绞吸式挖泥船定位桩液压系统设计 - 图文

河海大学本科毕业论文 绞吸式挖泥船定位桩液压系统设计

摘 要

绞吸式挖泥船经过一百多年的发展，已经成为挖泥船王国中所占比例最大的船型。绞吸式挖泥船的工作原理:利用机械式的挖泥刀具将疏俊区底部的泥土绞碎，通过船上离心泥泵的旋转产生的真空将挖掘的泥浆经吸入管吸入、提升再通过船上排泥管排出的过程。由于绞吸式挖泥船能够将挖掘、输送、排出和处理泥浆等疏浚工序一次完成，能够在施工中连续作业等优点，目前，绞吸式挖泥船被广泛应用于港口、航道的疏浚和陆地吹填工程。它是一种高技术含量船型，定位桩系统是绞吸挖泥船的主要系统之一，结构复杂，技术含量高，存在大量的设计关键技术和难点。本文主要介绍了“天狮号”绞吸挖泥船主要参数，绞吸式挖泥船的工作原理和定位桩工作原理。本设计的主要特点是：挖泥船操作容易，同时还减少了误操作的可能性，提高了系统的安全性；减少了阀件总数，系统布置得到了简化，非常有利于系统运行中总效率的提高，能耗降低，也减少了若干设备投资的费用；有利于减少系统的故障发生率、减少检测维修等非作业时间，提高了实际工作的时效。本设计详细的阐述了该定位桩液压系统及各类液压元件的计算选择，以及系统的验算过程。

关键词：绞吸式挖泥船；定位桩；液压系统

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ABSTRACT

The cutter suction dredger after 100 years of development, has become the largest dredger of the Kingdom of the proportion of the ship. Cutter suction dredger works: Using a mechanical tool to Shu Chun dredging the bottom of the soil area undercooked ground, through the board's rotation centrifugal mud pump vacuum to dig the mud by the suction pipe inhaling, raise and then by boat sludge discharge pipe discharge process. As the cutter suction dredger will be mining, transport, discharge and so mud dredging and disposal process once completed, can the construction of continuous operation and other advantages, at present, a cutter suction dredger is widely used in ports, waterway dredging and Land Reclamation Engineering. It is a high-tech ship type, location pile system is a cutter suction dredger one of the major systems, complex, high technology, there are a large number of key technologies and design difficulty. In this paper, for a \dredger, cutter suction dredger the principle and orientation of pile works. The main features of this design are: dredger, easy to use, while also reducing the possibility of misuse and improve the system's safety; reduce the total number of valves, the system layout has been simplified, the system is very beneficial to the operation of the total efficiency increase, reduce energy consumption and also reduces the cost of certain equipment investment; help reduce the incidence of system failure, reducing maintenance and other non-operating test time and improve the actual work effectively. The design detail of the positioning of hydraulic systems and various types of pile calculation of hydraulic component selection and system checking process.

Keywords: cutter suction dredger; positioning pile; hydraulic system

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目 录

绪 论 ..................................................................................................................................................................... 1

第一节 疏浚工程及绞吸式挖泥船的重要性及意义 ...................................................................................... 1 第二节 “天狮号”挖泥船的参数 ................................................................................................................. 2 第三节 设计方法及章节安排 ....................................................................................................................... 4 第一章 绞吸式挖泥船的结构和工作原理 ........................................................................................................... 5

第一节 绞吸式挖泥船的结构 ....................................................................................................................... 5 第二节 绞吸式挖泥船特征 ........................................................................................................................... 5 第三节 绞吸式挖泥船工作原理 ................................................................................................................... 6 第二章 工作钢桩的工作原理 ............................................................................................................................... 8

第一节 定位桩装置及起落方式 ................................................................................................................... 8 第二节 定位桩台车行走油缸推进 ............................................................................................................... 9 第三节 液压系统 ........................................................................................................................................... 9 第四节 定位桩液压缸及液压系统工作原理.............................................................................................. 10 第三章 液压传动系统的设计 ................................................................................................................................11

第一节 明确设计要求 ..................................................................................................................................11 第二节 分析系统工况，确定主要参数 ......................................................................................................11 第三节 拟定液压系统原理图 ..................................................................................................................... 17 第四节 选择液压元件 ................................................................................................................................. 17 第五节 液压系统性能验算 ......................................................................................................................... 23 结 论 ................................................................................................................................................................. 26 参 考 文 献 ..................................................................................................................................................... 27 致 谢 ................................................................................................................................................................. 28 附 录 ................................................................................................................................................................. 29

