一种新型的清於输泥设备

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引自.chida点org/article/257.html，有图片

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1、前言 由于围海造地事业的发展，高滩涂所剩无几，海岸已逐步伸向中、低滩涂。中低滩涂大多沉积着深厚的软粘土层，这类土层粘性大、强度低、含水量大，陆上机械下不去，水上机械上不来，现有的设备难以发挥作用，人工又无法施工。而且这种软粘土，既非固体，有非液体，属于宾哈姆体范畴，具有很大的粘滞阻力，以往设备，不论是绞吸式、刮板式、链斗式、抓斗式、劲马泵、活塞泵，罗茨泵，还是气力输送、皮带输送、螺旋输送，都很难实现厚状土的远距离输进。 又如日积月累，在水库、湖泊、河道中渐渐地沉积起越来越厚的泥层，使河床提高。这不但减少库容，污染环境，影响交通，面且在汛期会洪水泛滥，危且堤防，造成水灾。运河河道和港池航道的疏浚工程都涉及到泥土的输送，有着很大的土方工程，因此本顶目的研究有较重要的理论价值和市场潜力。 2、基本结构和原理 E) L: l7 P9 h# p气体、液体和粉粒状固体可用管道输送，理论上也比较成热。而粘塑性物料的管道输送理论鲜见研究和报道，通常认为无法用管道输送。就输送泥土的现有技术和设备来说，泥浆浓度大于30％，就难以输送；粉粒状干土稍有潮湿就无法输送。而大量泥土的自然状态都处于难以用管道输送的范围。自然界和工程中普遍存在着粘塑性物料输送的需求，本项目研究泥土的特性和影响输送的主要因素及规律。如软粘土的软弱性、粘滞性、触变性，流变性、渗透性、压缩性，以及在气、液、固、表面活性剂等非均匀多相介质状态下的流场特性、流动机理和模型。建立本构方程，确定有关参数，在气、液、泥等多相介质状态下边界层的相互作用机理和内在规律。在前期研究的基础上，提出一种全新的帖塑性物料管道输送方法，研制开发了能远距离输送高浓度、高粘性、低含水量的淤泥和软粘土的新型设备。该项目已申请了专利。 8 d- n0 A$ d, i0 J2 `2 n1 s新型清淤输泥设备的基本结构如图1所示，包括布料装置、进料口、推送器、表面膜发生器、脉冲切割器、定位系统、智能控制系统、输料管道、管道浮于等。 # X0 b; ?8 O, y) @(1)进料口 9 f0 @0 G+ Q; Z. c7 r/ ` |进料口包括铲吸头和栏栅并与推送器进口连接（图2） (2)推进器 - n, t# A: H) C/ e5 e% l% P有气力推送器和液力推送器2种。气力推送器包括进口、发送罐、单相阀、活门、空气分配器等。进口与进料口连接，通常空气分配器控制2个或3个发送罐。发送罐交替吸人和压出泥土(如图3所示)。液力推送器有进口、液压活塞泵、转换阀、出口等组成。2个活塞泵交替吸人和压出泥土，由转换阀分配进出通道，出口与输料管道连接(如图4)。 (3)表面膜发生器 物料粘滞性是管道输送的大敌，克服物料粘滞性是远距离输送的关键。本方案是仿生鱼体表面腆和动物肠道膜，采用减摩润滑理论和表面活性剂技术，使得管壁与泥柱之间垫有一层悬浮膜，使物料的内摩擦力大于管壁摩擦力，以减少帖滞阻力。既增加料柱间的密封，又避免物料的损坏和管道的磨损。具体方法有，用表面膜发生器设置在输料管道上，适时地对料柱表面喷一层润滑剂或添加剂，并根据输送不同的物料，对不同配方的添加剂的效果进行试验。选择和配置相适应的表面活性剂、润滑剂和脱水剂。起到润滑、减阻、脱水、固结作用。