CN109944287B - 码头下方疏浚作业系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于疏浚工程技术领域或海洋工程技术领域，提供一种码头下方疏浚作业系统，包括船体本体、尾接箱、行车平台系统、绞车起重系统、横扫系统、疏浚设备系统、船体平衡系统和船体定位系统。可无限扩展的平台架构设计模式使疏浚作业平台能够广泛适用于各种类型码头的施工；集成化的疏浚设备系统满足小平台大挖深及多种类型土质的疏浚要求；可摆转机械臂结构对疏浚作业平台进行安全定位；行车平台系统与横扫系统相互配合，实现码头下方全方位疏浚作业；船体平衡系统可用于平衡施工过程中平台的重心变化，确保施工安全；通过模块化、集成化和全自动化的设计方法解决了码头下方有限空间作业施工难的问题，提高了清淤作业的安全性和经济性。

Description

码头下方疏浚作业系统

技术领域

本发明属于疏浚工程技术领域或海洋工程技术领域，尤其涉及到一种码头下方疏浚作业系统。

背景技术

随着国际贸易的高速发展，码头的建设及应用受到了前所未有的关注。其中，高桩码头作为现代码头形式中一种比较重要的结构形式，在河流下游、河口和海岸等地区有着十分广泛的应用。

高桩码头属透空结构，主要由上部结构和桩基两部分组成。高桩码头的桩基是阻水建筑物，在桩基施工过程中和码头建成之后，由于桩基对近岸区动力条件的影响，工程区一定范围内的海床发生冲刷和淤积。通过对大量高桩码头的监测结果表明，由于高桩码头桩基群区的阻尼作用，导致码头下方桩基内的局部流速减小，大大降低了水流的挟沙能力，造成建成后的码头下方均发生了严重的泥沙淤积，对高桩桩基产生了巨大的危害，有可能造成桩体断裂、码头承载力减弱、岸坡滑坡或塌方等现象，特别是近20年来，码头下方泥沙的淤积问题相当严重，所需清理的淤积泥沙量极大。为避免淤积后泥沙压力对码头桩基的影响，实施码头下方淤积泥沙的清理和维护变得十分的重要且迫切。

虽然对于码头前沿淤积的泥沙，采用传统的疏浚平台与设备进行清淤便能产生很好的效果。然而，由于高桩式码头下方的桩基结构比较复杂，对桩基群的保护性要求相对较高，这使得码头下方的清淤工作环境较为恶劣，采用传统的疏浚平台及设备进行施工十分困难，且相关清淤疏浚设备普遍存在技术落后、能耗高、工效低、泥浆浓度低、功能单一、对水深和土质的适应性差等缺陷。同时，传统的疏浚设备需要相关人员在码头下方进行现场操作施工，存在着较大的安全隐患。因此，研究开发出一套适合于码头下方清淤的高效节能安全的新型疏浚平台及设备来应对码头下方极大的清淤市场具有十分重要的经济价值和现实意义。

虽然，国内外研究机构均对相关疏浚平台及设备均有所研究，但研究产品无外乎小型绞吸船或带高压冲水的泵吸泥疏浚船。对于小型绞吸船或带高压冲水的泵吸泥疏浚船，船体的牵引与定位均采用定位桩或通过人工拉钢丝绳缠绕至高桩桩基上的方式，且每完成一个周期的施工，船体向前移动需要重新定位，从而导致疏浚施工效率较低，且由于码头下方的施工空间有限(通常水面至码头的有效空间高度2m左右)，船行波及水位变化的频率较大，因此，船体的牵引与定位及疏浚施工的作业难度较大，操作人员的人身安全保障性较低。同时，这些疏浚设备的技术相对较为落后、工效低、能耗高、泥浆浓度低、挖掘深度浅、对土质的适应性较差，且自动化程度不高，需要相关操作人员在码头下方狭小的空间进行实时操作，这对于在空间有限、环境恶劣的码头下方进行施工的操作人员来说极易产生较大的人身安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种码头下方疏浚作业系统，从码头下方特殊的环境出发，采用了行车平台系统与横扫系统相结合的施工方式来保障可在码头下方有限空间内高效地完成全方位的疏浚任务，并基于此施工方式进行平台各模块的设计。采用模块化与集成化的设计模式，可以满足不同码头疏浚作业的环境要求，同时，可无限扩展的平台架构设计能够尽最大限度地减少无效作业时间，提高疏浚效率，降低施工安全隐患。该码头下方疏浚作业系统适用于码头下方淤积泥沙的清理，可以解决码头下方狭小空间的清淤过程中所存在的技术问题，并通过全自动化的设计模式在保证人身及设备系统安全的条件下高效地完成码头下方淤积泥沙的清理工作。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种码头下方疏浚作业系统，包括船体本体、尾接箱、行车平台系统、绞车起重系统、横扫系统、疏浚设备系统、船体平衡系统和船体定位系统。

