CN1082134A - 一种气力输泥方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种气力输泥方法及系统，涉及土方工 程中运输泥土的方法及其装置。本发明所述方法包 括用喂入装置喂入泥土，以压缩空气作为推泥动力将 管道中的泥土向前推进输送。为减小输送阻力，本发 明采用向管道中加润滑水和对泥土进行脉冲气割的 方法。本发明所述装置由泥土喂入装置、输泥管及装 于输泥管上的水环气垫装置串接构成。本发明提出 了一种全新的泥土输送方法，具有高效、方便、实用的 特点。所采用的装置结构简单、能耗少、输距远、输量 大、移动方便。

Description

本发明涉及一种土方挖掘中的运土方法及其系统，具体来说，是一种土方的气力搬运输送方法和系统。

在现有的拖泥搬运工程中，对于粘度较大的水饱和土（如海边的泥性滩涂）是很难用挖掘机与卡车配套操作施工的，因为卡车在滑溜的泥滩上难以行驶，这样，被挖掘机挖起的泥就无法作较长距离的搬移。还有，如单纯采用螺旋式输送机，只能做到短距离移送，无法完成较长距离的泥土土方搬运工作。采用泥浆泵排放的搬土方法，因为在吸水处需要大量的水源，在排放口排出的不是块泥，而是含水量很高的泥浆水，因此会殃及大片的地面，如果在修筑海堤时将排放口放在靠近提坝处，反而会殃及提坝（造成毁坏）。上述三种常用运土方案对诸如在海塘筑堤中搬运粘度大的水饱和湿润泥土均不能胜任。

本发明的目的是提供一种可以在海边滩涂上进行长距离土方搬运，以完成筑堤任务的施工方法。这种方法是用管道代替卡车，将从海滩上挖起的滑泥作远距离的移送，从管道出口掉出的泥块可直接被用来堆筑堤坝，或对堤坝进行维修或大面积围填。本方法也可用于其他场合实现对土方的搬运。

本发明的方案是采用种种形式的可以承接土方，并将土方压入输泥管道内的喂泥装置。该喂泥装置将从土方挖掘处挖起的泥输入管道，然后再用压缩空气将进入管道的泥向前推移至输出口卸出。

本发明方案中所采用的压缩空气作用于输泥管道时最好是以脉冲气流的方式通入到输泥管道内去。脉冲气流可以将管道内的泥切成间隔开的泥段从而减少推泥的阻力，在作较长距离输送时特别需要如此。对于较短距离的输泥，也可不采用脉冲气流而改用连续的气流来推动泥土。

压缩空气作用于输泥管道内实现对泥土的推移是本发明的必需条件，但也可以在喂入装置中通入压缩空气，实现对泥土向输泥管道方向的推移。在喂入装置中也可不通入压缩空气，只要喂泥装置自身有对泥土产生足够推挤压力的功能时，就不需导入压缩空气。

为了使进入管道内的泥土在移送过程中，减少摩阻系数，有必要向管道内的泥土注入压力水。水和泥相混后所形成的滑溜泥浆是最好的润滑剂，它使一段段相互间隔的泥段在管内可轻松地被压缩空气所推移。水的另外一个作用是使一段段泥柱（可以把它看成是滑块）在管道内腔（可以把它看成是缸筒）滑移的过程中，保持动态密封状态，使压缩空气的作功效率得以提高。对于输泥管道加水的部位一般是安排在与压缩空气的加气部位相邻近的位置，当然两者之间隔开一段距离也是可以的，最好是两者紧挨在一处，按输泥的流动方向来看，最好是喷水在前，喷气在后。也可以是水气混合喷入。

