CN106545042A - 水下自动清淤机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下自动清淤机，属于水下清淤领域，由水上部分（1）和水下部分（2）两部分组成，所述水上部分（1）与水下部分（2）可伸缩的柔性连接，所述水上部分（1）包括泥浆泵（3）、液压站（4）、小型气泵（5）、卷扬机（6）和控制系统，所述水下部分（2）包括集料中转装置（7）、集料马达（8）、集料护罩（9）、集料升降装置（10）、集料器（11）和推进器（12），所述集料收集器（7）与推进器（12）铰接，所述推进器（11）采用中空结构。解决了现有技术中清淤不彻底，清淤深度受限的问题，主要应用于大型深水下清淤作业。

Description

水下自动清淤机

技术领域

本发明涉及水下清淤技术领域，具体涉及一种水下清淤的机。

背景技术

随着现代化进程的加快，城市河道面临着极大的挑战，河道变浅，蓄洪能力下降，危害城市安全，当前，绝大部分河道的底部淤泥沉积，大量占用河道的水体空间，洪峰过境时，常出现水位过高，河水倒灌城市的情况，严重危害城市安全。河道变浅，杂草丛生，水体变浅。变小、变浑浊，杂草丛生，影响城市形象。味道刺鼻，细菌滋生，淤泥中的丰富有机物分解释放出氨氮、沼气、二氧化碳、硫化氢等有毒有害物质，滋生有害寄生虫、病毒、细菌等有害微生物。

这种清淤是一项长期不断循环的动态过程，不能一劳永逸，这种常态化保护性清淤使城市河道的功能在防洪排涝的基础上又增加了水体保护和水环境治理。

关于城市河道治理方面，很早以前通常采用大规模土方清理、河床定型以及挡墙护岸硬化，极大地破坏了环境，不利于可持续发展。现在，已经完成了河床断面的定型处理和挡墙护岸的硬化施工，开始转变为常态化保护性清淤。

目前，城市河道清淤方式主要分为干水作业和带水作业。

一、干水作业主要是指搭设临时围堰排干水作业，包括干土挖掘和水力冲填。

1.干土挖掘

主要是搭设临时围堰将作业区水排干后，大多数情况下都是采用挖掘机进行开挖，挖出的淤泥直接由渣土车外运或者放置于岸上的临时堆放点。倘若河道有一定宽度时，施工区域和储泥堆放点之间出现距离，需要有中转设备将淤泥转运到岸上的储存堆放点。一般采用挤压式泥浆泵，也就是混凝土输送泵将流塑性淤泥进行输送，输送距离可以到达200~300m。目前大多数采用这种方式清淤，

优点：清淤彻底，而且对设备、技术要求不高、质量容易保证，比较直观，产生的淤泥含水率低，后期处置较为容易。

2.水力冲填

主要是采用水力冲挖机组的高压水枪冲刷底泥，将底泥扰动成泥浆，流动的泥浆汇集到事先设置好的低洼区，由泥泵吸取、管道输送，将泥浆输送至岸上的堆场或集浆池内，例如公告号为CN2851366Y的一篇中国实用新型专利。

优点：水力冲挖机组结构简单、输送方便、施工成本低。

缺点：这种方法形成的泥浆浓度低，为后续处理增加了难度，施工环境比较恶劣，破坏环境。

干水作业的优点在于：排干清淤、施工状况直观、质量易于保证，也容易应对清淤对象中含有大型、复杂垃圾的情况。

干水作业的缺点在于：由于要排干河道中的流水，增加了临时围堰施工成本，同时很多河道只能在非汛期施工，工期会受到限制，施工过程易受天气影响，并且容易对河道边坡和生态系统造成破坏。

干水作业的适用对象：没有防洪、排涝、航运功能的流量较小的河道、山塘和湖漾适合干水作业。

二、带水作业一般是指将清淤机装备在船上，由清淤船只作为施工平台在船上操作清淤设备将淤泥开挖，通过管道输送系统输送到岸上堆场中。主要包括抓斗式、链斗式、斗轮式、冲吸式、绞吸式等。