船体本体采用简约化的开口式方体船型结构设计，在满足码头下方狭小空间作业及大挖深疏浚要求的同时，满足承载整个疏浚系统及设备重量的设计要求，船体的上方和下方分别设计有第一行车轨道和第二行车轨道，分别用于承载行车平台系统和船体平衡系统的运动，船头位置设置有压载水箱，通过压载水泵对压载水箱内的压载水进行抽吸；

尾接箱采用浮箱式结构设计，可通过在船体本体尾部安装任意数量的尾接箱用于满足不同码头疏浚的尺寸要求，尾接箱的上方和下方分别安装有第一行车轨道和第二行车轨道，可与船体本体的第一行车轨道和第二行车轨道相衔接，尾接箱的设计尺寸符合陆上和海上的运输要求，安装及拆卸较为方便省时，有助于减少无效作业时间；

行车平台系统通过台车滑轮系统安装于第一行车轨道上；行车平台系统上安装有绞车起重系统和横扫系统，行车平台系统承载着整个疏浚系统及设备，并通过其运动来满足疏浚过程中所需要的前后位置变化要求；

疏浚设备系统采用集成化的结构设计，将泥泵和绞刀系统集成为一体，并采用前后紧密衔接的布置方式，在不相互影响的前提下减小了疏浚设备的整体尺寸，提高了疏浚效率，降低了疏浚能耗。疏浚设备系统采用悬臂式疏浚施工或悬垂式疏浚施工。

绞车起重系统包括起重电机、钢丝绳索和绞车；对于悬臂式的疏浚设备系统，其直接采用法兰盘与输泥管道连接，且输泥管道上设置有固定套环，绞车通过钢丝绳索与固定套环连接，起重电机采用卡带与绞车连接，控制着疏浚过程中悬臂式的疏浚设备系统的下放和回收；对于悬垂式的疏浚设备系统，其末端直接通过钢丝绳索与绞车连接，起重电机采用卡带与绞车连接，控制着悬垂式的疏浚设备系统的下放和回收。

对于悬臂式的疏浚设备系统，横扫系统为旋转系统，其包括旋转齿轮系和齿轮系驱动电机；悬臂式的疏浚设备系统直接采用法兰盘与输泥管道连接，且输泥管道上设置有圆筒支架，旋转齿轮系通过圆筒支架与输泥管道连接，齿轮系驱动电机与旋转齿轮系连接，控制悬臂式的疏浚设备系统及其输泥管道在疏浚过程中进行左右横扫施工，增大疏浚作业平台的清淤范围，解决码头下方桩基附近清淤难的问题。

对于悬垂式的疏浚设备系统，横扫系统可以包括滑轮系统、横梁和钢支架；横梁通过钢支架与行车平台系统连接；滑轮系统内嵌于横梁中，并与悬垂式的疏浚设备系统的末端连接，控制着疏浚设备系统进行左右横扫疏浚施工。

