黎宙,彭建平,程陽(yáng)銳,彭賽鋒,李小艷
(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410012)
由于防洪和環(huán)保的需要,人們經(jīng)常要對(duì)沉積在水底的淤泥進(jìn)行清理。目前,常用的河道清淤方式有抓斗式、泵吸式、普通絞吸式、環(huán)保攪吸船等,大多依靠船載設(shè)備進(jìn)行工作,在淺水和寬闊的河道湖泊中具有較好的清淤能力,但是在深水以及狹窄空間內(nèi)則很難進(jìn)行施工作業(yè)[1?2]。我國(guó)水庫(kù)多選擇在高山峽谷地區(qū)建壩,最大壩高已超過(guò)300m。相較于湖泊和河道清淤,水庫(kù)清淤具有壩前水深大、水深變化范圍大、淤積物粒徑差別大等特點(diǎn),且水庫(kù)多建于內(nèi)陸地區(qū),不具備通航條件,大型挖泥船難以進(jìn)入[3]。國(guó)內(nèi)的江蘇氣力泵疏浚系統(tǒng)雖然疏浚深度可達(dá)160m,能進(jìn)行淤泥、粉細(xì)砂等細(xì)顆粒松散淤積物清淤工作,但整體還是存在系統(tǒng)體積大,難以適用于孔洞清淤等問(wèn)題[4]。
水下清淤車系統(tǒng)包括集絞吸和淤泥輸送功能為一體的自行式履帶清淤車,在岸上的配套鎧裝纜絞車及綜合控制室等,設(shè)備均可采用汽車單獨(dú)運(yùn)輸,到場(chǎng)后無(wú)需再進(jìn)行組裝,調(diào)試完成后即可進(jìn)行清淤工作。由于清淤車體積較小,能適用于水下孔洞及其它各種深水清淤環(huán)境。本文主要對(duì)清淤車的各項(xiàng)作業(yè)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析,并對(duì)其工程應(yīng)用的效果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
針對(duì)河湖與水庫(kù)深水區(qū)域和特定環(huán)境下的孔洞清淤問(wèn)題,研制了一臺(tái)適用于深水環(huán)境和孔洞的自行式履帶清淤車(見(jiàn)圖1)。清淤車主要由履帶行走裝置、車體機(jī)構(gòu),清淤及輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)等組成;通過(guò)光電鎧裝纜進(jìn)行動(dòng)力和信號(hào)傳輸,在岸上遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行操作,可適應(yīng)不同環(huán)境下的清淤作業(yè)。設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 清淤車實(shí)物照片
表1 水下清淤車相關(guān)技術(shù)參數(shù)
在試驗(yàn)室對(duì)清淤車陸地和水下作業(yè)性能分別進(jìn)行試驗(yàn)研究,主要從設(shè)備的行走性能,越障能力,控制操作和清淤作業(yè)等方面進(jìn)行試驗(yàn),以保證設(shè)備水下作業(yè)的安全性和可靠性。
清淤車陸地行走試驗(yàn)主要檢測(cè)設(shè)備的行走作業(yè)性能,通過(guò)模擬不同水下地形,對(duì)清淤車行走、爬坡能力進(jìn)行測(cè)試,利用清淤車搭載的慣導(dǎo)裝置和監(jiān)測(cè)傳感器,對(duì)不同工況下行走狀態(tài)和左右履帶驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的流量功率特性進(jìn)行分析。
清淤車的陸地行走測(cè)試包括陸地直線行走,直角轉(zhuǎn)彎、陸地速度測(cè)試和爬坡試驗(yàn)等。試驗(yàn)中,清淤車在試驗(yàn)場(chǎng)水泥平地和16°的斜坡砂石地行走性能均良好[5]。
圖2為清淤車在自動(dòng)控制程序下沿設(shè)定的航向直線行駛,行走時(shí)間為75 s,航向角為357°,實(shí)時(shí)角度偏差在1°范圍內(nèi)波動(dòng);在直角轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)中,初始航向?yàn)?52°,經(jīng)過(guò)約20 s的轉(zhuǎn)彎調(diào)整后,航向穩(wěn)定在357°。試驗(yàn)證明清淤車在陸地行走具有良好的直線行走和轉(zhuǎn)彎行走能力。
圖2 清淤車陸地行走航向曲線
對(duì)清淤車陸地行走速度進(jìn)行了測(cè)試,在前進(jìn)試驗(yàn)中,測(cè)得13.3 s內(nèi)行走了10.7m,平均速度為0.8m/s,在后退試驗(yàn)中,在13.4 s內(nèi)行走了10.6m,平均速度為0.79m/s。設(shè)備行走時(shí)左右履帶馬達(dá)的流量曲線如圖3所示,隨時(shí)間的變化,左右履帶的流量基本保持不變,說(shuō)明清淤車的左右履帶行走速度匹配且能保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
圖3 清淤車左右履帶流量隨時(shí)間變化曲線
清淤車行走時(shí)左右履帶功率變化見(jiàn)圖4,兩條履帶功率在此工況下行走時(shí),數(shù)值基本保持穩(wěn)定,左履帶平均功率為5.03 kW,其絕對(duì)偏差平均值為1.86;右履帶平均功率為6.22 kW,其絕對(duì)偏差平均值為1.01。
圖4 清淤車左右履帶功率隨時(shí)間變化曲線
清淤車的水下行走測(cè)試在試驗(yàn)水池中進(jìn)行,通過(guò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備行走在模擬水底淤泥環(huán)境中,試驗(yàn)測(cè)得在10m的距離內(nèi),清淤車的行走時(shí)間為13 s,計(jì)算可得最大速度約為0.76m/s。