本发明所用的专用设备是一套由喂入装置、压缩空气和压力水的配给装置、输泥管道以及固定在其上的水环气垫装置所组成的成套系统。

关于喂入装置可以采用一般气力输送中常规使用的带有可启闭钟罩的气密容器、叶轮泵、罗茨泵、旋转滑块泵和螺旋泵等设备。喂入装置被布置在料斗下口，它可被分为压缩空气式和无气式两种。压缩空气式喂入装置适用于充气罐和转子（叶片）根部带压缩空气通孔的叶轮泵和罗茨泵。无气式喂入装置可以采用螺旋输送泵和旋转滑块泵，当然，采用无气的叶轮泵、罗茨泵配上软管辅以振落机构也是可以的。

对于连接管道，可以采用柔性管和刚性管，塑料管和钢管是常用的。由于管道内有压缩空气存在，当喂入装置在运转过程中能始终维持输泥管内腔与外界的基本隔离状态时，在喂入装置与输泥管的连接部分可以不加启闭闸门。但当喂入装置在运行过程中会导致输泥管道内腔与外界大气相沟通时，则在喂入装置与输泥管道之间的连接部位加设启闭闸门。其作用是，一旦需要开启喂入装置时，事先将该闸门关闭，让输泥管道内腔与喂入装置连通的通道被截断，这样就可以防止输泥管内的泥倒流进喂入装置。当然若采取一次就将密闭喂入装置中的泥土输送到目的地，然后打开密闭喂入装置进料并开始下一次输送的方式，在喂入装置与输泥管道之间则可以不设启闭阀门。

对推动泥土向前输送起主要作用的是安装在输泥管道上的水环气垫装置。该装置的主要结构就是在输泥管的管壁上开斜通孔，这样使进入管内的压缩空气流既起到切泥作用，又起到向前推泥的作用。在一圈斜通孔所处的管壁外侧周面上环包一圈中空的密封包。所述斜通孔在输泥管道上布成环形，在所述环形密封包上设有一个或多个压缩空气进气咀，这样，压缩空气从气源经配管、阀门进入所述的环形包内，再通过所述的斜通孔进入输泥管内，对其内的泥土进行切泥和推泥。如果将上述环形包撤去不用，而在每个斜通孔上直接安装一个进气咀，这样的方案仍然是有效和可行的。

对于将压力水引入输泥管道内的方案基本上相同于上述将压缩空气引进输泥管的方案，也是采用输泥管外周壁上的环形包将输泥管管壁上的斜通孔包复密封的方案，压力水通过配管，阀门进入环形包内腔，再通过斜通孔注入到输泥管内。

上述输送压缩空气的环形包与输出压力水的环形包可以连接成一体，中间用隔板分割成二个环形空腔。也可以将输气环形包与输水环形包拉开一段距离布置。如果将泥土输送的方向视为向前的方向，那么输水环形包最好是布置在前，而让输气环形包布置在后。泥经过挤压，其中的空隙水被挤出附在管壁上，随泥柱的前输形成泥浆，这样可以获得最好的效果。因为水在前、气在后的布置可以让水顺着气的喷射方向扩散到泥土中，而且水也容易被压缩空气挤向输泥管道的内周壁附近，润滑效果也好。根据泥土被输送距离的不同，可以在输泥管道上设置多个水环气垫装置。当然采取一组环形输气密封包、一个环形输水密封包再一组环形输气密封包的形式也是可行的。

本发明具有下述优点：①能输送软粘潮湿物料，解决了历来认为软粘物料无法气力输送的难题。②能耗小，输送量大。由于采取了气垫水环方法，因此物料在管道内运动阻力很小。③输送距离远，且输送量与输送距离可根据需要调整。④移动灵活、布置方便。⑤结构简单、可靠实用。

