基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统的制作方法

本发明涉及挖泥装置，特别是一种提高挖泥效率，同时降低挖泥效率的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统。

背景技术：

挖泥船是一种挖取水下泥沙等沉积物的工程船舶，广泛应用于大型港口的建设与维护、围海造地、航道疏浚等工程。十八大报告首次提出了建设“海洋强国”战略，对开发海洋资源、维护海洋权益提出了新的要求。2015年，国务院印发《中国制造2025》，将“海洋工程装备及高技术船舶”作为未来十年重点发展领域，明确指出未来十年国家将大力发展资源开发利用、海上作业保障装备及其关键系统和专用设备，提高海洋开发利用水平，掌握重点配套设备集成化、智能化、模块化设计制造核心技术。新型挖泥船的研究对于开发海洋资源、维护南海权益、推动经济发展具有重要意义。

目前的挖泥船主要有耙吸式挖泥船和绞吸式挖泥船。耙吸式挖泥船是利用船体向前航行，带动耙头做单方向的直线运动实现挖泥作业，其在作业过程中需要来回作业和多次调转船体，操纵性能要求高。绞吸式挖泥船是利用船体绕尾部定位桩左右摆动，带动铰刀进行扇形挖泥作业，其在作业过程中需要船体绕桩左右摆动，降低了安全性能，增加了能量消耗。两种挖泥船挖泥作业方式的共同缺点是：单次作业挖泥面积有限，工作效率较低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够提高挖泥效率，同时降低挖泥能耗的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统，其主要由装在船舯位置靠近船底部分的船体上的且用于为挖泥臂的旋转提供动力的旋转机构，用于对挖泥臂的工作状态进行调控的液压调控机构，以及装在挖泥臂尾端的铰刀机构组成。

所述的旋转机构，主要由齿轮传动箱、凹槽轨道、旋转圆盘，以及两个圆盘支臂和挖泥臂支臂组成，其中：齿轮传动箱设有传动齿轮，其与旋转圆盘上的齿相啮合；凹槽轨道装在靠近船体底部，且位于船舯位置，使旋转圆盘仅绕其圆心的铅垂中心轴旋转；旋转圆盘通过两个圆盘支臂分别与对应的挖泥臂支臂铰接；两个挖泥臂支臂固定在液压调控机构的上连接环上，使挖泥臂能在垂直平面内绕水平轴转动。

所述的旋转圆盘，其中心开有通泥孔；其内部开有活动槽，用于液压调控机构的第二液压杆对挖泥臂与船体基平面夹角进行调控时，满足其自身运动所需要的空间条件；其边缘的下部设计为与凹槽轨道相配和的形状，以便其能够正常运转和便于添加润滑油。

所述的液压调控机构，为智能调控机构，装在可伸缩挖泥臂的外缘以及旋转机构的旋转圆盘上的活动槽与挖泥臂的上端之间。

所述的液压调控机构，由挖泥臂、上连接环、下连接环和两根液压杆组成，其中：挖泥臂由挖泥臂上节管、挖泥臂中节管、挖泥臂下节管组成，沿挖泥臂外部轴向分布有第一液压杆，此第一液压杆的上端和下端分别与上连接环、下连接环铰接相连，由此构成液压调控机构的长度伸缩部分，通过第一液压杆的伸缩调节挖泥臂的长度变化；第二液压杆的上端和下端分别与旋转圆盘的活动槽内部、挖泥臂上节管的上端铰接相连，由此构成角度调控部分，通过第二液压杆的伸缩，带动挖泥臂在通过挖泥臂的垂直平面内绕挖泥臂与旋转圆盘的连接点转动，从而改变挖泥臂与船底基平面的夹角。

所述的铰刀机构，主要由铰刀、工作机构和驱动机构组成，铰刀装在挖泥臂末端上，利用该铰刀的切削作用将水下泥土搬离原有位置，并与附近的水混合形成泥浆以便于输送。

所述的工作机构，用于铰刀的正常运转，由铰刀座和铰刀的铰刀齿组成，其中：铰刀齿由高速钢和硬质合金材料制成；铰刀为直槽铰刀或螺旋槽铰刀，其通过铰刀座装在挖泥臂的末端上。

