带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱及其施工工艺的制作方法

1.本发明属于疏浚工程技术领域，涉及一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱及其施工工艺。


背景技术：

2.如图1所示，耙吸挖泥船通过耙头31将水下的底泥挖掘打碎后，通过耙臂32和泥泵33将泥浆混合物吸入，再通过管路34输送至消能箱，从消能箱开口35进入至泥舱36内。进入泥舱36内的泥浆通过装舱-溢流的施工工艺，实现泥沙的沉积，多余的泥沙混合物通过溢流筒37溢出泥舱，其中消能箱开口35朝向溢流筒37。为了提高耙吸挖泥船的装舱效率，国内外研究人员对泥舱的结构及施工工艺开展了较多的研究工作，其中泥舱消能箱的结构形式作为影响耙吸挖泥船装舱-溢流的重要因素，成为了耙吸挖泥船的研究热点。
3.如图1-3所示，现有耙吸挖泥船上的消能箱通常采用双横向管12的结构，横向管12与主管11垂直固定连接，并在双横向管12的前侧开设正向出流口14，即正向出流口14直接朝向溢流筒37。采用现有消能箱在耙吸挖泥船施工过程中，遇到粗颗粒土质时，由于粗颗粒土质较易沉降，其装舱效率较高，但同时泥沙容易在进舱消能箱出流口下游的泥舱区域沉积，而进舱消能箱上游的泥舱区域的泥沙沉积量较少，从而导致泥舱内泥沙沉积不均匀，影响耙吸挖泥船的平衡；而当遇到细颗粒土质时，由于细颗粒粉土粉砂的沉降性较差，且启动流速较低，容易从溢流口直接排出，导致装舱效率极低。
4.因此，为解决上述问题，有必要提供一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱及其施工工艺。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱及其施工工艺。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱，所述消能箱包括管路系统和出流口调节系统，其中：
8.所述管路系统包括主管，与所述主管垂直固定连接的横向管，所述横向管的左右两侧封端，其前后两侧对称固定连接若干个出流管路；所述前侧出流管路的出口为正向出流口，所述后侧出流管路的出口为反向出流口；
9.所述出流口调节系统包括液压油缸、上下移动的活塞杆、闸板和密封罩；所述活塞杆的上下端分别与液压油缸、闸板的上端固定连接，所述密封罩将液压油缸、活塞杆和闸板密封在内；所述出流管路的正向出流口或反向出流口的正上方均对应一个出流口调节系统，且每个出流口调节系统独立运行，所述出流管路的上侧壁设有与闸板相适配的开孔；
10.所述消能箱还包括控制系统，所述控制系统包括土质分析模块、舱内泥沙沉积探测模块和液压缸升降模块；其中，所述土质分析模块用于分析施工现场的泥沙粒径，所述舱
内泥沙沉积探测模块用于分析施工过程中泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性，所述液压缸升降模块用于控制出流口调节系统的液压油缸，进而控制闸板的升降，以调节消能箱的出流方式。
11.进一步地，所述出流管路的出口外侧设置有格栅，以进一步消能，并过滤较大的石块。
12.进一步地，所述出流管路的下侧壁在所述开孔的正下方设有固定卡槽，所述闸板下降时，插入固定卡槽，以防止泥沙流速过快时，冲开闸板。
13.进一步地，所述出流管路的下侧壁外侧设有加强筋，以增强出流管路的强度和刚性。
14.一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的施工工艺，所述正向出流口上方的闸板为前闸板，所述反向出流口上方的闸板为后闸板，具体的施工工艺如下：
15.(1)首先通过土质分析模块分析施工现场的泥沙粒径；
16.(2)当泥沙粒径d
50
《80μm时，液压缸升降模块通过控制液压油缸，进而控制后闸板上升，反向出流口打开，控制前闸门下降，正向出流口关闭，横向管内的泥沙从反向出流口流出，直至施工完成；
17.(3)当泥沙粒径d
50
≥80μm时，液压缸升降模块通过控制液压油缸，进而控制前闸板上升，正向出流口打开，控制后闸板下降，反向出流口关闭，横向管内的泥沙从正向出流口流出，直至施工完成。
18.进一步地，当泥沙粒径d
50
≥80μm时，在装舱的初始阶段，打开正向出流口，关闭反向出流口，横向管内的泥沙从正向出流口流出；
