CN106948399B - 自适应双绞刀挖泥装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应双绞刀挖泥装置，包括两个平行布置的绞刀机构、两个与绞刀机构垂直布置的横移机构、以及变幅机构；两个所述绞刀机构均包括绞刀、套筒、穿设在套筒内的绞刀轴、以及用于驱动绞刀旋转的第一电机；两个所述横移机构均包括与绞刀机构垂直布置的滑轨底座、架设在滑轨底座上的双向丝杆、套设在双向丝杆上可作相向或者背向运动的第一滑块和第二滑块、设置在滑轨底座上用于供第一滑块和第二滑块滑动的导向滑轨、以及用于驱动双向丝杆旋转的第二电机。本发明通过横移机构和变幅机构来调整两个绞刀之间的距离和角度，以提高绞吸式挖泥船在切削工作中的灵活性，减少漏挖和二次污染，提高挖掘效率。

Description

自适应双绞刀挖泥装置

技术领域

本发明涉及绞刀挖泥装置，具体地指一种自适应双绞刀挖泥装置。

背景技术

绞吸式挖泥船是一种装备了绞刀头切削装置的挖泥船，可以用来挖掘几乎所有类型的土壤，工作时能一次性连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作过程，是一种效率高、机动性强、成本较低的挖泥船，也是目前应用最广泛的一种挖泥船舶。除了和普通船舶一样，由钢结构船体和匹配的动力设备构成之外，根据绞吸式挖泥船的工作实际需求，它还配有其它疏浚设备，主要包括定位、挖泥、排泥和辅助装置四部分。疏浚设备是绞吸式挖泥船的核心，而绞刀机构是挖泥船最主要的工作机构，它由绞刀以及连接固定绞刀的绞刀桥架、耳轴等构成。

然而，绞刀作为绞吸式挖泥产的核心疏浚设备，在特殊工况的使用过程中往往存在如下问题：在复杂的水域环境，尤其是水底地形变化较大、疏浚作业面高低不平时，很难做到一遍完整清淤，绞刀往往需要往复清扫多次，增加了能耗且容易产生漏挖现象；在挖掘过程中，由于绞刀过流能力的限制，绞刀搅动的淤泥可能未被完全吸入而四处飞溅，导致残留层的产生，疏浚物中气体逸散造成二次污染。因此，迫切需要研发一种适用于特殊工况的环保疏浚挖泥装置，解决目前疏浚行业所遇到的问题。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种自适应双绞刀挖泥装置，该装置通过横移机构和变幅机构来调整两个绞刀之间的距离和角度，以提高绞吸式挖泥船在切削工作中的灵活性，针对复杂的地势环境该结构可以提高绞刀对土层的适应性，减少漏挖和二次污染，提高挖掘效率。

为实现上述目的，本发明所设计的自适应双绞刀挖泥装置，包括两个平行布置的绞刀机构、两个与绞刀机构垂直布置的横移机构、以及变幅机构；

两个所述绞刀机构均包括绞刀、套筒、穿设在套筒内的绞刀轴、以及用于驱动绞刀旋转的第一电机，所述绞刀轴的一端贯穿通过套筒与绞刀的中心孔固定连接，所述绞刀轴的另一端与第一电机的输出轴传动连接；

两个所述横移机构均包括与绞刀机构垂直布置的滑轨底座、架设在滑轨底座上的双向丝杆、套设在双向丝杆上可作相向或者背向运动的第一滑块和第二滑块、设置在滑轨底座上用于供第一滑块和第二滑块滑动的导向滑轨、以及用于驱动双向丝杆旋转的第二电机；其中一个绞刀机构安装在两个横移机构同侧的第一滑块上，另一个绞刀机构安装在两个横移机构同侧的第二滑块上；两个所述横移机构的滑轨底座与设置在其底部的工作平台固定连接；这样，第二电机带动双向丝杆旋转可使两个滑块做背向运动或相向运动，从而实现两个绞刀机构中心距离的改变。