所述的驱动机构，用于铰刀自身的挖泥切削运动以及外部整体的螺旋轨迹运动，其中铰刀自身内部装有电机，该电机驱动铰刀的挖泥切削运动，由旋转机构的齿轮传动箱产生的动力经由旋转圆盘以及连接部分、挖泥臂的传递，实现铰刀的整体的螺旋轨迹运动。

本发明提供的上述的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统，其装在挖泥船上，使挖泥船能实现圆形面域挖泥作业。

本发明应用时，通过旋转机构旋转带动挖泥臂旋转，同时利用液压调控机构调节挖泥臂的长度以及调整挖泥臂与船底基平面的角度，从而使铰刀机构的铰刀沿螺旋线轨迹运动，不断地改变挖泥作业半径和挖泥深度，此工作过程中挖泥船船体不必移动，最终实现圆形面域挖泥作业。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.简化操作步骤，提高安全性和经济性。

利用挖泥臂的旋转来代替船体的运动作为铰刀运动的动力来源，极大程度上减少或避免了主船体的在作业时的运动，降低了作业能耗，同时增加了挖泥作业过程中船体的安全性能。

2.增大单次作业面积，提高工作效率。

将液压系统应用于挖泥臂长度和角度的变化调控上，使挖泥臂的状态有更大的调整空间，同时满足扩大了单次挖泥范围；相对于传统绞吸式挖泥船绕定位桩扇形作业来说，本发明采用螺旋式面作业，增加了单次作业的面积，一定程度上提高了挖泥船的工作效率，我们将该挖泥系统应用在双体船上，并与国内最大的绞吸式挖泥船“天鲸号”对比，估取两者的相关参数：铰刀横移速度v₀＝1m/s，挖泥船移动平均速度v＝2m/s，单次提、落桩时间t_j＝18s，估算得到该系统的挖泥效率约为5100m³/h，超过天鲸号挖泥船该情况下的最大挖泥效率13.3％。

3.通过液压调控机构，对旋转运动、液压系统进行参数调控，间接实现对挖泥工作的调配。通过对齿轮传动速度以及两套液压系统中液压杆的伸缩速度进行统一调控，并检测水域环境，规划挖泥路径，使挖泥作业更具智能性，减少人工的操作。

4.将旋转圆盘作为挖泥臂做旋转运动的动力装置，较传统挖泥船，可以节省能源消耗，同时提高挖泥效率。

附图说明

图1是智能调控系统流程图。

图2是螺旋式挖泥作业路径的示意图。

图3是挖泥装置展开示意图。

图4是挖泥装置展开状态俯视图。

图5是挖泥装置收回放置状态示意图。

图6是挖泥装置工作状态剖视图。

图7是齿轮传动箱与圆盘结合的示意图。

图8是单作用液压缸(左)和双作用液压缸(右)结构示意图。

图9是挖泥臂节管局部示意图。

图10是挖泥作业路径的示意图。

图11是挖泥系统工作流程的示意图。

图12是挖泥系统在双体船上的应用示意图(正视图)。

图13是挖泥系统在双体船上的应用示意图(轴测图)。

图中：1.齿轮传动箱，2.凹槽轨道，3.旋转圆盘，4.通泥孔，5.软管，6.圆盘支臂，7.上连接环，8.第一液压杆，9.挖泥臂支臂，10.挖泥臂上节管，11.挖泥臂中节管，12.挖泥臂下节管，13.下连接环，14.铰刀，15.第二液压杆，16.活动槽，17.传动齿轮。18.密封件

