CN117188552B - 一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法，所述绞吸作业模式下的疏浚硬质土作业中包括两个核心环节：挖掘硬质土和输送硬质土，所述挖掘硬质土过程中通过调整切削参数控制切削下来的硬质土的土体粒径，所述硬质土的土体粒径进一步限制输送硬质土过程中的输送参数，所述控制方法适用于采用绞刀和泥泵进行疏浚作业的设备。本发明通过分析切削参数和输送参数之间的相互影响关系，对疏浚过程中的关键参数进行监控和调控，并给出不同异常作业情况下的参数调控方法，以保证整个疏浚作业的安全、高效、稳定进行，解决了疏浚硬质土过程中，土体粒径变化使得作业参数的分析和控制变得更为复杂的难题。

Description

一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法

技术领域

本发明属于疏浚工程技术领域，具体涉及一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法。

背景技术

绞吸作业模式是疏浚工程中的典型作业模式之一，通常采用绞刀和泥泵进行疏浚作业。采用绞吸作业模式的疏浚过程中，重点在于调控挖掘产量和输送量，其中，对重点参数的监测和调控至关重要。

在沙土、砾石等土质的挖掘过程中，土体粒径是固定的，即沙砾自身的尺寸。而在硬质土的挖掘过程中，由于硬质土的特殊性，进入输送管道的土体粒径并非是组成土体的颗粒的自身尺寸，而是取决于切削参数，这使得疏浚作业的参数复杂多变，给整个疏浚过程中的控制带来了全新的问题。

因此有必要综合挖掘环节和输送环节来调控硬质土疏浚作业过程中的相关参数，进而提供一种绞吸作业模式下的硬质土疏浚的控制方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法。该方法适用于采用绞刀、泥泵进行疏浚作业的各种装备，包括但不限于各类型绞吸式挖泥船、绞吸式清淤机器人等。

本发明采用的技术方案如下：

一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法，所述绞吸作业模式下的疏浚硬质土作业中包括两个核心环节：挖掘硬质土和输送硬质土，所述挖掘硬质土过程中通过调整切削参数控制切削下来的硬质土的土体粒径，所述硬质土的土体粒径进一步限制输送硬质土过程中的输送参数，所述控制方法适用于采用绞刀和泥泵进行疏浚作业的设备；

所述切削参数包括绞刀转速、绞刀横移速度和绞刀埋深，所述切削参数结合硬质土参数，通过数学模型计算出挖掘产量、土体粒径和切削受力；所述输送参数包括浆体流速、输送浓度和输送流量，所述挖掘产量结合泥泵、管路参数，即泥泵-流量特性曲线、泥泵转速，以及管路的长度和直径，并根据经验公式计算出浆体流速、输送浓度和输送流量；

其中，所述绞刀横移速度和绞刀齿尖线速度的合速度为土粒速度，所述绞刀齿尖线速度＝2πR*n_绞刀转速，R为绞刀半径；所述硬质土参数为土体粘聚力。

进一步地，所述土体粒径a的计算公式如下：

式(1)中，V_S为绞刀横移速度，n为绞刀转速，m为绞刀上的刀齿排数。

进一步地，同一台泥泵在不同转速运转时其扬程-流量特性曲线不同，根据比例定律泥泵转速提高，输送流量增加。

进一步地，所述控制方法适用的设备包括大型绞刀系统和小型绞刀系统；对于大型绞刀系统，所述输送浓度控制在15-25％；对于小型绞刀系统，所述输送浓度控制在11-17％。

进一步地，所述大型绞刀系统包括疏浚绞吸船，所述小型绞刀系统包括环保绞吸船和绞吸式清淤机器人。

进一步地，所述土粒速度的上限为吸口流速的30％，具体的公式表示如下：

V_土粒速度≤30％V_吸口流速 (2)

V_吸口流速＝Q_输送流量/S_吸口面积 (3)

式(3)中，S_吸口面积为绞刀内侧的管道吸口的吸口面积，对于选定的疏浚设备，S_吸口面积为常量。

进一步地，根据所述输送浓度和土体粒径结合，通过经验公式计算出临界流速，且浆体流速为临界流速的1.1-1.5倍；同时所述绞刀由电机或者液压马达驱动，所述绞刀的切削受力受结构强度的限制，所述绞刀的绞刀功率的最大允许值即电机或液压马达的额定功率。

