一种无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备

本发明涉及清淤设备领域，具体涉及到一种以港口码头后方等狭窄地形为主要作业区域的无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备。

背景技术：

港口作为水陆交通的枢纽和集结点，是实现外向型经济的窗口，为国家经济建设和对外贸易的发展提供基础性支撑。然而，随着大型港口码头逐渐步入老龄化，老旧码头安全运营保障及转型升级已迫在眉睫。港口码头通常存在回淤区淤积严重的问题，淤泥长期淤积在码头后方的狭长地带。不同于普通的淤积区域一般在开阔海域，码头后方的作业环境给清淤船的进入和清淤作业带来了很大的困难。基于回淤区表层时而淹没，时而暴露的情况，在行进作业方式上需要考虑两种作业状态，以拓宽装备的适用性。

1600年荷兰制造成功最原始的绞吸式挖泥船。二战结束后，大规模的经济建设在全世界范围内迅速展开，给清淤设备的发展创造了有利条件，新技术、新装备、新船型不断问世。1969年，日本北海道开发局施工机械研究所为解决北海道地区河道治理的需要，研制出kad8c型河道挖掘机。它是把绞吸式挖掘装置安装在低比压浮箱履带式行走底盘上，兼有绞吸式挖泥船和两栖类行走机械的双重特点。

1983年10月，水利电力部长春机械所与江苏省水总船厂经过反复的研究实验，共同研制出slxqy-40型水陆两用清淤机。清淤机主要由绞刀、吸泥管、刀臂、摆臂架、泥浆泵、排泥管、定位系统、行走机构和排泥管浮筒组成。2017年，中交第三航务工程局有限公司宁波分公司根据码头淤积情况，采用了拼装式绞吸船结合自吸泵工作船，通过设置减载沟快速减载，合理组织施工，及时完成清淤任务。

但是，上述技术中存在绞吸船体型庞大，不能水路两栖进行清淤作业的问题，并不适应码头后方为主要作业区域的要求。基于上述问题，必须对港口码头实施系统化、高水平、科学化的清淤减载工作，继而有效缓解港口码头的淤积问题，研发适用于码头后方浅窄水域的新型清淤减载装备，从根本上解决码头后方回淤严重导致的桩基失稳问题，为保障大型港口码头安全运营及转型升级提供技术支持。绞吸头的运动范围及其运动控制、装备行进方式和固定方式是清淤装备研究的关键技术，另外对于清理出的淤泥如何输送和处理也囊括在清淤设备的考虑范围内。动力传动是陆栖作业的关键，姿态控制是水栖作业的关键，以上便是进行绞吸束射清淤装备的重难点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备，该设备包括清淤机构、行进及辅助作业机构、动力传动机构、主框架和电控舱；其中，清淤机构包括绞吸头、泥浆泵和泥浆管；行进及辅助作业机构包括履带式行走机构、螺旋桨推进器、定位桩和浮筒；动力传动机构包括电池舱、电机、液压齿轮马达、液压油缸和齿轮传动部件；各部件的连接关系为：

主框架安装在履带式行走机构的底部支撑板上；在主框架的前侧装有两段式折臂，其折臂上段装有绞吸头和泥浆管，泥浆管连接至泥浆泵；在折臂下段的两侧固定设置两组液压油缸，其油缸活塞杆的末端与折臂上段相连用于驱动折臂竖向移动；在主框架的后侧固定安装由第一电机驱动的螺旋桨推进器，在主框架的左右两侧分别固定安装浮筒；在主框架中心设有竖向的定位柱，其下端穿过底部支撑板，上端连接至另一组液压油缸的油缸活塞杆；由第二电机驱动的液压齿轮马达通过管路连接至各液压油缸和泥浆泵，各电机通过线缆连接电池舱，电控舱中的主控板上设有mems传感器和无线通信模块；所述电控舱、电池舱、泥浆泵、电机和液压齿轮马达均固定在主框架中的配件放置层中。

