疏浚作业模拟装置的制作方法

本发明属于疏浚领域，具体涉及一种疏浚作业模拟装置。

背景技术：

疏浚工程广泛应用于开挖新航道、港口和运河，浚深、加宽和清理现有航道和港口，疏通河道、渠道，水库清淤，开挖码头、船坞、船闸等水工建筑物基坑，清除水下障碍物等领域。目前国内疏浚工程船舶作业时对于不同工况，动力系统的匹配主要靠经验选择，虽然能够达到疏浚工程目的，但是费时费力，施工效率低下。因此，需要设计一种疏浚作业模拟装置，用来模拟疏浚船作业过程中船的步进、升降以及转动功能，同时采集相关数据，根据统计和分析得到的数据，优化动力系统的匹配。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种疏浚作业模拟装置，该装置可以模拟疏浚船作业时的步进、旋转和升降，对于实际施工中不同的作业方式都能实现模拟，适于各种不同土质的疏浚。

本发明所采用的技术方案是：

一种疏浚作业模拟装置，包括疏浚池、设在疏浚池顶部两侧的导轨、横跨在两侧导轨上且能够沿导轨移动的机架，机架上设有竖向的主轴、能够带动主轴旋转且旋转速度可调的旋转机构、能够带动主轴升降的升降机构，主轴底部通过角度调节机构与疏浚绞刀连接，角度调节机构能够带动疏浚绞刀绕主轴摆动或者固定并且摆动时速度可调。

进一步地，旋转机构包括依次连接的旋转电机、第一减速器、第一联轴器、蜗杆以及与蜗杆啮合的蜗轮，蜗轮套在主轴上且能够带动主轴同步旋转，蜗轮轴向定位固定。

进一步地，旋转电机是电磁调速电机，第一减速器是蜗轮蜗杆减速器。

进一步地，蜗轮和蜗杆均设在蜗轮蜗杆副箱体内，蜗杆水平设置且轴向定位固定在蜗轮蜗杆副箱体上，蜗杆两端均与蜗轮蜗杆副箱体密封，蜗轮蜗杆副箱体底部用于伸出主轴的开口密封。

进一步地，升降机构包括依次连接的升降电机、第二减速器、第二联轴器和传动轴以及套在传动轴上的齿轮、与齿轮啮合的齿条套、约束齿条套只能轴向移动的齿条套外壳，传动轴能够带动齿轮同步旋转，齿轮轴向定位固定，齿条套空套在主轴上且能够带动主轴同步升降，齿条套外壁上加工有直齿条，齿轮与直齿条啮合。

进一步地，升降电机为抱闸式伺服电机，第二减速器为蜗轮蜗杆减速器。

进一步地，主轴上设有螺纹段，螺纹段上配合的套有螺母，螺母下方套有轴承，齿条套底部通过主轴底部突出部分轴向定位、顶部通过套在主轴上的轴承和螺母轴向定位。

进一步地，螺母和主轴螺纹段部分上均设有相互配合的键槽，螺母旋入主轴后，键能够伸入螺母和主轴螺纹段部分上的键槽内。

进一步地，角度调节机构包括顶部固定在主轴底部的连接架、顶部与连接架底部铰接的绞刀刀架、两端分别与连接架和绞刀刀架铰接的液压杆，疏浚绞刀设在绞刀刀架上。

进一步地，连接架和绞刀刀架之间通过铰接轴铰接，铰接轴设在连接架底部，铰接轴的两端伸出连接架外，铰接轴的两端分别通过轴承设在绞刀刀架上。

本发明的有益效果是：

1.机架带动主轴、旋转机构、升降机构、角度调节机构和疏浚绞刀整体移动，实现了步进，主轴分别在旋转机构和升降机构的作用下分别带动疏浚绞刀旋转和升降，该装置可以模拟疏浚船作业时的步进、旋转和升降，对于实际施工中不同的作业方式都能实现模拟；主轴旋转速度可调，疏浚绞刀在水平面内挖泥的角速度可以改变，疏浚绞刀摆动速度可调，故疏浚绞刀在铅垂面内挖泥的角速度可以改变，该装置在实际实验中可以根据具体的疏浚土质来加快或减慢施工速度，适于各种（如，淤泥、粘土和珊瑚岩等）不同土质的疏浚。