船体平衡系统由配重块体、配重滑轮系统和配重驱动电机等设备组成，配重块体通过配重滑轮系统悬挂于第二行车轨道上，配重驱动电机通过控制配重滑轮系统来驱动船体平衡系统的运动，从而用于调节疏浚过程中船体的平衡性，保证疏浚作业平台的安全；

船体定位系统采用全自动化机械臂和机械式抓手结构将船体定位于码头下方的高桩上。船体定位系统可实现在船行波及水位变化情况下疏浚作业平台的安全疏浚施工，同时满足对码头高桩桩基的保护性要求。

与现有技术相比，本发明的创新与优点在于：

(1)采用行车平台系统和横扫系统相结合的施工方式，减少了施工过程中平台需要时常定位所花费的无效作业时间，很大程度上提高了疏浚作业平台的施工效率。

(2)采用全自动化机械臂和机械抓手的结构形式实现疏浚作业平台的自动牵引与定位，保障码头下方船行波及水位变化情况下的施工安全。

(3)可无限扩展的平台构架与设计模式能够任意改变平台长度方向上的尺寸来满足不同码头疏浚的施工要求。

(4)集成化的挖掘与输送系统，减小了疏浚系统的整体尺寸，提高了疏浚效率，降低了疏浚能耗，且采用悬垂式和悬臂式两种方式进行施工，能够满足对不同码头区域、不同泥质及不同挖掘深度的疏浚作业要求，适用性广。

(5)整个平台采用全自动化控制疏浚施工，施工作业期间码头下方无人员参与，提高了疏浚施工作业的安全性和易操作性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的码头下方疏浚作业平台及系统的整体示意图。

图2为本发明实施例提供的行车平台绞车起重系统及旋转系统示意图。

图3为本发明实施例提供的船体平衡系统示意图。

图4为本发明实施例提供的船体定位系统示意图。

附图标记说明

船体本体1、尾接箱2、行车平台系统3、疏浚设备系统4、绞车起重系统5、旋转系统6、船体平衡系统7、船体定位系统8、第一行车轨道9、第二行车轨道10、压载水箱11、压载水泵12、台车滑轮系统13、输泥管道14、泥泵系统15、绞刀系统16、横梁17、固定套环18、滑轮系统19、钢支架20、圆筒支架21、起重电机22、钢丝绳索23、绞车24、旋转齿轮系25、齿轮系驱动电机26、配重滑轮系统27、配重驱动电机28、配重块体29、机械臂30、机械抓手31、驱动电机32。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图对本发明作如下详细说明：

请参阅图1至图4，一种码头下方疏浚作业系统，包括船体本体1、尾接箱2、行车平台系统3、疏浚设备系统4、绞车起重系统5、横扫系统、船体平衡系统7、船体定位系统8。

其中：

船体本体1采用简约化的开口式方体船型结构设计，在满足码头下方狭小空间作业及大挖深疏浚要求的同时，满足承载整个疏浚设备重量的设计要求，船体本体1的上方安装有第一行车轨道9，用于疏浚过程中承载行车平台系统3的前后运动，船体本体1的下方安装有第二行车轨道10，用于承载船体平衡系统7的前后运动，船体本体1的船头位置设置有压载水箱11、压载水泵12，压载水箱11与压载水泵12连接，通过压载水泵12对压载水箱11内的压载水进行抽吸。

尾接箱2采用浮箱式结构设计，并可在码头下方疏浚作业平台上无限延长，可以采用任意数量的尾接箱2安装在船体本体1的尾部，用于满足不同码头疏浚的尺寸要求。尾接箱2的上方安装有第一行车轨道9，下方安装有第二行车轨道10，两行车轨道分别与船体本体1上的第一行车轨道9、第二行车轨道10直接相衔接，尾接箱2的设计尺寸符合陆上和水上运输的要求，且安装与拆卸较为方便省时，有助于减少无效作业时间。

