CN112459149B - 组合式河道清淤装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式河道清淤装置，包括吸泥管。吸泥管为双层管道，由外管和内管组成；外管与内管之间为密封空气腔；外管上设置有进气口，进气口上连接有空气压缩机，空气压缩机能够通过进气口向密封空气腔内充气；内管上设置有单向阀，单向阀的数量至少为一个，内管的内部空间通过单向阀与密封空气腔连通，且单向阀的出气口设置在内管的内部；内管的外壁上固定连接有风振单元，风振单元的数量至少为一个。本发明具有降低吸泥管内的阻力，从而提高泥浆输送效率、节约能耗，以及避免吸泥管的吸口堵塞以及管道堵塞的技术效果。

Description

组合式河道清淤装置
技术领域
本发明涉及河道工程清理技术领域，具体涉及一种组合式河道清淤装置。
背景技术
我国中小河道淤积现象比较普遍，河道原有的调蓄洪水和防灾减灾的能力有所减弱。近几年国家加强了中小河道和农村河道的治理力度，其中清淤工程作为主要措施被广泛实施。常规的清淤方式包括干式清淤、半干式清淤和湿式机械清淤，其中干式清淤、半干式清淤均需采取围堰排水的方法，该类方法存在的问题是：会导致河道局部断流，因此适合雨季开工，也不适合在不宜断流的河道施工，另外对两岸的操作空间也有一定的要求。而湿式机械清淤，则是利用各种组合式的河道清淤装置清除淤泥，无需围堰，通过在船体上搭载不同的设备，组合成为不同结构形式的清淤装置。从挖掘和泥沙输移的形式上，清淤机械可分为机械疏浚式、射流疏浚式、水力疏浚式三种。
机械疏浚使用抓斗、铲斗、链斗等将河床上的泥土挖出，再由驳船等运走的疏浚方式，由于效率较低，现在应用已逐渐减少。射流疏浚式利用高速射流冲刷河床，并借助河道的水流将射流冲起的泥沙输送到下游去而实现疏浚的目的，由于射流疏浚会对环境产生较大影响，因此这种疏浚方式受到很大的限制。水力疏浚是用离心泵抽吸由铰刀、斗轮、耙头等切削土壤而形成的泥浆，泥浆进入吸泥管，经由离心泵，并最终通过排泥管输送到排泥点的疏浚方式。水力疏浚的特点是可以实现连续高效作业，易于使疏浚作业实现自动化和智能化，因而这种疏浚方式得到了广泛的应用，成为了现代挖泥船最重要的疏浚方式。
在水力疏浚中，由吸泥管、泥泵、发电机和排泥管等多个部分构成的泥浆管道输送系统是最复杂和最关键的部分，为了提高疏浚施工的效率，增加收益，提高泥浆管道输送的效率是重中之重。同时，疏浚作业过程中，绝大多数的故障都与泥浆管道密切相关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式河道清淤装置，具有降低吸泥管内的阻力，从而提高泥浆输送效率、节约能耗，以及避免吸泥管的吸口堵塞以及管道堵塞的技术效果。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种组合式河道清淤装置，包括吸泥管。吸泥管为双层管道，由外管和内管组成；外管与内管之间为密封空气腔；外管上设置有进气口，进气口上连接有空气压缩机，空气压缩机能够通过进气口向密封空气腔内充气；内管上设置有单向阀，单向阀的数量至少为一个，内管的内部空间通过单向阀与密封空气腔连通，且单向阀的出气口设置在内管的内部；内管的外壁上固定连接有风振单元，风振单元的数量至少为一个。
