CN108993974B - 利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法，属于疏浚工程技术领域。本发明采用高压水作为对绞刀附着粘性土的清除介质，高压水在高压柱塞泵内形成，并保证高压水在高压喷嘴处形成额定压力和喷射速度的高压射流，起到切割和清除绞刀头上附着粘性土的作用；清除效果与高压水压力和出口速度有关，本发明中压力、喷嘴出口速度、距清除目标的喷射距离需满足额定工作要求，以实现清除粘性土的作用。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：解决绞刀、绞刀头、刀架与绞刀臂之间淤积粘土的问题；提高了绞吸挖泥船的施工效率，降低了施工人员工作强度，提高了作业安全性和绞吸挖泥船的作业经济性。

Description

利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法

技术领域

本发明涉及疏浚工程、海洋工程施工作业过程中清理绞吸挖泥船绞刀头的方法和系统，特别涉及一种利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法。

背景技术

随着经济及社会生活的发展，人类对海洋及海洋资源的探索与利用的需求日益高涨，这些需求促使疏浚工程及海洋工程各个领域快速发展。在疏浚工程中，绞吸挖排泥方式是对海底物质施工的典型方式之一，典型装备是绞吸挖泥船，绞吸挖泥船可以用于多种不同土质的疏浚作业，当绞吸挖泥船对粘土进行疏浚作业时，粘土经常淤积在绞刀头的刀架与绞刀臂之间，随着施工继续进行，这种淤积状况不断恶化，最终有可能导致整个绞刀头刀具部分被不断淤积的粘土堵塞，从而极大地降低绞吸挖泥船的生产效率乃至挖泥船停工。被堵塞的绞刀头通常会采用人工铲除的办法进行清理，劳动强度大、效率低。

根据土的工程分类法，粘土按粒径分类是粒径小于0.002mm粒径的土质，粒径数值因不同地区和行业的略有不同，与沙土、淤泥等土质相比，粘性土有明显的附着力，绞吸挖泥船在沙土等土质施工过程中绞刀头的刀架与绞刀连接处并未出现明显的土质附着情况，更不会出现土质堵塞绞刀头而影响施工正常进行的情况出现。对于粘性土而言，因附着力的存在，绞刀挖泥过程中，粘性土在绞刀头的刀架与绞刀之间的连接位置出现土质附着现象，随着施工的持续进行，附着现象变的愈加明显，施工效率明显降低，最终有可能发展为整个绞刀头被粘土堵塞的情况，对于粘土的清除目前采用的方法仍然是停工后工人到绞刀头处进行手动清除。这样在面对粘性较强的土质时，每隔一段时间就需要停工进行清理，不但严重影响了挖泥船的施工进度，降低了作业经济性,而且清除效果不够理想。因施加挖掘力的需要，绞刀头在施工作业过程中与土层挤压的情况，使得附着粘土的清除工作进行的十分困难，需要多人共同协作才能完成，显著加大了施工人员的作业强度，对人身安全也起到消极的影响作用。因此非常有必要针对这一现状进行研究并提出合理高效的解决方案。

发明内容

目前在耙吸船上有应用高压射流破土，作为耙齿切削的辅助手段，其普遍采用压力为1～2MPa，经验表明高压射流显著提高了耙吸挖泥船的施工效率，对挖掘中对土层起到了较好的破坏作用。在耙吸挖泥过程中目前适用于疏松土质，当遇到较小渗透系数的粘性土时，由于土质的抗剪切强度高，高压射流的破土作用减弱。在绞吸挖泥船上，既没有用于破土辅助挖掘的射流装置，也没有采用高压水射流来自动清理绞吸挖泥船施工时附着在绞刀头上的粘性土的先例。

经发明人试验和实验，高压射流能起到一定的切割和冲刷效果，但针对粘性较高且附着在具有复杂结构的绞吸挖泥船绞刀头上的土体来说实现起来具有一定的难度。

以上设立了本发明技术方案的发明任务。

本发明的目的在于，首次提供一种利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法，采用工作压力在5MPa以上的高压水冲击清除粘土，解决绞刀、绞刀头、刀架与绞刀臂之间淤积粘土的问题，既可及时有效地清理淤积的粘土，也可避免因淤积导致的被迫停工。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

为提高绞吸挖泥船施工效率、降低施工人员工作强度、提高作业安全性、提高绞吸挖泥船作业经济性，同时考虑到清除绞刀头附着粘土的功能需求，本发明提出采用更高压力的射流进行破土，首先进行更高压力的淹没射流特性数值模拟和射流切割破坏粘土的物理实验，根据数模和实验研究成果进而提出采用布置压力5MPa以上的高压射流喷嘴组，利用射流切割、破碎粘土块，使其不再粘附在绞刀头上，从而达到自动清理绞刀头的目的。