19.当装舱进行到一定阶段时，通过舱内泥沙沉积探测模块对泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性进行探测分析，并根据探测分析结果，通过液压缸升降模块控制液压油缸，进而控制后闸板部分或全部上升，反向出流口部分或全部打开，经一段时间的装舱，实现泥舱内泥沙沉积的分布均匀，直至施工完成。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱结构简单、操作方便，在施工过程中能够根据土质条件调节消能箱的出流方式，从而提高耙吸挖泥船在不同工况下的施工效率；还可根据泥舱内的泥沙沉积分布情况，合理调整各个出流管路出口的启闭，以保证泥舱内泥沙沉积的均匀性。
附图说明
22.图1为现有耙吸挖泥船的右视图。
23.图2为现有泥舱消能箱的前视图。
24.图3为现有泥舱消能箱的俯视图。
25.图4为本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的俯视图。
26.图5为图4中a处的放大图。
27.图6为图4中b-b方向的剖视图(正向出流口关闭，反向出流口打开)。
28.图7为本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的前视图(正向出流口关闭)。
29.图8为本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的后视图(反向出流口打开)。
30.图9为本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的施工工艺流程图。
31.图中：11-主管；12-横向管；13-出流管路；14-正向出流口；15-反向出流口；16-格栅；17-固定卡槽；18-加强筋；
32.21-液压油缸；22-活塞杆；23-闸板；24-密封罩；
33.31-耙头；32-耙臂；33-泥泵；34-管路；35-消能箱开口；36-泥舱；37-溢流筒。
具体实施方式
34.下面结合附图，以具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明的范围。
35.实施例1
36.如图4和图5所示，本发明提供了一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱，所述消能箱包括管路系统和出流口调节系统，其中：
37.所述管路系统包括主管11，与所述主管11垂直固定连接的横向管12，所述横向管12的左右两侧封端，其前后两侧对称固定连接若干个出流管路13；所述前侧出流管路13的出口为正向出流口14，所述后侧出流管路13的出口为反向出流口15；
38.如图6所示，所述出流口调节系统包括液压油缸21、上下移动的活塞杆22、闸板23和密封罩24；所述活塞杆22的上下端分别与液压油缸21、闸板23的上端固定连接，所述密封罩24将液压油缸21、活塞杆22和闸板23密封在内，以防止施工过程中外部泥沙影响活塞杆22和液压油缸21的动作。
39.如图4所示，每个出流管路13的正向出流口14或反向出流口15的正上方均对应一个出流口调节系统，且每个出流口调节系统可独立运行，如图6所示，所述出流管路13的上侧壁设有与闸板23相适配的开孔。
40.在施工过程中，通过调节液压油缸21的行程控制活塞杆22的升降，活塞杆22控制闸板23的升降，从而实现正向出流口14和反向出流口15的启闭。其中，如图6-8所示，当正向出流口14关闭时，所述正向出流口14上方的出流口调节系统中的闸板23向下穿过出流管路13上侧壁的开孔，并完全阻挡正向出流口14；当反向出流口15开启时，所述反向出流口15正上方的出流口调节系统中的闸板23上升，离开出流管路13，回到密封罩24内。
41.进一步地，所述消能箱还包括控制系统，所述控制系统包括土质分析模块、舱内泥沙沉积探测模块和液压缸升降模块，所述土质分析模块用于分析施工现场的泥沙粒径，所述舱内泥沙沉积探测模块用于分析施工过程中泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性，所述液压缸升降模块用于控制出流口调节系统的液压油缸21，进而控制闸板23的升降，以调节消能箱的出流方式。
42.进一步地，如图5所示，所述出流管路13的出口外侧设置有格栅16，以进一步消能，并过滤较大的石块，加速泥沙沉降的同时减少泥舱的磨损。
43.进一步地，如图6所示，所述出流管路13的下侧壁在所述开孔的正下方设有固定卡
槽17，当闸板23下降时，所述闸板23向下穿过出流管路13上侧壁的开孔后，插入出流管路13下侧壁的固定卡槽17，以防止泥沙流速过快时，冲开闸板23。
44.进一步地，如图5和图6所示，所述出流管路13的下侧壁外侧设有加强筋18，以增强出流管路13的强度和刚性。
