水面漂浮物处理船的设计及应用

水面漂浮物处理船的设计及应用
陈仙明;丁明明;欧洋;周浩夫
【摘要】According to the insufficient of salvaging floating matters on rivers and reservoirs,a treatment ship integrated with the functions of storage, compression, packing and lifting for floating matters is designed.The information about the function, expected index, composition and the working principle of the treatment ship is introduced.The detail design information about the layout, hydraulic system, electrical system is also introduced.The treatment ship can be used for the supporting to the salvage vessel, which can reduce travel frequency of salvage vessel between the salvage areas and the wharf.The ship can also be used as a platform for artificial salvage.The test results in reservoirs for several months show that indexes reach the expected objects.It has a great market foreground.%结合河道水库漂浮物打捞存在的不足,设计了一款集漂浮物存储、压缩、打包和吊装为一体的处理船.介绍了处理船功能、指标、组成及工作原理,阐述了结构布局、液压系统、电气系统等设计细节.该处理船作为打捞船的配套处理船,大大减少打捞船在打捞区域和码头的往返次数,也可作为人工打捞处理平台独立使用.经水库运行试验,达到预期目标,具有广阔的市场应用前景.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】河道水库;漂浮物;处理船;控制系统;应用研究
【作者】陈仙明;丁明明;欧洋;周浩夫
【作者单位】浙江水利水电学院机械与汽车工程学院, 浙江杭州 310018;浙江水
利水电学院机械与汽车工程学院, 浙江杭州 310018;青州市巨龙环保科技有限公司, 山东青州 262500;诸暨市石壁水库管理局, 浙江诸暨 311800
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
河道及水库是水生态环境的重要载体，除满足基本的泄洪排涝外，也是生活环境的重要组成部分[1]。

随着生活水平的提高，生活垃圾日益增多，部分垃圾被弃入河道，致使河道水库漂浮物大大增加。

据相关资料显示，仅富春江流域2000年漂浮物总量就超5万吨[2]。

2003年仅年初至讯期末，长江三峡漂浮物总量约40余万立方米[3]。

水利工程普遍存在大量漂浮物聚集，对水质、水面景观、供水、水产、航运、发电等都造成影响，加强漂浮物治理有利于提高工程直接效益、改善水面环境[4]。

近年来，随着人们对环境品质要求的不断提升，采取合理措施维护内河及水库的生态成为一项重要的任务。

以浙江省为例，2013年11月省委十三届四次全会提出“五水共治”的战略部署，开展了“清理河道、清洁乡村”的“双清”专项行动，清除水体中各类漂浮物，保障行洪畅通、改善城乡水环境，是建设“生态浙江”的重要举措[5]。

“河道清漂”是一项长期的任务，良好的清捞及处理技术可有效提高效率。

目前江河水库主要采用人工打捞、大型挖机打捞和链带输送式打捞为主[6]。

链带输送式
打捞适合于中小型河道水库，主要采用液压马达带动链带循环运动，高效地将漂浮
物勾挂并输送至收集舱，最终输送到码头[7]。

由于漂浮物内部蓬松，含大量水份，打捞船船体储存空间有限，其收集舱很快会被装满，导致打捞船频繁往返于打捞区域和码头之间。

打捞船由于采用液压马达推动明轮驱动，船体在水面行进缓慢，导致打捞船综合使用率不高。

1.1 主要功能
根据现有漂浮物打捞船运行过程中存在的不足，设计一款含漂浮物压缩、打包、存储及吊装为一体的漂浮物处理船，该船作为打捞船的配套处理船，可在打捞现场直接接收打捞船的漂浮物，并将压缩打包后的垃圾直接吊装到码头的自卸车上，本处理船将大大提高打捞船的有效工作时间，进而提高打捞船使用效率。