清淤作业开始后，泥浆在泥泵的作用下，从吸泥管的吸口处进入，沿着内管向泥泵的方向运动。当内管充满泥浆后，启动空气压缩机，通过外管上的进气口向密封空气腔内充气，随着密封空气腔内压力的提升，部分空气会通过单向阀进入内管的内部，并与泥浆混合，形成固-液-气三相流。三相流通过改变泥浆的内部结构，降低了泥浆的粘度、使泥浆中的粗颗粒更容易悬浮、利用气体在泥浆与管壁之间形成的气泡减少泥浆与管壁之间的摩擦，从而降低管道输送过程中，泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，并节约了能耗。另外，空气由进气口进入密封空气腔，再由密封空气腔进入内管的内部，使得密封腔内的空气始终处于流动状态，而流动的空气与风振单元相互作用，会产生振动，进一步将振动传递给内管。这种振动能够减小管道垂直方向上的浓度梯度和管壁出浆体的速度梯度，使泥浆的浓度更加均匀，减少泥浆受到的粘性阻力损失，同样提高了管道输送的效率，并节约了能耗。
优选地，风振单元包括支撑件，支撑件与内管固定连接；支撑件连接有风振件，风振件的数量至少为一个；相邻的支撑件和/或风振件之间通过弹簧连接；风振件包括第一管套，第一管套与内管滑动连接，第一管套与内管的配合方式为少量过盈配合；第一管套上固定连接有风振板，风振板与内管之间角度为大于0°，小于180°。
此结构下，风振板的振动主要基于涡激振动的原理。当风振板与内管之间存在0°～180°的角度时，就会在内管的外管壁上形成断面，从而在风振板的背风一侧产生涡激振动。在风振板面积一定的情况下，当风振板与内管垂直时，其形成的断面面积最大，所产生的振动效果最好。
支撑件与内管固定连接，风振件与内管滑动连接，且相邻的支撑件和/或风振件之间通过弹簧连接，因此风振件在气流及弹簧的作用下，能够在内管上往复运动，可以将风振件产生的振动效应由外管上的一点扩展至一个范围区间，提升了振动效果。
另外，第一管套与内管的配合方式为少量过盈配合，一是相对于过渡配合或者间隙配合的方式而言，由于保证了接触，更能够有效的将风振板的振动传递给内管；二是风振件在内管上的往复运动需要克服摩擦阻力，但又不至于阻碍风振件的滑动。在克服摩擦的过程中，不仅能产生额外的微小振动，同时还能够在内管上产生热量，进而提升内管中泥浆的温度。温度对泥浆的粘度会产生影响，一般来说，温度越高，浆体的体积越大，浆体的粘度则会对应降低，从而降低管道输送过程中，泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，并节约了能耗。
优选地，支撑件包括第二管套，第二管套与内管固定连接；第二管套向外管的内管壁延伸有支架，支架数量至少为两个，且在第二管套上均匀排布；支架与外管的内壁为面接触。
支架与第二管套能够组成双环形结构，这种结构，一是能够实现内管与外管的同轴设置，形成均匀的环形空气腔；二是内管、外管之间的压力可均匀分散至整个结构上，提升整体结构的稳定性。
优选地，同一风振单元中的风振板在内管的外侧交错排布。
同一风振单元中的风振板在内管的外壁上交错排布，这种不均匀的排布方式，一是为了能够在密封空气腔内产生不规则气流，气流不规则可产生不同频率的涡激振动，从而避免在内管上产生共振；二是避免因风振板的对称设置而造成的整体上的振动抵消，衰减振动效果；三是能够在管道的各个方向上均产生振动，尤其是对管道底部进行振动，防止淤泥中的固相部分沉积到管道底部。
优选地，风振板与内管垂直。
优选地，相邻的支撑件和/或风振件之间的弹簧的数量至少为两个，且为均匀排布。
当多个弹簧均匀排布在支撑件和/或风振件之间时，相较单一弹簧的结构，能够确保弹簧存储和释放的能量始终在其承受范围内，不会超出其弹性指数，从而避免弹簧失效。
优选地，单向阀的出气方向与内管内液体的流动方向之间的夹角大于等于0°，小于90°。
当气体由单向阀进入泥浆时，会对泥浆产生一个作用力，当单向阀的出气方向与泥浆的流动方向之间的夹角等于0°时，气体对泥浆的作用力与泥浆受到的泥泵牵引力叠加，对泥浆产生最大的增速，当然，角度由0°向90°偏移时，增速效果表现的越不明显。另外，当气体所产生的作用力，在垂直方向上的分力与重力方向相反时，还能避免淤泥中的固体颗粒向着管道的底部沉淀。
