蘇紅魯，張擴(kuò)成，張厚芹

（濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處，山東 濟(jì)南 250100）

為增強(qiáng)邢家渡引黃灌區(qū)渠道的引、排、蓄、供等功能，改善水環(huán)境質(zhì)量，加快建設(shè)現(xiàn)代新農(nóng)村、推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化步伐，針對(duì)邢家渡引黃灌區(qū)泥沙沉積問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)研究泥沙在設(shè)計(jì)條件下的流動(dòng)特性和行為，進(jìn)行了清淤自動(dòng)化裝備設(shè)計(jì)研究，為預(yù)測(cè)泥沙清淤的運(yùn)行效果和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了一種有效手段。

1 背景和意義

由于邢家渡灌區(qū)沉沙池的嚴(yán)重淤積、廢棄，給鄉(xiāng)村帶來(lái)了一系列嚴(yán)重惡果。

1）種植業(yè)用水受到威脅。一部分依靠邢家渡灌區(qū)灌溉的農(nóng)作物輕則干旱減產(chǎn)，重則荒蕪失收。同時(shí)，由于邢家渡灌區(qū)的蓄灌能力降低，大幅度增加了農(nóng)用機(jī)具提灌莊稼用水的費(fèi)用。

2）制約了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。由于邢家渡灌區(qū)的容水量不斷下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整計(jì)劃的實(shí)施。

3）水土保持作用減弱。蓄水蓄沙、緩沖能量、減輕山洪對(duì)泥沙的沖刷，是邢家渡灌區(qū)水土保持的主要工程措施之一。由于邢家渡灌區(qū)的淤積和廢棄，蓄水容積減少，對(duì)山洪抵抗能力明顯減弱。

2 國(guó)內(nèi)外清淤機(jī)械現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

同造船業(yè)一樣，疏浚業(yè)源于歐美。1660年鏈斗式挖泥船的雛形“泥碾船”在荷蘭首創(chuàng)獲得成功；1855年美國(guó)人制成莫爾茨將軍號(hào)吸揚(yáng)式挖泥船，用于開挖南卡羅來(lái)納州查爾斯頓港的攔門沙；1869年荷蘭制成吸揚(yáng)式挖泥船，用于蘇伊士運(yùn)河工程。隨著西方國(guó)家工業(yè)化和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油輸運(yùn)、集裝箱輸運(yùn)、河海聯(lián)運(yùn)等推動(dòng)了世界港口和航道的建設(shè)，疏浚設(shè)備也因此得到快速發(fā)展。目前，應(yīng)用較先進(jìn)的有絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船。

在我國(guó)，交通系統(tǒng)擁有大中型的疏浚設(shè)備，以耙吸式和絞吸式挖泥船為主，數(shù)量不多但分布相對(duì)集中，疏浚能力較強(qiáng)。水利系統(tǒng)則以中小型挖泥船居多，各種類型應(yīng)有盡有，數(shù)量龐大，分布在全國(guó)各地。目前我國(guó)常用的清淤機(jī)械有兩棲式清淤機(jī)、兩棲絞吸式清淤機(jī)、長(zhǎng)臂自航式清淤機(jī)、水管道清淤機(jī)、機(jī)井清淤機(jī)、水力挖泥機(jī)、淺魚池人工牽引船體式清淤機(jī)、螺旋滾筒潛水式清淤機(jī)、旋輪式水下清淤機(jī)、半旱式清淤機(jī)等。

雖然國(guó)內(nèi)的清淤機(jī)種類很多，但主要以機(jī)械式作業(yè)為主，采用斗輪式和絞吸式。存在以下問(wèn)題：1）功率大、能耗高，挖泥淺，一般只能挖深5～15 m的疏松泥砂和土層；2）旋轉(zhuǎn)構(gòu)件多，如斗輪、絞刀和砂泵等構(gòu)件磨損嚴(yán)重，更換頻繁，維修量大，運(yùn)行成本高，設(shè)備管理復(fù)雜；3）用機(jī)械式斗輪、絞刀破碎水下土巖，造成水質(zhì)變壞，污染環(huán)境。

