远程控制式自动旋喷水枪的研制与应用

□宋玉莲 □崔 武（河南黄河河务局）

远程控制式自动旋喷水枪的研制与应用

□宋玉莲 □崔 武（河南黄河河务局）

随着黄河标准化堤防建设步伐的加快，旱地制浆机淤固堤施工方法被广泛应用于黄河堤防加固施工中，喷射水枪是土方水力冲挖淤填设备的重要组成部分，传统的人工手持式高压水枪冲挖效率低、施工环境差、劳动强度大，远程控制式自动旋喷水枪将控制技术与传统施工相结合，首次在高压喷射水枪上安装动力设备，无需人工直接手持作业，可一人操作两支或多支水枪，实现了水平方向360°范围内自由旋转和竖直方向自由仰俯的射水作业，减轻了劳动强度、改善了工作环境、提高了工作效率。

远程；控制；自动；水枪

1.研究背景

随着我国江河防洪标准的提高，黄河堤防加固实施标准化建设，为了快速、经济地实施黄河堤防建设，吹填施工被广泛应用于黄河标准化堤防建设中。目前黄河下游吹填固堤工程施工机械主要有水力冲挖机组和简易吸泥船。但由于黄河是游荡性河道，部分河段滩区很宽，甚至有10多千米，由于河槽距离淤区很远，采用常规的吸泥船进行吹填施工，远距离输送泥浆费用很高。此外，大量的机淤固堤工程施工，使得吸泥船缺口很大。因此，如何经济有效地完成宽滩河段的堤防加固就成为黄河堤防加固的关键。经过大量尝试后，旱地制浆机淤固堤施工方法被广泛应用于黄河堤防加固施工中，这种方法需要在滩区合适的地段选取取土场，利用人造水源由高压水枪冲挖土壤制备泥浆，同时利用泥浆输送泵输送至淤区淤填，达到吹填固堤的目的。而普通水力冲挖是人工手持式高压水枪，一般每班两人轮流作业。由于喷枪水压随着离开喷嘴的距离的增加而降低，所以冲挖效率很快下降。为了提高冲挖制浆效率，高压水枪操作人员必须靠近土场作业面，工作人员在泥浆中操作，另加上作业面上泥浆的飞溅，使施工人员完全置身于泥浆中，特别是在寒冷的冬季施工，使得高压制浆施工条件更差，施工环境极其恶劣，劳动强度很大。此外，冲挖施工受到自然条件的限制，尤其是冬季施工和雨季施工，给施工带来很多困难。因此，在旱地机淤固堤中，必须改善施工条件，为施工人员创造一个良好的环境，同时也是有效提高施工效率的关键。如何将人工直接操作高压水枪变为间接操作，实行高压水枪的自动工作和人工远距离控制迫在眉睫。

2.远程控制式自动旋喷水枪的功能及设计原理

远程控制式自动旋喷式水枪是利用高压水射流原理，以水为动力实现高压水枪的自动工作，达到高压水枪的周期性自动旋转，同时固定工作角度和旋转转速，并结合电机或其他机械电器，实现射流方向的可调可控，达到远程控制、自动作业。

2.1 旋喷水枪的水平转动机构设计

2.1.1 动力及旋转机构

旋喷水枪使用机械和调控两种模式，将喷枪转动分解为水平转动和垂直转动两个独立系统，其机械动力装置采用电动推杆加曲柄连杆传动方式。

2.1.2 转动机构设计

喷枪转动机构采用枪体整体水平转动和喷嘴竖直转动两个独立的转动机构，实现喷射水流的空间定位调控。水平转动系统最初设计采用轴瓦滑动摩擦，以电动推杆为动力带动水枪整体水平转动，实现喷射水流水平方向的调控。在实验过程中，当射流压力不大时，可以实现高压水枪的自由旋转。但当采用22KW电机带动一个喷枪时，由于喷射水压力过大，促使轴瓦与转动部分之间间隙不均，产生过大的摩擦力，因此，造成高压水枪的旋转受阻，电动推杆无法完成水枪的水平旋转。针对这种情况，在水平转动部分对水平和竖直2个方向增加3个轴承，使原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小了水平转动所需的动力，在各种喷射压力下进行清水试验，水枪都能灵活转动，实现了水平方向准确有效的控制射流目标。但由于未对轴承采取特殊密封措施，下部轴承处有轻微漏水现象。2005年9月10日在开封黄河柳园口进行现场喷挖实验时，山于喷挖泥浆进入清水泵的集水池，致使喷射水流中含有大量泥沙，长时间喷挖后，下部轴承内残留沙粒，造成轴承卡死无法转动。因此，在下部轴承处增加密封装置，解决了漏水问题。