1.抓斗式、链斗式

利用抓斗插入底泥并闭头抓取水下淤泥，将淤泥直接卸入靠泊在挖泥船舷旁的泊泥船中。清楚的淤泥通过泊泥船运输至淤泥堆场，从泊泥船卸泥仍然需要使用岸边抓斗，将泊船上的淤泥移至岸上的淤泥场中。

适用条件：适用于开挖泥层厚度大、施工区域内障碍物多的中、小型河道，多用于扩大河道行洪断面的清淤工程，例如湖州南浔的斜塘港就是采用抓斗式带水作业完成。

优点：抓斗式挖泥船灵活机动，不受河道内垃圾、石块等障碍物影响，适合开挖较硬土方或夹带较多杂志垃圾的土方，并且施工工艺简单，设备容易组织，工程投资较省，施工不受天气影响。

缺点：抓斗式挖泥船对极软弱的底泥敏感度差，掏挖河床下部较硬的地层土方时中容易泄露大量表层底泥，尤其是浮泥，表层浮泥经搅动后又重新回到水体中，一般情况下淤泥清除率只能达到30%左右，加上抓斗式清淤易产生浮泥遗漏、强烈扰动底泥，在以水质改善为目标的清淤过程中往往无法达到原有目的。

2.斗轮式

利用装在斗轮式挖泥船上的专用斗轮挖掘机开挖水下淤泥，开挖后的淤泥通过挖泥船上的大功率泥泵吸入并进入输泥管道，经全封闭管道输送至指定卸泥区，例如公开号为CN101864782A的一篇中国发明专利。

适用件：一般比较适合开挖泥层厚、工程量大的中、大型河道、湖泊和水库，是工程清淤常用的方法。

优点：清淤过程中不会对河道通航产生影响，施工不受天气影响，且施工精度较高。

缺点：斗轮式清淤在清淤工程中会产生大量污染物扩散，逃於、回於情况严重，淤泥清除率在50%左右，清淤不够彻底，容易造成大面积水体污染。

3.绞吸式

主要由绞吸式挖泥船完成，是一个挖、运、吹一体化施工的过程。它利用装在船前的桥梁前缘铰刀的旋转运动，泥水混合，形成泥浆，通过船上离心泵将泥浆吸入吸泥管，经全封闭管道输送至堆场中（排距超出挖泥船额定排距后，中途串接接力泵加压输送），例如公开号为CN104264735A的一篇中国发明专利申请。

适用条件：泥层厚度较大的中、大型河道。

优点：采用全封闭的管道输泥，不会产生泥浆散落或泄露，在清淤过程中不会对河道通航产生影响，施工不受天气影响，同时采用GPS和回声探测仪进行施工控制，可提高精度。

缺点：普通绞吸式清淤由于采用螺旋切片铰刀进行开放式开挖，容易造成底泥中污染物的扩散，同时也会出现较为严重的回於现象，根据已有工程的经验，底泥清除率在70%左右，另外，吹的方式导致淤泥浓度偏低，导致泥浆体积增加，会增大淤泥堆场占地面积。

其中，在所有清淤方式中，绞吸船是自动化程度最高、市场应用最广的一种设备，市场上常用的绞吸式挖泥船以山东某公司生产的一台型号为KDCSD150绞吸式挖泥船为例，其处理能力450 m³/h，船体长度17m，最大挖深6m，总功率123kw，总重30吨。

