一种振动式疏浚头

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技术领域\n本发明涉及一种振动式疏浚头，以及使用这种疏浚头的深水疏浚设 备和安装有该深水疏浚设备的疏浚船。\n背景技术\n现有疏浚头通常只具有旋转功能，工作时依靠其旋转力使水底的底 泥或沉积物破碎，然后利用泵将泥水混合物抽出，以完成对水底的疏浚。 由于这种疏浚头单纯依靠其旋转力来工作，因而工作时不但能耗大，而 且生产效率底。\n另外，目前使用的疏浚设备一般只适于在较浅水域中使用，而随着 大型水利设施的不断建成，迫切需要能够在深水中施工的疏浚设备，以 保证这些水利设施的正常运行。\n发明内容\n针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种生产效率高、 工作能耗低的振动式疏浚头。本发明进一步的目的是提供一种应用上述 振动式疏浚头，适于在深水水域作业的深水疏浚船。\n为达到上述目的，本发明振动式疏浚头包括刚性中心排碴管、电机、 延时离心离合器、偏心块激振器、切削刀盘旋转机构；所述中心排碴管 管身上固定有一法兰盘，该法兰盘与与电机外壳之间的接合面与中心排 碴管轴线相垂直；电机与排碴管相固定，其中电机外壳一端与法兰盘为 气密固定，所述电机的空心芯轴套装在排碴管外，并与排碴管外表面之 间留有间隙；所述延时离心离合器包括座套，座套上设置有若干个阻尼 油缸，该阻尼油缸沿座套周向均布，阻尼油缸端盖固定在缸套的端部， 摩擦块表面周向为圆弧形，并与活塞杆一体制成，活塞杆穿过阻尼油缸 端盖及复位压簧与活塞连接，并用压板与活塞相固定，随活塞一起沿座 套的径向往复运动，阻尼油缸活塞上设置有连通其两工作腔的阻尼孔， 座套套装在电机芯轴远离法兰盘一端，并可随电机芯轴绕中心排碴管旋 转；所述偏心块激振器包括壳体和中心空心轴，空心轴通过轴承可转动 固定在壳体内腔中，空心轴一端安装有延时离心离合器的从动件，空心 轴上固定有偏心块，偏心块激振器通过其壳体固定在所述电机外壳上， 壳体端部与电机外壳远离所述法兰盘一端气密连接固定，空心轴可转动 套装在所述中心排碴管外，其端部离合器的从动件包覆在所述离心离合 器径向外侧，离合器从动件内径表面设置有与所述摩擦块相配合的摩擦 接合面；所述切屑刀盘旋转机构包括连接套、圆锥形支撑件和切屑刀盘， 圆锥形支撑件套装在所述偏心块激振器壳体的外表面上，壳体上设置有 将圆锥形支撑件轴向限定在壳体上的限位结构，，连接套与圆锥形支撑件 之间设置有摩擦面，并有间隙；连接套可绕壳体作偏心旋转，切屑刀盘 固定在连接套上，位于所述壳体及所述排碴管前端，并与二者端部之间 留有间隙，其上设置有沿轴向延伸的切屑刀头，切屑刀盘上有从其前面 到排碴管端口的通孔。\n进一步，所述电机空心芯轴上有压紧电机转子的结构，电机外壳内 有压紧电机定子的结构，电机绕组用无溶剂树脂固化；电机空心芯轴远 离所述法兰盘一端带有轴向凸出其定子及转子端面的延伸段，所述延时 离心离合器中的座套套装在该延伸段上，并通过键与电机空心芯轴周向 固定。\n进一步，所述阻尼油缸的活塞上还设置有带有单向阀的连接孔，在 该连接孔作用下，当活塞向靠近所述座套轴心一侧复位时，使阻尼油缸 两工作腔无阻尼接通。