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绪 论

第一节 疏浚工程及绞吸式挖泥船的重要性及意义

一、疏浚工程

疏浚工程是应用水力或机械的方法，挖掘水下的土石方并进行输移处理的工程称为疏浚工程。疏浚工程由来已久，古代疏浚工程是靠人力使用简易的手工工具进行的，后逐步为机械所替代。现今机械方式通常使用挖泥船。

疏浚工程的主要目的是：开挖港池、进港航道等、吹填造陆以兴建码头、港区和临港工业区、沿海城市用地和娱乐休闲用地、岸滩养护、水利防洪和库区清淤、江河湖海等水环境的改善和生态恢复以及各类水下管线沟的施工和填埋等。疏浚工程对人类社会进步、环境改善及经济发展的作用非常重大。 用疏浚的方法，挖深河流或海湾的浅段以提高航道通航或排洪能力；将开挖航道或港池的疏浚土吹填到附近的低洼地进行造地的一种经济可行的主要方法。疏浚土历来主要是采取废弃或倾倒于工程附近水域的方式进行处理的。吹填工程开创了变废弃为宝，综合利用进行处理的新方式，后又发展到利用疏浚土作建筑材料及整治建筑物的材料等用。疏浚工程还扩展到开挖河底或海底开槽以埋设过河或跨海管道(水管、油管、输电电缆、通讯电缆等)；挖除水下软土置换承载能力强的沙、石作水工建筑物基础；吹沙养护海滩等等。

近廿余年来，人类对环境标准的要求日益提高，防止和减少疏浚活动对水域及陆域的污染已成为疏浚工程所必须考虑的一个重要问题，用疏浚方法挖除水下污染土并进行工程处理亦成为疏浚工程的重要内容。

由此可见，疏浚工程对国民经济的发展，特别是对水上交通、水利防洪、工业发展和城市建设、海上能源产业等的作用是很重大的，是必不可少的

二、绞吸式挖泥船

（一）绞吸式挖泥船具有良好的性能

(1)绞吸式挖泥船用途广泛，可以在江河湖海中作业，用以清淤，航道挖掘，吹填造地。在特殊情况下绞吸式挖泥船上安装大功率绞刀设备，不需爆破即可挖掘玄武岩和石灰石等岩石地层。

(2)绞吸式挖泥船工作效率高，产量大，泵距远。大型的绞吸式挖泥船每小时产量可达几千立方米；把泥沙或碎岩物料依靠强大动力通过泥泵和排泥管线，泵送出几千米之外。

(3)绞吸式挖泥船操作简单，易于控制。挖泥船依靠船艉的台车使钢桩定位和步进，利用绞刀臂架两测钢缆与固定于挖槽两测的锚，靠铰车牵引，两厢摆动绞切泥沙物料，在一定的控制摆角下工作，将绞动的物料，经过输泥管泵到堆积场。挖泥船的步进是由两根桩交替运动，迈步向前。

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(4)大型绞吸式挖泥船带有自航系统．迁移时可以自航到位。中小型挖泥船多为无自航系统，靠拖船拖行。中小型挖泥船可设计建造成组装式，通过陆路运输到现场，经组装后即可使用。

(5)绞吸式挖泥船经济性好。物料的挖掘和输送一次性完成，不需要其它舶船配合，几次搬运。相对工程成本较低。

（二）研究意义

我国是多河流的国家，海岸线也较长，需要各种各样的挖泥船进行河道、航道及港口、码头的疏浚。

随着我国沿海航道疏浚、吹填、港口工程规模的扩大，挖泥船日趋大型化，并且变得越来越先进。国外荷兰、法国和日本等国建造的挖泥船虽然技术先进，挖掘和吹填效率高，但要引进，价格昂贵，供货时间长，维修不方便，对国内的施工企业来说十分不利。开发国产新型挖泥船就显得十分迫切。

绞吸式挖泥船是水利疏浚工程中的一种最常用的施工设备，其操作性能好坏，将直接影响到施工作业的实效。但它系统复杂、技术含量高，存在大量的设计关键技术和难点，其中定位桩系统是此类挖泥船的关键