图1是本发明的总体方案布置图。

图2是叶轮泵式喂入装置示意图。

图3为气密容器式喂入装置示意图。

图4为水环气垫装置示意图。

图5为图4的剖面示图。

图6为本发明实施例的示意图。

图7为本发明另一实施例的示意图。

图8为旋转滑块式喂入装置示意图。

图9为罗茨泵式喂入装置示意图。

图10为螺旋输送泵式喂入装置示意图。

图11为吸泥泵式喂入装置示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述气力输泥方法包括向喂入装置（1）中喂入泥土、以压缩空气为推力将管道中的泥土向前推进输送。首先泥土被送入喂入装置（1）中，再由喂入装置经连接管（3）将泥土送入泥土输送管（4）。由于喂入装置的输送力不够大，泥土经过连接管后已有停滞不前的趋势，因此在输泥管的前端装气力助推装置（2），也就是将高压气体引入到输泥管道中。通过高压气体对泥土所产生的压力使泥土在输泥管道中继续向前输送。为了减小泥土在输泥管道中运行时所受到阻力，在输泥管上与引入高压空气相近的部位将压力水引入。水在输泥管道壁与被输送泥土之间形成泥浆润滑层，大大减小了输泥管道壁对被输泥土的阻力。同时，润滑层的存在也对输泥管道管壁与泥土之间进行了密封，从而更有利于输泥管道中压力的保持，提高输送效率。根据所需要输送距离的远近，向输泥管道中引入压缩空气和水的部位可以有多处，各部位间保持一定的距离。为了进一步减小输送阻力，提高输送效率，引入输泥管道中的压缩空气是以可调脉冲的形式作用于被输送泥土。脉冲压缩空气通过输泥管道壁上的小孔进入，对泥土具有很强的切割作用。因此泥土在输泥管道中被切割成一段一段的圆柱，每段圆柱形泥土之间为压缩气柱。这样由压缩气柱推动泥柱在输泥管道中移动，实现泥土的远距离输送。若将水引入输泥管道则可以起到润滑和密封的作用。而通过对脉冲压缩空气脉冲频率及幅度的控制则可以调整泥柱和气柱的长度，以实现在不同条件下对泥土的输送。由于脉冲给气且气料比可调，所以可以控制泥柱与气柱的长短。输送距离远的，气柱长一些;输送距离近的气柱短一些。输送距离更近的，输气时可以不采用脉冲的形式。

本发明所述的喂入装置有旋转滑块泵、螺旋泵、叶轮泵、罗茨泵、带有可启闭上盖的气密容器等。其中旋转滑块泵和螺旋泵是靠滑块和螺旋叶片将泥土挤入或压入连接管中。而且泵内与泵外相互隔绝，输泥管中的压力不会通过旋转滑块泵或螺旋泵而损失。叶轮泵、罗茨泵中引入了压缩空气，空气的压力将泥土从泵中压入连接管，此压力对输泥管道中的泥土也有助推作用。而带有可启闭上盖的气密容器则完全靠压缩空气压力将其间的泥土压入连接管。具体过程是这样实现的：首先把上盖打开，泥土进入气密容器，然后将上盖关闭，压缩空气被引入气密容器，由压缩空气将泥土压入连接管。在开启上盖之前先关闭连接管上的阀门，以将输泥管道与气密容器隔开。再打开位于气密容器上的卸压口卸去气密容器中的压力，最后开启上盖准备泥土的再次喂入。

又如图1所示，本发明所述的气力输泥系统由喂入装置（1）、连接管（3）、输泥管（4）、水环气垫装置（2）以及压缩空气源、水源、输气管、输水管、阀门等组成。其中喂入装置（1）经连接管（3）与输泥管（4）相串联。水环气垫装置（2）位于输泥管（4）上，水源、气源通过阀门、输气管、输水管向水环气垫装置（2）供气、供水。根据所述的不同喂入装置、气源也可以通过输气管、阀门向喂入装置供气。