优选地，吸泥管为弯曲管道，有一个弯曲处；单向阀均集中在弯曲处。
这种设计主要是在弯曲处及吸口之间产生一个压力差，且吸口处的压力较高，从而在吸口处产生一个额外的抽吸力，防止吸口堵塞。具体到本发明，以吸泥管的吸口为基准面，则弯曲处与吸口之间的能量关系可表达为：
Z1·g+p1/ρ+u1 2/2+W＝Z2·g+p2/ρ+u2 2/2+hf
式中：Z1——弯曲处距离吸口的垂直高度；g——重力加速度，是常量；p1——弯曲处的压力；u1——弯曲处的流体流速；W——泥泵所做的功，是常量；Z2——吸口的高度，数值为零；p2——吸口的压力；u2——吸口的流体流速；hf——吸口到弯曲处的机械能损失，是常量。因此，当吸泥管上吸口至弯曲处一段的单向阀均集中在弯曲处，且单向阀利用排出的空气在淤泥的流动方向上产生一个助推力时，u1增加，p1进一步减少，扩大了吸口与弯曲处之间的压差，即“p2－p1”的差值增大，且p2大于p1。因此能够在泥泵之外，对吸口施加一个额外的产生抽吸效果的作用力，且u1越大，该作用力就越大，从而降低了吸口堵塞的可能性。
优选地，吸泥管的一端与淤泥切削装置连接，吸泥管另一端的内管与泥泵的入口连接，泥泵的出口一端连接有出泥管；淤泥切削装置由发电机供能，泥泵由发电机供能，发电机的数量至少为一个；组合式河道清淤装置还包括船体、台车、驱动装置、定位桩；驱动装置具体为横移系统和斗桥。
船体是搭载本发明中船体以外其他部件的水上平台，台车用于带动船体前移。定位桩主要用于对船体的准确定位，以及横移和前进，同时还能对淤泥切削装置进行控制。横移系统用于控制淤泥切削装置的横向移动，斗桥用于控制淤泥切削装置的下放深度。淤泥切削装置用于将淤泥打碎为泥浆，并与吸泥管配合，将泥浆从水底运送至抛泥区。
优选地，淤泥切削装置具体为耙刀、铰刀或斗轮。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用双层管道结构，将空气注入内管内部的泥浆中并与之混合，形成固-液-气三相流，解决了现有技术中泥浆输送效率偏低且容易出现管道堵塞的技术问题，通过降低管道输送过程中泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，节约了能耗，并且在泥泵功率不变的前提下，降低了管道堵塞的概率。
2、本发明利用密封空气腔内的流动空气，通过与风振单元相互作用，实现对内管的振动，并利用弹簧将振动散布在一个管道区间内，同时利用风振件的移动提升了内管的温度，并进一步提升了泥浆的温度，解决了现有技术中泥浆输送效率偏低且容易出现管道堵塞的技术问题，通过降低管道输送过程中泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，节约了能耗，并且在泥泵功率不变的前提下，降低了管道堵塞的概率。
3、本发明通过将单向阀集中在吸泥管的弯曲处，能够在泥泵之外，对吸口施加一个额外的用于抽吸的作用力，解决了现有技术中吸泥管的吸口易发生堵塞的技术问题，在泥泵功率不变的前提下，降低了吸口堵塞的概率。
附图说明
图1为本发明作业原理示意图。
图2为吸泥管立体视图一。
图3为吸泥管立体视图二。
图4为风振单元立体视图。
图5为支撑件结构图一。
图6为风振件结构图。
图7为图6中风振板振动的原理图。
图8为支撑件结构图二。
图9为图8中风振板振动的原理图。
附图标号：10-吸泥管；11-外管；111-进气口；12-内管；13-空气压缩机；14-单向阀；20-风振单元；21-支撑件；211-第二管套；212-支架；22-风振件；221-第一管套；222-风振板；223-支撑柱；23-弹簧；30-淤泥切削装置；31-发电机；32-泥泵；33-出泥管；40-淤泥；A-空气流动方向；B-空气旋涡。