所述变幅机构包括设置在工作平台底部与其固定连接的旋转平台、水平贯穿旋转平台中部且与其固定连接的旋转轴、设置在旋转轴的一端用于安装旋转轴的第一支撑座、设置在旋转轴的另一端用于驱动其旋转的蜗轮传动机构，所述旋转轴的布置方向与绞刀机构的布置方向相同。

进一步地，所述蜗轮传动机构包括与旋转平台侧壁固定连接的蜗轮、设置在蜗轮下方与其啮合的蜗杆、用于驱动蜗杆旋转的第三电机、以及用于安装旋转轴的第二支撑座；所述第三电机的输出轴通过换向器与蜗杆传动连接；所述旋转轴的一端通过轴承安装在第一支撑座上，所述旋转轴的另一端穿过蜗轮的中心孔且向外延伸通过轴承安装在第二支撑座上。这样，第三电机转动时，通过换向器带动蜗轮、蜗杆旋转，蜗轮通过旋转轴与旋转平台相连构成一个整体，通过蜗轮、蜗杆带动工作平台的旋转，实现在指定时刻绞刀的变向旋转，从而调整绞刀之间的角度。

进一步地，所述蜗轮传动机构还包括用于安装第三电机的电机底座、用于安装蜗杆的蜗杆底座、以及用于安装换向器的换向器底座。这样，保证了电机的输出轴、换向器、蜗杆三者的中心线都处于同一水平高度，避免了因中心高度不同导致传动不稳定的现象，使整套装置工作平稳，冲击、震动、噪音较小，能够高效稳定的工作。

进一步地，所述绞刀呈皇冠状，其刀臂包角为30～45°，绞刀直径为80～100mm，内孔为10～20mm。这样设计的绞刀的挖泥效率高，而且两个绞刀之间的精准配合施工也可有效减少绞刀空转时间，提高施工效率。

进一步地，所述套筒上设置有用于吸入淤泥的吸口。这样，可以增大泥沙吸入浓度，减少泥沙扩散，预防二次污染。

进一步地，所述绞刀轴通过若干个滚动轴承安装在套筒内，保证绞刀轴的同心度，提高了工作的稳定性。

进一步地，所述双向丝杆上设置有第一螺纹段和第二螺纹段，所述第一螺纹段的螺纹方向和第二螺纹段的螺纹方向相反，所述第一滑块与第一螺纹段之间通过螺纹连接，所述第二滑块与第二螺纹段之间通过螺纹连接。这样保证了运动的同时性，避免了因电机之间的差异而导致两个滑块移动距离的不同步，同时也可减少电机的数量。

进一步地，所述第一滑块和第二滑块上均设置有用于安装绞刀机构的安装座。

进一步地，它还包括自适应控制系统，所述自适应控制系统包括用于监测第一电机电流的电流感应器、PLC控制器、第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器；

所述电流感应器的数据输出端与PLC控制器的数据输入端连接，所述PLC控制器的第一控制信号输出端与第一电机驱动器的控制信号输入端连接，所述第一电机驱动器的驱动信号输出端与第一电机的驱动信号输入端连接；

所述PLC控制器的第二控制信号输出端与第二电机驱动器的控制信号输入端连接，所述第二电机驱动器的驱动信号输出端与第二电机的驱动信号输入端连接；

所述PLC控制器的第三控制信号输出端与第三电机驱动器的控制信号输入端连接，所述第三电机驱动器的驱动信号输出端与第三电机的驱动信号输入端连接。

进一步地，所述第一电机和第三电机均为直流减速电机，所述第二电机为步进电机。这样，步进电机在提供更大扭矩的同时，保证在移动过程中两轴之间绝对平行，轴间不会发生相对偏移，从而避免了因两轴之间不平行而引起的径向圆跳动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

其一，本发明通过横移机构和变幅机构来调整两个绞刀之间的距离和角度，以提高绞吸式挖泥船在切削工作中的灵活性，针对复杂的地势环境该结构可以提高绞刀对土层的适应性，减少漏挖，避免扩散造成二次污染，提高挖掘效率。