进一步地，基于选定的疏浚设备，在已做好挖掘输送匹配性计算的基础上，对疏浚过程中的关键数据进行监测与调控，其中监测参数包括管道内的浆体流速、输送浓度、土粒速度和绞刀功率，调控参数包括绞刀转速、绞刀横移速度、绞刀埋深和泥泵转速。

进一步地，在以下五种情况下分别采用不同的调控方法：

(1)当浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏高时，则先提高泥泵转速，以快速提升浆体流速，其次降低绞刀横移速度，以减小土体粒径，降低临界流速，同时也降低了挖掘产量，进而降低输送浓度；

(2)当浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏低时，则先增加绞刀转速，减小土体粒径；同时，需要避免绞刀功率超过功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；

(3)当浆体流速>1.5*临界流速，且输送浓度偏高时，则先降低泥泵转速，减少能源浪费；其次，降低绞刀转速，减小绞刀功率，进一步在满足疏浚需求下降低能耗；最后，降低绞刀横移速度，以降低输送浓度，避免造成浓度局部突然升高而发生堵管；

(4)当浆体流速>1.5*临界流速，且输送浓度偏低时，则先增大绞刀横移速度，以增加挖掘产量，但同时需要避免绞刀功率超过功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；其次，增加绞刀埋深，以增加挖掘产量；若输送浓度增加后，浆体流速依然偏高，此时按照第三种情形进行调控；

(5)当由于土体突然变硬导致绞刀功率突然增加时，则先降低绞刀横移速度，并在绞刀功率允许范围内提高绞刀转速，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量。

本发明的控制方法的有益效果如下：

本发明的绞吸作业模式下的硬质土疏浚的控制方法，通过分析切削参数和输送参数之间的相互影响关系，对疏浚过程中的关键参数进行监测和调控，并给出不同异常作业情况下的参数调控方法，以保证整个疏浚作业的安全、高效、稳定进行，解决了疏浚硬质土过程中，土体粒径变化使得作业参数的分析和控制变得更为复杂的难题。

附图说明

图1为硬质土疏浚作业控制方法的原理图。

图2为绞刀切削过程横截面示意图。

图3为泥泵管路输送系统匹配图。

图4为泥泵管路输送系统的工作浓度曲线。

图5为泥泵管路输送系统的工作流量曲线。

具体实施方式

以下针对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地表述，基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法，所述绞吸作业模式下的疏浚硬质土作业中包括两个核心环节：挖掘硬质土和输送硬质土，由于硬质土的特异性，在挖掘硬质土的过程中通过调整切削参数进而控制切削下来的硬质土的土体粒径，所述硬质土的土体粒径进一步影响输送硬质土过程中的输送参数。

所述控制方法适用于采用绞刀和泥泵进行疏浚作业的各种设备，包括大型绞刀系统，如大型疏浚绞吸船，还包括小型绞刀系统，如环保绞吸船和绞吸式清淤机器人。

所述硬质土疏浚的控制方法的原理如图1所示，所述切削参数包括绞刀转速、绞刀横移速度、绞刀埋深，所述切削参数结合硬质土参数，通过数学模型计算出挖掘产量、土体粒径和切削受力。

所述输送参数包括浆体流速、输送浓度和输送流量，所述挖掘产量结合泥泵、管路参数，即泥泵扬程-流量特性曲线、泥泵转速和管路的长度和直径，并根据经验公式计算出浆体流速、输送浓度和输送流量。

以下以某一绞吸式水下清淤机器人为例，对绞吸作业模式下硬质土疏浚的过程中的切削参数和输送参数之间的关系进行分析，并基于上述关系，给出不同异常作业情况下的参数调控方法，以保证整个疏浚作业的安全、高效、稳定进行。该机器人采用的绞刀的直径为300mm，输送管道的直径为100mm。

实施例1、切削参数

(1)绞刀转速和绞刀横移速度与土体粒径的关系

绞刀切削过程的横截面示意图如图2所示，绞刀上所有刀齿旋转一圈的切削轨迹，每条轨迹线相当于上一条轨迹线向切削方向平移了一个相同的长度，即切削厚度，设切削厚度为a，可用公式表示为：