本发明中，所述履带式行走机构中，由履带大梁、弹簧、张紧轮和支重轮构成履带的内支撑，由差速器、圆锥齿轮、轮轴、传动杆、传动齿轮和电机构成传动与转向机构；其中，弹簧设于履带支架和履带大梁之间，在履带与履带支架之间、履带与履带大梁之间分别设支重轮，履带两端的张紧轮分别由两根轮轴连接用于带动履带运转。

本发明中，所述底部支撑板的中央设有环形底盘，主框架底部通过轴承活动安装在底盘上，并能在液压油缸和齿轮传动部件的驱动下作相对转动。

本发明中，所述折臂下段通过关节部件安装在主框架的前侧，关节部件的两侧固定设置一组液压油缸，其油缸活塞杆的末端与折臂下段相连用于驱动折臂横向移动。

本发明中，所述绞吸头的前端设置绞刀，绞刀由底圈、轮毂、刀臂、刀齿四个部分构成；绞吸头通过管路连接至所述液压齿轮马达，通过液压方式驱动绞刀运转。

本发明中，所述主框架的顶部设置用于吊装的吊环。

本发明中，所述主框架的前侧设置用于实时监控的摄像头。

本发明中，所述履带式行走机构中设置锁定机构，用于锁定张紧轮防止履带打滑。

本发明中，在电池舱内部于电池和舱壁的间隙中充满用于防水的绝缘油。

本发明中，在电控舱的舱壁与其封盖之间，设有用于防水的o形橡胶密封圈；电控舱的舱壁外固定安装天线，并通过线缆连接至主控板上的无线通信模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中的无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备，能够用于港口码头等回淤区的狭长地带作业，具备水路两栖作业能力，具备更广泛的适应性；

2、本发明首次将mems传感器用于清淤装备上，能够配合电控系统对清淤装置的位置姿态进行实时调整，可以实现对侧翻等危险状态的提前判断和系统姿态控制；

3、本发明利用多个液压油缸驱动折臂及主框架，使绞吸头端部的绞刀可以到达清淤作业区表层的任意地点；

4、淤泥管道与绞吸头、泥浆泵相连，能实现淤泥的实时收集与传输，以将淤泥输送到后方或者堆积场实现对淤泥的实时处理；

5、履带行进方式使得路栖作业具有很好的适应性，主框架两侧外加的浮筒可以在水栖作业时正常行进，并且能通过定位桩实现水面定位，很好的实现了水陆两栖的作业；

6、通过摄像机和无线通信模块、天线的配合，可以实现远程操控；无需传统清淤设备那样由操作员亲自进入作业区，能确保人员安全、减少人力资源投入。

附图说明

图1为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的主体结构；

图2为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的行进机构示意图；

图3为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的履带底座侧视图；

图4为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的主框架；

图5为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的绞吸头；

图6为本发明中码头后方绞吸束射清淤装备的充油电池舱。

图中，1绞吸头、2履带式行走机构、3液压油缸、4泥浆泵、5主框架、6电机、7低压接线盒、8电控舱、9阀箱、10电源、11圆锥齿轮、12张紧轮、13底盘、14底部支撑板、15履带、16大支重轮、17小支重轮、18履带支架、19弹簧、20履带大梁、21吊环、22配件放置层、23防护垫、24油缸活塞杆、25泥浆管夹板、26泥浆管、27绞刀、28开关、29长杆、30转接头、31定位柱、32折臂。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例中提及多个技术特征虽然并未在图中示出(如螺旋桨推进器、电池舱、液压齿轮马达、轮轴、传动杆、传动齿轮等)，但本领域技术人员根据其掌握的知识和学习能力，可以轻易了解相应内容，因而不会对理解本发明技术本质造成任何影响。

如图1所示，无人驾驶的绞吸束射式水陆两栖行走清淤装备括清淤机构、行进及辅助作业机构、动力传动机构、主框架5和电控舱8；其中，清淤机构包括绞吸头1、泥浆泵4和泥浆管26；行进及辅助作业机构包括履带式行走机构2、螺旋桨推进器、定位桩31和浮筒；动力传动机构包括电池舱、电机6、液压齿轮马达、液压油缸和齿轮传动部件。