带水作业的缺点总结如下：

（1）清淤船设置复杂，需要在岸边或河中设置锚，配合后部定位桩实现绞吸头扇形扫面。

（2）双桩交替前进容易发生超挖和漏挖，绞吸头每动作一点都需要整只船动作，清淤船辗转难度极大。

（3）对驾驶员操作技术要求太高，并且无法实时判断河底情况，双桩交替前进保持直线难度较大，绞吸头轨迹易发生重叠和遗漏。

（4）清淤船自重过重，只能处理特定水深范围淤泥，例如1m以内的水深则无法处理。

（5）清淤船绞吸头存在最大挖深，无法处理深处淤泥，例如6m以下的水深则无法处理。

（6）清淤船对淤泥敏感度差，特别是对软泥不敏感，非常容易破坏硬土层，破坏河床。

（7）清淤船以水面作为参考面，无法适应河床变化，要么空吸清水，要么挖坏河床。

（8）清淤船工作连贯性差，提桩过程时间长，泵吸清水。

（9）设备过大，无法轻易上岸，长期浸泡水中，寿命短。

（10）造价高，成本过高，利润低。

（11）功率过高，增加能耗。

（12）不能在范围狭窄的水域施工。

（13）受泥浆浓度的影响较大。

众所周知，挖泥船给河道工程提供的贡献是非常大的，这一重大工程也在社会上得到了广泛的应用，虽然挖泥船给水利工程带来的便利是不可忽视的，但是在这么大型的挖泥船上运作始终存在多方面的弊端，随着社会的不断发展，现有的清淤设备制造厂家对挖泥船也有了较高的要求，主要体现在以下几点：大型的挖泥船不仅在技术运用上给驾驶员带来了很大的不便，而且大型的身躯在淤泥清理施工范围上带来了辗转方向的调整困难，使其对淤泥彻底清理和料率不能得到较好的发挥，另外大型的挖泥船在制造上也给企业加高了成本，大型的挖泥船体型笨重，无法轻易上岸，长期浸泡在水中，严重缩短了使用寿命。

综合挖泥船的上述4大弊端，其最大的问题莫过于体型笨重，进而引出来一系列问题，经过多年的研究，以及结合现有的挖泥机技术，申请人提出了一种新型的水下自动清淤机，合理的解决了以上的种种问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种水下自动清淤机，通过控制系统接收的画面实时远程无线操控清淤机，并且可以实现任何角度的清理，不受地理环境，作业深度的影响。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为一种水下自动清淤机，包括水上部分和水下部分，两部分之间柔性连接，具体包括推进器、集料器、集料中转装置、集料升降装置、液压装置、配重装置、水下可视系统、泥浆泵、控制柜、控制系统、船体、输泥管、小型气泵，根据工况可增加发电机、驾驶室、螺旋桨。所述推进器由两组反向螺旋滚筒组成，通过桥架连接，每组螺旋滚筒可分为一段或多段；所述集料装置由马达、集料器、护罩组成，马达可以选用液压马达或减速电机，集料器可以选用双螺旋集料器或者旋耕刀、起垄刀、绞刀等，护罩通过输泥管与泥浆泵连接；所述集料升降装置定位于行走装置的桥架上；所述配重装置由进气管、浮子和配重块组成，浮子形式可以是向螺旋滚筒内打气或注水，也可以单独设气囊打气或放气；所述泥浆泵、液压装置、小型气泵、输泥管、增加的驾驶室、螺旋桨置于船体上，泥浆泵进水口可位于水平面以下，也可以位于水平面以上；控制柜、增加的发电机可置于船上，也可置于河岸。

优选的，所述推进器上设有GPRS和回声探测仪。

作为本方案的一种改进，所述控制系统可以为有线或者无线控制系统。通过遥控器控制推进器的两组反向螺旋滚筒上螺旋的正反转实现前后左右行进。

作为本方案的进另一种改进，所述控制系统由控制台和无线控制器组成，所述无线控制器包括可控硅取电模块，连接所述可控硅取电模块的开关电源模块和线性电源模块，连接所述开关电源模块的电源管理模块，连接所述电源管理模块的Z-Wave无线模块、触摸按键模块和开关执行模块。