2.旋转电机输出的动力经第一减速器减速后通过第一连轴器传向蜗杆，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动主轴同步旋转，其中，蜗轮蜗杆具有自锁功能，当主轴静止，而角度调节机构带动疏浚绞刀摆动时，在疏浚绞刀挖泥的过程中能够可靠的保证疏浚绞刀挖泥轨迹不发生横向偏移。

3.电磁调速电机可以远程调速，第一减速器采用蜗轮蜗杆减速器，增强了自锁性能。

4.蜗轮和蜗杆均轴向固定、传动稳固，蜗轮和蜗杆设在蜗轮蜗杆副箱体内，蜗轮蜗杆副箱体底部和蜗杆开口处的开口均密封，便于防尘和润滑。

5.升降电机输出的动力经第二减速器减速后通过第二联轴器传到传动轴，传动轴带动齿轮同步旋转，齿轮带动齿条套在齿条套外壳内上升或下降，齿条套带动主轴同步上升或下降。

6.第二减速器采用蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能，当升降电机停止后，第二减速器的自锁蜗轮蜗杆副使主轴的升降停止下来，并防止主轴发生轴向运动，如果万一第二减速器自锁失灵，升降电机采用抱闸式伺服电机，会将电机抱死，起到双重保险作用。

7.齿条套相对于主轴轴向定位固定，能够带动主轴同步升降，轴承起到了分隔齿条套和主轴的作用，保证了主轴和齿条套之间的间隙，防止主轴旋转带动齿条套旋转。

8.螺母与主轴通过螺纹和键双重连接，有效的防止了螺母的旋转和脱出。

9.连接架在竖直面上的角度不变，液压杆通过控制伸出或回缩的长度即可调整连接架和绞刀刀架之间摆动的角度，即控制疏浚绞刀绕主轴摆动的角度，液压杆通过控制伸出或回缩的速度，即可控制疏浚绞刀绕主轴摆动的速度。

10.铰接处采用铰接轴和轴承的设置，便于减小摆动阻力、增强了抗冲击能力，提高了连接架和绞刀刀架的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例旋转机构中蜗轮轴向的剖视图。

图3是本发明实施例旋转机构中蜗杆轴向的剖视图。

图4是本发明实施例升降机构中传动轴轴向的剖视图。

图5是本发明实施例中主轴的结构示意图。

图6是本发明实施例中角度调节机构的结构示意图。

图7是本发明实施例中机架的结构示意图。

图8是本发明实施例中齿条套的结构示意图。

图中：1-立柱；2-升降电机；3-第二减速器；4-第二联轴器；5-传动轴；6-调心滚子轴承；7-螺母；8-止动垫圈；9-蜗轮蜗杆副箱体；10-主轴；11-齿条套；12-第一联轴器；13-第一减速器；14-旋转电机；15-台架；16-导轨；17-机架；18-液压泵；19-液压杆；20-疏浚绞刀；21-绞刀刀架；22-连接架；23-齿条套外壳；24-疏浚池；25-蜗轮；26-花键套；27-端盖；28-圆锥滚子轴承；29-密封垫圈；30-密封圈；31-密封毡圈；32-密封垫片；33-蜗杆；34-键；35-齿轮；36-轴肩；37-花键段；38-螺纹段；39-键槽；40-法兰盘；41-铰接轴；42-齿条套抱紧装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种疏浚作业模拟装置，包括疏浚池24、设在疏浚池24顶部两侧的导轨16（导轨16通过立柱1固定在疏浚池2顶部，立柱1用于抬高导轨16高度）、横跨在两侧导轨16上且能够沿导轨16移动的机架17（机架17采用条形框架结构，自重轻），机架17上设有竖向的主轴10、能够带动主轴10旋转且旋转速度可调的旋转机构、能够带动主轴10升降的升降机构，主轴10底部通过角度调节机构与疏浚绞刀20连接，角度调节机构能够带动疏浚绞刀20绕主轴10摆动或者固定并且摆动时速度可调（工作时，疏浚绞刀20与主轴10之间的摆动角度控制在90度至150度之间）。

机架17带动主轴10、旋转机构、升降机构、角度调节机构和疏浚绞刀20整体移动，实现了步进，主轴10分别在旋转机构和升降机构的作用下分别带动疏浚绞刀20旋转和升降，该装置可以模拟疏浚船作业时的步进、旋转和升降，对于实际施工中不同的作业方式都能实现模拟；主轴10旋转速度可调，疏浚绞刀20在水平面内挖泥的角速度可以改变，疏浚绞刀20摆动速度可调，故疏浚绞刀20在铅垂面内挖泥的角速度可以改变，该装置在实际实验中可以根据具体的疏浚土质来加快或减慢施工速度，适于各种（如，淤泥、粘土和珊瑚岩等）不同土质的疏浚。