主框架5的顶部设置用于吊装的吊环21，在其顶部前侧设置用于实时监控的摄像头。在主框架5的前侧装有两段式折臂32，其折臂上段装有绞吸头1和泥浆管26，泥浆管26由泥浆管夹板25固定在折臂上段上，并连接至立式泥浆泵4；绞吸头1的前端设置绞刀，绞刀由底圈、轮毂、刀臂、刀齿四个部分构成；绞吸头1通过管路连接至液压齿轮马达，通过液压方式驱动绞刀运转。

在折臂下段的两侧固定设置两组液压油缸3，其油缸活塞杆的末端与折臂上段相连用于驱动折臂32竖向移动；折臂下段通过关节部件安装在主框架5的前侧，关节部件的两侧固定设置第三组液压油缸，其油缸活塞杆的末端与折臂下段相连用于驱动折臂32横向移动。

在主框架5的后侧固定安装由第一电机驱动的螺旋桨推进器，在主框架5的左右两侧分别固定安装高强度耐腐蚀钢板焊成的浮筒；在主框架5中心设有竖向的定位柱31，其下端穿过底部支撑板14，上端连接至第四组液压油缸的油缸活塞杆；由第二电机驱动的液压齿轮马达通过管路连接至各液压油缸和泥浆泵4，各电机通过线缆连接电池舱，电控舱8中的主控板上设有mems传感器和无线通信模块；所述电控舱8、电池舱、泥浆泵4、各电机和液压齿轮马达均固定在主框架5中的配件放置层22中。在电池舱内部于电池和舱壁的间隙中充满用于防水的绝缘油。在电控舱8的舱壁与其封盖之间，设有用于防水的o形橡胶密封圈；电控舱8的舱壁外固定安装天线，并通过线缆连接至主控板上的无线通信模块。

主框架5安装在履带式行走机构2的底部支撑板14上；底部支撑板14的中央设有环形底盘13，主框架5的底部通过轴承活动安装在底盘13上，并能在第五组液压油缸和齿轮传动部件的驱动下作相对转动。

在履带式行走机构2中，由履带大梁20、弹簧19、张紧轮12和大支重轮16、小支重轮17构成履带15的内支撑，由差速器、圆锥齿轮11、轮轴、传动杆、传动齿轮和电机构成传动与转向机构；其中，弹簧19设于履带支架118和履带大梁20之间，在履带15与履带支架18之间设小支重轮17、履带15与履带大梁20之间大支重轮16，履带15两端的张紧轮12分别由两根轮轴连接，用于带动履带15运转。履带式行走机构2中设置锁定机构，用于锁定张紧轮12防止履带15打滑。

进一步的说明如下：

本发明中，履带15为路栖作业下的行进提供了稳定的条件，配合以mems姿态传感器和转向机构实现对绞吸束射清淤装备姿态的实时获取和调整。在路栖作业时，由于回淤区的土层表面相对松软，轮式行进设备在软质土表层行进相对困难；行进方向与速度难以精确控制，打滑情况时有发生，采用履带在泥泞区具有较好的行进效率。采用附加浮筒的方式，在涨潮情况下进行水栖作业时，整个清淤装置在浮筒下处于漂浮状态；利用电机驱动的螺旋桨推进器实现行进，在到达作业区域后利用液压油缸驱动定位柱31，使整个设备以定位柱31为转动中心进行清淤作业。浮筒和螺旋桨推进器可以根据作业区域的实际情况进行装配或拆卸。

绞吸头1是绞吸束射清淤装备的核心部件，本发明针对狭窄作业地形条件下清淤装备整体移动困难的问题，将绞吸头的固定部件折臂32设计成可以进行位置调节的方式，以实现对行进死角的针对性清淤工作。将绞吸头1安装于折臂32，折臂32的竖向弯折由两个液压油缸负责，可以实现绞吸头1在竖直平面内的移动，竖直平面与地面的交界线即绞吸头可以进行作业的直线范围。另外再利用第三个液压缸，负责整体折臂的左右移动；线动成面，可以实现整个地形表平面的清淤作业。