式(1)中，m为绞刀上的刀齿排数，图2中m为6；n为绞刀转速r/min；a单位为m；V_s为绞刀横移速度m/s。

本发明在实验中发现，硬质土被切削后形成的土体颗粒与刀齿形状密切相关，本发明中多为与刀齿等宽的片状，且厚度与切削厚度基本相同。初始切削下来的破碎土基本为条状，经过格栅、管路输送和泥泵后，土条断裂，从管道出口观测，土颗粒仍保有一定尺寸，为不规则块体，块体基本仍为厚度a。可认为实际输送土体的粒径为a。土体粒径a越小，即单个刀齿切削土层的厚度越小，切削受力也越小，硬质土被切削后形成的土颗粒越小，越有利于吸入和输送。

(2)绞刀埋深和切削受力的关系

参考文献“基于二维切削理论的绞吸式挖泥船绞刀头载荷分析”中切削力的计算方法，根据绞刀埋深、绞刀参数，并结合硬质土的相关参数，计算整个绞刀在挖掘过程中的三维受力，并在此基础上获得不同时刻绞刀的切削扭矩、切削功率和挖掘产量，且计算结果随时间动态变化。

通过绞刀切削硬质土的试验验证了该计算方法的准确性，实验结果如下表1所示。

表1：绞刀切削硬质土的试验结果

进一步地，用上述方法计算水下清淤机器人所搭载的绞刀在典型预设工况(具体条件包括土体粘聚力、绞刀横移速度、绞刀转速和绞刀埋深)下的受力情况、切削扭矩、切削功率、挖掘产量和切削的土体粒径，具体如表2所示，以下计算中所用土体粘聚力为150kPa，所使用的绞刀上的刀齿排数为6。

表2：典型预设工况的绞刀数学模型计算结果

绞刀自转通常由电机或者液压马达驱动，在清淤硬质土的过程中，由于土质硬，绞刀的切削受力大，并且为了降低土体粒径，且保证挖掘产量，绞刀转速往往较高，给绞刀系统带来了较大的负载，因此绞刀的切削受力往往受结构强度的限制，本发明中绞刀的绞刀功率的最大允许值即电机或液压马达的额定功率。

(3)绞刀横移速度和绞刀埋深与挖掘产量的关系

增加绞刀横移速度，挖掘产量提高，如上表2中工况1和2可知；增加绞刀埋深，挖掘产量提高，结合上表2中的工况3和4可知。

(4)土粒速度的最大允许值

本发明适用的绞刀系统的绞刀内侧设有管道吸口，可以更好地将混合浆体吸入管道，减少遗漏量，但受绞刀横移速度和绞刀转速的影响，被切削下来的土体颗粒跟随绞刀的刀齿获得了甩向绞刀外的土粒速度，所述土粒速度为绞刀横移速度与绞刀齿尖线速度的合速度，为减少遗漏量，所述土粒速度需远小于吸口流速，一般不超过吸口流速的30％，具体的公式表示如下：

V_{绞刀齿尖线速度}＝2πR*n_绞刀转速 (2)

V_土粒速度≤30％V_吸口流速 (4)

V_吸口流速＝Q_输送流量/S_吸口面积 (5)

式(2)中R为绞刀半径；式(5)中，对于选定的疏浚设备，S_吸口面积为常量。

实施例2、输送参数

(1)管路输送的临界流速和浆体流速

临界流速采用规范公式(JTS181-5-2012)进行计算，具体公式如下所示：

V_c＝(90C_V)^1/3·g^1/4·D^1/2·ω^1/2·d_m ^-1/4 (6)

式(6)，V_c-临界流速；C_v-浆体浓度，g-重力加速度；d_m为土粒直径，ω是泥沙颗粒沉速，采用武水公式进行计算：

式(7)中，ν-运动粘滞系数，取值10^-6m²/s；g-重力加速度，取9.8m/s²；γ_s-输送固体颗粒密度，本发明所用对象主要是土，取2650kg/m³；γ_w-输送介质容重，本发明主要是水，取1000kg/m³。