关于高压淹没射流特性，理论研究一般认为，对于在水域中静止的喷嘴，在距其为10倍喷嘴直径位置处，中心轴射流速度衰减到喷嘴出口初始速度的0.62倍，距其为20倍喷嘴直径位置处，速度衰减到0.31倍。由于施工中绞刀头是不断进行平移的，同时绞刀头也会绕自身中心轴旋转，这相当于喷嘴以一定速度在水中移动并对附着在绞刀头上的粘土进行切割，为此，我们进行了移动射流在淹没条件下的CFD数值研究，结果如图1、图2所示，距喷嘴某一距离处，射流最大速度偏离了喷嘴中心轴线，但距喷嘴相同距离的位置处射流最大速度值与静止喷嘴所产生的最大速度值几乎相同。

此外，为了确定最佳的射流压力、靶距、喷嘴移动速度和喷射角度等，我们还采用高压水射流在淹没条件下对硬质粘土进行切割的实验。结果显示45°喷射角时，切割土体割缝的截面最大，90°喷射角时，入土深度最大，如图3所示。因此，需要喷嘴能够正对需要清淤的最深处，以保证高压水能尽可能达到最远，而靠近喷嘴的粘土与射流成一定夹角恰恰能加大破土截面面积。对于垂直入射的高压水，如图4，深度随喷嘴移速的增加而减小，在本发明中，可以认为是射流入土深度随绞刀头转速的增加而减小。绞刀头转速一般在30转每分钟，即绞刀齿接近1m/s的线速度，该速度下射流入土深度依然大于20倍喷嘴直径。如图5，随靶距增加，射流入土深度减小，这是由于喷嘴在水中速度有损耗而且随着距离的增加其发散也越严重，虽然理论上随靶距增大速度衰减很明显，但实验结果表明，20倍喷嘴直径的靶距下，切割粘土作用依然很明显，本发明中，要求喷嘴距目标土层不大于20倍喷嘴直径，以满足使用要求。

进一步，如图6，入土深度与射流压力几乎为线性关系，因此，对于淤积土层较厚的情况可以继续增加水压力来清除。淤泥质粘土的抗剪强度在15～20kPa，粉质粘土的抗剪强度在35～50kPa，由于实验采用的是硬质粘土，其抗剪能力比普通粘土更强，实验结果显示高压射流对该土的破坏深度依然可以达到几十倍的喷嘴直径，因此对于大部分粘性土，高于5MPa压力的水射流能达到清淤目的。

根据上述研究结论和实验结果，可以说明压强在5MPa及以上，靶距不大于20倍喷嘴直径，在满足空间布置和靶距的条件下，喷嘴直径尽量小，喷口尽量朝向绞刀头最深处的高压水射流系统对绞刀头淤积粘土的清除效果理想。

本发明中，采用高压水作为对绞刀附着粘性土的清除介质。高压水由高压柱塞泵产生并持续供给压力，流经压力管道，到达绞刀头处的高压喷嘴进水口，最终从高压喷嘴喷出，喷出的高压水作用到绞刀齿、绞刀臂、绞刀头上。高压水在高压柱塞泵内形成，并保证高压水在高压喷嘴处形成额定压力和喷射速度的高压射流。高压水由高压喷嘴喷出，喷嘴内部形成压力不小于5MPa的压力，并以不小于100m/s出口速度喷射，高压水的喷射方向指向绞刀齿，并偏向齿根处，对绞刀头进行清理，起到切割和清除绞刀头上附着粘性土的作用。

所述高压水是切割附着在绞刀刀具、绞刀头、刀架与绞刀臂之间的切割介质，随着高压水对附着物的切割作用，在高压水动能、绞刀头带动的泥水混合物和绞吸挖泥船水下泵吸力的联合作用下，附着粘土被跟随剥离。

在上述过程中，从高压水产生和作用的路径而言，所涉及的有高压柱塞泵、压力管道、高压喷嘴、绞刀齿、绞刀臂、绞刀头。

所述高压柱塞泵布置在绞吸挖泥船的桥架上，由电机进行驱动，电机与高压柱塞泵之间通过联轴器进行连接，使用联轴器消除桥架在装配过程中引入的装配误差。

所述电机的启动、停止、转速、输出功率由控制柜进行控制，通过控制柜可以控制电机转速与输出功率，从而实现高压喷射所需要的压力与流速。

所述压力管道是输送高压水到指定位置的路径，为保证高压喷射系统停止工作时高压系统安全可靠，在高压管路中布置单向阀以保证高压喷射系统，在绞刀头正常工作时，不受外部含沙、含杂质等水体侵蚀。

