邢家渡灌区泥沙清淤自动化装备研制

苏红鲁，张扩成，张厚芹

（济南市邢家渡引黄灌溉管理处，山东 济南 250100）

为增强邢家渡引黄灌区渠道的引、排、蓄、供等功能，改善水环境质量，加快建设现代新农村、推进城乡一体化步伐，针对邢家渡引黄灌区泥沙沉积问题，通过计算流体力学研究泥沙在设计条件下的流动特性和行为，进行了清淤自动化装备设计研究，为预测泥沙清淤的运行效果和结构的改进提供了一种有效手段。

1 背景和意义

由于邢家渡灌区沉沙池的严重淤积、废弃，给乡村带来了一系列严重恶果。

1）种植业用水受到威胁。一部分依靠邢家渡灌区灌溉的农作物轻则干旱减产，重则荒芜失收。同时，由于邢家渡灌区的蓄灌能力降低，大幅度增加了农用机具提灌庄稼用水的费用。

2）制约了农业产业结构的调整。由于邢家渡灌区的容水量不断下降，严重影响了农业产业结构调整计划的实施。

3）水土保持作用减弱。蓄水蓄沙、缓冲能量、减轻山洪对泥沙的冲刷，是邢家渡灌区水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌区的淤积和废弃，蓄水容积减少，对山洪抵抗能力明显减弱。

2 国内外清淤机械现状和发展趋势

同造船业一样，疏浚业源于欧美。1660年链斗式挖泥船的雏形“泥碾船”在荷兰首创获得成功；1855年美国人制成莫尔茨将军号吸扬式挖泥船，用于开挖南卡罗来纳州查尔斯顿港的拦门沙；1869年荷兰制成吸扬式挖泥船，用于苏伊士运河工程。随着西方国家工业化和世界经济的发展，石油输运、集装箱输运、河海联运等推动了世界港口和航道的建设，疏浚设备也因此得到快速发展。目前，应用较先进的有绞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船。

在我国，交通系统拥有大中型的疏浚设备，以耙吸式和绞吸式挖泥船为主，数量不多但分布相对集中，疏浚能力较强。水利系统则以中小型挖泥船居多，各种类型应有尽有，数量庞大，分布在全国各地。目前我国常用的清淤机械有两栖式清淤机、两栖绞吸式清淤机、长臂自航式清淤机、水管道清淤机、机井清淤机、水力挖泥机、浅鱼池人工牵引船体式清淤机、螺旋滚筒潜水式清淤机、旋轮式水下清淤机、半旱式清淤机等。

虽然国内的清淤机种类很多，但主要以机械式作业为主，采用斗轮式和绞吸式。存在以下问题：1）功率大、能耗高，挖泥浅，一般只能挖深5～15 m的疏松泥砂和土层；2）旋转构件多，如斗轮、绞刀和砂泵等构件磨损严重，更换频繁，维修量大，运行成本高，设备管理复杂；3）用机械式斗轮、绞刀破碎水下土岩，造成水质变坏，污染环境。

3 引黄灌区自动化清淤设备主要技术指标

邢家渡引黄灌区泥沙清淤自动化设备主要技术指标及总体要求：1）渠道深度为3 m；2）渠道下口宽为20～22 m；3）渠道上口宽为 30～35 m；4）渠道内水深为1.5 m；5）淤泥厚度≤1.5 m；6）清淤设备准备就位时间≤3 min；7）驱动控制方式为液压式；8）整个清淤装备机动灵活，效率高、操作维护方便，适应性较强。

图1 邢家渡引黄渠道断面

4 泥沙清淤自动化装备结构设计

要机动、灵活、高效地实现灌渠泥沙清淤工作，研究、设计合理的结构部分至关重要。在初步设计的4套方案中，经三方领导专家的反复论证，并在Solid Edge平台上绘制出了三维结构图样，从操作及维护保养方便程度、性价比、可靠性、稳定性、实用性等方面综合考虑，最终确定了一套理想可行的方案。

调查得知，战壕挖掘机主要用于挖掘反坦克壕、交通壕、野外指挥所及技术兵器掩体等。车前装有推土铲，还可用于平整场地和回填平底坑。

在充分调研分析战壕挖掘机和国内外水下机器人资料的情况下，提出了一种新型的水下清淤机器人的方案，如图2所示。该方案是将耙形推土铲、工作平台、双向旋转清淤装置和动力驱动等部分全部安装在一辆特制的橡胶履带车上，通过遥控方式控制泥沙清淤自动化装备的行走和清淤作业。具体方案为：

图2 水下清淤机器人结构-工作状态

1）为防止整个清淤设备在行走或工作时损坏坝面，采用液压挖掘机底盘技术和加宽带衬块的橡胶履带，这样在保证履带有足够的强度和耐磨性的同时，保护坝面，如图3所示。

图3 水下机器人底盘行走装置（橡胶履带）

2）清淤设备前端设计可仰俯的耙形推土铲，工作时可将水渠内的树枝和大石块推开或者集中起来，为后面的泥沙搅动扫清障碍，如图4所示。

图4 水下机器人耙形推土铲

3）创新性地设计了双向旋转泥沙清淤装置，可将泥沙旋转搅动起来，顺水流冲走，如图5所示。

图5 双向旋转泥沙清淤装置

5 结语

根据邢家渡引黄灌区目前存在的清淤难题，提出了针对邢家渡引黄灌区的搅冲式清淤技术，并深入研究了符合邢家渡引黄灌区的技术目标的自动化清淤装备。装配具有如下特点：1）该设计中融入了先进的机器人设计思想，整体结构紧凑，自动化程度高；2）设计时充分考虑了渠道的实际情况，设计了前端耙形推土铲，专门清理水渠中的树枝及大块物体；3）充分借鉴了军用战壕挖掘机的设计思想，创新性地设计了新型双向泥沙清淤装置，可充分地将泥沙搅动起来，达到清淤效果；4）由于该水下清淤机器人可以根据实际情况灵活定位，所以整体结构尺寸较小、重量较轻，移动、定位方便，机动灵活；5）只需一名操作人员，即可完成整个清淤过程。