水下推土机的信号控制策略简介.docx

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1、钻采砂矿床，拉铲挖掘机，链斗式挖泥船，绞吸式挖泥船，抓斗起重机等的水下施工会引起漂浮植物生长。其中自走式，遥控无人驾驶的底盘式机器（推土机，松土机，刮运机，挖沟机，开沟机电缆船等）占据了一大板块，这其中推土机又是最常见的。（图1）当配备有液压控制抓斗和后置粗锯齿的带水斗式刀片的水下卡特皮勒推土机（图1）在浅水区（水深不超过7米）作业时，其效果最好。进气和排气通过安装在密封的柴油引擎室盖上的塔式管道进行，这使得水下推土机能够与一般的在陆地上工作的推土机在设计上保持一致。没有复杂的设备和其他机器所必须的装于底部的操纵控制系统，低速度，便于克服水下潮汐的大耦合质量，等等这些条件都有利于提高设计的简便

2、性和相对地降低水下推土机的成本，还可以增加单独使用时输出大马力的可能性。 带有就像是前置装载机的双颌铲一样的铲式叶片以及安装好的裂具的水下推土机能够由从带有柴油发电平台的浮船或护卫船通过电缆传来的电力驱动，并且能够通过精确的弯曲联轴器与护卫船或浮船连接（图1a）。这种情况下水下推土机通常是配备有浮力箱以便能够在水上被其他设备牵引搬运。 为了能够在大深度（达到60米水深）时能够运作，水下推土机一般都通过带有电力平台和控制台的护卫船（图1c）上的电缆提供电力驱动。第二种类型的推土机（图1b）是由无线电信号控制的，第一第三种推土机（图1a,c）是由护卫船上的电缆控制的。当控制第二种推土机时，操作人员

3、可以在岸边或者其他浮动设备上。第一种类型的推土机是由推土机运作时拖拽在后面的自航平台上的控制板来控制的。当在大深度作业时，推土机可以通过护卫船的控制板进行控制，也可以用经由电缆与推土机链接的便携式控制板通过水肺装置控制。所有这些机器都是为了劈开，挖掘，短距离搬运泥土和矿物沉淀。 在国外日本现在已经开发了水下推土机。在7米水深作业的推土机已经在1968年在日本投产了。1975年已经有十几种这样的机器投入使用。在工业拖拉机的基础上制造的推土机，即使少量生产，相对来说成本也较低。例如用于水深7米作业的小松D-155W型水下推土机在1974年底约6000万日元，大约167000卢布（交换率约为360日

4、元/卢布）。1975-1976年由多家公司合作的用于40，50和60米水深的水下推土机实验项目启动了。水陆两用的推土机由日本小松，日立kokudokaihatsu，三井kaio等公司制造。Komatsu生产一种在7米深度工作的推土机并且正在用推土机在60米深的水下做实验（图1b,c）Nihon由下列期刊的材料编译而来：Baumaschine和Bautechnik,6、7号(1974)、施工方法和设备,56,第7号(1974); 工程News-Record,192,24号(1974);小松新闻,第2号,(1974年)和第1号(1975);小松公司的目录和小册子（1972-1976）。图1 Kok

5、udokaihatsu 制造一种单个模式的在20米水深的有护航船的推土机（图1a）以及一种在不超过2米深的狭窄水域单独工作的推土机（图1b）。三井Kaio在1970年开发出一种实验用途的带护航船的水下推土机模型以用来在水下40-50米处利用水肺进行操作（图1c） 日本小松公司的水下推土机项目对液压件技术很感兴趣。这种推土机是在1967-1969年开发出的无线电控制系统和仪器设备的基础上研发出来的，该系统和设备是为使得推土机和装载机在一些危险的斜坡、充满气尘、可能有岩石滚落的对操作员有危险的地区进行操作而发展出来的。除了控制保护系统，采用无线电控制模式D-85AR (180 hp) and D-

6、155AR (300 hp)的推土机和普通推土机保持一致。 D-155AR模型的无线电控制系统可以作为研制无线电控制的具有4吨装载力的履带装载机和D-125-18B型号的两用推土机的基础（图2），这种无线电系统是为了能在按比例控制半径在50-100米以及频段在135兆赫时在3米水深进行工作。该机器装备了一个230马力柴油引擎,其操作重量是37.8吨(水下为25吨)。该模型有3个前进速度（最快达到7.5Km/h）和1个后退速度（最高达到5Km/h）；接地比压为0.91kg/cm2（水中为0.6kg/cm2）。耙式叶片配备一个液压控制把手。叶片可以上升到1400mm高度并且可以降低到570mm高度