如图1、图2和图3所示，在本实施例中，旋转机构包括依次连接的旋转电机14、第一减速器13、第一联轴器12、蜗杆33以及与蜗杆33啮合的蜗轮25（旋转电机14和第一减速器123均安装在台架15上，台架15安装在机架17上，台架15用于抬高旋转电机14和第一减速器13的高度），蜗轮25套在主轴10上且能够带动主轴10同步旋转(主轴10与蜗轮25之间设有花键套26，主轴10与花键套26之间以及花键套26与蜗轮25之间均通过花键连接)，蜗轮25轴向定位固定(蜗轮25两端分别通过花键套26凸缘和套在花键套26上的轴肩36轴向定位固定，花键套26两端通过圆锥滚子轴承28和蜗轮端盖27轴向定位固定)。旋转电机14输出的动力经第一减速器13减速后通过第一连轴器12传向蜗杆33，蜗杆33带动蜗轮25旋转，蜗轮25带动主轴10同步旋转，其中，蜗轮25蜗杆33具有自锁功能，当主轴10静止，而角度调节机构带动疏浚绞刀20摆动时，在疏浚绞刀20挖泥的过程中能够可靠的保证疏浚绞刀20挖泥轨迹不发生横向偏移。

在本实施例中，旋转电机14是电磁调速电机，第一减速器13是蜗轮蜗杆减速器，第一联轴器12是凸缘连轴器。电磁调速电机可以远程调速，第一减速器13采用蜗轮蜗杆减速器，增强了自锁性能。

如图1、图2和图3所示，在本实施例中，蜗轮25和蜗杆33均设在蜗轮蜗杆副箱体9内，蜗杆33水平设置且轴向定位固定在蜗轮蜗杆副箱体9上（蜗杆33的两端均通过圆锥滚子轴承28和蜗杆端盖27轴向定位固定），蜗杆33两端均与蜗轮蜗杆副箱体9密封（蜗杆端盖27与蜗轮蜗杆副箱体9之间通过密封垫片32密封，蜗杆33输入端与蜗杆端盖27之间通过密封毡圈31密封），蜗轮蜗杆副箱体9底部用于伸出主轴10的开口密封（位于底部的蜗轮端盖27与蜗轮蜗杆副箱体9之间通过密封垫圈29密封，位于底部的蜗轮端盖27与花键套26之间通过密封圈30密封）。蜗轮25和蜗杆33均轴向固定、传动稳固，蜗轮25和蜗杆33设在蜗轮蜗杆副箱体9内，蜗轮蜗杆副箱体9底部和蜗杆33开口处的开口均密封，便于防尘和润滑。

如图1和图4所示，在本实施例中，升降机构包括依次连接的升降电机2、第二减速器3、第二联轴器4和传动轴5以及套在传动轴5上的齿轮35、与齿轮35啮合的齿条套11、约束齿条套11只能轴向移动的齿条套外壳23（升降电机2固定在第二减速器3上，第二减速器3直接固定在机架17上，齿条套外壳23固定在机架17上，蜗轮蜗杆副箱体9固定在齿条套外壳23顶部且相通，齿条套11与齿条套外壳23的接触面均为光表面），传动轴5能够带动齿轮35同步旋转（传动轴5与齿轮35通过键34连接），齿轮35轴向定位固定（齿轮35两端分别通过传动轴5凸缘和套在传动轴5上的轴肩36轴向定位，传动轴5通过圆锥滚子轴承28和传动轴端盖27轴向定位），齿条套11空套在主轴10上且能够带动主轴10同步升降，齿条套10外壁上加工有直齿条（直齿条长为1.3米），齿轮35与直齿条啮合。升降电机2输出的动力经第二减速器3减速后通过第二联轴器4传到传动轴5，传动轴5带动齿轮35同步旋转，齿轮35带动齿条套11在齿条套外壳23内上升或下降，齿条套11带动主轴10同步上升或下降。

在本实施例中，升降电机2为抱闸式伺服电机，第二减速器3为蜗轮蜗杆减速器，第二联轴器4为凸缘联轴器。第二减速器3采用蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能，当升降电机2停止后，第二减速器3的自锁蜗轮蜗杆副使主轴10的升降停止下来，并防止主轴10发生轴向运动，如果万一第二减速器3自锁失灵，升降电机2采用抱闸式伺服电机，会将电机抱死，起到双重保险作用。