由于输料管道为高能表面，管壁的表面能很大，于是管壁与物料间的粘附力也很大，物料在管壁上的粘附作用很强，造成输道阻力很大。当加入活性剂于管道中，水就可以在管壁上铺展，表面活性剂就以疏水的碳氢链吸附于管壁上，带有一层水膜的极性基伸入管内吸附在管壁上.将原来高能表面的管壁被水膜覆盖，此时物料的移动在水膜上进行，其粘附力降低、使输送阻力降低。 3 S6 k1 L# z% x j(4)脉冲切割器 克服了物料对管壁的粘滞性，并不等于就能远距离输送。要增大输送距离，通常的方法有3个途径：增大推送压力，加大管径，减少物料的运动摩擦力。其中，增大推送压力和加大管径都很不经济，减少物料的运动摩擦力又很有限。本研究采用新的途径解决这个问题。是通过脉冲切割器把被输送的泥土切割成一段一段的泥柱。输送时，可随意调整泥柱和气柱的长度及比例，使总推力大于和接近于总阻力，实现最佳的气料比和需要的运输距离，达到远距离输送和高效低耗的目的。表面膜发生器和脉冲切割器的构造如图5所 . j' S6 C& I0 E: L% v; I(5)控制系统 研究实现稳定输送的边界条件，根据物料的性质，计算其输送阻力和进料速度，确定稳定输送的条件，确定敷学模型的设计参数。根据进料速度，管道的沿程阻力，开挖位置，脉冲频率，空气分配都可以采用智能控制系统对其进行调整。 ( d; q+ s9 q4 z% y(6)定位系统 . L7 C* v8 e9 X5 O, s* y+ d清淤输泥常常在水下进行，设备的定位，对提高清淤输泥的效率至关重要。采用GPS差分定位系统。定位系统包括基准台、移动台、测深仪、工控电脑、数传电台、GPS接收机等。采用实时差分定位原理，其方法是在一已知点上设1台GPS接收机为基准站，基准站将接收机接收到的卫星信号进行解算与已知点的数据相比较计算得出误差，再由基准站通过敷据传输链路把误差值播发给未知点的移动站，经工控电脑，用以消除未知点的误差，从而有效地削弱卫星钟差、星历误差、电离层对流层和SA政策对信号的影响，定位误差控制在土0.2m以内。 3、特 点 ( N/ T% `( h1 M1 r! R" H( A(1)能输送高浓度的泥浆及低含水量的软粘土，打破历来认为软粘物料无法管道输送的禁区，被输送泥浆浓度高达99％； ! X1 L* W, s, C* f9 M0 Y% I(2)输送距离和输送量可根据需要随时调整。输送距离远时增大气柱的长度，输送距离近时可减小气柱的长度； 0 Q4 ?2 H! v7 M. `. H8 w(3)作业时，不会污染水和环境，避免造成二次污染； (4)采用GPS实时差分定位系统，准确性高； (5)适用范围广，能牦省，工效高，效益好； (6)卸科口移动灵活，装袋、灌肠、布料方便； (7)结构简单，故障少，运行维护方便； % H4 _( W; v, m: S(8)自动化程度高，结束土方工程肩扛手提的历史。 4、基本参数 % O& ?$ s4 X( L2 z) Y& y/ Z5 j该设备的基本参敷见表1。 2 z. c+ y( ~/ ^: j! j, X P# F5、结 语 环保型清淤输泥方法和设备是一种研究宾哈姆体和固体间相互运动的界面关系及其改善方法，能远距离输送高浓度、大粘度、低含水量的淤泥和软粘土，又不污染环境的土方施工设备。 本设备在水利、环保、建筑工程中有着极其广泛的用途。适用于河道开挖，港口疏浚，围海筑堤，海滩回填，土方搬运，水库、航道、湖泊的清淤．码头船坞积聚物清理，城市垃圾、工业废渣清运等等。对结束土方工程手提肩扛的历史，提高生产力，治理环境污染，促进经济发展，都有着重要的现实意义。 # A2 n. A( L6 ]3 z# v 1、前言 ; ?9 c3 E0 }* Y7 |- ~ K; o. [由于围海造地事业的发展，高滩涂所剩无几，海岸已逐步伸向中、低滩涂。中低滩涂大多沉积着深厚的软粘土层，这类土层粘性大、强度低、含水量大，陆上机械下不去，水上机械上不来，现有的设备难以发挥作用，人工又无法施工。而且这种软粘土，既非固体，有非液体，属于宾哈姆体范畴，具有很大的粘滞阻力，以往设备，不论是绞吸式、刮板式、链斗式、抓斗式、劲马泵、活塞泵，罗茨泵，还是气力输送、皮带输送、螺旋输送，都很难实现厚状土的远距离输进。 又如日积月累，在水库、湖泊、河道中渐渐地沉积起越来越厚的泥层，使河床提高。这不但减少库容，污染环境，影响交通，面且在汛期会洪水泛滥，危且堤防，造成水灾。运河河道和港池航道的疏浚工程都涉及到泥土的输送，有着很大的土方工程，因此本顶目的研究有较重要的理论价值和市场潜力。 ) d" Z) w& Y( `2、基本结构和原理 $ @8 A2 R% ~3 o; S- T2 e$ Z. }* D气体、液体和粉粒状固体可用管道输送，理论上也比较成热。而粘塑性物料的管道输送理论鲜见研究和报道，通常认为无法用管道输送。就输送泥土的现有技术和设备来说，泥浆浓度大于30％，就难以输送；粉粒状干土稍有潮湿就无法输送。而大量泥土的自然状态都处于难以用管道输送的范围。自然界和工程中普遍存在着粘塑性物料输送的需求，本项目研究泥土的特性和影响输送的主要因素及规律。如软粘土的软弱性、粘滞性、触变性，流变性、渗透性、压缩性，以及在气、液、固、表面活性剂等非均匀多相介质状态下的流场特性、流动机理和模型。建立本构方程，确定有关参数，在气、液、泥等多相介质状态下边界层的相互作用机理和内在规律。在前期研究的基础上，提出一种全新的帖塑性物料管道输送方法，研制开发了能远距离输送高浓度、高粘性、低含水量的淤泥和软粘土的新型设备。该项目已申请了专利。 新型清淤输泥设备的基本结构如图1所示，包括布料装置、进料口、推送器、表面膜发生器、脉冲切割器、定位系统、智能控制系统、输料管道、管道浮于等。 % N3 L0 z/ V ?: |- F(1)进料口 d8 Y" a4 g& ]. b( c, p, n进料口包括铲吸头和栏栅并与推送器进口连接（图2） ( u7 z# K( I' f8 w: H: v(2)推进器 有气力推送器和液力推送器2种。气力推送器包括进口、发送罐、单相阀、活门、空气分配器等。进口与进料口连接，通常空气分配器控制2个或3个发送罐。发送罐交替吸人和压出泥土(如图3所示)。液力推送器有进口、液压活塞泵、转换阀、出口等组成。2个活塞泵交替吸人和压出泥土，由转换阀分配进出通道，出口与输料管道连接(如图4)。 6 Q: T1 K: L- W# Y0 ^(3)表面膜发生器 0 H |1 U; Z) I8 {- b7 D5 m2 U1 b1 i物料粘滞性是管道输送的大敌，克服物料粘滞性是远距离输送的关键。本方案是仿生鱼体表面腆和动物肠道膜，采用减摩润滑理论和表面活性剂技术，使得管壁与泥柱之间垫有一层悬浮膜，使物料的内摩擦力大于管壁摩擦力，以减少帖滞阻力。既增加料柱间的密封，又避免物料的损坏和管道的磨损。具体方法有，用表面膜发生器设置在输料管道上，适时地对料柱表面喷一层润滑剂或添加剂，并根据输送不同的物料，对不同配方的添加剂的效果进行试验。选择和配置相适应的表面活性剂、润滑剂和脱水剂。起到润滑、减阻、脱水、固结作用。由于输料管道为高能表面，管壁的表面能很大，于是管壁与物料间的粘附力也很大，物料在管壁上的粘附作用很强，造成输道阻力很大。当加入活性剂于管道中，水就可以在管壁上铺展，表面活性剂就以疏水的碳氢链吸附于管壁上，带有一层水膜的极性基伸入管内吸附在管壁上.