打包压缩处理的漂浮物便于后续存储、运输，减少搬运过程中对水体造成二次污染。

结合市场调研和文献检索，只有长江三峡内，曾使用过清漂船转运装置[8]。

但该船体型较大，不适用普通河道水库。

1.2 技术指标
本处理船主要包括船体和处理装置两大部分，结合现有打包船能力，确定各细节指标，详见表1。

结合漂浮物处理船的功能需求，确定主要处理工艺。

包括物料的输送、压缩、打包和吊装等过程。

输送部分实现料仓与压缩仓有效连接。

核心工艺为压缩和打包，通过该工艺能使漂浮物体积减少，重量降低，便于后续吊装。

吊装过程方便将处理后的漂浮物转运到指定区域。

2.1 总体布局
整条漂浮物处理船主要包括船体和处理装置两大部分，船体结构布局是否合理，不仅关系使用效果，也直接影响航行安全。

整套处理装置布置在船甲板上，通过船侧舷与打捞船实现对接，详见模型图1和实物图2。

2.2 船体设计
船体作为整个装置的载体，根据设计满载总重量，处理装置结构和连接方式，确定船体外形尺寸、吃水量。

甲板前部用于布置处理装置，包括料仓、输送、压缩打包、吊装及存储，后部用于设置驾驶舱[9]。

船体采用全焊接钢质整体结构，船板、肋骨、强横梁、纵梁、隔舱壁等材料均采用CCSB船用钢板，甲板使用花纹板并涂防滑油漆。

船体四周安装0.5 m高的栏杆，保证船上作业安全。

前后甲板两舷设吊重眼环。

船体设置船锚，作业时抛锚有利于船体对接。

驾驶室作为船体控制中心，所有操纵(行进、转向、倒退)都在上面完成。

采用棚室门窗构造，左右门窗采用移门、移窗结构，操作环境舒适大方。

所有控制元件和规格均按全天候作业要求设计，不受天气影响，在设计抗风力等级范围内均能进行工作。

考虑到航行和工作的实际需求，采用行走动力和工作动力分离的双动力设计，提高了设备运行可靠性，两台发动机装入船舱底部，节约空间同时，增加了船体稳定性。

动力系统采用道依茨226B-6C柴油发动机配55 kW发电机组，排放标准符合欧
Ⅱ标准。

2.3 料斗及输送设计
料仓位于船体的一侧，其接料口高度与配套打捞船输送带的最高举升高度匹配，便于打捞船将漂浮物输送到料仓。

作为装置物料流通的渠道，采用液压马达带动输送带进行传输。

根据布局结构要求，分为斜传输送带和平传输送带，将物料从料仓底部输送到压缩仓内，实现处理装置间的有效衔接。

2.4 压缩打包设计
压缩打包装置是本系统的核心，实现漂浮物的压缩和打包功能，采用一条主缸多次累计压缩实现。

除人工剪绳和打结外，整个过程全部自动完成。

装置以打包机基体作为载体，内部安装主压缩缸，压缩缸连杆推动压缩面实现压缩，
压缩面在运行过程中采用滚轮辅助前进，减少摩擦力，增加稳定性。

基体中间正上方开进料口，进料口宽度与横传输送带匹配。

料口三面加装挡料板，基体远离主缸处设置压缩门，通过开关门缸实现门开关，栓门缸实现门紧固。

基体靠近压缩门侧面设置穿绳装置，通过穿绳缸实现自动穿绳动作，详见图3。

2.5 吊装设计
吊装系统能够方便地将打包后的漂浮物准确灵活地吊装到覆盖半径内的各个区域，实现从船中搬运到岸边或者其他驳船中。

具体包括旋转、举升和收绳三个自由度的控制，液压系统由于具备执行功率大、结构紧凑、工作平稳可靠、换向冲击小、能够实现无极调速等优势[10],本系统三个自由度全部采用液压方式实现。

具体包括
液压马达实现整体旋转和缆绳收放，液压缸实现吊装系统横梁举升和下降。

整条船的液压系统由输送压缩打包子系统、吊装子系统和船用舵机子系统组成，核心为输送压缩打包液压系统，在此主要介绍该部分的液压原理[11]。

输送压缩打包液压系统的动力装置采用双联液压泵，实现两路独立的高压油输出。

一路供给主缸，另一路供给关门缸、栓门缸、穿绳缸、平传马达和斜传马达。

主缸是系统的核心，采用比例溢流阀实现压缩包致密度控制，采用插装方式实现高压大流量方向回路控制，其他回路采用常规电磁换向阀实现方向切换。

各执行装置入口设置压力传感器和调速阀，实现系统调速和压力监测。

关门缸、栓门缸和穿绳缸作为一组，斜传马达和平传马达作为另外一组，两组油路均采用负载串联方式，实现节能。

整个输送压缩打包部分的液压原理见图4。

电气控制部分包括船体航行控制、输送压缩打包控制和吊装控制。

船体航行控制采用常规船用控制装置来实现前进、后退、加减速，结合相关表盘实现船体航行状态显示。

吊装过程采用独立手持式工业遥控模块实现三自由度控制，手持有线遥控能扩大吊装过程操作视野，实现吊机灵活控制[12]。

输送压缩打包控制采用独立设计，达到自动压缩打包的目的。

4.1 硬件设计
输送压缩打包装置采用可编程逻辑控制器(PLC)为控制核心，并与昆仑通泰触摸屏(MCGS)共同实现参数显示和设置。

PLC监测压缩过程中执行器件的动作位置和各缸压力信号，通过运算后实现各控制阀、液压泵及比例溢流阀的控制，详见图5。

4.2 软件设计
软件设计主要包括触摸屏界面设计和PLC控制流程设计。

触摸屏部分实现界面的
组态，主要采用控件设置的方式进行人机界面的编程[13]。

PLC部分主要采用梯形图进行编制，上位机设置完毕后，控制核心通过下位机各个控制元件的控制，达到输送，压缩打包的流程需求，详见图6。

水面漂浮物处理船最早受浙江省水利厅、教育厅科研项目资助开展立项研究，并列入《2014年度浙江省水利科技推广主推技术(产品)目录》(浙水科〔2014〕5号)，2015年陆续与浦江通济桥水库和诸暨石壁水库确定立项推广计划，经过项目组后续改进，分别于2016年3月和6月成功安装于上述水库。

经过上述两个水库的
实际试验运行表明：船体对接、压缩打包、吊装等关键动作符合设计预期。

出包尺寸0.6 m×0.4 m×0.8 m，单包重量约100 kg，体积减量约70%，重量减量约50%，打包后吊装和运输过程碎屑和污水掉落量大大减少，详见图7漂浮物处理
前后对比图。

本研究阐述了一款集漂浮物输送、压缩、打包和吊装为一体的处理船。

经过几个月运行证明，仅需2～3人操作，就能完成高效储存、压缩、打包各种水生植物，
垃圾、树枝等水面漂浮物，具有强大的水面辅助保洁功能。

根据对各个河道水库
管理单位调研，具有很好的市场前景。

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