其中临界流速与土体粒径(即土粒直径)成正比。由于硬质土的土体粒径较大，与常规砂、石特性不同，由经验公式计算的临界流速可供参考，浆体流速需适当增大，可取为临界流速的1.1-1.5倍。

(2)泥泵与管路匹配计算

根据Wilson摩阻计算公式计算摩阻损失，具体公式如下所示：

式(8)中，I_m-浆体摩阻损失；I_W-清水摩阻损失；γ_m-固体颗粒密度；γ_w-水密度；C_vd-浆体浓度；V_m-浆体流速。

以直径为100mm，排距(即管路长度)为100mm，排高为5m的管路为例的输送系统进行分析，通过式(8)计算得到摩阻损失后，进而根据摩阻损失计算出管路水头损失-流量的关系曲线，并将其与泥泵的扬程-流量特性曲线匹配，随着输送浓度的增加，泥泵扬程逐渐下降，而管路水头损失逐渐增大，两条曲线的交点即为该浓度下的工作点，如图3所示。将工作点连成曲线，得到浓度-流量-扬程一一对应的工作曲线，如图4和图5所示，由图4可知，匹配后的工作流量为40-120m³/h，即流速为1.42-4.25m/s。且输送流速应高于由式(6)算得的临界流速的1.3倍，因此输送流速应高于2.1m/s，即流量高于60m³/h，通过图4可知，对应的浓度为22％。因此，该工况下，输送浓度范围是0-22％，输送流量范围是60-120m³/h。

综上，在实际作业中，对于选定的泥泵和管路系统，在硬质土的输送过程中，有其适宜的输送浓度区间和输送流量区间，在此区间内，可以保证输送过程的顺利进行，且不发生淤堵。

对于大型绞刀系统，所述输送浓度应控制在15-25％；对于小型绞刀系统，所述输送浓度应控制在11-17％。此外，对于选定的泥泵，可以根据输送浓度范围广和流量适中的要求，由工作曲线选择合适的管路长度和管路直径。

(3)泥泵转速和输送流量的关系

同一台泥泵在不同转速运转时其扬程-流量特性曲线不同，根据比例定律泥泵转速提高，输送流量增加。

实施例3、绞吸作业模式下在不同硬质土清淤过程中的控制方法

由上述分析可知，切削参数和输送参数之间的关系错综复杂，并且互相影响、制约。基于选定的疏浚设备，在已做好挖掘输送匹配性计算的基础上，对疏浚过程中的关键参数进行监测与调控，其中监控参数包括管道内的浆体流速、输送浓度、土粒速度、绞刀功率，调控参数包括绞刀转速、绞刀横移速度、绞刀埋深和泥泵转速。对于以下五种异常工作状态分别采用不同的调控方法，具体如下：

(1)如果浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏高，则此时有堵管风险，应优先提高泥泵转速，以快速提升浆体流速，其次降低绞刀横移速度，能够减小土体粒径，降低临界流速，也能降低挖掘产量，进而降低输送浓度；

(2)如果浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏低，则此时输送效率极低，且很可能已形成分层流，这主要是由于土体粒径较大引起的，故应首先增加绞刀转速，减小土体粒径，而非优先增加泥泵转速，否则会进一步降低浓度，使系统始终处于低效工作状态；同时，需要避免绞刀功率超过绞刀功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；

(3)如果浆体流速>1.5*临界流速，且输送浓度偏高，则此时很可能是由于输送土粒易于输送，应首先降低泥泵转速，减少能源浪费；其次，降低绞刀转速，这样可减小绞刀功率，进一步在满足疏浚需求下降低能耗；最后，还可适当降低绞刀横移速度，以适当降低输送浓度，避免造成浓度局部突然升高而发生堵管；

(4)如果浆体流速高>1.5*临界流速，且输送浓度偏低，则主要是由于此时挖掘产量偏低，应首先增大绞刀横移速度，以增加产量，但同时需要避免绞刀功率超过绞刀功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；其次，可适当增加绞刀埋深，以增加挖掘产量；若输送浓度增加后，浆体流速依然偏高，此时可按照第三种情形进行调控。