与现有的清淤船相比，本发明具有突出的优势如下：

（1）水下部分无需密封，可在水下数百米工作。例如三峡大坝等较大清淤工程。

（2）自身重量大幅度降低，保护河床，螺旋行走机构始终在硬土层之上行走。

（3）直线行走，控制简单，无遗漏，不重叠。

（4）适应任何工作条件，浅水，狭窄河道，鱼塘等。

（5）功率小能耗低，只需要泵和液压站的功率。

（6）成本低，利润率高。

（7）泥浆浓度高，工作效率高。

（8）实时接收画面、远程无线操控，机动性强，操作难度低。

（9）水下无强电，安全系数高。

主要应用范围：

城市内河清淤------市政部门

城市周边河道清淤------船务部门

港口河道疏浚-------港务部门

采矿抽砂--------沙厂

采金------沙金

黄河清淤固堤------黄河水务

深水湖泊清淤------三峡库区管理部门

填海造陆-----三沙岛造岛

盐池采收------盐矿、盐田

深水救援------水上消防部门

水下探宝、取样------勘探队

煤矿救援-----煤矿安全部门等。

附图说明

图1是本发明水下自动清淤机的结构示意图。

图2是本发明推进器的结构示意图。

图3是本发明双螺旋集料器的结构示意图。

图4是本发明控制系统结构示意图。

其中，1-水上部分、2-水下部分、3-泥浆泵、4-液压站、5-小型气泵、6-卷扬机、7-收集器、8-集料马达、9-集料护罩、10-集料升降装置、11-集料器、12-推进器、13-配重装置、14-桥架、15-水下可视系统、16-左滚筒、17-右滚筒、18-液压马达、19-轴承座、20-两端支架、21-马达支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一：图1所示，水下自动清淤机，由水上部分1和水下部分2两部分组成，所述水上部分1与水下部分2通过输泥管、液压管和卷扬绳索可延伸的连接，所述水上部分1包括泥浆泵3、液压站4、小型气泵5、发电机（图中未示出）、卷扬机6和控制系统，所述水下部分2包括集料中转装置7、集料马达8、集料护罩9、集料升降装置10集料器11和推进器12，所述集料器11与推进器12铰接，所述推进器12采用中空结构。

所述推进器12上设有配重装置13，所述配重装置13可以带动水下部分在水中上下浮动。可以实现对不同地理环境的清淤，爬坡、下坡方便。

所述配重装置13由进气管、浮子和配重块组成，所述浮子选用向所述推进器内打气或注水或者单独设置气囊冲气或放气的形式。

所述推进器12为履带式推进器。

所述推进器12上设有GPRS和回声探测仪。

图3所示，所述集料器11选用内设通道的双螺旋集料器，所述集料器11两端分别设有液压马达或电机。

实施例二：图1所示，水下自动清淤机，由水上部分1和水下部分2两部分组成，所述水上部分1与水下部分2通过输泥管、液压管和卷扬绳索可延伸的连接，所述水上部分1包括泥浆泵3、液压站4、小型气泵5、发电机（图中未示出）、卷扬机6和控制系统，所述水下部分2包括集料中转装置7、集料马达8、集料护罩9、集料升降装置10集料器11和推进器12，所述集料器11与推进器12铰接，所述推进器12采用中空结构。

