CN111501880B - 一种风光组合河流清淤车船及其控制方法 - Google Patents

一种风光组合河流清淤车船及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了河流清淤技术领域的一种风光组合河流清淤车船及其控制方法，旨在解决现有技术中沉积于河床的泥沙很难被冲起，导致“地上悬河”越来越严重的技术问题。所述车船包括车船平台、方向驱动电机、船行电机、车行电机，所述车船平台上部设有风机，车船平台底部设有搅沙滚轮、方向轮舵、螺旋桨、行进轮；所述风机的动力输出端与搅沙滚轮传动连接，所述方向驱动电机的动力输出端与方向轮舵传动连接，所述船行电机的动力输出端与螺旋桨传动连接，所述车行电机的动力输出端与行进轮传动连接。

Description

一种风光组合河流清淤车船及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风光组合河流清淤车船及其控制方法，属于河流清淤技术领域。
背景技术
黄河因泥沙淤积导致河底逐步升高，最终造成地面悬河。开封河段就这样一条因黄河泥沙淤积形成的中国最高的“地上悬河”。黄河冲出郑州邙山后，进入平原，落差骤然变小，泥沙大量沉积，致使开封段的黄河河床以每年10厘米的速度增高，经常年积累，目前此处河床已高出开封市区地平面7～8米，最高处达10米以上，一旦大堤决口，洪水将沿河床倾泻而下，势必会造成重大生命财产损失。近十多年来，受生态建设工程、气候变化、水利工程、经济社会发展等因素影响，每年减少入黄泥沙达7.6亿多吨。由于入黄泥沙锐减和小浪底水库拦沙运用，黄河下游大部分时间处于“小水小沙”过程中。黄河潼关水文站实测数据显示，2000至2015年，年均入黄泥沙量仅为2.64亿吨，较天然来沙均值15.92亿吨减少83.6％。同期黄河径流量较天然时期年均值减少46％，黄河含沙量也大幅下降71％，目前为10.8公斤/立方米。但同时我们也应清醒认识到，虽然黄河含沙量下降明显，可历史上沉积于河床的泥沙无法被水流冲起进入水体带到大海，因此悬河现象也不会自行消失，“地上悬河”决堤风险一直存在。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风光组合河流清淤车船及其控制方法，以解决现有技术中沉积于河床的泥沙很难被冲起，导致“地上悬河”的问题越来越严重的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种风光组合河流清淤车船，包括车船平台、方向驱动电机、船行电机、车行电机，所述车船平台上部设有风机，车船平台底部设有搅沙滚轮、方向轮舵、螺旋桨、行进轮；
所述风机的动力输出端与搅沙滚轮传动连接，所述方向驱动电机的动力输出端与方向轮舵传动连接，所述船行电机的动力输出端与螺旋桨传动连接，所述车行电机的动力输出端与行进轮传动连接。
进一步地，所述风机的转轴连接有与其同轴向的伞形主动齿轮，所述伞形主动齿轮啮合连接有伞形被动齿轮，所述伞形被动齿轮连接有与其同轴向的传动轴，所述传动轴通过风动链条与搅沙滚轮传动连接。
进一步地，还包括无人操控箱；所述风机连接有用于获取其转速的计数器；所述搅沙滚轮通过连轴杆与传动轴连接，连轴杆中段与车船平台底部之间还连接有液压杆；
所述无人操控箱分别与计数器、液压杆电性连接。
进一步地，还包括蓄电池、清淤电机和设于车船顶部且与蓄电池电性连接的太阳能板，所述清淤电机的动力输出端通过电动链条与传动轴传动连接；
所述无人操控箱还分别与蓄电池、清淤电机电性连接。
进一步地，还包括GPS天线；
所述无人操控箱还分别与GPS天线、方向驱动电机电性连接。
进一步地，还包括水深计；
所述无人操控箱还分别与水深计、船行电机、车行电机电性连接。
