抽沙船抽沙装置的机械结构设计与研究

邱法财+曹建霞+孙泉汇+曲兆梅+曹建波

【摘 要】抽沙船主要包括冲吸式抽沙船和绞吸式抽沙船两种，该两种设备的功能单一，本文吸取两者的优点实现多功能抽沙装置的设计，包括立式抽沙泵和卧式抽沙泵，可以适应不同深度的抽沙作业，利用Solidworks软件进行了三维结构设计，相关研究可以为未来抽沙船发展提供一定参考。

【关键词】抽沙船；抽沙泵；卷扬机；结构设计

0 引言

我国江河湖泊众多，泥沙淤积问题十分严重。泥沙淤积导致河床抬高，威胁人民生命生产安全，同时也成为制约水资源综合利用和加剧水环境恶化的关键要素[1-3]。针对目前这种严峻的形势，传统抽沙设备已经无法完全满足淤沙的清除，寻求更多减淤措施迫在眉睫。

抽沙船也称作抽沙平台、吸沙船。是利用吸沙泵作为取沙主要部件，利用吸沙泵的吸力把水下的河沙或污泥吸引而上后由上排沙管排到指定位置。该设备由船体、输送系统、进水系统、排空系统等组成，输送系统包括动力、离合器、泥浆泵等，排空系统包括高压水泵、抽真空装置等。该类抽沙船船设计新颖，操作简便，效率高，广泛应用于江河湖海、水库抽沙采沙，吹填施工，抽沙清淤，港口河道疏浚等。在黄河机淤固堤、港口清淤及沿海围海造地、抽沙吹填工程中都发挥了重要作用[4]。抽沙船主要分为两类：冲吸式抽沙船和绞吸式抽沙船。但是这两类设备的功能单一，可以想办法在原先的基础上突破创新，吸取两者的优点实现多功能。

本文针对国内外关于抽沙船发展动态和结构优化设计的研究，查阅了相关文献资料，从中进行了归纳总结，吸收并运用到抽沙装置结构的优化设计中。

1 抽沙装置的结构设计

抽沙船的抽沙装置包括抽沙泵、抽沙管道等，抽沙泵又分为立式泵和卧式泵两种。传统的抽沙船功能单一，通常船体上只放置一种抽沙泵：卧式泵或者立式泵，只能在单一工作环境下工作，导致抽沙效率低[5]，本文针对现有抽沙船存在的不足，在查阅了大量国内外抽沙船的文献的基础上提出了改进，本文所讨论的新型抽沙船采用了卧式泵、立式泵结合抽沙的方式，适合于不同环境下工作，针对不同的水深，两种抽沙方式既可以独立工作，又可以同时工作，大大地提高了采沙的效率。

立式泵是在现有产品的基础上经过改进设计的，改进后的立式泵模型如图1所示。它的使用寿命长且效率高，可在河流清淤等作业中广泛应用。立式泵的三维渲染图如图2所示。

卧式泵具有更多的优点，如流量大、密封较好、噪音低、易于维护等。但是由于卧式泵的主轴位置是水平的，所以要求水平安装，因而也就比立式泵更费空间。本文所用的卧式泵模型如图3所示。卧式泵的三维渲染图如图4所示。

卧式泵的主要技术参数见表1所示。

本文所用的抽沙管道是由胶管、附体、输沙高分子聚乙烯管道组成。采用了耐磨材料制造，增加了其使用寿命。图5是它的三维渲染图。

传统的抽沙船使用的抽沙装置耐磨性差，容易被砂粒磨损，使用寿命短，且不安全。但是今后的趋势必然是向着耐磨耐用，经济可靠发展，因此本文所讨论的新型抽沙船的泵壳和抽沙管道都采用了耐磨的尼龙混合材料制造，结实耐用，排沙能力强，长期综合效益好，使用费用低，性能安全可靠，使用寿命高[6-7]。