本发明动力系统中，第一个电机用于驱动的螺旋桨推进器，第二个电机6用于驱动液压齿轮马达，后者通过管路连接至各液压油缸和泥浆泵4。绞吸头1需要提供巨大的扭矩，需采用能量密度较大的液压系统。泥浆泵4是水力输送泥浆的关键设备，其性能直接影响生产效率。本发明采用液压齿轮马达驱动，当输送工况(输距、排高)发生变化时，可以方便地调节泥浆泵4的转速,使其始终处在一个较高效率区工作。

绞刀27是绞吸束射清淤装备破土的重要部件，绞吸清淤船的工作能力和使用范围很大程度上是由绞刀27的转动功率决定的。绞刀27的类型、直径、高度、转速以及切削功率，直接影响绞吸装备的输泥量。绞刀27需要兼具切削及破碎的能力，以保证被切削下来的疏浚土与海水可良好地进行混合。为此，本发明中的绞吸头1通过管路连接至液压齿轮马达，采用液压方式驱动绞刀运转。绞刀27由底圈、轮毂、刀臂、刀齿四个部分构成，具备结构简单可靠、拆装维修方便、耐磨性好、使用寿命长等特点，其结构形式采用现有技术，本发明不做特别要求。

履带式行走机构2是绞吸束射清淤装备的主要执行部件，由张紧轮12带动履带15进行转动，履带15转动带动整个装备行进。在行进过程中弹簧19起到减震的作用，履带支架18构成了履带的刚性骨架，与履带15柔性结构的结合使得履带可以承压也可以有好的地形适应性。

电控舱8是绞吸束射清淤装备的主要控制部分，控制着装备的行进、转向、泥浆泵转速等。其中，装备的姿态控制是利用mems传感器进行三维位置姿态获取，在不同的作业条件下采用履带15或螺旋桨推进器进行姿态调整。对于获取的姿态信息进行处理，分析打滑、下陷等危险状况进行特征标记，用于后期的危险状态识别。除此之外，利用摄像头以“驾驶员”的虚拟第一视角，进行相关的动作判断，遥控清淤装备进行困难死角的清理。通过在电控舱8中内置无线通讯模块，实现清淤装备的远程操作。

电池舱的外部设置开关28、长杆29和转接头30；其中，开关28控制电源的闭合与开启；长杆29用于充油电池舱端盖的限位，使其实现侧向开合；转接头30用于充油电池舱与外部的供电连接。低压接线盒7用于绞吸束射清淤装备的控制电路的接线。阀箱9用于绞吸束射清淤装备的液压系统。防护垫23用于防止绞吸束射装备主框架的撞击损坏变形。

在绞吸束射清淤装备中，泥浆泵4和绞吸头1是主要的重量来源，通过在配件放置层22中合理配置电控舱8、电池舱、泥浆泵4、各电机和液压齿轮马达等部件的重量和安装位置，可以压低装备重心使其行驶平稳。考虑到绞吸头1的强大反作用力，通过在履带式行走机构2上安装锁死机构防止打滑。在水栖作业时，采取定位桩31进行定位以辅助作业。

绞吸束射清淤装备作业过程示例：

1、在目标港口回淤区下放绞吸束射清淤装备；

2、利用履带或螺旋桨推进器行进至作业区，一般为狭长的港口后方回淤区；

3、根据作业环境(港口水位)确定作业方式，水栖作业时利用浮筒和螺旋桨推进器移动，并下插定位桩固定装备；路栖作业时控制履带的进行方向、速率，在裸露的海床上运动；

4、远程控制液压油缸，实现绞吸头的方向调整和动作控制；绞刀用于淤泥和海水的混合，形成悬浮液。利用泥浆泵抽吸悬浮液，进行淤泥的收集和处理，泥浆在管道内经过过滤、处理，最后堆积在码头等待处理或由后方海水带回大海。

5、清淤作业完成后，利用履带或螺旋桨推进器行进到岸边，结束作业。