CN111749296A - 具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船。包括：滚刀耙头，所述滚刀耙头通过耙臂与船体连接，所述滚刀耙头包括耙头固定体、耙头活动罩、装有耙齿的滚筒、外转子电机、液压装置和高压冲水弯管；耙头固定体与活动罩转动连接，且在上方装置有高压冲水弯管；活动罩下方装配有带耙齿的滚筒，包括滚筒、齿座和耙齿，滚筒密封地内置有外转子电机，通过定子和转子驱动滚筒绕水平轴转动；整个带耙齿的滚筒与耙头活动罩转动连接，可随活动罩相对耙头固定体在一定角度范围内转动。本发明所提供的耙吸挖泥船，可以有效控制耙头重量、减小轴向约束附件、提高有效切削宽度，从而大幅提升挖泥船的耙头的破土能力和疏浚硬质土的作业效率。

Description

具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船

技术领域

本发明属于疏浚工程施工作业中所使用的的耙吸挖泥船技术领域，具体来说是涉及一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船以及其用于深水硬质土切削的疏浚方法。

背景技术

耙吸挖泥船和绞吸挖泥船是目前使用最为广泛的两类疏浚施工船舶。其中，耙吸挖泥船机动灵活、抗风浪力强、作业水深范围大，作业时通过耙臂将与之连接的耙头放入水下，船舶航行经耙臂拖动耙头切削土层，疏浚物质被吸入耙头固定体，由耙臂内的耙管输送至泥舱。

图1所示是耙吸挖泥船的主要组成示意图，耙头1通过耙臂2与船体3连接。在疏浚过程中疏浚效率至关重要，受很多参数影响，其中一项就是土质条件。硬质土通常会造成疏浚效率低下。耙吸挖泥船疏浚松软土质效率高，但是在遇到硬质土时，现有的耙头结构和耙齿破土能力有限，作业效率低下，甚至难以破土。

图2所示是现有耙头的结构示意图，活动罩下方装配有一排耙齿。如图3所示，作业时耙齿在耙头自重和弹簧支杆压力下嵌入土中，在耙臂拖动下切削土体。现有耙头能够切削的土体强度上限约50～60kPa，在遇到硬质土时破土能力下降严重，耙齿难以嵌入土中或嵌入深度较小，作业效率大幅降低。

现有技术中滚刀耙头的最常见的结构和实现方式，是采用液压马达配合齿轮减速器传动驱动滚刀，如图4所示，这种传动结构复杂，液压马达和齿轮减速器尺寸也比较大，为了保障作业需搭载在带耙齿的滚筒上方。采用这种结构的滚刀耙头在实际工程应用中存在以下缺点：

(1)该结构通过外部液压马达和齿轮减速器传动系统驱动，驱动系统会显著增加耙头的重量，土体强度越高，对驱动系统的功率要求便越高，相应的驱动系统尺寸和重量也会进一步增加。为了实现50～150r/min转速、400KW左右的传动功率，需采用双向对称结构布置齿轮箱，增加的重量可达10～18t。此外，该驱动能力的驱动系统轴直径大于带耙齿的滚筒直径，造成耙齿切入困难或无法切削中等硬质土的情形，疏浚效率有限，无法达到预期作业效率。

(2)较大的驱动系统还会造成其与滚筒轴连接的支撑结构占滚筒水平轴向比例偏大，实际参与切削的滚刀宽度仅占滚筒水平轴设计尺寸的50％～60％，降低了滚刀耙头的作业效率。滚刀轴向尺寸是滚刀耙头设计的关键约束条件，由于传动系统的存在，滚筒水平轴向必须牺牲一定的尺寸用以安装齿轮箱。以3.5m宽设计耙头，在某航速及挖深条件下，齿轮箱安装尺寸占滚筒水平轴尺寸比例及挖掘效率对比如表1所示：