其二，本发明通过变幅机构可以调整两绞刀之间的角度，通过横移机构可以调整两绞刀之间的距离，通过两绞刀之间的精准配合施工可有效减少常规绞吸式挖泥船在特殊底下发生的漏挖和超挖现象。

其三，本发明的自适应控制系统，智能匹配两侧绞刀的最佳转速，自动调整绞刀下放角度、距离和转速，实现两个绞刀之间的精准配合施工，遇到复杂地势环境时，自适应控制系统通过对绞刀电机载荷电流的分析，调整横移机构和变幅机构的位置关系改变两绞刀之间的间距和角度，以提高绞刀在不同水域环境的适应能力。

其四，本发明的套筒上设计了吸口，减少了绞刀切削掀动的泥沙扩散过于剧烈，提高现有疏浚挖泥效率，增加了吸入浓度，减少了扩散率，防止了二次污染现象的发生。

附图说明

图1为一种自适应双绞刀挖泥装置的结构示意图；

图2为图1另一个角度的结构示意图；

图3为图1中蜗轮传动机构的放大结构示意图；

图4为图1中横移机构的放大结构示意图；

图5为图1所示自适应双绞刀挖泥装置的自适应控制系统示意图；

图6为图1所示自适应双绞刀挖泥装置的自适应控制流程示意图；

图中，绞刀机构1、绞刀1.1、套筒1.2、绞刀轴1.3、第一电机1.4、横移机构2、滑轨底座2.1、双向丝杆2.2、第一螺纹段2.21、第二螺纹段2.22、第一滑块2.3、第二滑块2.4、导向滑轨2.5、第二电机2.6、变幅机构3、旋转平台3.1、旋转轴3.2、第一支撑座3.3、蜗轮传动机构3.4、蜗轮3.41、蜗杆3.42、第三电机3.43、第二支撑座3.44、换向器3.45、电机底座3.46、蜗杆底座3.47、换向器底座3.48、工作平台4、电流感应器5、PLC控制器6、第一电机驱动器7、第二电机驱动器8、第三电机驱动器9。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的一种自适应双绞刀挖泥装置，包括两个平行布置的绞刀机构1、两个与绞刀机构1垂直布置的横移机构2、以及变幅机构3；两个绞刀机构1均包括绞刀1.1、套筒1.2、穿设在套筒1.2内的绞刀轴1.3、以及用于驱动绞刀1.1旋转的第一电机1.4，套筒1.2上设置有用于吸入淤泥的吸口1.5。绞刀1.1呈皇冠状，其刀臂包角为30～45°，绞刀直径为80～100mm，内孔为10～20mm。绞刀轴1.3的一端贯穿通过套筒1.2与绞刀1.1的中心孔固定连接，绞刀轴1.3的另一端与第一电机1.4的输出轴传动连接；绞刀轴1.3通过若干个滚动轴承安装在套筒1.2内。

两个横移机构2均包括与绞刀机构1垂直布置的滑轨底座2.1、架设在滑轨底座2.1上的双向丝杆2.2、套设在双向丝杆2.2上可作相向或者背向运动的第一滑块2.3和第二滑块2.4、设置在滑轨底座2.1上用于供第一滑块2.3和第二滑块2.4滑动的导向滑轨2.5、以及用于驱动双向丝杆2.2旋转的第二电机2.6；第一滑块2.3和第二滑块2.4上均设置有用于安装绞刀机构1的安装座2.7。双向丝杆2.2上设置有第一螺纹段2.21和第二螺纹段2.22，第一螺纹段2.21的螺纹方向和第二螺纹段2.22的螺纹方向相反，第一滑块2.3与第一螺纹段2.21之间通过螺纹连接，第二滑块2.4与第二螺纹段2.22之间通过螺纹连接。其中一个绞刀机构1安装在两个横移机构2同侧的第一滑块2.3上，另一个绞刀机构1安装在两个横移机构2同侧的第二滑块2.4上；两个横移机构2的滑轨底座2.1与设置在其底部的工作平台4固定连接。第二电机2.6带动双向丝杆2.2旋转可使两个滑块做背向运动或相向运动，从而实现两个绞刀机构1中心距离的改变。横移机构2不仅能解决换刀的问题，还在实际疏浚过程中发挥着重要作用，例如当绞刀被搁置于河床无法深入清淤时，可通过横移机构2改变两绞刀之间的中心距和角度，使双绞刀装置能够继续清淤，从而大大提高了双绞刀对水底环境的适应能力。