目前现有码头的疏浚船舶通常采用小型的开口式船型设计，而本发明采用外延式的结构设计思路，即采用开口式船体本体，并在船体本体1尾部刚性连接任意数量的浮箱式结构尾接箱2来满足码头的疏浚尺寸要求。

行车平台系统3通过台车滑轮系统13安装于第一行车轨道9上，并通过台车滑轮系统13在第一行车轨道9上移动；行车平台系统3上安装有绞车起重系统5和横扫系统，行车平台系统3承载着整个疏浚系统及设备，并通过自身在第一行车轨道9上的移动来满足疏浚过程中所需要的前后位置变化要求。

疏浚设备系统4采用集成化的结构设计，将泥泵系统15和绞刀系统16集成为一体，并采用绞刀系统16、泥泵系统15前后紧密衔接的布置方式，在不相互影响的前提下减小了疏浚设备的整体尺寸，提高了疏浚效率，降低了疏浚能耗。疏浚设备系统4可以采用悬臂式疏浚施工和悬垂式疏浚施工。

在本发明中，疏浚设备系统4可以采用达门DOP系列产品，达门DOP疏浚设备采用了集成化的设计思路，将泥泵系统和绞刀系统集成为一体，这样可以减小疏浚设备系统的整体尺寸，同时提高了疏浚效率。

绞车起重系统5包括起重电机22、钢丝绳索23和绞车24；对于悬臂式的疏浚设备系统4，其直接采用法兰盘与输泥管道14连接，且输泥管道14上设置有固定套环18，绞车24通过钢丝绳索23与固定套环18连接，起重电机22采用卡带与绞车24连接，控制着疏浚过程中悬臂式的疏浚设备系统4的下放和回收；对于悬垂式的疏浚设备系统4，其末端直接通过钢丝绳索23与绞车24连接，起重电机22采用卡带与绞车24连接，控制着悬垂式的疏浚设备系统4的下放和回收。

对于悬臂式的疏浚设备系统4，横扫系统为旋转系统6，包括旋转齿轮系25和齿轮系驱动电机26；悬臂式的疏浚设备系统4直接采用法兰盘与输泥管道14连接，且输泥管道14上设置有圆筒支架21，旋转齿轮系25通过圆筒支架21与输泥管道14连接，齿轮系驱动电机26与旋转齿轮系25连接，控制悬臂式的疏浚设备系统4及其输泥管道14在疏浚过程中进行左右横扫施工。

对于悬垂式的疏浚设备系统4，横扫系统包括滑轮系统19、横梁17和钢支架20；横梁17通过钢支架20与行车平台系统3连接；滑轮系统19内嵌于横梁17中，并与悬垂式的疏浚设备系统4的末端连接，控制着疏浚设备系统4进行左右横扫疏浚施工。

船体平衡系统7包括配重滑轮系统27、配重驱动电机28和配重块体29，配重块体29通过配重滑轮系统27悬挂于第二行车轨道10上，通过配重驱动电机28控制配重滑轮系统27来驱动船体平衡系统7的运动，从而用于调节疏浚过程中船体的平衡性。

船体定位系统8采用全自动化的机械臂30和机械抓手31的结构形式，驱动电机32为机械臂30和机械抓手31提供动力，船体定位系统8可实现在船行波及水位变化情况下疏浚作业平台的安全疏浚施工，同时满足对码头高桩桩基的保护性要求。

目前，现有码头下方疏浚船舶的定位通常采用定位桩或通过人工缠绕钢丝绳至桩基上的方式，且定位桩通常应用于绞吸船上，在施工过程中，绞吸船每完成一个周期的挖掘任务之后，通过定位桩来牵引绞吸船前行，并完成船体的定位来实现下一个周期的挖掘任务，定位桩的工作需要相对较大的空间。然而高桩码头下方的空间有限，采用定位桩进行疏浚船舶定位时的操作难度较大，而通过人工缠绕钢丝绳至桩基上的方式需要人员在码头下方桩基之间进行操作，操作人员的人身安全保障性能较低。因此，本发明自主设计了多级机械臂和机械抓手的结构形式，机械臂内置复杂的缓冲系统，机械臂和机械抓手通过驱动电机自动控制，该船体定位系统可保障在船行波或水面变化情况下疏浚作业平台的安全稳定施工。