具体实施方式

本发明提供的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统，主要由齿轮驱动的旋转圆盘协同液压驱动的液压臂、液压调控机构组成，通过圆盘旋转带动挖泥臂旋转，同时利用液压系统调节挖泥臂的长度以及调整挖泥臂与船底基平面的角度，从而使铰刀沿螺旋线轨迹运动，不断地改变挖泥作业半径，最终实现圆形面域挖泥作业。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统(可简称挖泥系统)，其结构如图3-图7所示，其在船上的位置如图12、图13所示，主要由装在船舯位置靠近船底部分的船体上的旋转机构，用于对挖泥臂的工作状态进行调控的液压调控机构，以及装在挖泥臂尾端的铰刀机构组成。

所述的旋转机构，用于为挖泥臂的旋转提供动力。该旋转机构主要由齿轮传动箱1、凹槽轨道2、旋转圆盘3、通泥孔4、两个圆盘支臂6和两个挖泥臂支臂9组成，其中：齿轮传动箱1由传动齿轮17组成，该传动齿轮17与旋转圆盘3上的齿相啮合。凹槽轨道2装在靠近船底的位置，且位于船舯，与旋转圆盘3相配合，限定旋转圆盘3的运动为绕通过其圆心的铅垂中心轴的旋转运动。所述旋转圆盘3，其通过两个圆盘支臂6分别与对应的挖泥臂支臂9铰接，挖泥臂支臂9下端固定在液压调控机构的上连接环7上且与其有一定距离，使挖泥臂能在垂直平面内绕水平轴转动；其中心开有通泥孔4；其内部开有活动槽16，用于第二液压杆15调控挖泥臂与船体基平面夹角时，满足其自身运动所需要的空间条件；其边缘的下部设计有与凹槽轨道2相配和的形状，以便能够正常运转，其中也便于添加润滑油，使润滑的效果能够更长、更有效。

所述的旋转机构，其工作过程是：齿轮传动箱1的传动齿轮17通过与旋转圆盘3上的齿相啮合，将动力装置(柴油机)的动力以周向力的形式传递给旋转圆盘3，同时旋转圆盘3与其边缘位于船体上的凹槽轨道2相配合进行旋转运动，通过挖泥臂支臂9和第二液压杆15继续将运动传递给挖泥臂。铰刀机构的铰刀14工作挖掘的泥沙经由挖泥臂的三个节管后，通过通泥孔4、软管5进入船体内部的泥舱进行处理或者储存。

所述的液压调控机构，为智能调控机构，装在可伸缩挖泥臂的外缘以及旋转圆盘3上的活动槽16与挖泥臂的上端之间。该液压调控机构由挖泥臂、上连接环7、下连接环13和两根液压杆组成，其中：挖泥臂由挖泥臂上节管10、挖泥臂中节管11、挖泥臂下节管12组成，沿挖泥臂外部轴向分布有第一液压杆8，此液压杆的上端和下端分别与上连接环7、下连接环13铰接相连，由此构成液压调控机构的长度伸缩部分，通过第一液压杆8的伸缩调节挖泥臂的长度变化。第二液压杆15的上端和下端分别与旋转圆盘3上活动槽16的内部、挖泥臂上节管10的上端铰接相连，由此构成角度调控部分，通过第二液压杆15的伸缩，带动挖泥臂在通过挖泥臂的垂直平面内绕挖泥臂与圆盘3的连接点转动，从而改变挖泥臂与船底基平面的夹角，此转动过程中，第二液压杆15也需要绕挖泥臂上节管10的上端固定点转动，故在旋转圆盘3内部开有活动槽16，不限制第二液压杆15的摆动。上述部件连接部位主要利用铰接装置进行绕连接点的摆动。所述铰接装置是一种连接机构，能限制需要连接在一起的两个构件的位移运动，但对绕连接点的摆动不产生限定；其由固定在对应构件上的绞支座、零件的铰接头、高强度的螺柱构成。