变幅机构3包括设置在工作平台4底部与其固定连接的旋转平台3.1、水平贯穿旋转平台3.1中部且与其固定连接的旋转轴3.2、设置在旋转轴3.2的一端用于安装旋转轴3.2的第一支撑座3.3、设置在旋转轴3.2的另一端用于驱动其旋转的蜗轮传动机构3.4，旋转轴3.2的布置方向与绞刀机构1的布置方向相同。蜗轮传动机构3.4包括与旋转平台3.1侧壁固定连接的蜗轮3.41、设置在蜗轮3.41下方与其啮合的蜗杆3.42、用于驱动蜗杆3.42旋转的第三电机3.43、以及用于安装旋转轴3.2的第二支撑座3.44；第三电机3.43的输出轴通过换向器3.45与蜗杆3.42传动连接，其中换向器3.45选用90°换向器。旋转轴3.2的一端通过轴承安装在第一支撑座3.3上，旋转轴3.2的另一端穿过蜗轮3.41的中心孔且向外延伸通过轴承安装在第二支撑座3.44上。蜗轮传动机构3.4还包括用于安装第三电机3.43的电机底座3.46、用于安装蜗杆3.42的蜗杆底座3.47、以及用于安装换向器3.45的换向器底座3.48。第三电机3.43转动时，通过90°换向器带动蜗轮3.41、蜗杆3.42旋转，蜗轮3.41通过旋转轴3.2与旋转平台3.1相连构成一个整体，通过蜗轮3.41、蜗杆3.42带动工作平台4的旋转，实现在指定时刻绞刀的变向旋转，从而调整绞刀之间的角度。

上述技术方案中，它还包括自适应控制系统，自适应控制系统包括用于监测第一电机1.4电流的电流感应器5、PLC控制器6、第一电机驱动器7、第二电机驱动器8、第三电机驱动器9；电流感应器5的数据输出端与PLC控制器6的数据输入端连接，PLC控制器6的第一控制信号输出端与第一电机驱动器7的控制信号输入端连接，第一电机驱动器7的驱动信号输出端与第一电机1.4的驱动信号输入端连接；PLC控制器6的第二控制信号输出端与第二电机驱动器8的控制信号输入端连接，第二电机驱动器8的驱动信号输出端与第二电机2.6的驱动信号输入端连接；PLC控制器6的第三控制信号输出端与第三电机驱动器9的控制信号输入端连接，第三电机驱动器9的驱动信号输出端与第三电机3.43的驱动信号输入端连接。第一电机1.4和第三电机3.43均为直流减速电机，第二电机2.6为步进电机。该控制系统的功能要求如下：(1)通过产量、土质参数计算出双绞刀的工作参数，即双绞刀转速，挖深，横移速度，双绞刀间距，旋转平台旋转角度；(2)使双绞刀以设定的转速运行；(3)使旋转平台以设定角度旋转；(4)使双绞刀间距以设定的距离移动；(5)可视化。自适应控制系统能够根据已知的土质参数和给定的产量，通过程序计算出两个绞刀各自工作时的最佳参数，即绞刀转速、挖深以及两绞刀间的距离和角度。通过自适应系统可灵活地改变两绞刀间的角度和距离，使绞吸式挖泥船对复杂环境的适应能力得到了提高，避免常规单绞刀挖泥船在特殊地形的漏挖和超挖。