综上，本发明具有以下特点：

(1)平台模块化设计、制造、装配、运输和组装；

(2)配备悬臂式疏浚施工和悬垂式疏浚施工双功能；

(3)船体配备动态平衡补偿功能；

(4)可实现高桩码头下方全自动化无人疏浚作业(操作人员进行远程操作)；

(5)实现挖掘切削系统的连续作业。

进一步，本发明提供的码头下方疏浚作业系统的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，码头下方疏浚作业平台及系统的船体本体1进驻施工区域，船体定位系统8开始运行，刚性机械臂30和机械抓手31伸出并抓握于适合位置的码头高桩上；

步骤2，根据码头的宽度在船体本体1尾部安装足够数量的尾接箱2，并调试系统设备；

步骤3，根据码头的结构特点、疏浚土质及挖深要求选择疏浚施工方式，当疏浚土质为较坚硬土质或疏浚深度小于12m时，采用悬臂式疏浚施工方式进行作业，行车平台系统3上的绞车起重系统5下放疏浚设备系统4，并调整疏浚设备系统4的初始位置，在疏浚施工作业过程中，横扫系统控制着疏浚设备系统进行左右横扫施工作业，横扫系统的旋转角度为左右各10°，为保障沉桩的安全性，作业时桩基两侧各预留0.5m的安全距离；当疏浚土质为较疏松土质或疏浚深度大于12m时，采用悬垂式疏浚施工方式进行作业，行车平台系统3上的绞车起重系统5下放疏浚设备系统4，调整疏浚设备系统4的初始位置，在疏浚施工作业工程中，滑轮系统19在横梁17上左右移动，控制着疏浚设备系统4进行左右横扫疏浚施工；

步骤4，待疏浚设备系统4完成一个周期的横扫施工后，行车平台系统3向前运动0.1m，同时船体平衡系统7向行车平台系统3运动方向的相反方向运动0.1m，然后疏浚设备系统4继续进行清淤工作，如此反复完成施工作业。

目前，码头下方施工的疏浚船通常都采用定位桩或通过钢丝绳缠绕桩基进行定位，在施工过程中，船体以定位桩或钢丝绳缠绕点为原点进行左右横扫施工，施工效率较低，且操作人员在码头下方的人身安全及对桩基的保护性要求得不到保障。

而本发明设计了横扫系统，采用旋转齿轮系内接圆筒支架，并与输泥管道刚性连接，控制输泥管道和疏浚设备系统左右横扫疏浚施工。同时，设计了船体定位系统，采用全自动化机械臂和机械抓手结构对疏浚作业平台进行定位，该船体定位系统具有较为复杂的结构特性，能够应用于存在船行波及水位变化的施工环境中。而且，本发明整个疏浚作业系统采用行车平台系统和横扫系统相结合的施工方式，船体本体及所接尾接箱在施工过程中保持不动，行车平台系统和横扫系统发生移动，且为了匹配船体的重心变化，保持船体的稳性，还设计了船体平衡系统。

需要说明的是，以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，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，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备不作详细讨论，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。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种码头下方疏浚作业系统，其特征在于：包括船体本体（1）、尾接箱（2）、行车平台系统（3）、疏浚设备系统（4）、绞车起重系统（5）、横扫系统、船体平衡系统（7）和船体定位系统（8）；