如图2所示，叶轮泵由带料斗（6）及出料口的柱形壳体（8）和叶轮构成。料斗和出料口对称地位于柱形壳体的柱面上。叶轮套于固定空心轴（10）上，叶片（12）的数目可以根据输送需要设置，一般为三到八片不等。相邻每对叶片构成泥土填充仓。在叶片的根部开有压缩空气通道（9），也就是在叶轮的根部开有压缩空气通道（9）。同时叶轮泵的固定空心轴（10）上对着出料口的部位开有通气槽（11）。为了使泥土填充仓带出的压缩空气在到达料斗前被排出，在圆柱形外壳（8）靠近料斗（6）的部位有排气口（7）。当然为了排除粘于叶片（12）上的泥土，可以在压缩空气通道口（9）处装上分流板（13），以使压缩空气吹向叶片。当料斗（6）中的泥土（5）填入填充仓后，叶轮开始旋转，由此使填充仓中的泥土移向出料口。叶轮旋转到一定位置时，即叶轮根部压缩空气通道（9）与固定空心轴（10）上的通气槽（11）相对时，压缩空气充入泥土填充仓，从而压使其间的泥土排向出料口。同时，叶轮继续旋转，因此排掉泥土的填充仓也逐渐移向料斗。由于在园柱形壳体接近料斗的部位有排气口，故此在出料口排掉泥土的填充仓先排掉其间的压缩空气，再到达料斗下方。

带有可启闭钟罩和单向阀门的气密容器也是本发明所用喂入装置之一。如图3所示，该装置包括进料斗（6）、钟罩（14）、振动除泥装置（15）、料桶（16）以及进气口（19）、单向阀（18）和气动臂（17）。进料斗（6）下端与料桶（16）衔接，此衔接部位形成进料斗与料桶间的喉颈，也即料桶进口。在喉颈中装有密封垫圈。钟罩（14）的主体位于料桶（16）内，其上连有钢索，此钢索经过料斗中的滑轮和料斗壁上的滑轮后被连接在气动臂（17）上。在料桶的壁上有进气口（19），此进气口也被用来作为压缩空气排出口。单向阀（18）位于料桶的出口处，以防料桶内无压力时泥土输送管道中的泥土被压回料桶。此装置使用时，钟罩首先离开喉颈部位降入料桶中，从而使进料斗中的泥土落入料桶。对于仍粘附在钟罩上的泥土，可以开动钟罩上的振动除泥装置（15）将其振入料桶中。然后由气动臂（17）拉动钢索将钟罩（14）提升到喉颈部位与密封垫圈紧密接触，使料桶（16）成为一气密容器。此时通过向密闭容器中加压缩空气以提高其中的压强，从而将泥土压向料桶下部的出口。当压力达到一定程度时即可关闭单向阀（18），打开进气口（19）解除密闭容器中的压力。最后开启钟罩，进行下一轮喂料（泥土）。在进料口处不用钟罩，改用推板式或压盖式也是可行的。

本发明所述的水环气垫装置结构如图4、图5所示。在输泥管道外侧周面上装有密封包，密封包被隔为压缩空气腔（23）、水流腔（20）。在压缩空气腔和水流腔上分别有压缩空气导入咀（22）、压力水导入咀（21）。压缩空气腔（23）和水流腔（20）中的输泥管道壁上分别加工有环绕的小孔（24）。当然，将压缩空气腔与水流腔分开一段距离也是可以的。特别对短距离输送泥土，可以不用水流腔。若密封包中的小孔改为环绕输泥管道的通气缝和注水缝也是可行的。为了进一步提高气体助推效果，通气孔、注水孔沿输泥管道轴向对称分布，而且通气孔（或缝）、注水孔（或缝）为斜通形式。若不采用密封包的形式，采用将气咀和注水咀与相应的通气孔和注水孔直连的方案，也能达到同样效果。

图6为本发明所述气力输泥系统的一个最佳实施例示意图。料斗中的泥土进入带有可启闭钟罩和单向阀门的气密容器式喂入装置后，被送往输泥管道。位于输泥管道上的水环气垫装置对泥土进行切割、助推、润滑，使泥土可以被送到更远的地方。压缩空气同时供给喂入装置和水环气垫装置。