(5)如果绞刀功率突然增加，这很可能是由于土体突然变硬导致，应优先降低绞刀横移速度，并在绞刀功率允许范围内提高绞刀转速，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等通替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种绞吸作业模式下的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，所述绞吸作业模式下的疏浚硬质土作业中包括两个核心环节：挖掘硬质土和输送硬质土，所述挖掘硬质土过程中通过调整切削参数控制切削下来的硬质土的土体粒径，所述硬质土的土体粒径进一步限制输送硬质土过程中的输送参数，所述控制方法适用于采用绞刀和泥泵进行疏浚作业的设备；

所述切削参数包括绞刀转速、绞刀横移速度和绞刀埋深，所述切削参数结合硬质土参数，通过数学模型计算出挖掘产量、土体粒径和切削受力；所述输送参数包括浆体流速、输送浓度和输送流量，所述挖掘产量结合泥泵、管路参数，即泥泵-流量特性曲线、泥泵转速，以及管路的长度和直径，并根据经验公式计算出浆体流速、输送浓度和输送流量；

其中，所述绞刀横移速度和绞刀齿尖线速度的合速度为土粒速度，所述绞刀齿尖线速度=2πR*n_绞刀转速，R为绞刀半径；所述硬质土参数为土体粘聚力；

所述土体粒径的计算公式如下：

式（1）中，为绞刀横移速度，n为绞刀转速，m为绞刀上的刀齿排数。

2.根据权利要求1所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，同一台泥泵在不同转速运转时其扬程-流量特性曲线不同，根据比例定律，泥泵转速提高，输送流量增加。

3.根据权利要求1所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，所述控制方法适用的设备包括大型绞刀系统和小型绞刀系统；对于大型绞刀系统，所述输送浓度控制在15-25%；对于小型绞刀系统，所述输送浓度控制在11-17%。

4.根据权利要求3所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，所述大型绞刀系统包括疏浚绞吸船，所述小型绞刀系统包括环保绞吸船和绞吸式清淤机器人。

5.根据权利要求3所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，所述土粒速度的上限为吸口流速的30%，具体的公式表示如下：

式（3）中，为绞刀内侧的管道吸口的吸口面积，对于选定的疏浚设备，为常量。

6.根据权利要求5所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，根据所述输送浓度和土体粒径结合，通过经验公式计算出临界流速，且浆体流速为临界流速的1.1-1.5倍；同时所述绞刀由电机或者液压马达驱动，所述绞刀的切削受力受结构强度的限制，所述绞刀的绞刀功率的最大允许值即电机或液压马达的额定功率。

7.根据权利要求6所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，基于选定的疏浚设备，在已做好挖掘输送匹配性计算的基础上，对疏浚过程中的关键数据进行监测与调控，其中监控参数包括管道内的浆体流速、输送浓度、土粒速度和绞刀功率，调控参数包括绞刀转速、绞刀横移速度、绞刀埋深和泥泵转速。

8.根据权利要求7所述的疏浚硬质土的控制方法，其特征在于，在以下五种情况下分别采用不同的调控方法：

（1）当浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏高时，则先提高泥泵转速，以快速提升浆体流速，其次降低绞刀横移速度，以减小土体粒径，降低临界流速，同时也降低了挖掘产量，进而降低输送浓度；

（2）当浆体流速<1.1*临界流速，且输送浓度偏低时，则先增加绞刀转速，减小土体粒径；同时，需要避免绞刀功率超过功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；

（3）当浆体流速>1.5*临界流速，且输送浓度偏高时，则先降低泥泵转速，减少能源浪费；其次，降低绞刀转速，减小绞刀功率，进一步在满足疏浚需求下降低能耗；最后，降低绞刀横移速度，以降低输送浓度，避免造成浓度局部突然升高而发生堵管；

（4）当浆体流速>1.5*临界流速，且输送浓度偏低时，则先增大绞刀横移速度，以增加挖掘产量，但同时需要避免绞刀功率超过功率上限，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量；其次，增加绞刀埋深，以增加挖掘产量；若输送浓度增加后，浆体流速依然偏高，此时按照第三种情形进行调控；

（5）当由于土体突然变硬导致绞刀功率突然增加时，则先降低绞刀横移速度，并在绞刀功率允许范围内提高绞刀转速，并计算土粒速度，且避免其超过土粒速度上限，以免造成较大的遗漏量。