效率，使用清洁能源，零碳排放。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.河流清淤水车，其特征在于：包括水上平台（10）、水下平台（15）和设置于二者之间的升降平台（14），所述升降平台（14）中部贯穿式设置有用于刮起河床泥沙的柔性叶轮（13），所述水下平台（15）上设置有用于穿过所述柔性叶轮（13）的通孔，所述升降平台（14）四角均设置有转杆（22），所述转杆（22）位于所述水上平台（10）上面的部分设置有风机（3），所述柔性叶轮（13）的驱动齿轮轴（29）的两端分别与减速齿轮组（12）相咬合，所述减速齿轮组（12）与套于所述转杆（22）上的风机转杆齿轮（23）相咬合；所述水下平台（15）下表面设置有若干载重轮（16），所述水下平台（15）前端通过支架（24）连有驱动转向轮（17）。

2.根据权利要求1所述的河流清淤水车，其特征在于：所述水上平台（10）的中部设置有控制箱（25），所述控制箱（25）顶端下表面与所述水下平台（15）上表面之间连有至少4根垂直的导向杆（26），所述导向杆（26）外套有螺纹管（11），所述螺纹管（11）底端与所述升降平台（14）固定连接，所述升降平台（14）穿过所述导向杆（26）；所述螺纹管（11）中上部螺纹连接有升降齿轮（9），所述升降齿轮（9）与设置于升降电机（8）的输出轴相咬合；所述控制箱（25）内还设置有控制器（6）和蓄电池（7），所述控制箱（25）顶端设置有太阳能板（2），所述太阳能板（2）与蓄电池（7）相连；所述风机（3）外表面上设置有磁钢（5），所述控制箱（25）与磁钢（5）相对应处设置有干簧管（4），所述升降电机（8）和干簧管（4）分别与控制器（6）相连；所述太阳能板（2）上设置有GPS接收机（1），所述GPS接收机（1）与控制器（6）相连；所述蓄电池（7）给控制器（6）和升降电机（8）供电。

3.根据权利要求2所述的河流清淤水车，其特征在于：所述支架（24）内设置有与所述驱动转向轮（17）相连的驱动电机（18），所述水下平台（15）前端设置有弧形的转向轨道（20），所述转向轨道（20）上设置有转向电机（19），所述转向电机（19）与所述支架（24）活动连接；所述控制器（6）分别与所述驱动电机（18）和转向电机（19）相连，所述蓄电池（7）给驱动电机（18）和转向电机（19）供电。

4.根据权利要求2所述的河流清淤水车，其特征在于：所述转杆（22）顶端安装有安全警戒灯（21），所述安全警戒灯（21）由蓄电池（7）供电。

5.根据权利要求3所述的河流清淤水车，其特征在于：所述活动连接包括销轴连接。

6.根据权利要求1所述的河流清淤水车，其特征在于：所述柔性叶轮（13）包括位于中心的所述驱动齿轮轴（29），所述驱动齿轮轴（29）的长度与所述升降平台（14）的宽度相同，所述驱动齿轮轴（29）的轮毂上设置有至少4个柔性叶片（30）。

7.根据权利要求1所述的河流清淤水车，其特征在于：两组所述减速齿轮组（12）均包括与所述柔性叶轮（13）的驱动齿轮轴（29）相咬合的中心齿轮（27），每个所述中心齿轮（27）分别与两侧边齿轮（28）相咬合，两所述侧边齿轮（28）分别与两所述风机转杆齿轮（23）相咬合。