图7为本发明所述气力输泥系统的另一个最佳实施例示意图。这里的喂入装置为叶轮泵，并且对叶轮泵的供气线路予于省略。

在本发明所述的气力输泥系统中还可以采用旋转滑块泵式喂入装置。如图8所示，旋转滑块泵由圆柱形壳体（26）、进料斗（6）、位于壳体内带空腔的可旋转圆柱体（27）、位于空腔内的滑块（28）和带扇形齿轮（25）的固定中心轴（30）构成。其中，出料口位于壳体（26）的下部，可旋转圆柱体（27）与壳体紧密接触，可旋转圆柱体内的空腔横向贯穿于圆柱体，从而为滑块的往复运动提供空间。滑块为一中空体，在滑块的体腔中相向装有一付齿条（29）。滑块两个端面的曲率与圆柱体（27）的柱面曲率相同。滑块腔体内的一付齿条（29）交替与扇形齿轮（25）啮合，从而驱使滑块往复运动。装料（泥土）时，滑块的两个柱面分别对着进料斗（25）和出料口，并且滑块处于最低位置，从而在进料斗下方形成填充仓。当泥土落入填充仓后，圆柱体（27）被驱动而开始旋转，填充仓的泥土随着圆柱体的旋转被从进料斗下方送向出料口。由于固定中心轴（30）与扇形齿轮均固定不动，当圆柱体转过一定角度后，一个齿条开始与扇形齿轮啮合。而此时填充仓的一部分也与出料口相通。随着这种旋转的继续，滑块被从一端推到另一端，从而将填充仓中的泥土挤入出料口。而滑块的另一端面开始下移形成新的填料仓。两根齿条交替与扇形齿轮啮合，形成周期性的填料、排料的过程，最终实现泥土的喂入和输送。

罗茨泵也是本发明所述气力输泥系统可以采用的喂装置之一。如图9所示，罗茨泵由料斗、壳体（32）、两个转子（34）、两根空心轴（35）构成。两根空心轴上均开有通气槽（31）、两个转子上有压缩空气通道（33）。通过两个转子的相向配合转动，使料斗中的泥土不断被送向出料口。而当转子上的压缩空气通道与空心轴上的通气槽相对时，空心轴中的压缩空气进入罗茨泵内，并对泥土产生推进压力。

如图10所示的螺旋输送泵也是本发明所采用的喂入装置之一。该螺旋泵由壳体（36）及带螺旋叶片（37）的轴（38）构成。壳体上有进料口及出料口，其中进料口为喇叭形，从而更有利于泥土的进入。为了给进入螺旋输送泵的泥土一挤压力，螺旋叶片的螺距是不等的。在进料口附进螺距大些，在出料口附近螺距小些，当然这种螺距变化是渐变的。由进料口进入到螺旋泵的泥土被螺旋叶片送向出料口后，即可以直接进入输泥管道经气力助推装置助推后送向目的地;也可以先送到发送罐（39）再从发送罐进入输泥管道。这里所讲的发送罐带有进料口和出料口，进料口处有单向阀（40），出料口与输泥管道相连。在发送罐的顶部有进气咀（41），以便给罐内泥土施以一定的压力。为了增大发送罐的泥土发送量可以采用多个螺旋泵同时向一个发送罐喂泥的方案。

如图11所示，吸泥泵式喂入装置由往复式抽筒（42）、工作缸（43）、三通阀（44）、进料管（45）、出料管（46）构成。三通阀的三个开口分别接工作缸、进料管、出料管。首先三通阀将出料管关闭，泥土被从进料管吸入工作缸，然后三通阀关闭出料管，工作缸中的泥土被压向出料管。如此循环不断就可以实现泥土喂入。当然，为了方便泥土进入料管，可以在进料管前加装一旋转松泥装置。出料管可以直接接泥土输送管也可以先接在发送罐上然后再接输泥管道。

上述螺旋输送泵和吸泥泵的喂入装置因为在工作时要不断移动，所以应被安装在船上，随船移动作业。但气力发送罐又必须直接与输泥管道相连，那么，在被安装在船上的螺旋输送泵和吸泥泵与所述的气力发送管之间采用柔性管连接，这样，这两大部份在一定程度上可维持相对运动。

Claims (27)