所述高压喷嘴是高压水喷射的出口，高压喷嘴的布置应当使高压水在压力和流速损失较小的情况下作用到绞刀头粘性土附着的位置，根据绞刀头转动的特性，高压喷嘴布置在在绞刀切削土层后旋转离开土层的绞刀切出点后的旋转方向上，并满足本发明所设定的角度和距离。在水平面的投影上，压力管路喷射段侧向投影的轴线方向与绞刀轴线方向近似呈45°夹角，沿轴线方向投影，压力管路喷射段轴向投影的轴线方向与铰刀头的轴向水平中心线近似呈15°夹角。在此基础上高压喷嘴到运动绞刀头喷射处最大距离不超过20倍喷嘴直径。

所述绞刀头在挖掘土层过程中始终处于旋转状态，即绕绞刀头的中心轴做逆时针旋转。从绞刀头最低点开始，沿其旋转方向，绞刀头与待切削土层交界点为绞刀切削土层的切出点，在绞刀切出点以后仍然附着在绞刀等结构上的粘土是需要采用由高压喷嘴喷出的高压水进行切割和清除的粘土。

速度数据由速度计进行采集，压力数据由压力计进行采集，速度计和压力计布置在离喷嘴不远处的压力管道上。高压水流的压力与速度由总线传递到控制柜中，并进行数据可视化，为保证粘性土清除所需要的压力和喷射速度，控制柜根据检测的速度与压力数据对高压水进行控制调节。

综上，整个系统可以实现额定压力和喷射速度的高压喷水，并由压力管道将高压水输送到绞刀头处的高压喷嘴处，高压水从高压喷嘴出喷出后完成清除粘性土的工作。

本发明中，克服的技术难点主要有以下几方面：(一)在水下施工的具有复杂结构的铰刀头系统上如何布置和安装高压射流装置；(二)在缺乏足够的高压射流破坏粘土的相关研究下，结合实际有限空间和恶劣的水下施工环境，如何选择出能保证清淤效果的合理的射流压力、喷嘴直径、射流靶距和射流角度等参数。

在本领域本发明无接近现有技术，本发明的贡献和有益效果在于：采用工作压力在5MPa以上的高压水冲击并自动清除粘土，解决绞刀、绞刀头、刀架与绞刀臂之间淤积粘土的问题；提高了绞吸挖泥船的施工效率，降低了施工人员工作强度，提高了作业安全性和绞吸挖泥船的作业经济性。

附图说明

图1为固定射流流畅特性数值模拟结果；

图2为移动射流流畅特性数值模拟结果；

图3为入土深度与入射角度关系图；

图4为入土深度与喷嘴移动速度关系图；

图5为入土深度与靶距关系图；

图6为入土深度与射流压力关系图；

图7为利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统的组成示意图。

图8为利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统的结构布置侧向示意图。

图9为利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统的结构布置轴向示意图。

数字标记：

控制柜1，总线2，桥架3，电机4，联轴器5，高压柱塞泵6，单向阀7，压力管道8，高压喷嘴9，高压水10，速度计11，压力计12，监视器13，绞刀头14，绞刀驱动轴15，绞刀齿16，绞刀臂17，待切削土层18；

绞刀头切削转动方向901，

压力管路喷射段侧向投影的轴线方向902，

绞刀轴线方向903，

压力管路喷射段轴向投影的轴线方向904，

铰刀头的轴向水平中心线905。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统及方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1至图3所示，本发明提供一种利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的系统，包括控制柜1，总线2，电机4，联轴器5，高压柱塞泵6，单向阀7，压力管道8，高压喷嘴9，速度计11，压力计12，监视器13。