在挖泥过程中，两个绞刀机构1位于上下两个不同的平面，考虑到挖掘深度的影响，在横向运动的方向上，位于上方的绞刀总是处于靠前的位置。通过变幅机构3可以改变绞刀之间的角度，可以使上方绞刀总是处于先切削的状态，从而提高了工作效率。另外由于水底环境的复杂性，双绞刀在工作过程中可能会遇到上方绞刀空转或者两绞刀转速差过大的情况，此时通过变幅机构3改变两绞刀的相对位置，使两绞刀处于合理的工作状态，可使双绞刀更好地适应水底环境。

横移机构2和变幅机构3可以根据实际的土质情况对绞刀间的角度和距离进行调整，横移机构2和变幅机构3受到自适应控制系统的控制，如果上侧绞刀所受载荷过大，自适应控制系统收到该信号后，使两刀间距增大，同时减小旋转平台的倾斜角度，使上下侧绞刀挖深相同，直到两绞刀的载荷相近时，便停止调整；如果下侧绞刀遇到的土质更加坚硬或上侧绞刀挖深变小，此时应使两刀间距变小，增大旋转平台的倾斜角度，直到两绞刀的电流差保持在合理误差范围内。工作平台4支撑着横移机构2，同时变幅机构3通过旋转轴带动工作平台4进行旋转，整套装置各个部件的运动都受到自适应控制系统的调控，以此达到对环境自适应的目的。

本发明的工作过程具体如下：在相同电压相同转速下，利用电流感应器记录此时两绞刀的电流值，系统通过电流值来反应绞刀载荷的大小；电流感应器记录的电流值作为在之后水域工作中，是否遇到硬沙环境的判断依据。当一侧绞刀遇到坚硬土质后，扭矩会增大，为了保持原速，系统会增加该侧电流。

当检测到两侧电流值差值超过10％后，为了使两侧功率相同，要使电流低侧的电流增大，电流高侧的电流减小，最后达到两侧绞刀的电流值保持在误差范围内，此时功率值相同。

当上侧绞刀电流比下侧绞刀电流大时，说明上侧绞刀遇到的土质更加坚硬或其挖深变大，此时控制中心收到电流信号，并将改信号传递给自适应控制系统，自适应控制系统接收到该信号后，使两刀间距增大，同时减小倾斜角度，使上下侧绞刀挖深相同，直到两绞刀的电流差保持在误差范围内；当下侧绞刀电流比上侧绞刀电流大时，说明下侧绞刀遇到的土质更加坚硬或上侧绞刀挖深变小，此时控制系统调节步骤如上，此时应使两刀间距变小，增大倾斜角度，直到两绞刀的电流差保持在误差范围以内。

以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：包括两个平行布置的绞刀机构(1)、两个与绞刀机构(1)垂直布置的横移机构(2)、以及变幅机构(3)；

两个所述绞刀机构(1)均包括绞刀(1.1)、套筒(1.2)、穿设在套筒(1.2)内的绞刀轴(1.3)、以及用于驱动绞刀(1.1)旋转的第一电机(1.4)，所述绞刀轴(1.3)的一端贯穿通过套筒(1.2)与绞刀(1.1)的中心孔固定连接，所述绞刀轴(1.3)的另一端与第一电机(1.4)的输出轴传动连接；

两个所述横移机构(2)均包括与绞刀机构(1)垂直布置的滑轨底座(2.1)、架设在滑轨底座(2.1)上的双向丝杆(2.2)、套设在双向丝杆(2.2)上可作相向或者背向运动的第一滑块(2.3)和第二滑块(2.4)、设置在滑轨底座(2.1)上用于供第一滑块(2.3)和第二滑块(2.4)滑动的导向滑轨(2.5)、以及用于驱动双向丝杆(2.2)旋转的第二电机(2.6)；其中一个绞刀机构(1)安装在两个横移机构(2)同侧的第一滑块(2.3)上，另一个绞刀机构(1)安装在两个横移机构(2)同侧的第二滑块(2.4)上；两个所述横移机构(2)的滑轨底座(2.1)与设置在其底部的工作平台(4)固定连接；