7、。粗齿锯有三个齿尖，齿锯深度能达到910mm。推土机的引擎系统和单元被安装在一个顶部装有用于进排气的两条管道的防水仓里。压气机以9kg/cm2的气压，0.57m3/min的速度提供空气。图2图3 基于这种推土机，许多地方在制造D-155W型的推土机。这是用于在7米水深出进行作业，包括一些破浪区，在这些地区由于波浪的缘故无法使用漂浮设备。可以在陆地上或者通过无线信号或电缆在水下完成对这一机器的远程控制。与前述的D-125-18B型水下推土机和基础的D-155型传统推土机相比，新型水陆两用推土机有一系列设计改进和修饰。其参数和指数已经经过了相当的提高。不同于标准版本，引擎配备了额外的水冷散热器和压

8、缩机一边操作远程控制系统的气缸。在陆地上工作时采用由来自风扇的空气冷却的散热器，在水下是则采用水冷散热器。当在陆地上或者在不超过2米深的水下运行时，空气是通过开放的舱口传到风扇的。除了吸入空气和排废气管路，水密塔形管道还容纳了一个栓子和燃料管道以链接燃料箱。基于此，这种机器可以在水下加注燃料。塔形管道的高度决定机器可以在水下7米深浪高0.5米时正常运行。在塔形管道的上部有一个伴随着声波信号闪烁的光信号。过立交桥或者在桥下通过时，塔形管道可以通过一些分离液压缸向前倾斜90o。无线信号和电缆控制系统确实存在差别。带水肺操作器的电缆控制系统更简单。电缆控制只有在无线控制系统出现故障时才起作用。无线和

9、电缆的控制板也不一样。当用电缆控制机器时，水肺操作器布置在控制板旁边。电缆控制板设有防水开关。控制水陆两用推土机时，操作员需要在其前部操作控制板。天气不利于操作时，操作员会子在50-100米的控制范围内的遮蔽物下进行操作。在行进时，水下推土机铲刀上累积的泥土有向后滑落的趋势，这一点和一般陆地上的推土机不一样。因此，当挖掘容易被涌流带走的软泥土时，会用到一种降低切断由累积的土形成的棱状块的颌式抓斗，这会减少泥土转送过程中的损失。当挖掘多岩的，坚硬的地面时，抓斗会保持抬起的状态。大批量生产的机器没有用来旋转推土刀的液压系统，该公司正在致力于在D-155W型上安装这样的机械装置。安装上的三齿裂具（像

10、个1120mm）有一个平行四边形形式的悬架，所有三个齿的突出部分都可以通过调整连接销与撑机构上的孔的对应组合进行改变。这样齿会被牢牢锁紧。水下翻土和陆是类似的，都是整理好底部泥土，为随后水陆两用推土机或其他机器的挖掘工作做准备。当需要时，推土机可以反向装齿具从而实现反向开土，三齿裂具可以升高到770mm，还可以开到700mm深度。根据公司的数据，推土机和裂具在水下效率远低于在陆地上时。然而，很多情况下还是比用其他方法效率更高。在有坡度的2米深的河岸处，D-155W型水下推土机能够在三个月时间里以80-100m3/h的平均速度将90000m3的碎石移动30米的距离，当在海边的渔场附近2米深处挖泥

11、是，这种推土机能以120m3/h的输出速度搬运压紧的黏土和砂石的混合物；当搬运距离达到100米时，搬运速度则为30m3/h，这种情况下，部分底面的泥土则会被推到陆地上。图4当挖掘100000m3的1.5-3.5米深的泥岩时，水下推土机的搬运速度达到70m3/h；拖运30-60cm尺寸的碎石头时，搬运距离为70米时，速度达到80-92m3/h，拖运50米时，速度达到133 m3/h；开裂软石头时为74 m3/h；当搬运距离为35，采掘沙和软石头时，速度达到160 m3/h；开掘硬石头，搬运距离为100米时，达到18 m3/h；采掘砂岩100米时，速度为20 m3/h。与斗式挖泥机和其他机械比起来

12、，水陆两用推土机提供了更加精确的工作表现，更小的能耗（相当于节省了%30），节省了相当大的时间和人力支出。当工作在4米水深时，水下推土机的工作效率尤其高。与配有护卫船的日立公司的S-2型水下推土机比起来，得益于更好的机动性，D-155型水陆两用推土机有着近乎3倍的输出能力。同时在人员消耗上，又近乎是原来的三分之一（岸上一个操作人员）；搬运1 m3的泥土的花费也是原来的四分之一。水陆两用推土机可以将污泥中的泥土发掘出来，将其以400-800kg/cm3压力压入泥岩中。水陆两用推土机的运转齿轮部件的第一次局部维修要到工作1200小时以后，引擎和变速器的独立部件则要等到2500-3000小时以后（维