45.本发明的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱在遇到细颗粒土质时，打开反向出流口15，关闭正向出流口14，反向出流口15距离泥舱内的溢流管的距离较远，延长了细颗粒土质在泥舱内的运动时间，加速了泥沙的沉降，提高了装舱效率。
46.实施例2
47.选取某典型耙吸挖泥船的泥舱建立原型泥舱(正向出流)的三维数值计算域模型，采用数值计算方法模拟耙吸挖泥船泥舱装舱-溢流过程。
48.数值计算过程中，采用欧拉多相流模型模拟泥舱的装舱-溢流多相流流场，泥舱进舱总管路设定为进口，进口给定进舱流量q、泥沙浓度c
vi
、泥沙粒径d
50
等参数，出口设置为自由出流，数值计算中对泥舱内的泥沙体积vm进行实时监测。其中，泥沙粒径d
50
≥80μm为粗颗粒土质，d
50
＜80μm为细颗粒土质。
49.为了对比参数或结构变化和对装舱效果的影响，以原型泥舱(正向出流)进舱泥沙粒径50μm工况为基础(其中，50μm是细颗粒土质最常见的泥沙粒径)，定义参数敏感因子γ为：
[0050][0051]
式中，v
mp
为原型泥舱(正向出流)进舱泥沙粒径50μm工况下的舱内泥沙体积量，v
mn
为其它计算工况条件下泥舱舱内的泥沙体积量。
[0052]
2.1、泥沙粒径变化对装舱效果的影响
[0053]
在均为正向出流且其它条件相同的情况下，选取泥沙粒径d
50
分别为50μm、80μm和115μm的工况开展数值计算，待装舱时间达到t＝4000s时，对三个工况下泥舱内的泥沙体积vm进行统计，其舱内泥沙体积vm分别为1850m3、2123m3和2580m3。
[0054]
根据参数敏感因子γ的定义，泥沙粒径80μm和115μm两个工况下的参数敏感因子分别为14.76和39.46，即泥沙粒径80μm和115μm两个工况相比泥沙粒径50μm工况，泥舱内的泥沙体积量增加了14.76％和39.46％。
[0055]
从计算结果来看，耙吸挖泥船装舱过程中泥沙的粒径对装舱效率的影响较大，且泥沙的粒径越大，越易在泥舱内沉降，装舱效率越高。相应地，对于细颗粒粉土粉砂，其粒径较小，在泥舱中易悬浮、难沉降，在正向出流的泥舱中容易从溢流口排出，导致装舱效率较低。
[0056]
2.2、出流方式变化对装舱效果的影响
[0057]
针对粒径80μm以下的细颗粒粉土粉砂难沉降、易悬浮和装舱效率较低的特性，从泥舱的进舱消能箱结构形式等方面开展数值研究。基于实施例1的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱，建立带反向出流消能箱的泥舱数值计算域三维模型，对其开展流场数值模拟，并与原型泥舱(正向出流的消能箱结构)进行对比分析。
[0058]
在泥沙粒径d
50
均为50μm(50μm是细颗粒土质最常见的泥沙粒径)，且其它条件相同的情况下，分别对消能箱正向出流和反向出流两个工况开展数值计算，待装舱时间达到t＝
4000s时，对两个工况泥舱内的泥沙体积vm进行统计，其舱内泥沙体积vm分别为1850m3(正向出流)和2015m3(反向出流)。
[0059]
根据参数敏感因子γ的定义，采用反向出流的消能箱结构的工况下的参数敏感因子γ为8.92，即在粒径为50μm的细粉土装舱过程中，采用反向出流的消能箱结构相比正向出流消能箱结构，舱内泥沙体积量增加了8.92％。这说明本发明的反向出流的消能箱结构形式能够明显提高细颗粒粉土粉砂的装舱效率。
[0060]
实施例3
[0061]
采用实施例1的带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱，并基于实施例2的数值计算过程，确定调节消能箱的出流方式的临界泥沙粒径为80μm，其中，所述正向出流口14上方的闸板23为前闸板，所述反向出流口15上方的闸板23为后闸板，如图9所示，具体的施工工艺如下：
[0062]
(1)首先通过土质分析模块分析施工现场的泥沙粒径；
[0063]
(2)当泥沙粒径d
50
《80μm时，液压缸升降模块控制反向出流口15上方的出流口调节系统的液压油缸21，控制后闸板上升，反向出流口15打开；同时控制正向出流口14上方的出流口调节系统的液压油缸21，控制前闸板下降，正向出流口14关闭，横向管12内的泥沙从反向出流口15流出，直至施工完成，从而提高细颗粒粉土砂土的装舱效率；
[0064]
(3)当泥沙粒径d
50
≥80μm时，在装舱的初始阶段，液压缸升降模块控制正向出流口14上方的出流口调节系统的液压油缸21，控制前闸板上升，正向出流口14打开；同时控制反向出流口15上方的出流口调节系统的液压油缸21，控制后闸板下降，反向出流口15关闭，横向管12内的泥沙从正向出流口14流出；
[0065]