所述变幅机构(3)包括设置在工作平台(4)底部与其固定连接的旋转平台(3.1)、水平贯穿旋转平台(3.1)中部且与其固定连接的旋转轴(3.2)、设置在旋转轴(3.2)的一端用于安装旋转轴(3.2)的第一支撑座(3.3)、设置在旋转轴(3.2)的另一端用于驱动其旋转的蜗轮传动机构(3.4)，所述旋转轴(3.2)的布置方向与绞刀机构(1)的布置方向相同。

2.根据权利要求1所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述蜗轮传动机构(3.4)包括与旋转平台(3.1)侧壁固定连接的蜗轮(3.41)、设置在蜗轮(3.41)下方与其啮合的蜗杆(3.42)、用于驱动蜗杆(3.42)旋转的第三电机(3.43)、以及用于安装旋转轴(3.2)的第二支撑座(3.44)；所述第三电机(3.43)的输出轴通过换向器(3.45)与蜗杆(3.42)传动连接；所述旋转轴(3.2)的一端通过轴承安装在第一支撑座(3.3)上，所述旋转轴(3.2)的另一端穿过蜗轮(3.41)的中心孔且向外延伸通过轴承安装在第二支撑座(3.44)上。

3.根据权利要求2所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述蜗轮传动机构(3.4)还包括用于安装第三电机(3.43)的电机底座(3.46)、用于安装蜗杆(3.42)的蜗杆底座(3.47)、以及用于安装换向器(3.45)的换向器底座(3.48)。

4.根据权利要求3所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述绞刀(1.1)呈皇冠状，其刀臂包角为30～45°，绞刀直径为80～100mm，内孔为10～20mm。

5.根据权利要求4所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述套筒(1.2)上设置有用于吸入淤泥的吸口(1.5)。

6.根据权利要求5所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述绞刀轴(1.3)通过若干个滚动轴承安装在套筒(1.2)内。

7.根据权利要求6所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述双向丝杆(2.2)上设置有第一螺纹段(2.21)和第二螺纹段(2.22)，所述第一螺纹段(2.21)的螺纹方向和第二螺纹段(2.22)的螺纹方向相反，所述第一滑块(2.3)与第一螺纹段(2.21)之间通过螺纹连接，所述第二滑块(2.4)与第二螺纹段(2.22)之间通过螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述第一滑块(2.3)和第二滑块(2.4)上均设置有用于安装绞刀机构(1)的安装座(2.7)。

9.根据权利要求2-8任意一项所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：它还包括自适应控制系统，所述自适应控制系统包括用于监测第一电机(1.4)电流的电流感应器(5)、PLC控制器(6)、第一电机驱动器(7)、第二电机驱动器(8)、第三电机驱动器(9)；

所述电流感应器(5)的数据输出端与PLC控制器(6)的数据输入端连接，所述PLC控制器(6)的第一控制信号输出端与第一电机驱动器(7)的控制信号输入端连接，所述第一电机驱动器(7)的驱动信号输出端与第一电机(1.4)的驱动信号输入端连接；

所述PLC控制器(6)的第二控制信号输出端与第二电机驱动器(8)的控制信号输入端连接，所述第二电机驱动器(8)的驱动信号输出端与第二电机(2.6)的驱动信号输入端连接；

所述PLC控制器(6)的第三控制信号输出端与第三电机驱动器(9)的控制信号输入端连接，所述第三电机驱动器(9)的驱动信号输出端与第三电机(3.43)的驱动信号输入端连接。

10.根据权利要求9所述的自适应双绞刀挖泥装置，其特征在于：所述第一电机(1.4)和第三电机(3.43)均为直流减速电机，所述第二电机(2.6)为步进电机。