3 引黃灌區(qū)自動(dòng)化清淤設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

邢家渡引黃灌區(qū)泥沙清淤自動(dòng)化設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)及總體要求：1）渠道深度為3 m；2）渠道下口寬為20～22 m；3）渠道上口寬為 30～35 m；4）渠道內(nèi)水深為1.5 m；5）淤泥厚度≤1.5 m；6）清淤設(shè)備準(zhǔn)備就位時(shí)間≤3 min；7）驅(qū)動(dòng)控制方式為液壓式；8）整個(gè)清淤裝備機(jī)動(dòng)靈活，效率高、操作維護(hù)方便，適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖1 邢家渡引黃渠道斷面

4 泥沙清淤自動(dòng)化裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要機(jī)動(dòng)、靈活、高效地實(shí)現(xiàn)灌渠泥沙清淤工作，研究、設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)部分至關(guān)重要。在初步設(shè)計(jì)的4套方案中，經(jīng)三方領(lǐng)導(dǎo)專家的反復(fù)論證，并在Solid Edge平臺(tái)上繪制出了三維結(jié)構(gòu)圖樣，從操作及維護(hù)保養(yǎng)方便程度、性價(jià)比、可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面綜合考慮，最終確定了一套理想可行的方案。

調(diào)查得知，戰(zhàn)壕挖掘機(jī)主要用于挖掘反坦克壕、交通壕、野外指揮所及技術(shù)兵器掩體等。車前裝有推土鏟，還可用于平整場(chǎng)地和回填平底坑。

在充分調(diào)研分析戰(zhàn)壕挖掘機(jī)和國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人資料的情況下，提出了一種新型的水下清淤機(jī)器人的方案，如圖2所示。該方案是將耙形推土鏟、工作平臺(tái)、雙向旋轉(zhuǎn)清淤裝置和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等部分全部安裝在一輛特制的橡膠履帶車上，通過(guò)遙控方式控制泥沙清淤自動(dòng)化裝備的行走和清淤作業(yè)。具體方案為：

圖2 水下清淤機(jī)器人結(jié)構(gòu)-工作狀態(tài)

1）為防止整個(gè)清淤設(shè)備在行走或工作時(shí)損壞壩面，采用液壓挖掘機(jī)底盤技術(shù)和加寬帶襯塊的橡膠履帶，這樣在保證履帶有足夠的強(qiáng)度和耐磨性的同時(shí)，保護(hù)壩面，如圖3所示。

圖3 水下機(jī)器人底盤行走裝置（橡膠履帶）

2）清淤設(shè)備前端設(shè)計(jì)可仰俯的耙形推土鏟，工作時(shí)可將水渠內(nèi)的樹枝和大石塊推開或者集中起來(lái)，為后面的泥沙攪動(dòng)掃清障礙，如圖4所示。

圖4 水下機(jī)器人耙形推土鏟

3）創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了雙向旋轉(zhuǎn)泥沙清淤裝置，可將泥沙旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)起來(lái)，順?biāo)鳑_走，如圖5所示。

圖5 雙向旋轉(zhuǎn)泥沙清淤裝置

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)邢家渡引黃灌區(qū)目前存在的清淤難題，提出了針對(duì)邢家渡引黃灌區(qū)的攪沖式清淤技術(shù)，并深入研究了符合邢家渡引黃灌區(qū)的技術(shù)目標(biāo)的自動(dòng)化清淤裝備。裝配具有如下特點(diǎn)：1）該設(shè)計(jì)中融入了先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)思想，整體結(jié)構(gòu)緊湊，自動(dòng)化程度高；2）設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了渠道的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了前端耙形推土鏟，專門清理水渠中的樹枝及大塊物體；3）充分借鑒了軍用戰(zhàn)壕挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)思想，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了新型雙向泥沙清淤裝置，可充分地將泥沙攪動(dòng)起來(lái)，達(dá)到清淤效果；4）由于該水下清淤機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際情況靈活定位，所以整體結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕，移動(dòng)、定位方便，機(jī)動(dòng)靈活；5）只需一名操作人員，即可完成整個(gè)清淤過(guò)程。