在水下行走時(shí),通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控,清淤車航向角變化如圖5所示,可知設(shè)備在水下定向行走時(shí),自動(dòng)控制程序可根據(jù)慣導(dǎo)反饋的航向數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)清淤車履帶行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié),使其保持穩(wěn)定的方向繼續(xù)前進(jìn),航向偏差在1°范圍內(nèi)。
圖5 設(shè)備行走時(shí)航向角變化曲線
在水下地形環(huán)境未知的情況下,可根據(jù)設(shè)備的橫滾角和俯仰角對(duì)設(shè)備的行走狀態(tài)進(jìn)行判斷,其中橫滾角表示設(shè)備左右傾斜角度,俯仰角表示設(shè)備前后的傾斜角度,如圖6所示,根據(jù)數(shù)據(jù)判斷,設(shè)備可在傾斜2°~3°范圍內(nèi)行走在凹凸不平的水底。
圖6 設(shè)備行走時(shí)橫滾角及俯仰角隨時(shí)間變化曲線
圖7為清淤車水下行走時(shí)左右履帶柱塞泵流量變化曲線,從設(shè)備啟動(dòng)至穩(wěn)定行走后,左右履帶流量基本保持穩(wěn)定,說(shuō)明清淤車水下行走時(shí)能保持穩(wěn)定的速度,對(duì)于水下穩(wěn)定的清淤具有較好的基礎(chǔ)。
清淤車從啟動(dòng)至正常行走后,兩條履帶功率曲線變化基本一致,其中左履帶功率為6.76 kW左右,數(shù)值絕對(duì)偏差的平均值為2 kW;右履帶功率為8.53 kW左右,數(shù)值絕對(duì)偏差的平均值為0.7 kW。陸地測(cè)試時(shí),左右履帶行走平均功率分別為5.03 kW和6.22 kW,計(jì)算可知,清淤車水下行走時(shí)左右履帶功率值分別比陸地行走大25%、27%,因?yàn)樗滦凶邥r(shí)還包括水阻力及淤泥的黏附力等。
圖7 左右履帶流量變化曲線
絞吸輸送能力試驗(yàn)用于對(duì)清淤車進(jìn)行絞吸能力和淤泥的輸送能力試驗(yàn),具體包括泵流量測(cè)定試驗(yàn)和清淤濃度試驗(yàn)。輸送泵在進(jìn)行絞吸試驗(yàn)時(shí),通過(guò)安裝在泵出入口的壓差傳感器對(duì)輸送泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如圖8所示,泵出入口壓差的平均值約為36 kPa左右,在正常的區(qū)間內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)范圍絕對(duì)偏差的平均值為2.6 kPa,說(shuō)明輸送泵能進(jìn)行穩(wěn)定的淤泥輸送,滿足此工況下的輸送要求,無(wú)堵塞情況發(fā)生。
圖8 輸送泵進(jìn)出口壓差隨時(shí)間變化曲線
輸送泵流量及濃度的測(cè)定試驗(yàn)采用人工標(biāo)定的方法進(jìn)行。通過(guò)標(biāo)定箱對(duì)輸送泵的流量進(jìn)行測(cè)算,測(cè)得2min內(nèi)輸送泵輸送的體積為5.3m3,計(jì)算可得輸送泵此工況下的流量為159m3/h。在進(jìn)行連續(xù)清淤試驗(yàn)時(shí),選取流量穩(wěn)定的一段進(jìn)行清淤濃度標(biāo)定,在多次標(biāo)定試驗(yàn)后,測(cè)得砂石的體積平均值為0.025m3,水和砂石混合物總體積平均值為0.124m3,因此,可得輸送體積濃度為20%左右。
2019年12月,為解決深孔泄水建筑物孔洞淤塞或閘門(mén)卡死等問(wèn)題,清淤車在小浪底樞紐排沙洞進(jìn)行了孔洞模擬清淤試驗(yàn),通過(guò)布放設(shè)備至排沙洞外,利用清淤車的綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng),控制設(shè)備行走至排沙洞內(nèi),將洞內(nèi)的淤積物絞吸后通過(guò)軟管輸送至洞外。
清淤車著底后,由于水質(zhì)渾濁的影響,水下燈光攝像系統(tǒng)能見(jiàn)度很低[7],不能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,只能通過(guò)圖像聲吶和慣導(dǎo)綜合導(dǎo)航定位的方式,完成孔洞的尋找及孔洞清淤作業(yè),圖9為圖像聲吶尋找到排沙洞以及清淤車進(jìn)入排沙洞后開(kāi)展清淤作業(yè)的監(jiān)控畫(huà)面[8?9]。
圖9 清淤車圖像聲吶孔洞環(huán)境感知
本文針對(duì)河湖與水庫(kù)深水區(qū)域以及特定環(huán)境下孔洞的清淤問(wèn)題,提出了一種深水清淤車的清淤作業(yè)方法,并通過(guò)陸地性能、水下作業(yè)和清淤功能在內(nèi)的一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),對(duì)清淤車的行走、控制、絞吸和輸送能力等進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,清淤車在陸地行走的前進(jìn)速度最大約為0.80m/s,后退速度最大為0.79m/s;在水下行走時(shí)平均速度為0.76m/s;且相同速度下,水下行走的履帶功率比陸地 行走大25%左右;清淤車可在16°的斜坡自由行走;在水下清淤輸送試驗(yàn)中,淤泥的輸送濃度為20%。清淤車及系統(tǒng)成功地在小浪底水利樞紐進(jìn)行了工程應(yīng)用試驗(yàn)。