抽沙船抽沙裝置的機械結構設計與研究

邱法財+曹建霞+孫泉匯+曲兆梅+曹建波

【摘 要】抽沙船主要包括沖吸式抽沙船和絞吸式抽沙船兩種，該兩種設備的功能單一，本文吸取兩者的優點實現多功能抽沙裝置的設計，包括立式抽沙泵和臥式抽沙泵，可以適應不同深度的抽沙作業，利用Solidworks軟件進行了三維結構設計，相關研究可以為未來抽沙船發展提供一定參考。

【關鍵詞】抽沙船；抽沙泵；卷揚機；結構設計

0 引言

我國江河湖泊眾多，泥沙淤積問題十分嚴重。泥沙淤積導致河床抬高，威脅人民生命生產安全，同時也成為制約水資源綜合利用和加劇水環境惡化的關鍵要素[1-3]。針對目前這種嚴峻的形勢，傳統抽沙設備已經無法完全滿足淤沙的清除，尋求更多減淤措施迫在眉睫。

抽沙船也稱作抽沙平臺、吸沙船。是利用吸沙泵作為取沙主要部件，利用吸沙泵的吸力把水下的河沙或污泥吸引而上后由上排沙管排到指定位置。該設備由船體、輸送系統、進水系統、排空系統等組成，輸送系統包括動力、離合器、泥漿泵等，排空系統包括高壓水泵、抽真空裝置等。該類抽沙船船設計新穎，操作簡便，效率高，廣泛應用于江河湖海、水庫抽沙采沙，吹填施工，抽沙清淤，港口河道疏浚等。在黃河機淤固堤、港口清淤及沿海圍海造地、抽沙吹填工程中都發揮了重要作用[4]。抽沙船主要分為兩類：沖吸式抽沙船和絞吸式抽沙船。但是這兩類設備的功能單一，可以想辦法在原先的基礎上突破創新，吸取兩者的優點實現多功能。

本文針對國內外關于抽沙船發展動態和結構優化設計的研究，查閱了相關文獻資料，從中進行了歸納總結，吸收并運用到抽沙裝置結構的優化設計中。

1 抽沙裝置的結構設計

抽沙船的抽沙裝置包括抽沙泵、抽沙管道等，抽沙泵又分為立式泵和臥式泵兩種。傳統的抽沙船功能單一，通常船體上只放置一種抽沙泵：臥式泵或者立式泵，只能在單一工作環境下工作，導致抽沙效率低[5]，本文針對現有抽沙船存在的不足，在查閱了大量國內外抽沙船的文獻的基礎上提出了改進，本文所討論的新型抽沙船采用了臥式泵、立式泵結合抽沙的方式，適合于不同環境下工作，針對不同的水深，兩種抽沙方式既可以獨立工作，又可以同時工作，大大地提高了采沙的效率。

立式泵是在現有產品的基礎上經過改進設計的，改進后的立式泵模型如圖1所示。它的使用壽命長且效率高，可在河流清淤等作業中廣泛應用。立式泵的三維渲染圖如圖2所示。

臥式泵具有更多的優點，如流量大、密封較好、噪音低、易于維護等。但是由于臥式泵的主軸位置是水平的，所以要求水平安裝，因而也就比立式泵更費空間。本文所用的臥式泵模型如圖3所示。臥式泵的三維渲染圖如圖4所示。

臥式泵的主要技術參數見表1所示。

本文所用的抽沙管道是由膠管、附體、輸沙高分子聚乙烯管道組成。采用了耐磨材料制造，增加了其使用壽命。圖5是它的三維渲染圖。

傳統的抽沙船使用的抽沙裝置耐磨性差，容易被砂粒磨損，使用壽命短，且不安全。但是今后的趨勢必然是向著耐磨耐用，經濟可靠發展，因此本文所討論的新型抽沙船的泵殼和抽沙管道都采用了耐磨的尼龍混合材料制造，結實耐用，排沙能力強，長期綜合效益好，使用費用低，性能安全可靠，使用壽命高[6-7]。

2 卷揚裝置的結構設計

本文所說的卷揚裝置主要是指卷揚機。卷揚機是一種輕小型起重設備，它是將鋼絲繩纏繞在卷筒上來提升或牽引重物的，在抽沙船的結構中有兩個地方要用到卷揚機，一個是抽沙管道的拉伸需要用到卷揚機，另一個是用于立式泵的升降作業，所以在船頭和立式泵的附近都放置有卷揚裝置。

2.1 卷揚機的工作原理

卷揚機工作時，裝有減速箱，帶有制動功能的電機安裝在電機支座上，通過變頻器來控制電機的速度，電機軸經減速箱減速，與鏈條連接在一起來帶動鏈輪的轉動，同時卷筒也會跟著一起轉動，當電機轉動（正轉或反轉）時，在鋼絲繩的帶動下，實現抽沙泵的升降運動[8]。

2.2 卷揚機卷筒裝置的分析

卷筒裝置的作用主要是存放鋼絲繩、提供牽引力、傳遞重力，完成重物的牽引工作，是卷揚機的主要承載部件。經證實，在卷揚機中卷筒屬于薄弱部分。

2.3 卷筒裝置的受力分析

鋼絲繩作用在卷揚機的卷筒上，使其受壓發生彎曲扭轉變形。但一般忽略鋼絲繩作用在筒壁上引起的彎曲應力和剪應力[9]。

在鋼絲繩發生多次纏繞時，后面的一次纏繞都會對前一次的纏繞狀態產生影響，由于筒壁和鋼絲繩不是絕對剛性，所以筒壁和鋼絲繩都會產生一定的變形，并且鋼絲繩每一層所受的張力也會發生相應的變化。當多層纏繞時，鋼絲繩作用于筒壁上的壓緊力與纏繞的層數沒有必然的聯系。為了便于研究鋼絲繩纏繞層數與其作用于筒壁的正壓力，這里可以設定一個新參數——多層纏繞系數An。并且規定當鋼絲繩的纏繞次數多于5層時，多層纏繞系數便取為1.6，因此卷筒裝置的受力情況可以簡化為σ1與σ2：

2.4 卷筒裝置的結構設計

據調查，卷揚機的使用時間越長，卷筒開裂、塌陷或螺釘剪斷等現象就會越嚴重。因此利用目前先進的設計理論，本文所設計的卷揚機的三維模型如圖6所示。圖7是它的三維渲染圖。

3 結論

傳統的抽沙船功能單一，通常船體上只放置一種抽沙泵：臥式泵或者立式泵，只能在單一工作環境下工作，導致抽沙效率低，本文針對現有抽沙船存在的不足提出了改進，在新型抽沙船上采用了臥式泵、立式泵結合抽沙的方式，適合于不同環境下工作，針對不同的水深，兩種抽沙方式既可獨立工作，又可同時工作，大大提高了采沙的效率。

【參考文獻】

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[責任編輯：許麗]