13、修周期为50，120，和300小时）。大部分重装机器时，需要用钢筋条移动塔式管道和推土铲，为此要用到一个5吨能力的吊车。搬运这样的机器则要用到40吨承载力的拖车。包括动臂起重机和拖铲等的可交换设备能够安装在裂具的位置。不用卸下裂具，水陆两用推土机能在平整的地面用作拖拉机，配备两侧装有用于观测推土机在水中位置的深度计的常规的拖刀时可以在窄水区工作。13 m3容积的铲刀制造时加上了齿型高墙以防止土在搬运过程中从铲刀的碗状范围内滑落，或者在水中松散掉。由于水下机器运作的成本比陆地上的机器的成本高许多，刮刀一般只是将泥土推至水岸边，再由陆地上的机器负责剩下的运输。只有在开挖水下壕沟时才用到安装在水陆两

14、用推土机上的拖铲，这时由于开挖量很小，漂浮水上的挖泥船基本不起作用，或者由于工作条件的限制根本不可能。这种情况下只能用铁铲以最小的量向船上装卸泥石。当在远离岸边的3米深的水域中建造临时建筑时，使用可拆换的起重设备会带来很大好处。例如修建水上栈桥平台时，陆地上的其中设施就被排除在考虑范围之外了。图5图6图7从很多案例中可以看到水陆两用推土机上装有用于泵吸泥水混合物的泵，这样推土机还可以在浅水区用作小输出的吸泥机。这种泵（达到50-150马力）是由基础船只提供的液压力驱动的。也有其他水上或陆上机械与这种水陆两用推土机配合使用，例如斗式挖泥机或配备抓斗的挖掘机等。设计在40-60米水深工作的水下推土

15、机一般主要用于在海床上工作。整套机械由带有电力驱动的推土机，带有柴油发电平台的护卫船，起重设备，以及一些特殊设备组成。这种推土机是一种采用原始设计的特殊机器，其中一些经过改进的部分是从D-155W型水陆两用推土机（卡特皮勒拖拉机，推土机和翻土设备）借鉴而来。带颌式抓斗的推土机刮土铲和翻土器是上的主要工作用具。由下潜深度决定的，比外部水压高出0.3-0.5kg/cm2的压缩气体，自动提供给该机器的所有密封仓室（仅用于D-155W型水陆两用推土机）。在机器的前部和后部都有电视显示和探照灯设备（图7），这使得从护卫船上通过电缆用远程控制板进行控制成为可能。在中间机器重心位置安置着固定电缆的设备，以方

16、便通过起重机在水中升降推土机。降下机器时需要额外的链条以减少机器的摇动，同时可以检查推土机系统的防水性和操作性。操作时推土机的作业区域由4个救生圈标记出来（范围为1010m），从救生圈四周有绳子和链子垂向下方（图1c）。漂浮物承载着动力和控制信号电缆。降低机器时的自动耦合装置能减少工作开始和结束时对水肺调节的需要。深水推土机的改进是伴随这其发展过程同时进行的。最后一次改进设计时其总重达到了42.3吨，也就是增加了12%。发展过程中开发出了好几个版本型号，包括没有颌式抓斗的推土铲，但是装有固定牢靠的能将推土容量增加到7m3的翼板，包括一个0.6 m3搬运能力的液力抓斗，代替翻土器。拖铲在可移动支

17、撑上提供了一个液力稳定支撑，这使得位移能够平行于与机器纵轴有关的挖掘轴线。当判定使用水下推土机（尤其是小深度，不到7米）的可行性时，工程监督一般依据以下数据：岩石或泥土类型（软或硬），和海水波的传播速度（2000米/秒）以及抗压强度（450 kg/cm2）有关的平均情况指数，不同岩层厚度（最多30cm），不同岩层平均和最大尺寸包括尺寸超过400mm的岩石所占的比例；底面坡度，包括大于25o；平均搬运距离以及工作区域面积大小；工作量以及工作的频率，工作特性（挖土，翻土，搬运等），表面波浪状态指数以及特性(深度，流速，水温)等。随着在水深7米的河中以及海岸边工作的无人驾驶自动水下推土机的成功研发和

18、投产，带有护卫船的无人驾驶水下推土机的设计已经得到了发展，以用于在水深40-60米的海里进行工作。图8所有的国外的用于在浅水区工作的水下推土机的发展趋势有：增加在工作区域进行原料加注操作的独立性；增加无线控制的工作半径和下潜深度；工具和机器操作的自动化；增加包括一些确实起作用的工具在内的新工具，发展改进包括多种因素作用于机器时其工作表现。国外用于深水作业的水下推土机的各种发展趋势有：增加由便携式控制板或电缆进行操控时的工作区域范围和活动半径；发展观察和定向机器的系统，包括通过护卫船；提升机器和附件操作的自动化；尽可能增加下潜深度，简化工作地点表层物质搬运过程。目前一种用于水深15米的水下推土机正在研制。可以推断，不远的将来将出现3种水下推土机，作业水深分别为7米，15-20米和60米。