所述船体本体（1）采用简约化的开口式方体船型结构设计，其上设置有船体定位系统（8）用于将船体定位于码头下方的高桩上，其船尾位置设置有若干依次并排尾接箱（2）用于满足不同码头疏浚的尺寸要求，其上方安装有第一行车轨道（9），其下方安装有第二行车轨道（10）；所述尾接箱（2）采用浮箱式结构设计，其上方安装有第一行车轨道（9），其下方安装有第二行车轨道（10），两行车轨道分别与船体本体（1）上的第一行车轨道（9）、第二行车轨道（10）直接相衔接；所述船体平衡系统（7）可移动地安装于第二行车轨道（10）上，用于调节疏浚过程中船体的平衡性；所述行车平台系统（3）通过台车滑轮系统（13）可移动地安装于第一行车轨道（9）上；

所述绞车起重系统（5）和横扫系统均安装在行车平台系统（3）上；所述疏浚设备系统（4）分别与绞车起重系统（5）和横扫系统连接，通过绞车起重系统（5）控制疏浚设备系统（4）的下方和回收，通过横扫系统控制疏浚设备系统（4）在疏浚过程中左右横扫；

所述疏浚设备系统（4）采用集成化的结构设计，将泥泵系统（15）和绞刀系统（16）集成为一体，并采用绞刀系统（16）、泥泵系统（15）前后紧密衔接的布置方式；

所述疏浚设备系统（4）包括悬臂式的和悬垂式的；

所述横扫系统为旋转系统（6），其包括旋转齿轮系（25）和齿轮系驱动电机（26）；

所述悬臂式的疏浚设备系统（4）直接采用法兰盘与输泥管道（14）连接，且输泥管道（14）上设置有圆筒支架（21），所述旋转齿轮系（25）通过圆筒支架（21）与所述输泥管道（14）连接，所述齿轮系驱动电机（26）与旋转齿轮系（25）连接，控制悬臂式的疏浚设备系统（4）及其输泥管道（14）在疏浚过程中进行左右横扫施工；

所述横扫系统包括滑轮系统（19）、横梁（17）和钢支架（20）；

所述横梁（17）通过钢支架（20）与行车平台系统（3）连接；所述滑轮系统（19）内嵌于横梁（17）中，并与悬垂式的疏浚设备系统（4）的末端连接，控制着疏浚设备系统（4）进行左右横扫疏浚施工；

所述船体平衡系统（7）包括配重滑轮系统（27）、配重驱动电机（28）和配重块体（29）；

所述配重块体（29）通过配重滑轮系统（27）悬挂于第二行车轨道（10）上；所述配重滑轮系统（27）与配重驱动电机（28）连接，通过配重驱动电机（28）控制配重滑轮系统（27）来驱动船体平衡系统（7）的运动，从而用于调节疏浚过程中船体的平衡性；

所述船体定位系统（8）包括机械臂（30）、机械抓手（31）和驱动电机（32）；

所述机械抓手（31）安装在机械臂（30）的前端；所述驱动电机（32）分别与机械臂（30）和机械抓手（31）连接，并驱动机械臂（30）和机械抓手（31）将船体定位于码头下方的高桩上。

2.根据权利要求1所述的码头下方疏浚作业系统，其特征在于：所述船体本体（1）上还设置有压载水箱（11）、压载水泵（12），所述压载水箱（11）与压载水泵（12）连接，通过压载水泵（12）对压载水箱（11）内的压载水进行抽吸。

3.根据权利要求1所述的码头下方疏浚作业系统，其特征在于：所述绞车起重系统（5）包括起重电机（22）、钢丝绳索（23）和绞车（24）；

对于悬臂式的疏浚设备系统（4），其直接采用法兰盘与输泥管道（14）连接，且输泥管道（14）上设置有固定套环（18），所述绞车（24）通过钢丝绳索（23）与所述固定套环（18）连接，所述起重电机（22）采用卡带与绞车（24）连接，控制着疏浚过程中悬臂式的疏浚设备系统（4）的下放和回收；

对于悬垂式的疏浚设备系统（4），其末端直接通过钢丝绳索（23）与绞车（24）连接，所述起重电机（22）采用卡带与绞车（24）连接，控制着悬垂式的疏浚设备系统（4）的下放和回收。