表1齿轮箱安装尺寸不同占比及效率对比

由此可见，设计精良的减速器必定使得齿轮箱占据滚筒水平轴向尺寸，造成挖掘效率降低。

(3)在水深20～60m范围内的水下减速器装备技术尚不成熟，没有系列化的产品可供选择，定制产品的可靠度和供应环节控制十分困难，在使用环节故障维护频率也会成倍增加。从产品研发和应用角度，选择外部液压马达和齿轮减速器传动系统进行驱动不是最优选择。

因此，需要设计出一种新型的耙吸挖泥船，其耙头可以提高耙吸挖泥船破土能力和施工效率，从而解决硬质土疏浚的作业效率问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，可以有效控制耙头重量、减小轴向约束附件、提高有效切削宽度，从而大幅提升挖泥船的耙头的破土能力和疏浚硬质土的作业效率。

本发明的另一目的是提供一种采用上述耙吸挖泥船进行深水硬质土切削的疏浚作业方法，可以提升挖泥船的耙头的破土能力和疏浚硬质土的作业效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，包括：滚刀耙头，所述滚刀耙头通过耙臂与船体连接，所述滚刀耙头包括：耙头固定体、耙头活动罩、装有耙齿的滚筒、外转子电机、液压装置和高压冲水弯管。所述耙头固定体与所述耙头活动罩通过销孔活动连接，所述装有耙齿的滚筒可转动地连接至所述耙头活动罩的下部，所述液压装置的前端通过转轴连接至所述耙头活动罩的上部，使得所述耙头活动罩在所述液压装置的带动下绕连接所述耙头活动罩和耙头固定体的销孔转动。所述装有耙齿的滚筒包括：滚筒、齿座和耙齿，所述外转子电机密封地内置在所述滚筒中，使得所述装有耙齿的滚筒可在所述外转子电机的转子的带动下绕其水平轴转动。所述耙头固定体的底部装有耐磨底板和带有高压冲水的耐磨块，在所述耙头固定体的上方设置有高压冲水弯管，所述高压冲水弯管的上方通过转轴活动连接至所述液压装置的缸体的后端，所述高压冲水弯管的管口位于所述耙头固定体的前端，在所述高压冲水弯管的管口前方设置有分管用于为所述液压装置提供液压动力和为所述耐磨块提供高压水流。

本发明所提出的具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，在进行疏浚作业时，将所述滚刀耙头放至挖掘的泥面上，启动水泵和外转子电机，水泵吸取水，并通过所述高压冲水弯管流向分管，带动所述液压装置工作，同时从所述耐磨块的高压冲水处喷出高速水流，冲向泥面；所述外转子电机驱动带耙齿的滚筒转动，随其转动的耙齿切削泥土，并将泥水混合的浆体吸取进耙头固定体中，之后经由耙臂输送至耙吸挖泥船船体上的泥舱。

在耙吸挖泥船航行作业过程中，对于滚刀耙头而言耙头的设计航速、滚筒转速和扭矩的大小匹配极为重要，其中又以挖掘扭矩最为重要，如果无法减小扭矩，则无法完成硬质土的切削挖掘。与液压马达驱动相比，本申请的外转子电机驱动的滚刀耙头可实现更高转速和调速范围，增大滚刀的转速，可以降低滚刀挖掘扭矩，实现对不同硬质土的挖掘，增加挖掘范围。下表2为不同航速条件下增加转速对滚刀挖掘扭矩的影响。

表2滚刀不同转速下的扭矩变化

本发明同时还提供了一种采用上述耙吸挖泥船进行深水硬质土切削的疏浚作业方法，该方法是：将所述滚刀耙头放至待挖掘的泥面上，启动水泵和外转子电机；水泵吸取水并通过高压冲水弯管流向分管，带动液压装置工作，同时从耐磨块中间的空隙喷出高速水流，冲向泥面；外转子电机驱动带耙齿的滚筒转动，随其转动的耙齿切削泥土，并将泥水混合的浆体吸取进耙头固定体中，经由耙臂输送至耙吸挖泥船船体上的泥舱。