所述的铰刀机构，用于开挖泥土。该铰刀机构是传统绞吸式挖泥船的核心工作机构，我们采用铰刀14主要是因为相比于耙头，铰刀的切削理论能够满足螺旋式的挖泥作业要求，且具有开挖黏土和硬质泥土的能力。该铰刀机构主要由铰刀14、工作机构和驱动机构组成，铰刀14装在挖泥臂末端上，利用该铰刀14的切削作用将水下泥土搬离原有位置，并与附近的水混合形成泥浆以便于输送。

所述的工作机构，用于铰刀的正常运转，由铰刀座和铰刀14的铰刀齿组成，其中：铰刀14的铰刀齿是一种由高速钢和硬质合金组成的齿，铰刀类型多为直槽铰刀和螺旋槽铰刀，铰刀14通过铰刀座装在挖泥臂末端上。当动力传递至铰刀座时，同时配合铰刀14部分内部电机驱动，使铰刀14旋转，铰刀14上的铰刀齿同步旋转，切削泥土，实现挖泥目的。

所述的驱动机构，用于铰刀14自身的挖泥切削运动以及外部整体的螺旋轨迹运动，其中铰刀部分自身内部安装有电机，可驱动供给铰刀的挖泥切削运动，由齿轮箱产生的动力经由旋转圆盘3以及连接部分、挖泥臂的传递，可供给铰刀的整体的螺旋轨迹运动。

本发明提供的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统，其工作过程如下：

本发明中，整套挖泥系统的基本原理是：通过船体上齿轮转动，为旋转圆盘3提供动力，该齿轮工作时，能根据齿轮传动传动比，同时通过调节齿轮的进给速度，设定旋转圆盘的实际旋转速度，再通过连接部分(圆盘支臂6、挖泥臂支臂9、第二液压杆15)以及挖泥臂将运动传递给铰刀14。螺旋式挖泥方式的实现，是利用由第一液压杆为主的液压系统构成的长度伸缩液压系统和由第二液压杆为主的液压系统构成的角度调控液压系统完成对挖泥臂状态的转换，此两种液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构。沿挖泥臂方向的液压杆伸缩，使挖泥节管沿轴向运动，改变了整个挖泥臂的长度，可以适应不同深度水域作业；连接船体底部和挖泥臂的液压杆伸缩，使挖泥臂和船底及平面的夹角改变，推动挖泥臂绕圆盘中心点在竖直面内摆动，在改变挖泥半径的同时，也使得铰刀作业的深度改变。挖泥臂在工作时会改变与船底基平面的夹角，刚性固定不能满足其工作需要，故挖泥臂与圆盘中心连接处采用软管5设计，同时软管5可以减小连接处由于弯曲引起的应力集中，保证工作状态下的安全。

本发明提供的基于螺旋作业方式的可伸缩挖泥系统，其设计的技术方案如下：

(1)适用船型：

该套挖泥系统适用的船型主要有双体船以及船宽比较大的平底船，因为整套挖泥系统的安装对于船体的形状有一定的要求：包括旋转圆盘3的旋转需要和挖泥臂的旋转需要。

为此当整套挖泥系统应用在双体船上时，双体船的中部有足够的空间提供给旋转圆盘3的以及凹槽轨道2的安装设计，能使旋转圆盘能够在水平面内根据需要进行旋转运动，双体船的两个片体形状也需要根据挖泥臂旋转的极限位置进行另外的设计，给挖泥臂的旋转提供几何空间，如图6、图12、图13所示。

(2)挖泥系统设计：

a.液压系统：

挖泥系统共设计有两套液压系统——伸缩调节液压系统和角度调节液压系统。为了实现在不同深度的水域进行作业以及满足面作业的要求，将挖泥臂设计成可伸缩的形式，通过伸缩调节液压系统对挖泥臂的长度进行调控。挖泥臂的上部利用角度调节液压系统连接旋转圆盘与挖泥臂，调控改变挖泥臂与圆盘基平面的夹角，从而改变挖泥面积的半径。