具体实施方式
实施例1：如图1-7所示，一种组合式河道清淤装置，包括吸泥管10。吸泥管10为双层管道，由外管11和内管12组成；外管11与内管12之间为密封空气腔；外管11上设置有进气口111，进气口111上连接有空气压缩机13，空气压缩机13能够通过进气口111向密封空气腔内充气；内管12上设置有单向阀14，单向阀14的数量至少为一个，内管12的内部空间通过单向阀14与密封空气腔连通，且单向阀14的出气口设置在内管12的内部；内管12的外壁上固定连接有风振单元20，风振单元20的数量至少为一个。
清淤作业开始后，泥浆在泥泵32的作用下，从吸泥管10的吸口处进入，沿着内管12向泥泵32的方向运动。当内管12充满泥浆后，启动空气压缩机13，通过外管11上的进气口111向密封空气腔内充气，随着密封空气腔内压力的提升，部分空气会通过单向阀14进入内管12的内部，并与泥浆混合，形成固-液-气三相流。三相流通过改变泥浆的内部结构，降低了泥浆的粘度、使泥浆中的粗颗粒更容易悬浮、利用气体在泥浆与管壁之间形成的气泡减少泥浆与管壁之间的摩擦，从而降低管道输送过程中，泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，并节约了能耗。另外，空气由进气口111进入密封空气腔，再由密封空气腔进入内管12的内部，使得密封腔内的空气始终处于流动状态，而流动的空气与风振单元20相互作用，会产生振动，进一步将振动传递给内管12。这种振动能够减小管道垂直方向上的浓度梯度和管壁出浆体的速度梯度，使泥浆的浓度更加均匀，减少泥浆受到的粘性阻力损失，同样提高了管道输送的效率，并节约了能耗。
风振单元20包括支撑件21，支撑件21与内管12固定连接；支撑件21连接有风振件22，风振件22的数量至少为一个；相邻的支撑件21和/或风振件22之间通过弹簧23连接；风振件22包括第一管套221，第一管套221与内管12滑动连接，第一管套221与内管12的配合方式为少量过盈配合；第一管套221上固定连接有风振板222，风振板222与内管12之间角度为大于0°，小于180°。
此结构下，风振板222的振动主要基于涡激振动的原理。当风振板222与内管12之间存在0°～180°的角度时，就会在内管12的外管壁上形成断面，从而在风振板222的背风一侧产生涡激振动。在风振板222面积一定的情况下，当风振板222与内管12垂直时，其形成的断面面积最大，所产生的振动效果最好。
支撑件21与内管12固定连接，风振件22与内管12滑动连接，且相邻的支撑件21和/或风振件22之间通过弹簧23连接，因此风振件22在气流及弹簧23的作用下，能够在内管12上往复运动，可以将风振件22产生的振动效应由外管12上的一点扩展至一个范围区间，提升了振动效果。
另外，第一管套221与内管12的配合方式为少量过盈配合，一是相对于过渡配合或者间隙配合的方式而言，由于保证了接触，更能够有效的将风振板222的振动传递给内管12；二是风振件22在内管12上的往复运动需要克服摩擦阻力，但又不至于阻碍风振件22的滑动。在克服摩擦的过程中，不仅能产生额外的微小振动，同时还能够在内管12上产生热量，进而提升内管中泥浆的温度。温度对泥浆的粘度会产生影响，一般来说，温度越高，浆体的体积越大，浆体的粘度则会对应降低，从而降低管道输送过程中，泥浆受到的阻力损失，提高了管道输送的效率，并节约了能耗。
支撑件21包括第二管套211，第二管套211与内管12固定连接；第二管套211向外管11的内管壁延伸有支架212，支架212数量至少为两个，且在第二管套211上均匀排布；支架212与外管11的内壁为面接触。