为达到上述目的，本发明还提供了一种风光组合河流清淤车船的控制方法，包括如下步骤：
通过计数器获取风机的转速；
将风机的转速与预设的转速阈值区间进行比对；
如果风机的转速大于转速阈值区间的上限，延长液压杆的伸出长度；
如果风机的转速小于转速阈值区间的下限，缩短液压杆的伸出长度。
进一步地，还包括：
获取蓄电池的电压；
将蓄电池的电压与预设的电压阈值区间进行比对；
如果蓄电池的电压大于电压阈值区间的上限，打开清淤电机；
如果蓄电池的电压小于电压阈值区间的下限，关闭清淤电机。
进一步地，还包括：
通过GPS天线获取车船的当前位置；
将当前位置与预设的河流中泓位置进行比对；
如果当前位置相对于河流中泓位置的偏离量超过预设的偏离阈值，控制方向驱动电机带动方向轮舵偏转，使车船朝向河流中泓位置移动。
进一步地，还包括：
通过水深计获取车船的吃水深度；
将吃水深度与预设的船行吃水深度进行比对；
如果吃水深度不小于船行吃水深度，控制方向驱动电机带动方向轮舵偏转，使车船朝向水深较浅一侧移动。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明车船对清淤车与清淤船的移动方式进行有机结合，将方向轮舵设计为圆形并可绕其转轴转动，当车船吃水深度小时可作为车轮滚动并引导前进方向，如果吃水深度大，先使车船浮起，再以螺旋桨方式驱动车船在水体中移动。在清淤方式上，由风能和太阳能为车船清淤提供能源，从而达到节能减排和长时清淤的目的。本发明方法通过监控风机的转速来调整搅沙滚轮的高度，使清淤力度与能量供应相适应。同时，利用蓄电池储存太阳能板生成的电能，并对蓄电池电压进行监控，当蓄电池电压过高时开启连接蓄电池的清淤电机，为搅沙滚轮提供额外扭矩，同时保护蓄电池不被过充电；当蓄电池电压过低时关闭清淤电机，以保存电量供其它用电器开销。本发明方法还通过监控当前位置、吃水深度来对方向驱动电机进行控制，避免偏离预设行进路线以及吃水过深无法有效清淤。
附图说明
图1是本发明车船实施例的侧视图；
图2是本发明车船实施例的前视图。
图中：1、太阳能板；2、风机；3、旋转磁盘；4、静止磁盘；5、搅沙滚轮；6、连轴杆；7、风动链条；8、行进轮；9、伞形被动齿轮；10、伞形主动齿轮；11、螺旋桨；12、方向轮舵；13、GPS天线；14、GPRS天线；15、方向操纵齿轮；16、方向驱动电机；17、蓄电池；18、船行电机；19、车行电机；20、浮力水箱；21、液压杆；22、清淤电机；23、行进齿轮；24、车船平台；25、传动轴；26、电动链条；27、计数器；28、水深计；29、摄像机；30、无人操控箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
研究发现，沉积于河床的泥沙很难被冲起，特别是微细颗粒的泥沙板结后更难被冲刷。一旦河床上的泥沙被冲起悬浮于水体中，便可以随水流向下输送至很远距离。泥沙起动流速、止动流速和扬动流速与泥沙的粒径之间关系如表1所示：
表1：各种粒径泥沙的特征流速
Figure BDA0002436401030000041
黄河下游悬移质含沙量的中值粒径为0.02～0.04mm，由表1可以看出，对中值粒径小于0.04mm的泥沙，在流速小于0.8m/s时不能从河底起动，如在外力作用下搅动泥沙，使其从河底起动悬浮于水体中，则可一直保持在水体中随水流向下游而不下沉到河床。
基于上述原理分析，本发明具体实施方式提供了一种风光组合河流清淤车船，基本技术思路是：在行进方式上，对清淤车与清淤船的移动方式进行有机结合，如果吃水深度小，通过车轮方式驱动车船沿河床移动；如果吃水深度大，车船浮起，以螺旋桨方式驱动车船在水体中移动。在清淤方式上，由风能和太阳能为车船清淤提供能源，从而达到节能减排和全天候清淤的目的。具体如图1和图2所示，分别是本发明车船实施例的侧视图和前视图。