为保证液压杆在伸长和缩短的过程中，液体一直处于受压状态，本项目液压系统采用双作用液压缸设计。单作用液压缸仅往缸的一侧输入流量为Q的液体量，活塞作单向出力运动，回程靠重力、弹簧力或者其他外力；双作用液压缸则分别向缸的两侧输入流量为Q₁和Q₂的液体量，活塞的正反运动均靠液压力来完成，液压缸具体结构如图8所示。

b.旋转圆盘：

挖泥系统与船体连接处采用旋转圆盘设计，通过凹槽轨道2设计进行锁定，即满足了挖泥系统旋转的要求，又提高了挖泥系统和船体的安全性能。旋转圆盘通过斜齿圆柱齿轮传动进行旋转，齿轮传动是传动种类中应用广泛的传动方法。齿轮之间传递力和转矩以达到传递运动的目的。齿轮相互啮合从而传递运动。齿轮传动的种类有很多种，其中斜齿圆柱齿轮的效率很高，例如直齿圆柱齿轮的传动的效率低于斜齿圆柱齿轮的传动。

c.挖泥臂结构：

挖泥臂共分为三节，每节长为10m，共30m。由于相邻节管之间存在相对滑动，上下节连接处采用相关密封件和密封装置进行密封，具体结构示意图如图9所示，以挖泥臂节管10和11为例，保证挖取的泥沙能够通过挖泥臂进入船体，同时保证节管之间能够顺畅地进行滑移和伸缩。

密封部分总体上采用的是静密封和动密封原理，采用动密封原理保证密封面10和11之间正常的相对滑动，常用的是液压油膜；端点处采用的静密封的原理，设置有相应的密封件18，如垫片等，保证液压油膜的渗透泄漏。两者结合，保证液压臂完成正常的伸缩过程。

d.挖泥臂与圆盘连接装置：

挖泥臂在工作时会改变与船底基平面的夹角，刚性固定不能满足其工作需要，故挖泥臂与圆盘中心连接处采用法兰橡胶软管设计，同时橡胶软管可以减小连接处由于弯曲引起的应力集中，保证工作状态下的安全。

本发明所采用的软管5为橡胶软管，其具备清洗容易、使用寿命长、吸湿性低、透气性低等优点，同时橡胶软管也可以实现一定的透明度，能视觉监测内部液体的流动，还具备高温消毒、高压灭菌的优势。橡胶软管的材料用合成的纤维代替原有的棉线和棉布，并将高强度的钢丝加到橡胶软管中。

e.锁架装置设计：

挖泥作业结束后，挖泥臂收缩置于船体底部时，为了保证挖泥臂和第二液压杆15的安全，在船体底部设计了锁架装置。首先挖泥臂利用液压杆的牵引力收缩置于船体，之后锁架装置从原始位置启动，两个零件合并锁定，进而固定挖泥臂的位置，释放连接处液压系统的载荷，既避免了角度调节液压系统的疲劳破坏，又提高了船体航行时的安全性能。

所述的锁架装置，由与船体底部连接在一起的锁架座以及锁架环组成，其中：锁架座由两个对称的半圆内凹的槽型空间，以及对称轴处的旋转轴构成；锁架环是由两个相同的具有宽度的半圆环组成。当锁架环闭合时，锁架环是一个直径稍微大于挖泥臂下节管12直径的圆环装置；当挖泥臂收缩置于船底水平放置时，锁架环打开，将挖泥臂下连接环与铰刀之间的部分套合固定，类似于在挖泥臂外套有一个圆环，圆环即锁架环通过锁架座拉持固定，给予挖泥臂一个向上的拉力。

f.铰刀14选用：

铰刀14是绞吸式挖泥船的核心工作机构，其利用铰刀的切削作用将水下泥土搬离原有位置并与附近的水混合形成泥浆以便于输送。

本发明采用电机驱动的铰刀作为挖泥设备，其主要原因是相比于耙头，铰刀的切削理论能够满足螺旋式的挖泥作业要求，且具有开挖黏土和硬质泥土的能力。电机驱动与液压驱动相比，电机驱动可以保持高负载工作而不会出现失速现象，这是因为电动机虽然会因高速旋转产生较大的旋转惯量发生飞轮效应，但是传动系统中的长轴通过扭矩传递反而抵消飞轮效应造成的影响，从而保持高负载正常运转。另一方面，铰刀头在切削过程中，也会提供一部分与铰刀运动方向相同的力，有利于旋转装置的运行。