支架212与第二管套211能够组成双环形结构，这种结构，一是能够实现内管12与外管11的同轴设置，形成均匀的环形空气腔；二是内管12、外管11之间的压力可均匀分散至整个结构上，提升整体结构的稳定性。
同一风振单元20中的风振板222在内管12的外侧交错排布。
同一风振单元20中的风振板222在内管12的外壁上交错排布，这种不均匀的排布方式，一是为了能够在密封空气腔内产生不规则气流，气流不规则可产生不同频率的涡激振动，从而避免在内管12上产生共振；二是避免因风振板222对称设置而造成的整体上的振动抵消，衰减振动效果；三是能够在管道的各个方向上均产生振动，尤其是对管道底部进行振动，防止淤泥中的固相部分沉积到管道底部。
风振板222与内管12垂直。
相邻的支撑件21和/或风振件22之间的弹簧23的数量至少为两个，且为均匀排布。
当多个弹簧23均匀排布在支撑件21和/或风振件22之间时，相较单一弹簧的结构，能够确保弹簧存储和释放的能量始终在其承受范围内，不会超出其弹性指数，从而避免弹簧失效。
单向阀14的出气方向与内管12内液体的流动方向之间的夹角大于等于0°，小于90°。
当气体由单向阀14进入泥浆时，会对泥浆产生一个作用力，当单向阀14的出气方向与泥浆的流动方向之间的夹角等于0°时，气体对泥浆的作用力与泥浆受到的泥泵牵引力叠加，对泥浆产生最大的增速，当然，角度由0°向90°偏移时，增速效果表现的越不明显。另外，当气体所产生的作用力，在垂直方向上的分力与重力方向相反时，还能避免淤泥中的固体颗粒向着管道的底部沉淀。
吸泥管10为弯曲管道，有一个弯曲处；单向阀13均集中在弯曲处。
这种设计主要是在弯曲处及吸口之间产生一个压力差，且吸口处的压力较高，从而在吸口处产生一个额外的抽吸力，防止吸口堵塞。具体到本发明，以吸泥管10的吸口为基准面，则弯曲处与吸口之间的能量关系可表达为：
Z1·g+p1/ρ+u1 2/2+W＝Z2·g+p2/ρ+u2 2/2+hf
式中：Z1——弯曲处距离吸口的垂直高度；g——重力加速度，是常量；p1——弯曲处的压力；u1——弯曲处的流体流速；W——泥泵所做的功，是常量；Z2——吸口的高度，数值为零；p2——吸口的压力；u2——吸口的流体流速；hf——吸口到弯曲处的机械能损失，是常量。因此，当吸泥管10上的单向阀均集中在弯曲处，且单向阀14利用排出的空气在淤泥的流动方向上产生一个助推力时，u1增加，p1进一步减少，扩大了吸口与弯曲处之间的压差，即“p2－p1”的差值增大，且p2大于p1。因此能够在泥泵32之外，对吸口施加一个额外的产生抽吸效果的作用力，且u1越大，该作用力就越大，从而降低了吸口堵塞的可能性。
吸泥管10的一端与淤泥切削装置30连接，吸泥管10另一端的内管12与泥泵32的入口连接，泥泵32的出口一端连接有出泥管33；淤泥切削装置30由发电机31供能，泥泵32由发电机31供能，发电机31的数量至少为一个；组合式河道清淤装置还包括船体、台车、驱动装置、定位桩；驱动装置具体为横移系统和斗桥。
船体是搭载本发明中船体以外其他部件的水上平台，台车用于带动船体前移。定位桩主要用于对船体的准确定位，以及横移和前进，同时还能对淤泥切削装置进行控制。横移系统用于控制淤泥切削装置的横向移动，斗桥用于控制淤泥切削装置的下放深度。淤泥切削装置30用于将淤泥打碎为泥浆，并与吸泥管10配合，将泥浆从水底运送至抛泥区。
淤泥切削装置30具体为耙刀、铰刀或斗轮。
实施例2：根据图8、图9所示，基于实施例1，风振件还能采用如下结构。风振件22包括第一管套221，管套221上设置有支撑柱223，风振板222通过支撑柱223悬置在密封空气腔内。