其中，在耙吸挖泥船航行作业过程中，遇到难以挖掘的泥土时，可增大滚刀的转速，从而降低滚刀挖掘扭矩，实现对不同硬质土的挖掘，增加挖掘范围。

本发明所提出的具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，所装配的滚刀耙头将为滚筒提供动力的电机密封地置于滚筒内，放弃了外部液压马达和齿轮减速器传动系统设计，既有效控制了滚刀耙头重量，又充分利用滚刀耙头轴向结构空间，保障并提高了耙头有效切削宽度。与液压马达驱动相比，外转子电机驱动的滚刀耙头可以大幅减轻耙头重量，减小轴向约束附件、提高有效切削宽度，并可实现更高转速和调速范围，大幅提升耙头挖掘土体强度范围和疏浚效率。

同时，本发明所装配的滚刀耙头中，将外转子电机应用于耙头还需要解决控制线布置、水下电机技术等问题。进一步地，所述外转子电机包括：转子、定子和动力控制线，所述转子和定子位于所述滚筒内，所述定子固定在轴心不动，所述动力控制线从所述定子内部经所述滚筒的端部引出并经密封圈穿出至耙头外侧，穿出的所述动力控制线布置在所述耙头活动罩外沿耙臂向上与耙吸挖泥船上的控制室连接，在电机驱动下所述转子带动所述滚筒绕所述定子转动，从而带动装配在所述滚筒表面的耙齿转动切削土体。进一步地，所述外转子电机采用动密封和静密封相结合的复合密封结构，使得所述外转子电机具有良好的水下密封性。其中，所述转子上从外到内依次设有三个密封圈，其中位于中部的密封圈设置在所述转子与所述滚筒的接触面之间。

相比现有耙头切削土体强度上限50～60kPa，本发明切削的土体强度可达200kPa，切削土层厚度可达现有耙头切削厚度的3倍。其结构保障耙头有效切削宽度可达耙头设计宽度的95％以上，外接的动力及控制线可根据挖掘土条件和作用要求控制带耙齿滚筒的转速，转速范围50～300r/min，相比现有的液压马达外部驱动技术，能够实现更高转速和更大的调速范围。

其中，所述带耙齿的滚筒包括：滚筒、齿座和耙齿，所述滚筒表面沿水平轴线方向焊接有数排齿座，所述耙齿安装在所述齿座上，可以根据挖掘土性质和疏浚要求更换不同类型耙齿，所述滚筒的两端与所述耙头活动罩转动连接，且内置有外转子电机为滚筒提供驱动。

进一步地，所述耐磨块是分两排安装在所述耐磨底板的前方，两排所述耐磨块中间留有一道空隙，在两排所述耐磨块的上方腔体内分别各装有一排高压冲水口，所述高压冲水口的方向均面向中间空隙设置并略向泥面倾斜使得喷出的高压水流既可冲刷挖掘的泥面，也可清理粘附在所述耐磨块上的泥土。

优选地，所述耐磨块是可拆卸地安装在所述耐磨底板的前方，方便维护和替换。

附图说明

图1为现有技术中耙吸挖泥船、耙臂、耙头的连接示意图。

图2为现有技术中耙头的结构示意图。

图3为现有技术中耙头的作业示意图。

图4为现有技术中滚刀耙头的一个示例的结构示意图。

图5为本发明所提出的具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船的滚刀耙头的一个较优实施例的侧视图。