将原来高能表面的管壁被水膜覆盖，此时物料的移动在水膜上进行，其粘附力降低、使输送阻力降低。 % Z0 r0 N) t2 |2 h' |" C7 G(4)脉冲切割器 $ h" ^% [# L$ ?: M* ~克服了物料对管壁的粘滞性，并不等于就能远距离输送。要增大输送距离，通常的方法有3个途径：增大推送压力，加大管径，减少物料的运动摩擦力。其中，增大推送压力和加大管径都很不经济，减少物料的运动摩擦力又很有限。本研究采用新的途径解决这个问题。是通过脉冲切割器把被输送的泥土切割成一段一段的泥柱。输送时，可随意调整泥柱和气柱的长度及比例，使总推力大于和接近于总阻力，实现最佳的气料比和需要的运输距离，达到远距离输送和高效低耗的目的。表面膜发生器和脉冲切割器的构造如图5所 9 f2 G$ j' o6 _% X& H(5)控制系统 研究实现稳定输送的边界条件，根据物料的性质，计算其输送阻力和进料速度，确定稳定输送的条件，确定敷学模型的设计参数。根据进料速度，管道的沿程阻力，开挖位置，脉冲频率，空气分配都可以采用智能控制系统对其进行调整。 (6)定位系统 9 E5 @! u6 Q: q& [1 U" E清淤输泥常常在水下进行，设备的定位，对提高清淤输泥的效率至关重要。采用GPS差分定位系统。定位系统包括基准台、移动台、测深仪、工控电脑、数传电台、GPS接收机等。采用实时差分定位原理，其方法是在一已知点上设1台GPS接收机为基准站，基准站将接收机接收到的卫星信号进行解算与已知点的数据相比较计算得出误差，再由基准站通过敷据传输链路把误差值播发给未知点的移动站，经工控电脑，用以消除未知点的误差，从而有效地削弱卫星钟差、星历误差、电离层对流层和SA政策对信号的影响，定位误差控制在土0.2m以内。 * ^; Q. X3 S! y' I, d9 v, T: q3、特 点 , L) |4 E, K/ B d(1)能输送高浓度的泥浆及低含水量的软粘土，打破历来认为软粘物料无法管道输送的禁区，被输送泥浆浓度高达99％； (2)输送距离和输送量可根据需要随时调整。输送距离远时增大气柱的长度，输送距离近时可减小气柱的长度； 8 k; T2 e% N6 G1 @(3)作业时，不会污染水和环境，避免造成二次污染； 2 d9 b9 a! V. ^. M(4)采用GPS实时差分定位系统，准确性高； - G" |! g1 ^/ m9 ^3 a: |4 U1 B(5)适用范围广，能牦省，工效高，效益好； , S& V1 l& \/ d(6)卸科口移动灵活，装袋、灌肠、布料方便； 8 [& N: W( e* U6 v(7)结构简单，故障少，运行维护方便； (8)自动化程度高，结束土方工程肩扛手提的历史。 5 u3 {" Z1 K7 z, O- c4、基本参数 3 n$ k# F8 j+ H) v该设备的基本参敷见表1。 3 K8 l; ?) Z/ `8 h8 k- |5、结 语 . @. ~# k$ f3 k$ |' u: M, d环保型清淤输泥方法和设备是一种研究宾哈姆体和固体间相互运动的界面关系及其改善方法，能远距离输送高浓度、大粘度、低含水量的淤泥和软粘土，又不污染环境的土方施工设备。 6 O' P7 i+ a. ?$ u本设备在水利、环保、建筑工程中有着极其广泛的用途。适用于河道开挖，港口疏浚，围海筑堤，海滩回填，土方搬运，水库、航道、湖泊的清淤．码头船坞积聚物清理，城市垃圾、工业废渣清运等等。对结束土方工程手提肩扛的历史，提高生产力，治理环境污染，促进经济发展，都有着重要的现实意义。