当装舱进行到一定阶段时，通过舱内泥沙沉积探测模块对泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性进行探测分析，并根据探测分析结果，通过液压缸升降模块控制反向出流口15上的出流口调节系统的液压油缸21，控制后闸板部分或全部上升，反向出流口15部分或全部打开，经一段时间的装舱，实现泥舱内泥沙沉积的分布均匀，直至施工完成。
[0066]
以上所述实施例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、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱，其特征在于，所述消能箱包括管路系统和出流口调节系统，其中：所述管路系统包括主管，与所述主管垂直固定连接的横向管，所述横向管的左右两侧封端，其前后两侧对称固定连接若干个出流管路；所述前侧出流管路的出口为正向出流口，所述后侧出流管路的出口为反向出流口；所述出流口调节系统包括液压油缸、上下移动的活塞杆、闸板和密封罩；所述活塞杆的上下端分别与液压油缸、闸板的上端固定连接，所述密封罩将液压油缸、活塞杆和闸板密封在内；所述出流管路的正向出流口或反向出流口的正上方均对应一个出流口调节系统，且每个出流口调节系统独立运行，所述出流管路的上侧壁设有与闸板相适配的开孔；所述消能箱还包括控制系统，所述控制系统包括土质分析模块、舱内泥沙沉积探测模块和液压缸升降模块；其中，所述土质分析模块用于分析施工现场的泥沙粒径，所述舱内泥沙沉积探测模块用于分析施工过程中泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性，所述液压缸升降模块用于控制出流口调节系统的液压油缸，进而控制闸板的升降，以调节消能箱的出流方式。2.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船泥舱消能箱，其特征在于，所述出流管路的出口外侧设置有格栅，以进一步消能，并过滤较大的石块。3.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船泥舱消能箱，其特征在于，所述出流管路的下侧壁在所述开孔的正下方设有固定卡槽，所述闸板下降时，插入固定卡槽，以防止泥沙流速过快时，冲开闸板。4.根据权利要求1所述的耙吸挖泥船泥舱消能箱，其特征在于，所述出流管路的下侧壁外侧设有加强筋，以增强出流管路的强度和刚性。5.一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱的施工工艺，其特征在于，所述正向出流口上方的闸板为前闸板，所述反向出流口上方的闸板为后闸板，具体的施工工艺如下：(1)首先通过土质分析模块分析施工现场的泥沙粒径；(2)当泥沙粒径d
50
<80μm时，液压缸升降模块通过控制液压油缸，进而控制后闸板上升，反向出流口打开，控制前闸门下降，正向出流口关闭，横向管内的泥沙从反向出流口流出，直至施工完成；(3)当泥沙粒径d
50
≥80μm时，液压缸升降模块通过控制液压油缸，进而控制前闸板上升，正向出流口打开，控制后闸板下降，反向出流口关闭，横向管内的泥沙从正向出流口流出，直至施工完成。6.根据权利要求5所述的耙吸挖泥船泥舱消能箱的施工工艺，其特征在于，当泥沙粒径d
50
≥80μm时，在装舱的初始阶段，打开正向出流口，关闭反向出流口，横向管内的泥沙从正向出流口流出；当装舱进行到一定阶段时，通过舱内泥沙沉积探测模块对泥舱内的泥沙沉积分布的均匀性进行探测分析，并根据探测分析结果，通过液压缸升降模块控制液压油缸，进而控制后闸板部分或全部上升，反向出流口部分或全部打开，经一段时间的装舱，实现泥舱内泥沙沉积的分布均匀，直至施工完成。

技术总结
本发明公开了一种带出流口调节系统的耙吸挖泥船泥舱消能箱及其施工工艺，所述消能箱包括管路系统和出流口调节系统，其中，所述管路系统包括主管，与所述主管垂直固定连接的横向管，所述横向管的左右两侧封端，其前后两侧对称固定连接若干个出流管路，所述前侧出流管路的出口为正向出流口，所述后侧出流管路的出口为反向出流口；所述出流管路的正向出流口或反向出流口的正上方均对应一个出流口调节系统，以控制正向出流口和反向出流口的启闭，且每个出流口调节系统独立运行。该消能箱结构简单、操作方便，在施工过程中能够根据土质条件调节消能箱的出流方式，从而提高耙吸挖泥船在不同工况下的施工效率。不同工况下的施工效率。不同工况下的施工效率。


技术研发人员：尹纪富 舒敏骅 冒小丹 张忱 周忠玮 王费新 张晴波 洪国军 程书凤 陆寅松 邢津 刘功勋 赵旭远 金鹏
受保护的技术使用者：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15