2.2 喷射水流竖向调控设计

喷射水流的竖向调控设计主要考虑电机和推杆两种方案，经过对比，电机方案体积较大不便于操作，采用电动推杆方案（见图1）。后端支座6固定在回转水枪1上，俯仰电动推杆5后端与后端支座6铰接，前端与枪头支架3下端铰接。枪头支架3的上端则铰接在上支座2上。俯仰电动推杆伸缩时，可驱动枪头支架3及枪头4俯仰摆动。枪头4与回转水枪1之间则采用高压橡胶管连接。该设计可以使水流在上下30°范围内任意调节，操作方便快捷，且不影响水平方向转动。

图1 俯仰机构设计示意图

2.3 远程控制系统设计

2.3.1 设计思路

喷枪水平方向的往复转动依靠水能控制，利用电动推杆驱动实现远程控制，并配合相应机械装置控制喷枪的喷射方向。垂直方向的控制由电动推杆直接驱动，同样由控制器实现远程控制。

2.3.2 原理框图

该方案的原理框图见图2，电动推杆与喷枪安装在同一支架上，其体积和重量都较小，具有可靠的防水功能。控制器通过电缆与电动推杆相连，可以灵活移动，控制器上设有正转、反转、停止按键，能够方便地控制喷枪的喷射方向。

图2 控制系统方案原理框图

2.3.3 控制器工作原理

控制器直接控制电动推杆内的直流电动机，通过控制输出电压的极性达到控制电动机转向的目的，进而达到控制喷枪喷射方向的目的，通过控制输出电压的大小达到控制电动机转速的目的。

2.3.4 完善的保护功能

短路保护：在电源端设置熔断器实现电路的短路保护，以保护设备和人身安全,控制器本身也有短路保护功能，当直流侧发生短路故障时，控制器自动切断交流侧电源，保护控制器的安全。过载保护：当发生机械卡阻的故障时，会导致电动推杆中电动机过载，电动机过载运行，轻则减少寿命，重则电动机被烧毁,当遇到过载故障时，控制器会自动切断电源。限位保护：电动推杆配置有限位装置，当喷枪旋转到极限位置时，能快速切断电源，电动机停止运转，实现限位保护。

3.应用效果及效益分析

经现场实测，最终改进完成的远程控制式自动旋喷水枪试验性能指标如下：直径φ65mm的水枪，工作压力为400～800 KPa，流量30～80m3/h，射程可达30～40m。远程控制式自动旋喷水枪与传统的人工操作高压水枪的工作效率相比，两者最大射程、适中的喷挖距离、最佳喷挖效果基本相当。黄河放淤固堤取土场大都选在黄河滩区，为砂土或砂壤土，属Ⅱ类土。根据黄河水利出版社2004年6月出版发行的《黄河下游放淤（泵淤）工程预算定额（试行）》，4P1水力冲挖机组，Ⅱ类土，排距300m，每10000m3放淤土方的人工费消耗对比情况见表1。

表1 远程控制式自动旋喷水枪与人工水枪人工费消耗对比表

由此可知，每10000m3放淤土方，采用远程控制式自动旋喷水枪比采用人工操作水枪节约人工费348.36元。远程控制式自动旋喷水枪可以节约人力75%，提高有效工作时间约15%，因此可以降低直接成本近20%。而且采用远程控制式自动旋喷水枪代替人工手持操作水枪，由原来两人操作一支水枪变为一人操作两支或多支水枪，耗用人工是传统人工直接操作的1/4。从而减少工程资金投入，节约投资，同时加快施工进度，提高泵淤施工效率，经济效益极为明显。

4.结论

远程控制式自动旋喷水枪是在黄河机淤固堤施工中的一次重大突破，新型水枪改善了泵淤施工人员的工作环境，节约了人力，同时提高了机淤生产效率。无论是在放淤固堤淤筑吹填、河道整治、基槽开挖，还是水渠、池塘的清淤等工程建设中，该项成果都能得到应用。人性化的设计和良好的经济性能，将会使远程控制式自动旋喷水枪在我国江河治理、水利基本建设中，有广泛的应用前景和较高的推广应用价值。

2012-09-03