此结构下，风振板222的振动主要由两个原因造成，一是流经风振板222的气流在风振板222上发生分离，会不断的在风振板22上产生涡流，涡流又不断的从风振板222上离开，引起风振板受力的改变，而这种力的周期变化，会促使风振板发生振动；二是当风振板222接触密封空气腔内的不规则气流时，受到不规则气流中方向、速度不一的乱流的影响，风振板原有的空气动力和力矩的平衡被破坏，导致产生不规则的运动，从而引起振动。尤其是风振板222的自然振动周期与乱流的脉动周期相当时，会放大风振板222的振动效果。
以上所揭露的仅为本发明较佳的实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明的权利要求所作的等同变化，仍属本发明涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种组合式河道清淤装置，包括吸泥管(10)，其特征在于，所述吸泥管(10)为双层管道，由外管(11)和内管(12)组成；所述外管(11)与内管(12)之间为密封空气腔；所述外管(11)上设置有进气口(111)，进气口上连接有空气压缩机(13)，空气压缩机(13)能够通过进气口(111)向密封空气腔内充气；所述内管(12)上设置有单向阀(14)，单向阀(14)的数量至少为一个，内管(12)的内部空间通过单向阀(14)与密封空气腔连通，且单向阀(14)的出气口设置在内管(12)的内部；所述内管(12)的外壁上固定连接有风振单元(20) ，风振单元(20)的数量至少为一个；
所述风振单元(20)包括支撑件(21)，支撑件(21)与内管(12)固定连接；所述支撑件(21)连接有风振件(22)，风振件(22)的数量至少为一个；相邻的支撑件(21)和风振件(22)之间以及相邻的风振件(22)之间均通过弹簧连接；所述风振件(22)包括第一管套(221)，第一管套(221)与内管(12)滑动连接，第一管套(221)与内管(12)的配合方式为少量过盈配合；所述第一管套(221)上固定连接有风振板(222)，
所述支撑件(21)包括第二管套(211)，第二管套(211)与内管(12)固定连接；所述第二管套(211)向外管(11)的内管壁延伸有支架(212)，支架(212)数量至少为两个，且在第二管套(211)上均匀排布；所述支架(212)与外管(11)的内壁为面接触；
同一风振单元(20)中的风振板(222)在内管(12)的外侧交错排布；
所述风振板(222)与内管(12)垂直。
2.根据权利要求1所述的一种组合式河道清淤装置，其特征在于，弹簧(23)的数量至少为两个，且为均匀分布。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种组合式河道清淤装置，其特征在于，所述单向阀(14)的出气方向与内管(12)内液体的流动方向之间的夹角大于等于0°，小于90°。
4.根据权利要求3所述的一种组合式河道清淤装置，其特征在于，所述吸泥管(10)为弯曲管道，有一个弯曲处；所述单向阀(14)均集中在弯曲处。
5.根据权利要求4所述的一种组合式河道清淤装置，其特征在于，所述吸泥管(10)的一端与淤泥切削装置(30)连接，吸泥管(10)另一端的内管(12)与泥泵(32)的入口连接，泥泵(32)的出口一端连接有出泥管(33)；所述淤泥切削装置(30)由发电机(31)供能，泥泵(32)由发电机(31)供能，发电机(31)的数量至少为一个；所述组合式河道清淤装置还包括船体、台车、驱动装置、定位桩；所述驱动装置具体为横移系统和斗桥。
6.根据权利要求5所述的一种组合式河道清淤装置，其特征在于，所述淤泥切削装置(30)具体为耙刀、铰刀或斗轮。
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