如图7所示，作为一种安全防护，还可以在齿条套外壳23内设置齿条套抱紧装置42，当主轴10静止时，齿条套抱紧装置42开启，齿条抱紧装置42可以产生很大的抱紧力，使得齿条套11和主轴10不发生轴向运动。

如图1和图5所示，在本实施例中，主轴10上设有螺纹段38（主轴10从上到下依次为花键段37、螺纹段38和法兰盘40，法兰盘40采用整体铸造成型，花键段37长为1.5米），螺纹段38上配合的套有螺母7（螺母7之间设有止动垫圈8），螺母7下方套有调心滚子轴承6，齿条套11底部通过主轴10底部突出部分（法兰盘40）轴向定位、顶部通过套在主轴10上的调心滚子轴承6和螺母7轴向定位。齿条套11相对于主轴10轴向定位固定，能够带动主轴10同步升降，调心滚子轴承6起到了分隔齿条套11和主轴10的作用，保证了主轴10和齿条套11之间的间隙，防止主轴10旋转带动齿条套11旋转。

如图5所示，在本实施例中，螺母7和主轴10螺纹段38部分上均设有相互配合的键槽39，螺母7旋入主轴10后，键34能够伸入螺母7和主轴10螺纹段38部分上的键槽39内。螺母7与主轴10通过螺纹和键34双重连接，有效的防止了螺母7的旋转和脱出。

如图1和图6所示，在本实施例中，角度调节机构包括顶部固定在主轴10底部的连接架22、顶部与连接架22底部铰接的绞刀刀架21、两端分别与连接架22和绞刀刀架21铰接的液压杆19（液压杆19由液压泵18供能，液压泵18设在机架17上），疏浚绞刀20设在绞刀刀架21上。连接架22在竖直面上的角度不变，液压杆19通过控制伸出或回缩的长度即可调整连接架22和绞刀刀架21之间摆动的角度，即控制疏浚绞刀20绕主轴10摆动的角度，液压杆19通过控制伸出或回缩的速度，即可控制疏浚绞刀20绕主轴10摆动的速度。

如图6所示，在本实施例中，连接架22和绞刀刀架21之间通过铰接轴41铰接，铰接轴41设在连接架22底部（铰接轴41与连接架22通过键34连接），铰接轴41的两端伸出连接架22外，铰接轴41的两端分别通过圆锥滚子轴承28设在绞刀刀架21上（铰接轴41上的圆锥滚子轴承28外侧通过端盖27轴向定位、内侧通过铰接轴41凸缘或套在铰接轴41上的轴肩36轴向定位）。铰接处采用铰接轴41和圆锥滚子轴承28的设置，便于减小摆动阻力、增强了抗冲击能力，提高了连接架22和绞刀刀架21的使用寿命。

本发明的的工作原理如下：

作业前，在疏浚池24中将实验土质摆放好，并使液压杆19的行程为零（使连接架22与绞刀刀架21的角度固定在最小值）。工作时，旋转电机14转动，动力经由第一减速器13和第一联轴器12传入蜗杆33，蜗杆33带动蜗轮25旋转，蜗轮25带动花键套26和主轴10旋转，液压杆19带动绞刀刀架21摆动，疏浚绞刀20在电机作用下沿其中心轴自转，当摆动角度从左止点向右止点时，旋转电机14停止转动，升降电机2转动，通过第二减速器3和第二联轴器4带动传动轴5转动，传动轴5带动齿轮35同步转动，齿轮35通过齿条套11带动主轴10、角度调节机构和疏浚绞刀20整体向下移动，在移动15厘米后升降电机2停止转动，此时旋转电机14反向转动，绞刀角度调节机构从右止点向左止点运动，当齿条套11移动到最大行程时，液压泵18向液压杆19中注入液压油，使液压杆19伸长，从而加大绞刀刀架21与连接架22之间的角度，当疏浚绞刀20的位置继续下降到一定位置时液压泵18停止注油，旋转电机17驱动疏浚绞刀20在两止点之间运动，其中绞刀刀架21与连接架22之间的角度控制在90°~150°。机架17在初始位置下，整个装置完成第一个曲面的作业之后，机架17沿着导轨16向前步进一个单位，再次将机架17固定住，整个装置按照上述工作流程完成下一个工作曲面的作业。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。