水下清淤車性能研究及工程應(yīng)用*

黎宙，彭建平，程陽銳，彭賽鋒，李小艷

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

由于防洪和環(huán)保的需要，人們經(jīng)常要對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]。我國水庫多選擇在高山峽谷地區(qū)建壩，最大壩高已超過300m。相較于湖泊和河道清淤，水庫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，且水庫多建于內(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運輸，到場后無需再進(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。本文主要對清淤車的各項作業(yè)性能進(jìn)行試驗分析，并對其工程應(yīng)用的效果進(jìn)行簡要介紹。

1 設(shè)備作業(yè)性能

針對河湖與水庫深水區(qū)域和特定環(huán)境下的孔洞清淤問題，研制了一臺適用于深水環(huán)境和孔洞的自行式履帶清淤車（見圖1）。清淤車主要由履帶行走裝置、車體機構(gòu)，清淤及輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測及控制系統(tǒng)等組成；通過光電鎧裝纜進(jìn)行動力和信號傳輸，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)見表1。

圖1 清淤車實物照片

表1 水下清淤車相關(guān)技術(shù)參數(shù)

在試驗室對清淤車陸地和水下作業(yè)性能分別進(jìn)行試驗研究，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，以保證設(shè)備水下作業(yè)的安全性和可靠性。

1.1 陸地行走性能試驗

清淤車陸地行走試驗主要檢測設(shè)備的行走作業(yè)性能，通過模擬不同水下地形，對清淤車行走、爬坡能力進(jìn)行測試，利用清淤車搭載的慣導(dǎo)裝置和監(jiān)測傳感器，對不同工況下行走狀態(tài)和左右履帶驅(qū)動馬達(dá)的流量功率特性進(jìn)行分析。

清淤車的陸地行走測試包括陸地直線行走，直角轉(zhuǎn)彎、陸地速度測試和爬坡試驗等。試驗中，清淤車在試驗場水泥平地和16°的斜坡砂石地行走性能均良好[5]。

圖2為清淤車在自動控制程序下沿設(shè)定的航向直線行駛，行走時間為75 s，航向角為357°，實時角度偏差在1°范圍內(nèi)波動；在直角轉(zhuǎn)彎試驗中，初始航向為252°，經(jīng)過約20 s的轉(zhuǎn)彎調(diào)整后，航向穩(wěn)定在357°。試驗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

對清淤車陸地行走速度進(jìn)行了測試，在前進(jìn)試驗中，測得13.3 s內(nèi)行走了10.7m，平均速度為0.8m/s，在后退試驗中，在13.4 s內(nèi)行走了10.6m，平均速度為0.79m/s。設(shè)備行走時左右履帶馬達(dá)的流量曲線如圖3所示，隨時間的變化，左右履帶的流量基本保持不變，說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間變化曲線

清淤車行走時左右履帶功率變化見圖4，兩條履帶功率在此工況下行走時，數(shù)值基本保持穩(wěn)定，左履帶平均功率為5.03 kW，其絕對偏差平均值為1.86；右履帶平均功率為6.22 kW，其絕對偏差平均值為1.01。

圖4 清淤車左右履帶功率隨時間變化曲線

1.2 水下行走性能試驗

清淤車的水下行走測試在試驗水池中進(jìn)行，通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備行走在模擬水底淤泥環(huán)境中，試驗測得在10m的距離內(nèi)，清淤車的行走時間為13 s，計算可得最大速度約為0.76m/s。

在水下行走時，通過系統(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，自動控制程序可根據(jù)慣導(dǎo)反饋的航向數(shù)據(jù)及時對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)備行走時橫滾角及俯仰角隨時間變化曲線

圖7為清淤車水下行走時左右履帶柱塞泵流量變化曲線，從設(shè)備啟動至穩(wěn)定行走后，左右履帶流量基本保持穩(wěn)定，說明清淤車水下行走時能保持穩(wěn)定的速度，對于水下穩(wěn)定的清淤具有較好的基礎(chǔ)。

清淤車從啟動至正常行走后，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)值絕對偏差的平均值為0.7 kW。陸地測試時，左右履帶行走平均功率分別為5.03 kW和6.22 kW，計算可知，清淤車水下行走時左右履帶功率值分別比陸地行走大25%、27%，因為水下行走時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

1.3 絞吸輸送能力試驗

絞吸輸送能力試驗用于對清淤車進(jìn)行絞吸能力和淤泥的輸送能力試驗，具體包括泵流量測定試驗和清淤濃度試驗。輸送泵在進(jìn)行絞吸試驗時，通過安裝在泵出入口的壓差傳感器對輸送泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，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，波動范圍絕對偏差的平均值為2.6 kPa，說明輸送泵能進(jìn)行穩(wěn)定的淤泥輸送，滿足此工況下的輸送要求，無堵塞情況發(fā)生。

圖8 輸送泵進(jìn)出口壓差隨時間變化曲線

輸送泵流量及濃度的測定試驗采用人工標(biāo)定的方法進(jìn)行。通過標(biāo)定箱對輸送泵的流量進(jìn)行測算，測得2min內(nèi)輸送泵輸送的體積為5.3m3，計算可得輸送泵此工況下的流量為159m3/h。在進(jìn)行連續(xù)清淤試驗時，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)定試驗后，測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。

2 工程試驗應(yīng)用

2019年12月，為解決深孔泄水建筑物孔洞淤塞或閘門卡死等問題，清淤車在小浪底樞紐排沙洞進(jìn)行了孔洞模擬清淤試驗，通過布放設(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)能見度很低[7]，不能對周圍環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確識別，只能通過圖像聲吶和慣導(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)入排沙洞后開展清淤作業(yè)的監(jiān)控畫面[8?9]。

圖9 清淤車圖像聲吶孔洞環(huán)境感知

3 結(jié)論

本文針對河湖與水庫深水區(qū)域以及特定環(huán)境下孔洞的清淤問題，提出了一種深水清淤車的清淤作業(yè)方法，并通過陸地性能、水下作業(yè)和清淤功能在內(nèi)的一系列實驗室試驗，對清淤車的行走、控制、絞吸和輸送能力等進(jìn)行了研究。試驗結(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。