所述推进器12上设有配重装置13，所述配重装置13可以带动水下部分在水中上下浮动。可以实现对不同地理环境的清淤，爬坡、下坡方便。

所述配重装置13由进气管、浮子和配重块组成，所述浮子选用向所述推进器内打气或注水或者单独设置气囊冲气或放气的形式。

图3所示，所述集料器11选用内设通道的双螺旋集料器，所述集料器11两端分别设有液压马达或电机（图中未示出）。

图2所示，所述推进器12由两组反向螺旋滚筒16,17组成，所述螺旋滚筒16,17为两端锥度尖头的圆筒表面安装螺旋叶片制成，两组螺旋滚筒通过桥14架连接，每组螺旋滚筒可分为一段或多段。通过控制系统控制两组螺旋滚筒的旋转方向实现清淤机的前进、后退、左转、右转、左退、右退、左横移、右横移、原地左转、原地右转动作。例如当左滚筒16螺旋正转，右滚筒17螺旋叶片反转可以实现右转；当左滚筒16螺旋反转，右滚筒17螺旋叶片正转可以实现左转，当左滚筒16螺旋正转，右滚筒17螺旋叶静止，可实现原地右转；当左滚筒16螺旋静止，右滚筒17螺旋叶反转，可实现原地左转；16,17都正转实现前进，都反转实现后退。

所述推进器12尾部设有水下可视系统15。连接到控制柜，可以实时观察清淤状况，以及时调整清淤策略。

实施例三：图1所示，水下自动清淤机，由水上部分1和水下部分2两部分组成，所述水上部分1与水下部分2通过输泥管、液压管和卷扬绳索可延伸的连接，所述水上部分1包括泥浆泵3、液压站4、小型气泵5、发电机（图中未示出）、卷扬机6和控制系统，所述水下部分2包括集料中转装置7、集料马达8、集料护罩9、集料升降装置10集料器11和推进器12，所述集料器11与推进器12铰接，所述推进器12采用中空结构。

所述推进器12上设有配重装置13，所述配重装置13可以带动水下部分在水中上下浮动。可以实现对不同地理环境的清淤，爬坡、下坡方便。

所述配重装置13由进气管、浮子和配重块组成，所述浮子选用向所述推进器内打气或注水或者单独设置气囊冲气或放气的形式。

图3所示，所述集料器11选用内设通道的双螺旋集料器，所述集料器11两端分别设有液压马达或电机。

图2所示，所述推进器12由两组反向螺旋滚筒16,17组成，所述螺旋滚筒16,17为两端锥度尖头的圆筒表面安装螺旋叶片制成，两组螺旋滚筒通过桥14架连接，每组螺旋滚筒可分为一段或多段。通过控制系统控制两组螺旋滚筒的旋转方向实现清淤机的前进、后退、左转、右转、左退、右退、左横移、右横移、原地左转、原地右转动作。例如当左滚筒16螺旋正转，右滚筒17螺旋叶片反转可以实现右转；当左滚筒16螺旋反转，右滚筒17螺旋叶片正转可以实现左转，当左滚筒16螺旋正转，右滚筒17螺旋叶静止，可实现原地右转；当左滚筒16螺旋静止，右滚筒17螺旋叶反转，可实现原地左转；16,17都正转实现前进，都反转实现后退。

所述推进器12尾部设有水下可视系统15。连接到控制柜，可以实时观察清淤状况，以及时调整清淤策略。

所述控制系统由控制台和无线控制器组成，所述无线控制器包括可控硅取电模块22，连接所述可控硅取电模块22的开关电源模块23和线性电源模块24，连接所述开关电源模块23的电源管理模块25，连接所述电源管理模块25的Z-Wave无线模块26、触摸按键模块27和开关执行模块28。能够实现无线远程操控，控制清淤机的清淤方向，清淤更加彻底。