\n进一步，所述连接套包括外套和内套，内、外套可相对轴向滑动， 并且周向固定，内套内表面和所述圆锥形支撑件外表面构成所述摩擦面。\n进一步，所述外套和所述内套沿轴向均由两部分构成，其中两外套 相对端均设置有连接法兰，两外套远端设置有与两内套远端相配合的限 定结构，两外套通过其连接法兰相互连接的同时，将两内套限定在其径 向里侧，通过改变两外套的轴向间距，可对两内套的轴向间距进行调整， 内套内表面为圆锥面，两内套的圆锥面相互镜向；与两内套相对应，所 述壳体上设置有分别与两内套的圆锥面相匹配的圆锥支撑面，通过该圆 锥支撑面，外套和内套在壳体上被轴向限定；所述切屑刀盘为圆盘状， 其中心设置有一通孔，切屑刀盘固定在靠近所述排碴管前端的外套上。\n进一步，所述刚性中心排碴管远离所述切屑刀盘的另一端还设置有 缓冲接头，刚性中心排碴管通过该接头与其下游的管道相连。\n由于本发明振动式疏浚头工作时在底泥上同时施加有振动力和剪切 力，通过振动仅使底泥部分或局部液化，因而大大降低了底泥的阻力，在 切屑刀盘的切割下，底泥大部分以块状被沙石泵吸走，在疏浚头周围松 软的底泥，在振动及水流的影响下会形成坍塌，坍塌的泥沙立即被沙石 泵吸走，因此不但提高疏浚效率，而且降低了能源消耗。另外，亦减少 了疏浚过程中对水体的二次污染。\n本发明深水疏浚船利用塔架上设置有垂直导轨，可以方便的调整疏 浚深度，通过改变悬挂机构与沙石泵之间排碴管的长度，可以更大幅度 调整疏浚船的工作深度；通过在沙石泵下方设置不同数量的疏浚头，可 方便调整疏浚船的生产能力；通过在悬挂机构上设置摆动机构，可进一 步调整疏浚头的工作方式，以满足对不同密实度底泥进行疏浚的需要； 特别是在操纵装置中设置恒拉力机构后，疏浚中可以自动给进；当船体 随风浪上下浮动时，悬挂机构在机架上的高度位置随之改变，从而使疏 浚头在底泥中的工作深度保持稳定，因而提高了疏浚船作业时抗风浪干 扰的能力。\n附图说明\n图1为本发明振动式疏浚头结构示意图；\n图2为图1中A向视图；\n图3为图1中B-B剖视图；\n图4为振动式疏浚头工作时的轨迹示意图；\n图5为本发明深水疏浚船结构示意图；\n图6为图4疏浚船中疏浚部分连接示意图；\n图7为图5中C向局部视图；\n图8为图5中E部放大视图；\n图9为图5中D-D剖视图；\n图10为疏浚头运动轨迹示意图；\n图11为振动时疏浚头及刚性管道15轴线运动轨迹示意图；\n图12为振动时切削刀盘上一点的运动轨迹示意图；\n图13为该恒压控制悬挂机构装置的轴测示意图。\n具体实施方式\n如图1、图2、图3所示，本发明振动式疏浚头包括刚性中心排碴管 3、电机5、延时离心离合器6、偏心块激振器7、切削刀盘旋转机构9； 排碴管3管身上固定有一法兰盘4；电机5与排碴管3相固定，其中电机 5外壳51一端与法兰盘4为气密固定，电机5空心芯轴54套装在排碴管 3外，并与排碴管3外表面之间留有间隙，电机空心芯轴54上有压紧电 机转子52的结构，电机外壳51内有压紧电机定子53的结构，电机绕组 用无溶剂树脂固化；延时离心离合器6包括座套62，座套62上设置有若 干个阻尼油缸63，该阻尼油缸63沿座套62周向均布，其中缸套631与 座套62一体制成，阻尼油缸端盖632固定在缸套631的端部，摩擦块634 表面周向为圆弧形，与活塞杆一体制成。