系统之一，值得深入研究。

第二节 “天狮号”挖泥船的参数

本设计的任务是针对天津航道局“天狮号”绞吸式挖泥船的工作情况设计一个定位桩液压系统，下面对该系统设计研究作一简单说明：

一、挖泥船主要参数

“天狮号”绞吸挖泥船足整体式、单甲板、钢质、方驳体非自航船。机舱和泵舱位于主甲板以下。船艏中间设有桥架开槽，开槽长31．5 m。采用定位桩与台车相结合的形式挖泥。船艉中间设有台车开槽，开槽长14 m，主定位桩及台车设在开槽中。右舷末端设辅定位桩系统。艉部左侧主甲板布置有艉排泥转动弯管、抗风锚系统等，船舯前部布置主要的挖泥作业设备，包括横移绞车、起桥绞车、桥架、绞刀总成和抛锚杆系统。

挖泥船主尺度和挖泥性能如下：总长：108m(绞刀桥架脱离水面以上)；船长：82．6m；型宽：18.2m；型深：5.2m；设计吃水：3.5m；最大挖深：25m(桥架与水平夹角为50度)：最小挖深：5m；名义最大生产能力：3000 m3/h；设计最大排泥距离：6000mm。

二、船舶定位方式的选定

挖泥船工作定位一般有锚绞车定位、斜桩定位和定位桩台车定位三种。锚绞车定位是依靠四只定位锚中的首尾锚移位，主锚牵引，边锚调整来进行的。斜桩定位是借三根桩的轮流动作来实现定位的。定位桩台车定位有主、副二根桩，主桩在台车上，台车借助油缸推动进行移位。它克服了以上二种定位方式的不足，具有定位精度高、操作方便、安全可靠、换桩间隔时间长和不影响其他船舶通航的特点。因此，“天狮号”绞吸挖泥船的工作定位选择了定位桩台车定位的方式。

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三、定位桩台车部件及子系统

定位桩台车部件主要有行走油缸、提升油缸、倒桩油缸、夹紧油缸、前滑块、后滑块、机械限位装置、钢丝绳提升装置、倒桩装置、定位桩夹持装置、插销、活动抱箍以及车架等。

定位桩台车为全焊接结构。行走在船艉中间开槽滑轨上。台车分行走、提升、抱桩和斜桩4个子系统。行走子系统主要是用一只行走油缸驱动整个台车前后移动；提升子系统主要是用二只提升油缸驱动提升导向钢丝绳完成定位桩提升动作；抱桩子系统主要是二只夹紧油缸驱动夹紧装置对定位桩进行夹紧与放松动作，与提升定位桩时产生联动；倒桩系统主要是二只倒桩油缸驱动倒桩装置，完成定位桩的倒桩与竖桩动作。在倒桩前，需打开抱箍门，使定位桩完全处于倒桩状态。倒桩通常在调遣船舶前进行，竖桩通常在进入施工现场时进行。

四、定位桩系统联锁控制

定位桩系统工作通过操纵台自动控制实现，而相互动作有联锁要求，各动作通过现场信号传感器传至PLC控制系统进行判断控制，如有误操作发生，则动作不能执行。

输出信号：1)定位桩高、低位(提升油缸上)各2点，共四点。2)定位桩高、低压信号2点。3)夹紧油缸夹紧到位、松开到位共4点。4)抱箍上下位各2点，共4点。5)台车行程传感器(操纵台显示行程)、台车伸出及缩回到位信号2点。6)蓄能器高、低压信号(压力传感器)共2点(蓄能器用于夹紧油缸保压)。7)倒桩油缸倒桩到位信号共2点。8)定位桩快放油箱高低位各共4点。

联锁控制方法：1)定位桩起桩：起桩，定位桩低压力信号有输出时，定位桩停止工作，夹紧油缸自动松开，松开到位时，继续起桩，如果抱箍有高位信号。则表明虽然显示松开到位，但抱箍机构还是处于夹紧状态随定位桩上升，此时起桩动作自动停止，以免抱箍提升酿成不良后果，提升油缸到位后起桩自动停止。2)定位桩快放：夹紧油缸必须处于松开到位状态时才能工作。按钮按下后。即使按钮松开，对应电磁铁5秒后失电，以免定位桩快放时液控单向阀关闭造成管路高压。3)夹紧油缸松开：定位桩低压力信号无输出时，不能进行松开动作，因此时定位桩起桩钢丝绳还未受力，抱箍松开导致提升装置承受冲击力。4)夹紧油缸夹紧：执行夹紧动作，夹紧到位后自动进入保持夹紧，直到发生松开动作时才解除保持夹紧。5)台车伸到头、缩到位。自动停止动作，除非执行相反动作，否则不执行。6)定位桩油箱高位时．驳油泵启动。快放动作不能执行。低位时驳油泵停止工作。7)蓄能器低压时自动冲压，高压时停止。8)倒桩到位后自动停止动作。9)所有机构状态在操纵台上均指示灯显示。