本发明车船包括车船平台24，车船平台24上部设有太阳能板1、风机2、旋转磁盘3、静止磁盘4、GPS天线13、GPRS天线14、方向操纵齿轮15、方向驱动电机16、蓄电池17、船行电机18、车行电机19、浮力水箱20、清淤电机22、计数器27、摄像机29、无人操控箱30，车船平台24底部设有搅沙滚轮5、连轴杆6、风动链条7、行进轮8、螺旋桨11、方向轮舵12、液压杆21、行进齿轮23、水深计28、伞形被动齿轮9、伞形主动齿轮10、传动轴25、电动链条26。所述风机2应用磁悬浮技术，风机2的风叶在风力作用下旋转，随风叶同时转动的旋转磁盘3的N极朝下，与N极朝上的静止磁盘4相斥，旋转磁盘3与静止磁盘4之间会留有非接触空隙。应用该磁悬浮技术，有利于降低噪音，减少阻力，增加掏挖河底淤泥的效率。
更具体地，所述风机2选用垂直轴风机，风机2与搅沙滚轮5传动连接，结构如下：风机2的转轴连接有与其同轴向的伞形主动齿轮10，该伞形主动齿轮10与水平轴向的伞形被动齿轮9啮合连接，该伞形被动齿轮9连接有与其同轴向的传动轴25，该传动轴25通过风动链条7与搅沙滚轮5传动连接，从而实现由风机2带动搅沙滚轮5转动以进行清淤作业。连轴杆6连接于传动轴25与搅沙滚轮5之间，搅沙滚轮5围绕传动轴25旋转，连轴杆6两端设计有轴承。连轴杆6中段与车船平台24底部之间连接有液压杆21，通过调节液压杆21的伸出长度，可带动连轴杆6发生偏移，从而带动搅沙滚轮5改变高度位置，液压杆21的伸出长度越长，搅沙滚轮5的高度越低，清淤力度越大，所需扭矩越大；液压杆21的伸出长度越短，搅沙滚轮5的高度越高，清淤力度越小，所需扭矩越小。为增大搅沙滚轮5的清淤力度，本实施例中采用太阳能作为辅助能源，结构如下：太阳能板1设于车船顶部，蓄电池17与太阳能板1电性连接，用于存储太阳能板1产生的电能；蓄电池17与清淤电机22电性连接，清淤电机22的动力输出端通过电动链条26与传动轴25传动连接，再通过传动轴25将扭矩传输给搅沙滚轮5，从而额外增加了搅沙滚轮5的清淤力度。
更具体地，所述行进轮8共有两个，对称安装于车船的左右两侧，行进齿轮23设于行进轮8内侧，车行电机19的动力输出端通过齿轮与行进齿轮23传动连接，从而带动行进轮8转动，驱动车船沿河床移动。所述船行电机18的动力输出端通过传动链条带动螺旋桨11转动，从而驱动车船在水体中移动。方向轮舵12顶部连接有方向操纵齿轮15，方向驱动电机16的动力输出端通过齿轮与方向操纵齿轮15传动连接，从而带动方向轮舵12发生偏转以控制车船的行进方向。本实施例中，所述方向轮舵12设计为圆形，其轴心连接有转轴，方向操纵齿轮15与该转轴连接，使得方向轮舵12可绕其转轴转动。当车船吃水深度小时可作为车轮滚动并引导前进方向，当吃水深度大时可作为引导前进方向的船舵，实现了车船轮舵共用，节省了器件，简化了操作。
更具体地，前述计数器27连接于风机2转轴处，用于采集风机2的转速；前述GPS天线13、GPRS天线14、摄像机29均安装于车船平台24的顶部，分别用于定位获取车船的当前位置、与岸上的控制中心站进行数据通信、摄录清淤现场图像信息；前述水深计28用于采集车船的吃水深度。前述无人操控箱30分别与计数器27、GPS天线13、GPRS天线14、摄像机29、水深计28、液压杆21、方向驱动电机16、船行电机18、车行电机19、浮力水箱20、蓄电池17、清淤电机22电性连接。