其中，控制柜1是高压水射流系统独立控制系统，控制柜1通过总线2对驱动电机4进行控制，通过调节电机4达到预期高压水的工作压力与喷射速度。

其中，桥架3是高压水系统电机4与高压柱塞泵6的装配机架，该桥架3是绞吸挖泥船自有结构，因其精度较低，结构安装时必然引起装配误差。

其中，电机4是驱动高压柱塞泵6的动力源，需要满足系统功率需求，转速可调节，在电机转速功率曲线范围内，电机4均需满足输出功率要求。

其中，联轴器5是为实现补偿上述桥架3在装配过程中引入的装配误差。

其中，高压柱塞泵6是本系统的压力与喷射速度的提供端，因此在输入功率和工作压力选型上应当满足系统工作需求。

其中，单向阀7布置在高压管路上，用于防止高压喷射系统停止工作而绞刀挖掘系统仍然进行挖掘工作的情况下发生含沙、含杂水侵蚀高压系统。

其中，压力管道8主要起到将高压柱塞泵6所提供压力输送到绞刀头14上的喷嘴9的位置，压力管道8能承担高压额定工作压力两倍的工作压力。

其中，高压喷嘴9是喷射水流出口，因其起到切出附着粘性土和清除粘性土的作用，高压喷嘴9布置位置清除作用的主要关键因素:在布置距离上，高压喷嘴9到目标冲击靶的距离小于20倍的喷嘴出口直径；在布置位置上，高压喷嘴9布置在绞刀头14切削切出点，在侧视图投影方向上，压力管路喷射段侧向投影的轴线方向902与绞刀轴线方向903成45度角度，在轴向视图方向上，压力管路喷射段轴向投影的轴线方向904与铰刀头的轴向水平中心线905呈近似15°夹角约成15度角度。

其中，压力计11与速度计12是反馈部件，高压水喷射清除粘性土系统需要满足上述所固定的压力和喷射速度才能对粘性土起到切割和清除作用，因此需要对高压水在高压喷嘴9处的压力和速度进行反馈。

其中，监视器13是压力和速度的可视化部件，用于高压水喷射清除绞刀附着粘性土控制作业。

进一步，绞刀头14是挖掘作业中切割土层并与土层形成接触的部件，在挖掘过程中结构体的绞刀、绞刀臂及绞刀头机架上出现粘性土附着的现象，是高压水清理的目标，绞刀驱动轴15是驱动绞刀头14工作的动力输入源，绞刀齿16是挖掘过程中挖掘部件，绞刀臂17是绞刀齿安装的结构，其内侧在施工过程中有粘土附着，待切削土层18是绞吸挖泥船的绞刀头挖掘的施工对象。

在本发明中，高压水压力由布置于桥架3上的高压柱塞泵6提供，高压喷嘴9处管路压力不低于5MPa，根据研究结论和实验结果表明，压力在5MPa及以上的高压水对粘性土的清除效果理想，高压水是切割附着在绞刀刀具、绞刀头、刀架与绞刀臂之间的切割介质，随着高压水对附着物的切割作用，在高压水动能的作用下，附着粘土被跟随剥离，起到清除作用。

从高压水产生和作用的路径而言，高压水清除附着粘性土的清除过程涉及的有高压柱塞泵6、压力管道8、高压喷嘴9、绞刀齿16、绞刀臂17、绞刀头14。高压水10由高压柱塞泵6产生并持续供给压力，流经压力管道8，最终从高压喷嘴9喷出，喷出的高压水10作用到绞刀齿16、绞刀臂17、绞刀头14上。

高压柱塞泵6布置在绞吸挖泥船的桥架3上，压力管道8由高压柱塞泵6引出后经桥架3向绞刀头14方向延伸布置，并连接到绞刀头14处的高压喷嘴9的进水口处。高压柱塞泵6由电机4进行驱动，电机4与柱塞泵之间通过联轴器5进行连接，使用联轴器消除桥架3结构在装配过程中引入的装配误差。电机4由控制柜1进行控制，通过控制柜1可以控制电机4转速与输出功率，从而实现高压喷射所需要的压力与流速。

绞刀头14在待切削土层18过程中始终沿绞刀头切削转动方向901旋转，即绕铰刀头轴线方向903旋转，从绞刀最低点开始，沿旋转方向，绞刀头14与待切削土层18交界点为绞刀切削土层的切出点，在绞刀切出点以后仍然附着在绞刀等结构上的粘土是需要采用由喷嘴喷出的高压水进行切割和清除的粘土。

高压喷嘴9的布置是以切割和清除耙齿附着粘土为目的，高压喷嘴9布置在绞刀切削土层后旋转离开土层的绞刀切出点后的旋转方向上，在水平面的投影上，如图2所示，喷射段投影线902与绞刀轴线903方向近似呈45°夹角，沿轴线方向投影，如图3所示，喷射段投影线904与水平中心线905近似呈15°夹角。在此基础上高压喷嘴9到运动绞刀头14喷射处最大距离不超过20倍喷嘴直径(即高压喷嘴布置的位置与绞刀头外轮廓线的距离不应该超过20倍喷嘴直径)。

高压水10由高压喷嘴9喷出，高压喷嘴9内部形成压力不小于5MPa的压力，并以不小于100m/s出口速度喷射，高压水10的喷射方向指向绞刀齿16，并偏向齿根处，对绞刀头14进行清理。