活塞杆穿过阻尼油缸端盖632 及复位压簧636与活塞633连接，并用压板635与活塞633相固定，使 摩擦块634随活塞633一起沿座套62的径向往复运动，阻尼油缸活塞633 上设置有连通其两工作腔的阻尼孔638和带有单向阀的通孔637，在通孔 637作用下，当活塞633在复位压簧636的作用下，向靠近座套62轴心 一侧复位时，使阻尼油缸63的两工作腔无阻尼接通，座套62套装在电 机轴54远离法兰盘4一端轴向凸出其定子及转子端面的延伸段上，并通 过键61与电机轴54周向固定，并可随轴54绕排碴管3旋转；偏心块激 振器7包括壳体80和中心空心轴74，空心轴74通过两轴承81及支撑套 73可转动固定在壳体80内腔中，并通过夹盘79、82和轴承78与壳体 80轴向固定，壳体80一端与电机外壳51一端气密连接固定，夹盘82同 时将排碴管3端部与壳体80另一端固定，空心轴74套装在排碴管3外， 其上端部套装有一离合器6的从动件72，该从动件72通过键77与空心 轴74周向固定，从动件72包覆在延时离心离合器6的径向外侧，其内 表面设置有与摩擦块634相配合的摩擦接合面71，空心轴74上固定有偏 心块75；切削刀盘旋转机构9包括连接套、圆锥形支撑件和切屑刀盘， 其中连接套包括外套95、98和内套97，外套95、98和内套97沿轴向均 由两部分构成，其中两外套95、98相对端均设置有连接法兰，两外套远 端设置有与两内套97远端相配合的环状卡台，该卡台径向里侧表面形状 为六角形，与其相匹配，两内套97远端设置有径向外缘形状同样为六角 形的环状凸缘93，两外套95、98通过其连接法兰相互连接的同时，将两 内套97限定在其径向里侧，并通过凸缘93与外套远端卡台相配，而使 二者可相对轴向移动、周向固定，内套97内表面为圆锥面，两内套97 的圆锥面相互镜向配置；与两内套97相对应，壳体80上设置有两个分 别与两内套97的圆锥面相匹配的圆锥形支撑件94，该两圆锥形支撑件 94通过壳体80外表面上设置的轴肩76、支撑隔套96、压盘83被夹持固 定在壳体80上，同时外套95、98通过两内套97与两圆锥形支撑件94 相配合被安装在壳体80上，通过改变隔套92的轴向长度以调整两外套 95、98的轴向间距，使两内套97内表面与两圆锥形支撑套94外表面之 间留有适当的径向间隙；切屑刀盘10为圆盘状，通过连接套103固定在 外套98端部，切屑刀盘10上以其中心为圆心，设置有若干个切屑刀头 101，切屑刀盘中心设置有一通孔102。\n刚性中心排碴管3上端还设置有缓冲接头1，刚性中心排碴管3通过 该接头1与其下游的刚性管道15相连，接头1、与法兰盘4和排碴管3 之间还设置有加强筋板2，筋板2外法兰盘上有电机电缆插头11。\n工作时，疏浚头被垂直悬吊在其上方的刚性连接管道15上，并与其 刚性连接管道15周向固定。接通电源后，电机空心芯轴54相对其外壳 51及排碴管3旋转，并带动安装在其延伸段上的延时离心离合器6旋转， 离心离合器的阻尼油缸63中的活塞杆连同其摩擦块634及活塞633在离 心力的作用下克服压簧636的压力向径向外侧移动，并最终使摩擦块634 靠压在离合器从动件72内的摩擦接合面71上，活塞633上的阻尼孔638 使摩擦块634向摩擦接合面71以较慢的速度移动，使接合时间滞后电机 的启动时间，在此时间段内电机可以近于无负荷启动；随着摩擦块634 