本实施例中，无人操控箱30为本发明车船的智能控制中心，根据采集到的车船当前位置信息控制方向驱动电机16工作，根据采集到的车船吃水深度信息控制船行电机18或车行电机19工作；根据采集到的风机2的转速信息控制液压杆21改变其伸缩长度进而调整搅沙滚轮5的高度位置；根据采集到的蓄电池17的电压信息控制清淤电机22工作，从而额外增加搅沙滚轮5的清淤力度。无人操控箱30还能够将采集到的各种信息通过GPRS天线14向岸上控制中心站发送，接收由控制中心站下达的控制指令。
本发明具体实施方式还提供了一种风光组合河流清淤车船的控制方法，用于对前述发明车船进行控制。这里，结合具体应用场景对本发明实施例进行详细阐述。
本实施例提供的一种风光组合河流清淤车船，其横向宽度为40米，纵向长度为20米，水下深度为4米，水上高度为6米。采用风能和太阳能作为动力。车船平台24横向宽度上布置3台风机2，风机2高度为5米、宽度为6米，每个风机上4片风叶，风机受力F＝ρSV2(牛)，式中，ρ为空气密度，S为受风面积，V为风速。经常发生的6级风力的平均风速是12m/s，在该风力作用下，单个风机2受力计算值为1.29×5×6×12×12＝5572.8N(牛)，可产生机械转动力矩16700NM(牛·米)，按额定转速6转/分，产生的机械功率为10.5KW(千瓦)，3台风机总功率约为31KW。车船顶部铺设太阳能板(1)，面积为800平方米，每平方米发电70W，发电总量为56KW。每天工作6小时，转化到24小时平均功率为14KW。河流清淤车船上用于清淤的风光组合清洁能源为45KW。
搅沙滚轮5的直径为0.8m，额定转速30转/分，总功率45KW转换成力矩为14318NM，作用在搅沙滚轮5外圆上的挖泥力为3652kgf，考虑到摩擦阻力折算系数0.8，搅沙滚轮5的长度为40m，分布到每米上的挖泥力为73kgf，长期作用在搅沙滚轮5上，这个力量是可观的，可有效挖起河床泥沙。
所有设备均安装在车船平台24上，无人操控箱30为车船上的现地智能控制中心，车船上的所有组件都在其控制之下，采集控制周期为5分钟，具体控制过程如下：
1、无人操控箱30采集车船的当前位置、吃水深度、风机2的转速、蓄电池17的电压、现场图像信息，通过GPRS天线14经GPRS信道发送到控制中心站。
2、比较车船的当前位置与事先输入的河流中泓位置，如果偏移中泓位置超过300m，则通过方向驱动电机16来调整方向轮舵12，引导车船朝向河流中泓移动。本实施例中，前述300m，为本实施例所设定的偏离阈值。
3、比较吃水深度读数与临界吃水深度，如果吃水深度读数－搁浅吃水深度>10cm，打开方向驱动电机16，调整方向轮舵后12关闭，再打开车行电机19驱动车船向较浅一侧移动；如果吃水深度读数－搁浅吃水深度<－10cm，打开方向驱动电机16，调整方向轮舵12后关闭，再打开车行电机19驱动清淤车船向较深一侧移动。前述－10cm～10cm，为本实施例所设定的差值阈值区间。
4、比较吃水深度读数与船行吃水深度，如果吃水深度读数≥船行吃水深度，打开船行电机18驱动螺旋桨11，打开方向驱动电机16，调整方向轮舵12，引导车船朝向较浅一侧移动，直至行进轮8和方向轮舵12抵达河床；如果吃水深度读数＜船行吃水深度，属于正常清淤状态，无需调整。
5、比较风叶转速和设定转速，
如果风叶转速－设定转速＞2转/分，控制液压杆21伸长，将搅沙滚轮5降低，使之与床面深入接触，增大挖泥阻力；
如果风叶转速－设定转速＜－2转/分，控制液压杆21收缩，将搅沙滚轮5升高，使之与床面浅出接触，减小挖泥阻力。前述－2转/分～2转/分，为本实施例所设定的转速阈值区间。
6、如果蓄电池17电压高于12.6V时，打开清淤电机22，给搅沙滚轮5辅助加力，同时保护了蓄电池17不被过充电；如果蓄电池17电压低于12.4V时，关闭清淤电机22，保存蓄电池17电量供其它用电器开销。前述12.4V～12.6V，为本实施例所设定的电压阈值区间，其中12.4V为下限，12.6为上限。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风光组合河流清淤车船，其特征是，包括车船平台(24)、方向驱动电机(16)、船行电机(18)、车行电机(19)，所述车船平台(24)上部设有风机(2)，车船平台(24)底部设有搅沙滚轮(5)、方向轮舵(12)、螺旋桨(11)、行进轮(8)；