图6为图5中所示实施例的带耙齿滚筒的侧视图。

图7为图5中所示实施例的带耙齿滚筒的剖面图。

图8为图7中所示的装有耙齿的滚筒的滚筒右侧部位的结构示意图。

图9为图8中所示部位的A-A剖视图。

其中，1、耙头；11、耙头固定体；12、耙头活动罩；13、装有耙齿的滚筒；14、外转子电机；141、转子；142、定子；143、动力及控制线；15、液压装置；16、高压冲水弯管；17、耐磨底板；18、耐磨块；2、耙管；3、耙吸挖泥船船体；4、第一密封圈；5、第二密封圈；6、第三密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，包括耙头1，耙头1通过耙臂与船体3连接。如图5-7所示的滚刀耙头，包括：耙头固定体11、耙头活动罩12、装有耙齿的滚筒13、外转子电机14、液压装置15和高压冲水弯管16，耙头活动罩12与耙头固定体11、装有耙齿的滚筒13、液压装置15均为活动连接。耙头固定体11与耙头活动罩12通过销孔活动连接；装有耙齿的滚筒13可转动地连接至耙头活动罩12的下部，液压装置15的前端通过转轴连接至耙头活动罩12的上部；在液压装置15的带动下装有耙齿的滚筒13可随耙头活动罩12绕连接耙头活动罩12和耙头固定体11的销孔转动，同时装有耙齿的滚筒13还可绕其水平轴自由转动。耙头固定体11的底部装有耐磨底板17和带有高压冲水的耐磨块18，且在所述耙头固定体11的上方设置有高压冲水弯管16，高压冲水弯管16的上方通过转轴活动连接液压装置15缸体的后端，高压冲水弯管16的管口位于耙头固定体11的前端，且在高压冲水弯管16的管口前方设置有分管，分管用于为液压装置15提供液压动力和为耐磨块18提供高压水流。

结合图6-9所示，装有耙齿的滚筒13包括：滚筒、齿座和耙齿。滚筒表面沿水平轴线方向焊接有数排齿座，耙齿安装在齿座上，可以根据挖掘土性质和疏浚要求更换不同类型耙齿。带耙齿的滚筒13两端与耙头活动罩12转动连接，滚筒密封地内置有外转子电机14。外转子电机14包括：转子141、定子142和动力控制线143，转子141和定子142位于滚筒内，定子142固定在轴心不动，动力控制线143从定子142内部经滚筒的端部引出并经密封圈穿出至耙头外侧，穿出的动力控制线143布置在耙头活动罩12外沿耙臂向上与耙吸挖泥船上的控制室连接，转子141上从外到内依次设有第一密封圈4、第二密封圈5和第三密封圈6。其中位于中部的第二密封圈5设置在转子141与滚筒的接触面之间，是静密封，第一密封圈4和第三密封圈6位于第二密封圈5的两侧，为动密封。动密封和静密封相结合的复合密封结构使得外转子电机14具有良好的水下密封性。在电机驱动下，转子141带动滚筒绕定子142转动，从而带动装配在滚筒表面的耙齿转动切削土体。采用外转子电机驱动滚刀耙头，既有效控制耙头结构重量，又充分利用滚筒水平轴向结构空间，提高了有效切削宽度，并实现滚筒高转速和高调速范围，大幅提升耙头挖掘土体强度范围和疏浚效率。

其中，耐磨块18分两排安装于耐磨底板17的前方，是可拆卸的，两排耐磨块18中间留有一道空隙，两排耐磨块18的上方腔体内分别各装有一排高压冲水口，高压冲水口方向均面向中间空隙设置并略向泥面倾斜，使得喷出的高压水流既可冲刷挖掘的泥面，也可清理粘附在耐磨块18上的泥土。

耙吸挖泥船在进行疏浚作业时，将滚刀耙头1放至待挖掘的泥面上，启动水泵和外转子电机14，水泵吸取水，并通过高压冲水弯管16流向分管，带动液压装置15工作，同时从耐磨块17中间的空隙喷出高速水流，冲向泥面；外转子电机14驱动带耙齿的滚筒13转动，随其转动的耙齿切削泥土，并将泥水混合的浆体吸取进耙头固定体11中，之后经由耙臂内的耙管2输送至耙吸挖泥船船体3上的泥舱。在耙吸挖泥船航行作业过程中，遇到难以挖掘的泥土时，可增大滚刀的转速，从而降低滚刀挖掘扭矩，实现对不同硬质土的挖掘，增加挖掘范围。

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 (9)