五、设计研究中的几个细节问题

在“天狮号”绞吸挖泥船定位桩系统设计研究中。经调查分析了现有在用类似挖泥船定位桩系统使用中存在的问题。并着重对这些问题作了深入研究，改进了传统的做法。具体有：

（一）部件设计

滑块：将台车前滑块设计成活动滑块结构。活动滑块结构的优点是使台车及同定在台车上的设备的重量均匀作用于四个滑块，并且由于是四个滑块同时接触于滑轨而非点接触，使滑块与滑轨磨损大大减小。即使以后滑块与滑轨磨损了，只需要更换滑块与滑轨表面的一层耐磨材料(瑞典产HARDOX500)就可以了。维修周期和费用都很小。使用活动滑块而不是圊定滑块，就是使台车在受力不均匀时。滑块能自行调节受

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力面，使台车结构不至于承受扭力。

抱紧装置：抱紧装爱摩擦片采用F0202J特殊粉末冶金，其特点是耐磨损。使用周期长、安装拆卸方便、易保养和维修。不像传统的两道或三道钢带结构，抱紧装置装有四行、五列共计80片摩擦片。安装这么多的摩擦片的目的是增加与定位桩的接触点，增大摩擦力，与定位桩抱得更紧，拔桩时不易打滑。并且每片摩擦片都有压条压紧，一旦使用过程中有磨损或损坏时。只要拆去一两片压条就可以更换需要更换的部位，更换时间一般不超过二十分钟。

滑轮：提升滑轮采用热轧工艺生产，加工成型后滑轮边缘和绳槽还要热处理，使滑轮边缘和绳槽更耐磨损。使用周期长。滑轮中间装的是特殊材质铜套，使铜套抗压程度更高。

插销：改变插销上下直径不变的传统做法，将插销设计成上大下小的锥形，相应地将抱孔也设计成上大下小，使拔销更容易，便于外抱的开合。

下抱防撞块：在下抱箍处安装200mm厚橡皮减震防撞块，当倒装和插销时，可以避免钢桩与台车下抱的直接碰撞，很好地保护台车结构。

提升油缸抱紧箍：提升油缸抱紧箍内圈的30ram厚氯丁橡胶采用与抱紧嘲预制而成，形成整体结构，与传统的用橡胶板绕在油缸上再用抱紧箍固定的做法不一样。

倒桩钩：为了确保销孔尺寸的精确，倒桩钩建造时要求全部上镗床加工，确保每一个尺寸的精度。使桩插销更易插入或拔出，避免因为孔不同心使桩、倒桩钩、插销之间出现咬死现象。

油缸：行走油缸、提升油缸与油管连接处采用球铰接，材料为40Cr凋质。油管采用硬管，并能自由摆动，减少酒缸和油管之间的受力．增加了油管使用寿命，从而消除了传统的软油管与油缸用固定接头连接，靠软油管自身的软性调整位置，软油管因疲劳而常常破裂的状况。

（二）液压控制系统设计

集成块保压性能好，单向阀无内泄漏，即使抱箍失灵，靠定位桩系统油缸也能长时间有效支撑定位桩。 集成块设计中考虑换向缓冲，可避免换向冲击。

夹紧油缸保压由蓄能器实现，定位桩下放控制为二级调压(低压)，空载下放用于油缸自重，可有效避免油泵经常受高压冲击。

第三节 设计方法及章节安排

本设计以《液压传动》教材中液压系统的设计和计算章节为主要设计方法和依据，计算方法来源于教材不同章节和参考书及互联网。

第一章主要介绍绞吸式挖泥船的结构，特征及其工作原理，第二章讲述挖泥船定位桩的工作原理及工作起落图和液压系统图，第三章主体设计，根据给定的工况，结合资料及教材进行液压传动系统设计，第四章结论，然后是设计过程中的一些参考文献，接下来是对老师及各方面的致谢，最后是设计的一些资料附录