与摩擦接合面71相互接合，离合器从动件72带动偏心块激振器7中的 空心轴74旋转，空心轴74上的偏心块75在旋转的同时，其产生的径向 偏心力驱动整个疏浚头作高速锤摆运动，图11给出了振动时疏浚头轴线 及刚性管道15轴线运动轨迹示意图；由于切削刀盘旋转机构9中的内套 97内表面与壳体80上的圆锥形支撑套94外表面之间留有径向间隙，因 此，在两外套95、98连同两内套97随两圆锥形支撑套94作锤摆运动的 同时，在内套97与支撑套94的接触面上产生的摩擦力的作用下，内套 97绕支撑套94低速旋转，即内套97随整个疏浚头作锤摆运动的同时， 绕排碴管3的轴心旋转，并带动两外套95、98及切屑刀盘10一同旋转； 图4给出了振动时切削刀盘的运动轨迹示意图，图中G圆所示为壳体80 外表面，F圆所示为两外套95、98外表面，壳体80的轴线沿H圆摆动， 外套95、98随壳体80作锤摆运动的同时，沿箭头方向绕壳体80旋转； 图12给出了振动时切削刀盘上一点的运动轨迹示意图。\n如图5、图6所示，本发明深水疏浚船包括船体25、机架24、悬挂 机构23、沙石泵20、振动式疏浚头14、控制装置等。塔架24安装在船 体25上，工作时垂直竖起，转场时可水平放倒，塔架24上设置有由组 成塔架的两根纵向矩型管构成的垂直导轨；悬挂机构23可沿垂直导轨上 下滑动，并通过其吊点处设置的滑轮241和塔架24顶部设置的滑轮组242 与船体25上设置的卷扬机构27相连，卷扬机构27上的钢丝绳271绕过 滑轮组242、滑轮241，并再次绕过滑轮组242后与油缸28的活塞杆29 相连，油缸28与一外购的标准恒压控制装置(图中未示出)相连，在该 恒压控制装置的控制下，油缸28向悬挂机构23所提供的向上的拉力保 持恒定，并且在该状态下，活塞杆29可随作用在悬挂装置23上的向下 的负载的变化而自动伸缩，图13为该恒压控制悬挂机构装置的示意图。 沙石泵20通过刚性连杆22固定在悬挂机构23下方，沙石泵20下端输 入口处安装有三个向下方延伸的刚性管道段18，该三个刚性管道段18下 端位于同一平面内，每个刚性管道段18下端均通过一缓冲接头16悬挂 有一振动式疏浚头14，缓冲接头16将刚性管道段18下端与疏浚头14上 端的垂直刚性输出管15水密连接，刚性输出管15与疏浚头14中的中心 排碴管3通过缓冲接头1水密连接，沙石泵20输出端通过管道21与设 置在船体25上的沙石泵26相连，沙石泵26输出端接有输出管道261。\n如图7所示，悬挂机构23的支架234上还设置有摆动机构，该摆动 机构由齿轮231、齿条233、油缸232构成，其中齿轮231与刚性连杆22 同轴固定，齿条233与油缸232的活塞杆相连，通过油缸活塞杆的伸缩， 带动齿条233往复运动，并通过齿轮231驱动刚性连杆22往复旋转。\n如图8所示，缓冲接头16包括法兰盘164、法兰座161、压盖166、 螺栓162、环状橡胶垫163，法兰座161与压盖166之间通过螺栓162相 互连接固定，法兰盘164上沿周向均部有若干个圆孔，与其相对应，法 兰盘164和法兰座161分别固定在两待连接刚性管道15、18的端部，法 兰盘164通过压盖166被扣装在法兰座161内，法兰盘164两侧面与法 兰座161和压盖166轴向内表面之间均压装有环状橡胶垫163，螺栓162 一一穿过橡胶垫163及法兰盘164上的圆孔，螺栓162直径小于法兰盘 164上圆孔的内径，各螺栓162与法兰盘164上圆孔之间还各设置有一隔 离垫圈165。