1.一种具有外转子电机驱动的滚刀耙头的耙吸挖泥船，包括：滚刀耙头，所述滚刀耙头通过耙臂与船体连接，其特征在于：

所述滚刀耙头包括：耙头固定体(11)、耙头活动罩(12)、装有耙齿的滚筒(13)、外转子电机(14)、液压装置(15)和高压冲水弯管(16)；

所述耙头固定体(11)与所述耙头活动罩(12)通过销孔活动连接，所述装有耙齿的滚筒(13)可转动地连接至所述耙头活动罩(12)的下部，所述液压装置(15)的前端通过转轴连接至所述耙头活动罩(12)的上部，使得所述耙头活动罩(12)在所述液压装置(15)的带动下绕连接所述耙头活动罩(12)和耙头固定体(11)的销孔转动；

所述装有耙齿的滚筒(13)包括：滚筒、齿座和耙齿，所述外转子电机(14)密封地内置在所述滚筒中，使得所述装有耙齿的滚筒(13)可在所述外转子电机(14)的转子的带动下绕其水平轴转动；

所述耙头固定体(11)的底部装有耐磨底板(17)和带有高压冲水的耐磨块(18)，在所述耙头固定体(11)的上方设置有高压冲水弯管(16)，所述高压冲水弯管(16)的上方通过转轴活动连接至所述液压装置(15)的缸体的后端，所述高压冲水弯管(16)的管口位于所述耙头固定体(11)的前端，在所述高压冲水弯管(16)的管口前方设置有分管用于为所述液压装置(15)提供液压动力和为所述耐磨块(18)提供高压水流。

2.如权利要求1所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述外转子电机(14)包括：转子(141)、定子(142)和动力控制线(143)，所述转子(141)和定子(142)位于所述滚筒内，所述定子(142)固定在轴心不动，所述动力控制线(143)从所述定子(142)内部经所述滚筒的端部引出并经密封圈穿出至耙头外侧，穿出的所述动力控制线(143)布置在所述耙头活动罩(12)外沿耙臂向上与耙吸挖泥船上的控制室连接，在电机驱动下所述转子(141)带动所述滚筒绕所述定子(142)转动，从而带动装配在所述滚筒表面的耙齿转动切削土体。

3.如权利要求2所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述外转子电机(14)采用动密封和静密封相结合的复合密封结构被内置在所述滚筒中。

4.如权利要求2所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述转子(141)上从外到内依次设有三个密封圈，其中位于中部的密封圈设置在所述转子(141)与所述滚筒的接触面之间。

5.如权利要求1所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述带耙齿的滚筒(13)包括：滚筒、齿座和耙齿，所述滚筒表面沿水平轴线方向焊接有数排齿座，所述耙齿安装在所述齿座上，所述滚筒的两端与所述耙头活动罩(12)转动连接。

6.如权利要求1所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述耐磨块(18)是分两排安装在所述耐磨底板(17)的前方，两排所述耐磨块(18)中间留有一道空隙，在两排所述耐磨块(18)的上方腔体内分别各装有一排高压冲水口，所述高压冲水口的方向均面向中间空隙设置并略向泥面倾斜使得喷出的高压水流既可冲刷挖掘的泥面，也可清理粘附在所述耐磨块(18)上的泥土。

7.如权利要求6所述的耙吸挖泥船，其特征在于：所述耐磨块(18)可拆卸地安装在所述耐磨底板(17)的前方。

8.一种采用如权利要求1所述的耙吸挖泥船进行深水硬质土切削的疏浚作业方法，其特征在于，该方法是：将所述滚刀耙头(1)放至待挖掘的泥面上，启动水泵和外转子电机；水泵吸取水并通过高压冲水弯管(16)流向分管，带动液压装置(15)工作，同时从耐磨块(17)中间的空隙喷出高速水流，冲向泥面；外转子电机(14)驱动带耙齿的滚筒(13)转动，随其转动的耙齿切削泥土，并将泥水混合的浆体吸取进耙头固定体(11)中，经由耙臂(2)输送至耙吸挖泥船船体(3)上的泥舱。

9.如权利要求8所述的疏浚作业方法，其特征在于：当遇到难以挖掘的硬质土时，增大滚刀的转速，从而降低滚刀挖掘扭矩。

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