所述风机(2)的动力输出端与搅沙滚轮(5)传动连接，所述方向驱动电机(16)的动力输出端与方向轮舵(12)传动连接，所述船行电机(18)的动力输出端与螺旋桨(11)传动连接，所述车行电机(19)的动力输出端与行进轮(8)传动连接；
所述风机(2)的转轴连接有与其同轴向的伞形主动齿轮(10)，所述伞形主动齿轮(10)啮合连接有伞形被动齿轮(9)，所述伞形被动齿轮(9)连接有与其同轴向的传动轴(25)，所述传动轴(25)通过风动链条(7)与搅沙滚轮(5)传动连接；
还包括无人操控箱(30)；所述风机(2)连接有用于获取其转速的计数器(27)；所述搅沙滚轮(5)通过连轴杆(6)与传动轴(25)连接，连轴杆(6)中段与车船平台(24)底部之间还连接有液压杆(21)；
所述无人操控箱(30)分别与计数器(27)、液压杆(21)电性连接；
通过计数器(27)获取风机(2)的转速；
将风机(2)的转速与预设的转速阈值区间进行比对；
如果风机(2)的转速大于转速阈值区间的上限，延长液压杆(21)的伸出长度；
如果风机(2)的转速小于转速阈值区间的下限，缩短液压杆(21)的伸出长度。
2.根据权利要求1所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括蓄电池(17)、清淤电机(22)和设于车船顶部且与蓄电池(17)电性连接的太阳能板(1)，所述清淤电机(22)的动力输出端通过电动链条(26)与传动轴(25)传动连接；
所述无人操控箱(30)还分别与蓄电池(17)、清淤电机(22)电性连接。
3.根据权利要求1所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括GPS天线(13)；
所述无人操控箱(30)还分别与GPS天线(13)、方向驱动电机(16)电性连接。
4.根据权利要求3所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括水深计(28)；
所述无人操控箱(30)还分别与水深计(28)、船行电机(18)、车行电机(19)电性连接。
5.根据权利要求1所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括：
获取蓄电池(17)的电压；
将蓄电池(17)的电压与预设的电压阈值区间进行比对；
如果蓄电池(17)的电压大于电压阈值区间的上限，打开清淤电机(22)；
如果蓄电池(17)的电压小于电压阈值区间的下限，关闭清淤电机(22)。
6.根据权利要求1所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括：
通过GPS天线(13)获取车船的当前位置；
将当前位置与预设的河流中泓位置进行比对；
如果当前位置相对于河流中泓位置的偏离量超过预设的偏离阈值，控制方向驱动电机(16)带动方向轮舵(12)偏转，使车船朝向河流中泓位置移动。
7.根据权利要求6所述的风光组合河流清淤车船，其特征是，还包括：
通过水深计(28)获取车船的吃水深度；
将吃水深度与预设的船行吃水深度进行比对；
如果吃水深度不小于船行吃水深度，控制方向驱动电机(16)带动方向轮舵(12)偏转，使车船朝向水深较浅一侧移动。
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