\n如图9所示，沙石泵20下端输入口处的三个刚性管道段18的下端 在同一水平面内以等边三角形分布。\n图13为该恒压控制悬挂机构装置的轴测示意图。\n船体上25还设置有吊装机构30，通过该吊装机构30对由沙石泵、 疏浚头和管道构成的疏浚部分进行提起和入水操作；塔架24、吊装机构 30和卷扬机构27可以在平行船体25中轴线的轨道上前后移动，以满足 不同工况的要求；塔架24可以用油缸竖起和放平操作(图中未示出)。\n工作时，首先通过操纵卷扬机构27，使振动式疏浚头14下潜到适当 深度，并锁定卷扬机构27，调整油缸28的拉力，使疏浚部分的重力与水 底底泥的支撑力和油缸28的拉力达到平衡，然后通过操纵控制装置启动 沙石泵20、疏浚头上的电机5工作，进行疏浚作业。其中，疏浚头14按 图10所示轨迹运动，疏浚头14及刚性管道15轴线的运动轨迹如图11 所示，图12所示则为振动时切削刀盘上一点的运动轨迹示意图。\n水底的底泥在疏浚头14的振动及疏浚头端部切屑刀盘的切割下，部 分液化并形成带有一定泥块和沙石的泥浆，在疏浚头周围松软的底泥在 振动及水流的影响下会形成坍塌；沙石泵20将疏浚头端部形成的碴浆吸 入并输送给其下游沙石泵26，泥浆最终被沙石泵26排至堆场，从而实现 对水底的疏浚作业。对于比较坚实的底泥，在疏浚头14工作的同时，通 过操纵悬挂机构23上的摆动机构，使刚性连杆22带动沙石泵20往复旋 转摆动，并通过刚性管道18、15带动疏浚头14绕沙石泵20的垂直中心 线作往复旋转摆动。在悬挂机构23上设置摆动机构后，可加大疏浚头14 的疏浚工作面积，以提高疏浚船的生产效率，适应不同密实度的底泥疏 浚。由于疏浚头14工作时振动剧烈，这样在刚性管道18与刚性管道15 之间及刚性管道15与疏浚头14之间之间设置缓冲接头后，可有效降低 疏浚头上的振动向沙石泵的传递，以防止振动对沙石泵20、悬挂机构23 及船体25产生危害，并节能。\n在悬挂机构23上施加向上的恒拉力后，当船体25随水面波动而相 对水底上下浮动时，油缸28通过其活塞杆28的伸缩，可对悬挂机构23 相对塔架24的位置实时调整，从而使疏浚头14作用在底泥上的压力恒 定，以保证疏浚头14在水底疏浚深度的稳定。当船体25上升时，在疏 浚头14重力作用下，油缸活塞杆28向外伸出，直至疏浚头重力、底泥 支撑力、油缸拉力达到平衡；当船体25下降时，疏浚头14作用在钢丝 绳271上的拉力变小，油缸活塞杆28收回，直至疏浚头重力、底泥支撑 力、油缸拉力再次达到平衡。\n当由沙石泵、疏浚头及其管道组成的疏浚部分不需要在恒拉力状态 下工作时，悬挂机构23也可在由液压马达及由齿轮、齿条传动系构成的 驱动装置的驱动下，沿所述垂直导轨的上下移动，其中驱动装置中的齿 轮、齿条传动系设置在悬挂机构23与机架24之间。\n上述悬挂机构23上的设置的摆动机构也可由液压马达构成，也可由 液压马达或电机或油缸与相连的连杆及摆杆构成的驱动装置构成。\n根据对不同生产能力的需要，上述沙石泵20下端输入口处可接有、 五个、七个等不同数量的刚性管道段18。当刚性管道段18的数量为五个 时按中间一个，外围为正四边形分布；七个时，按中间一个、外围为正 六边形分布。