其他实施方式：其中，所述水上部分1与水下部分2不仅可以通过输泥管、液压管和卷扬绳索可延伸的连接，还可以通过其它公知技术实现柔性连接。

所述水上部分1，可以是船只，岸边，也可以是在水上搭建的临时平台。并且根据不同工况可以选择增加发电机、驾驶室或螺旋桨。

所述集料器除了选用内设通道的双螺旋集料器外，还可以选用旋耕刀、起垄刀、铰刀中的一种，所述集料器两端分别设有液压马达或电机。

所述无线控制系统除了基于Z-Wave无线通信技术，还可以采用ZigBee无线通信技术，可以连接到遥控器，也可以连接到移动终端，例如移动手机。

下面是同级别水下清淤机器人相关参数对比表：

型号

长

宽

高

总量

清水流量

最大挖深

总功率

排管直径

排距

KDCSD150

17m

3.8m

1.5m

30tons

450m³/h

6m

123kw

600mm

200m

本申请

2.3m

1.5m

1m

3tons

450m³/h

1000m

75kw

600mm

不限

绞吸式挖泥船技术参数：

挖泥船型号

总长

型宽

型深

吃水

排距

排高

最大挖深

80m³/h

26.7m

6.25m

1.30m

0.80m

500m

3m

6m

120m³/h

28.0m

7.00m

1.76m

1.08m

2500m

4m

8m

200m³/h

28.7m

7.60m

1.90m

1.30m

1500m

4m

10m

350m³/h

38.2m

8.60m

2.10m

1.25m

1650m

4m

12.5m

本申请

2.3m

1.5m

1m

0.1m

不限

不限

1000m

与现有技术相比，本申请的液压泵、砂砾泵、泥浆泵等置于水上部分，不会增加螺旋行走机构的负载，不需要考虑密封防水，进而可以无限往下延伸，挖深不受限制，整体由无线远程控制，来回方便检修。

具体的突出效果如下：

（1）水下部分无需密封，可在水下数百米工作。特别是大型工程，比如三峡大坝的清淤工程。

（2）保护河床，螺旋行走机构始终在硬土层之上行走。

（3）实现直线、转弯、掉头等机动性强，远程控制简单，配合可视系统实现无遗漏，无重叠，无死角清淤。

（4）适应任何的工作条件，浅水、狭窄河道、鱼塘等多种场合、

（5）体重轻、功率小能耗低，只需要泵和液压站的功率。

（6）不受泥浆浓度的影响。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.水下自动清淤机，由水上部分（1）和水下部分（2）两部分组成，其特征在于：所述水上部分（1）与水下部分（2）可伸缩的柔性连接，所述水上部分（1）包括泥浆泵（3）、液压站（4）、小型气泵（5）、卷扬机（6）和控制系统，所述水下部分（2）包括集料中转装置（7）、集料马达（8）、集料护罩（9）、集料升降装置（10）、集料器（11）和推进器（12），所述集料收集器（7）与推进器（12）铰接，所述推进器（11）采用中空结构。

2.根据权利要求1所述的水下自动清淤机器，其特征在于：所述推进器（12）上设有配重装置（13），所述配重装置（13）可以带动水下部分在水中上下浮动。

3.根据权利要求2所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述配重装置（13）由进气管、浮子和配重块组成，所述浮子选用向所述推进器内打气或注水或者单独设置气囊冲气或放气的形式。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述集料器（11）选用内设通道的双螺旋集料收集器，所述集料器（11）两端分别设有液压马达。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述推进器（12）由两组反向螺旋滚筒（16,17）组成，所述螺旋滚筒（16,17）为两端锥度尖头的圆筒表面安装螺旋叶片制成，两个螺旋滚筒通过桥（14）架连接，每个螺旋滚筒可分为一段或多段。

6.根据权利要求5所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述水上部分（1）与水下部分（2）通过输泥管、液压管和卷扬绳索可延伸的连接。

7.根据权利要求1至3或6任一项所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述推进器（12）尾部设有水下可视系统（15）。

8.根据权利要求7所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述推进器（12）上设有GPRS和回声探测仪。

9.根据权利要求1所述的水下自动清淤机，其特征在于：所述控制系统由控制台和无线控制器组成，所述无线控制器包括可控硅取电模块（22），连接所述可控硅取电模块（22）的开关电源模块（23）和线性电源模块（24），连接所述开关电源模块（23）的电源管理模块（25），连接所述电源管理模块（25）的Z-Wave无线模块（26）、触摸按键模块（27）和开关执行模块（28）。