2 卷扬装置的结构设计

本文所说的卷扬装置主要是指卷扬机。卷扬机是一种轻小型起重设备，它是将钢丝绳缠绕在卷筒上来提升或牵引重物的，在抽沙船的结构中有两个地方要用到卷扬机，一个是抽沙管道的拉伸需要用到卷扬机，另一个是用于立式泵的升降作业，所以在船头和立式泵的附近都放置有卷扬装置。

2.1 卷扬机的工作原理

卷扬机工作时，装有减速箱，带有制动功能的电机安装在电机支座上，通过变频器来控制电机的速度，电机轴经减速箱减速，与链条连接在一起来带动链轮的转动，同时卷筒也会跟着一起转动，当电机转动（正转或反转）时，在钢丝绳的带动下，实现抽沙泵的升降运动[8]。

2.2 卷扬机卷筒装置的分析

卷筒装置的作用主要是存放钢丝绳、提供牵引力、传递重力，完成重物的牵引工作，是卷扬机的主要承载部件。经证实，在卷扬机中卷筒属于薄弱部分。

2.3 卷筒装置的受力分析

钢丝绳作用在卷扬机的卷筒上，使其受压发生弯曲扭转变形。但一般忽略钢丝绳作用在筒壁上引起的弯曲应力和剪应力[9]。

在钢丝绳发生多次缠绕时，后面的一次缠绕都会对前一次的缠绕状态产生影响，由于筒壁和钢丝绳不是绝对刚性，所以筒壁和钢丝绳都会产生一定的变形，并且钢丝绳每一层所受的张力也会发生相应的变化。当多层缠绕时，钢丝绳作用于筒壁上的压紧力与缠绕的层数没有必然的联系。为了便于研究钢丝绳缠绕层数与其作用于筒壁的正压力，这里可以设定一个新参数——多层缠绕系数An。并且规定当钢丝绳的缠绕次数多于5层时，多层缠绕系数便取为1.6，因此卷筒装置的受力情况可以简化为σ1与σ2：

2.4 卷筒装置的结构设计

据调查，卷扬机的使用时间越长，卷筒开裂、塌陷或螺钉剪断等现象就会越严重。因此利用目前先进的设计理论，本文所设计的卷扬机的三维模型如图6所示。图7是它的三维渲染图。

3 结论

传统的抽沙船功能单一，通常船体上只放置一种抽沙泵：卧式泵或者立式泵，只能在单一工作环境下工作，导致抽沙效率低，本文针对现有抽沙船存在的不足提出了改进，在新型抽沙船上采用了卧式泵、立式泵结合抽沙的方式，适合于不同环境下工作，针对不同的水深，两种抽沙方式既可独立工作，又可同时工作，大大提高了采沙的效率。

【参考文献】

[1]曹慧群，周建军.我国水利清淤疏浚的发展与展望[J].泥沙研究，2011，05：67-72.

[2]张永伟，张红杰，王锦虎.黄河淤沙设备的研究及应用[J].水利建设与管理，2015，07：16-18.

[3]朱珉虎.内河小船实用设计（十二）双体船设计[J].江苏船舶，1991（2）：42-62.

[4]刘志，周洪，程锦萍.中国疏浚业现状与发展分析[J].水利经济，2004，03：7-9.

[5]Fiset M，Peev K，Radulovic M.The influence of niobium on fracture toughness and abrasion resistance in high-chromium white cast irons[J]. Journal of Materials Science Letters，1994，29（12）：615-617.

[6]张永伟，张红杰，王锦虎.黄河淤沙设备的研究及应用[J].水利建设与管理，2015（7）：16-18.

[7]Han Yan Jun，Zhi Xiao Hui，Guo Wen Wu.Manufacture of the Wear Corrosion Resistance High-Cr Cast Iron Impeller[J].Advanced Materials Research，2010，97-101：983-986.

[8]王小明，倪受东，程鹏.一种卷扬机的结构设计及优化[J].制造业自动化，2014（15）：113-115.

[9]石加联，于占忠.传动机构内置式卷扬机卷筒的有限元分析[J].机械设计与制造，2010，12：203-205.

[责任编辑：许丽]