压力管道8是输送高压水到指定位置的路径，为保证高压喷射系统停止工作时高压系统安全可靠，在压力管道8中布置单向阀7以保证高压喷射系统，在绞刀头14正常工作时，不受外部含沙、含杂质等水体侵蚀。

速度数据由速度计11进行采集，压力数据由压力计12进行采集，高压水流的压力与速度由总线2传递到控制柜1中，并进行数据可视化，控制柜根据检测的速度与压力数据进行控制。

本发明还提供一种利用高压射流自动清理绞吸挖泥船绞刀头的方法，包括如下实施步骤：

启动模式：绞吸挖泥船作业任务下达后，随着绞刀头14启动运转，通过控制柜1发出低速启动信号，启动信号通过总线2传给装配在桥架3上的电机4，电机4启动运行并驱动联轴器5带动高压柱塞泵6运转，高压柱塞泵6形成低压力和流速水流，此时可以从监视器13中读取压力水流的流动情况，从绞刀头14处可以观察喷嘴9处水流情况，喷射情况稳定后，通过控制柜1控制电机4增加高压喷嘴9处的压力和流速，并从监视器13中进行读取。

工作模式：通过控制柜1发出工作指令信号，信号通过总线2传给装配在桥架3上的电机4，电机4启动运行并通过驱动联轴器5带动高压柱塞泵6运转，高压柱塞泵6形成额定工作压力和额定工作流速的水流，水流经压力管道8，从高压喷嘴9的出水口处喷射并清理绞刀、绞刀头14、刀架与绞刀臂17之间残留的具有附着力的粘性土，工作压力与工作流速不低于本发明确定的条件要求，此时可以从监视器13中读取压力水流的流动情况，如不满足工作要求可通过控制柜1控制电机4提高高压水喷射清除粘性土系统的工作压力和喷射流速，如电机4过载运行无法达到规定的高压水系统的额定压力和额定流速时可停工检修，系统运行正常及稳定运行后，开始绞吸挖泥船正常挖掘施工作业，作业过程中可以从监视器13对高压水喷射情况进行持续监测。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (2)

1.一种利用高压水射流自动清除绞吸挖泥船绞刀头的系统，其特征在于：包括控制柜（1），总线（2），电机（4），联轴器（5），高压柱塞泵（6），单向阀（7），压力管道（8），高压喷嘴（9），速度计（11），压力计（12），监视器（13）；

其中，电机（4）和高压柱塞泵（6）装配在绞吸挖泥船的桥架（3）上，高压喷嘴（9）布置在绞吸挖泥船的绞刀头（14）处，压力管道（8）由高压柱塞泵（6）引出后经桥架（3）向绞吸挖泥船的绞刀头（14）方向延伸并连接至高压喷嘴（9）的进水口处，同时压力管道（8）中设置有单向阀（7）；控制柜（1）与电机（4）之间通过总线（2）连接，电机（4）与高压柱塞泵（6）之间通过联轴器（5）进行连接，联轴器（5）用以消除桥架（3）在装配过程中引入的装配误差；

控制柜（1）控制电机（4）驱动联轴器（5）带动高压柱塞泵（6）运转，高压柱塞泵（6）在压力管道（8）中提供持续的高压水（10），高压水（10）经压力管道（8）从高压喷嘴（9）出水口处喷射并作用到绞吸挖泥船的绞刀齿（16）、绞刀臂（17）和绞刀头（14）上；

速度计（11）和压力计（12）布置在靠近高压喷嘴（9）的压力管道（8）上，同时速度计（11）和压力计（12）还分别与监视器（13）连接，监视器（13）又与控制柜（1）连接；

所述绞刀头（14）在挖掘土层（18）过程中始终绕绞刀头的中心轴做逆时针旋转；从绞刀最低点开始，沿其旋转方向，绞刀头（14）与土层（18）交界点为绞刀切削土层的切出点，高压喷嘴（9）布置在绞刀切削土层后旋转离开土层的绞刀切出点后的旋转方向上；

在水平面的投影上，压力管路喷射段侧向投影的轴线方向（902）与绞刀轴线（903）呈近似45°夹角，沿轴线方向投影，压力管路喷射段轴向投影的轴线方向（904）与铰刀头的轴向水平中心线（905）呈近似15°夹角；

同时高压喷嘴（9）到运动绞刀头（14）喷射处最大距离不超过20倍喷嘴直径；且高压喷嘴（9）开口朝向绞刀头（14）最深处。

2.根据权利要求1所述的利用高压水射流自动清除绞吸挖泥船绞刀头的系统，其特征在于：高压柱塞泵（6）形成5MPa以上的高压水（10），高压水（10）在高压喷嘴（9）出口处以不低于100m/s的速度喷射。