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第一章 绞吸式挖泥船的结构和工作原理

第一节 绞吸式挖泥船的结构

绞吸式挖泥船结构如图1所示：

图1 绞吸式挖泥船平面布局图

第二节 绞吸式挖泥船特征

绞吸式挖泥船的特性是：她属于静态挖泥船，安装绞刀头/铰刀作为挖掘工具，使泥土在切削后被吸入。在吸泥过程中，绞吸式挖泥船是以定位桩为中心通过固定在侧边绞盘上的锚缆按圆弧形旋转，如图2所示。绞吸式挖泥船非常易于与吸扬式挖泥船区分，因为后者是没有定位桩系统的。

绞刀支臂悬挂在支臂支架上，绞刀头、驱动器和吸泥管都置于其上。对于中小型绞吸式挖泥船，一般采用A型支架，而对于大型绞吸式挖泥船，一般支架较重。因部分切削力需由平底船及定位桩平衡，所以绞吸式挖泥船的平底型船体比其他静止型挖泥船较重。挖掘的泥水混合物由水力式吸泥管输送到排泥场。但也有某些绞吸式挖泥船配套有驳船卸泥系统。绞吸式挖泥船安装一个或多个泥泵，其中一个放置在绞刀支臂上。自航绞吸式挖泥船的推进器装置既可置于挖泥船前部靠近绞刀头处，也可置于其后靠近定位桩处。

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第三节 绞吸式挖泥船工作原理

在绞吸式挖泥船绞刀支臂放入水中后，泥泵开始工作，绞刀头开始旋转。然后支臂向下转动直到绞刀头接触河床，或直到其最大挖深处。挖泥船绕定位桩的初始运动是通过放松右舷锚缆、拉紧左舷锚缆完成的。这些锚缆由靠近绞刀头的滑轮与甲板上的绞盘（靠近挖泥一侧的绞盘）连接。放松绞盘保证两边缆绳的准确张力，这在挖掘坚硬的岩石时尤为重要。

绞刀头的旋转方向相对于其横移运动的方向有时相同，有时相反。在第一种情况下，绞刀头作用在土壤上的反作用力带动船体运动，因此其横移作用力要小于第二种情况。当绞刀头运动方向与挖泥船横移方向一致时，保证锚缆的预紧力是非常重要的。

1.、如果绞刀头作用力推进挖泥船移动快于绞盘速度时，拉拽绞盘的缆绳讲被绞刀头卷起并剪断，这是非常危险的；

2、锚的位置对挖泥船所需横移力影响大。绞刀头到边缆的距离越近，所需的横移力越小； 3、横移力也受外界自然条件的影响，如风、水流及波浪等。

当然，绞刀支臂沿弧形摆动一次绞刀支臂，挖泥厚度由绞刀头直径及土壤类型决定。当一次摆动后没有达到所需的挖泥深度，绞刀支臂将被放下更深，且绞刀支臂将向相反的方向摆动。

如前所述，绞吸式挖泥船是以定位桩/工作桩为固定支点做圆弧形摆动。大多数绞吸式挖泥船的地位桩放置在可移动钢桩台车上。另一只桩为辅助桩，置于中心线外，一般置于船尾右舷一侧。

钢桩台车利用液压缸可移动4~6m的距离。因为钢桩立于河床上，通过向船尾方向推动钢桩台车即可推动绞吸式挖泥船向前移动。绞刀头的尺寸和土壤硬度决定了钢桩台车移动的步长。钢桩台车每移动一步，在每次沿弧线摆动末端放低绞刀支臂，绞刀可切削一层或多层土壤。

图2 步长和切层

支臂每向前一步，绞刀头以定位桩为中心绘出一个同心圆弧，其半径随步长的增加而增加，如图3所示。

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如果钢桩台车液压缸已移到尽头，则必须要移动钢桩了。在步进前，绞刀头移动到切削中心线上，放下辅助桩，抬起工作桩，向前移动钢桩台车。然后再次放下工作桩，抬起辅助桩。挖泥船就又可以开始工作了。步进后的第一次切削不是一个同心圆弧。

图3 绞吸式挖泥船的工作方式

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