(3)液压调控机构：

a.协调控制实现螺旋式作业：

阿基米德螺旋线(阿基米德曲线)，亦称“等速螺线”。当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺旋线”。本发明中，假设铰刀直径为a,工作线速度为v₀，挖泥深度h₀(由水域深度h和工程目标决定)，在泥土表面建立xoy坐标系，铰刀在泥土表面的投影为原点O，沿船长方向为x轴，船宽方向为y轴。铰刀在工作过程中沿阿基米德螺旋线运动，如图2所示，螺旋线方程为：

r＝aθ

式中：r表示铰刀到原点的距离，a表示螺距，即铰刀直径，θ表示铰刀到原点形成的角度。

工作过程中，铰刀所走路程等于螺旋线弧长，得到挖泥臂的长度、圆盘角速度和角度液压杆的长度都是关于t的函数：

式中：l表示挖泥臂的长度，r表示铰刀到原点的距离，h₀表示挖泥深度，a表示螺距(即铰刀直径)，θ表示铰刀到原点形成的角度，w(t)表示圆盘角速度，v₀表示铰刀工作线速度，l_y表示度液压杆的长度，2.5m表示挖泥臂铰接处距圆盘下底的距离，4m表示旋转液压杆距圆盘中心的水平距离，r表示铰刀到原点的距离。

由公式中可以看到，当装置参数确定时，三个方向上的运动(第一液压杆8的伸缩，旋转圆盘3的旋转，第二液压杆15的伸缩)都由h₀来确定。因此当检测到水域深度h时，便可得出挖泥装置的单次螺旋式挖泥路径，系统控制流程如图1所示。

b.作业路径规划：

首先检测作业水域参数，得到水域深度h及其形状、面积作为输入量。由输入量h可以得到单次螺旋式挖泥面积s，结合输作业水域的形状、面积可规划出螺旋式挖泥作业区域；同时，系统算法智能规划出船体运动的最优路径。

所述系统算法是一套结合外部实际作业环境的检测反馈，自行调节各部分工作状态的工作系统，以水深为代表，同时考虑挖泥面域的参数，调整挖泥臂长度、挖泥臂与船体基平面的夹角以及旋转圆盘3的旋转速度(齿轮箱的进给速度或传动比)的工作状态参数，由之前部分的论述可知三者都是时间的参数，能模拟出一套函数算法得出调控系统。

在一次螺旋式挖泥作业过程中，由圆盘旋转、挖泥臂伸缩、角度液压杆控制函数协同调控，得到输出量圆盘转动角速度w、挖泥臂长度l和角度液压杆长度l_y。智能控制系统由输出量w、l、l_y分别控制斜齿圆柱齿轮电机和液压系统控制元件工作，实现圆盘转动和液压系统的协同配合，完成一次螺旋式挖泥作业，其流程如图1所示。

一次螺旋式挖泥作业过程完成后，船体运动控制函数给出输出量船体运动艏向角ψ、移动距离L。船体根据输出量ψ、L控制螺旋桨及侧推进器工作，如图1所示，沿规划路径运动到指定位置继续挖泥。本项目组以矩形区域为例，对该区域挖泥作业路径规划如图10所示，图中灰色区域表示螺旋式挖泥作业区域，图10中细箭头表示在开阔海域作业(如围海造地)的船体运动路径，图10中粗箭头表示在特定水域作业(如港口清淤)的船体运动路径。

整个挖泥过程输入量的检测与获取，挖泥作业区域规划及整套挖泥装置的工作调控，均由液压调控机构完成，最终实现了对特定水域挖泥作业(如水域环境特定的港口等)的全程智能调控。