1、一种气力输泥方法，其工序包括向喂入装置中喂入泥土，以压缩空气作为推泥动力将管道中的泥土向前推进输送。

2、如权利要求1所述的一种气力输泥方法，其特征是管道中的泥土在向前输送过程中被加水湿润，从而在泥柱与管壁之间形成泥浆层。

3、如权利要求1或2所述的一种气力输泥方法，其特征在于所述用来推动输泥管道中泥土的压缩空气以可调脉冲形式作用于泥土。

4、如权利要求1或2所述的一种气力输泥方法，其特征是所述压缩空气对喂入装置中的泥土也起推进作用。

5、如权利要求1或2所述的一种气力输泥方法，其特征是所述压缩空气只对输泥管道中的泥土起推动作用。

6、如权利要求1或2所述的一种气力输泥方法，其特征是所述用于推动输泥管道中泥土的压缩空气可以在输泥管道的不同部位被引入，各部位相互保持一定距离。

7、一种气力输泥系统，它包含有泥土喂入装置和与其相连的输泥管道，安装在所述输泥管道上的水环气垫装置以及输气管、输水管和阀门。

8、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述喂入装置为罗茨压缩泵。

9、如权利要求8所述的一种气力输泥系统，其特征是所述罗茨压缩泵的转子上有压缩空气通道，所述罗茨压缩泵的空心轴上开有通气槽。

10、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述喂入装置为叶轮泵。

11、如权利要求10所述的一种气力输泥系统，其特征是所述叶轮泵的叶轮根部有压缩空气通道，所述叶轮泵的固定空心轴上有通气槽，在外壳上靠近料斗的部位有排气孔。

12、如权利要求11所述的一种气力输泥系统，其特征是在叶轮根部压缩空气通道口处装有分流板。

13、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述的喂入装置为螺旋输送泵。

14、如权利要求13所述的一种气力输泥系统，其特征是所述螺旋输送泵的螺旋叶片之螺距逐渐减小。

15、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述喂入装置为带有可启闭上盖和单向阀门的气密容器，所述可启闭上盖位于所述气密容器的进口处，所述单向阀门位于所述气密容器的出口处。

16、如权利要求15所述的一种气力输泥系统，其特征是可启闭上盖为带有振动除泥装置的钟罩。

17、如权利要求15所述的一种气力输泥系统，其特征是所述可启闭上盖关闭时与气密容器的进口周沿间夹有密封垫圈。

18、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述喂入装置为旋转滑块泵。

19、如权利要求18所述的一种气力输泥系统，其特征是所述旋转滑块泵由料斗、带出料口的壳体、位于所述壳体内带空腔的圆柱体和位于所述空腔内的滑块构成，所述滑块为一中空体，在所述中空体相对内壁上各有一根齿条，与齿条作间隙啮合的扇形齿轮被静止地固定于中心轴上。

20、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述水环气垫装置包含有气源、环绕分布在输泥管道壁上用于导入压缩空气的开口。

21、如权利要求20所述的一种气力输泥系统，其特征是所述水环气垫装置还含有环绕分布用于导入压力水的开口。

22、如权利要求21所述的一种气力输泥系统，其特征是所述环绕分布的开口为斜向通孔。

23、如权利要求21所述的一种气力输泥系统，其特征是所述环绕分布的开口为连续环形开缝。

24、如权利要求20至23中任意一项所述的一种气力输泥系统，其特征是输泥管道外周壁上设有将所述开口完全包封的环形包，在所述环形包上设有导入咀。

25、如权利要求7所述的一种气力输泥系统，其特征是所述喂入装置包含有吸泥泵、旋转松泥装置、与所述吸泥泵连接的气力发送罐。

26、如权利要求13或14所述的一种气力输泥系统，其特征是所述螺旋输送泵与输泥管道之间连接有气力发送罐。

27、如权利要求25所述的一种气力输泥系统，其特征是所述吸泥泵包含有由工作缸驱动的往复式抽筒、三通阀、进料管、出料管，进料管、出料管、往复式抽筒均与三通阀相连。

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