本發明涉及一種河流清淤水車，屬于水利機械技術領域。

背景技術：

三門峽水庫的主要問題是渭河淤積。渭河長約818千米，流域面積13.48萬平方千米，流域人口約2300萬。渭河、涇河、洛河等河流下游沖積形成的關中平原，號稱八百里秦川，自古便有天下第一糧倉的美譽。三門峽水庫最大的負面影響就是造成渭河下游嚴重淤積，兩岸農田受淹沒和浸沒，土地鹽堿化，給渭河下游及古都西安帶來高洪水風險。

三門峽水庫運用方式經歷了“蓄水攔沙”、“滯洪排沙”和“蓄清排渾”3個階段。各階段水庫運用的基本特點是：(1)蓄水攔沙期。在1960年9月到1962年3月水庫蓄水初期，按照原設計，采用蓄水攔沙運行方式，水庫整年都在高水位運行。這種運行方式是利用高壩大庫的特點，將來水來沙全部攔截到水庫中，以庫區的淤積換取下泄清水，1959至1961年，三門峽水庫蓄水攔沙造成潼關高程突然從323.5米上升到329.1米。(2)滯洪排沙期。在1962年3月到1973年10月，采用了滯洪排沙運行方式。在此時期，水庫用來滯洪和排沙，即汛期閘門全開敞泄，讓洪水穿堂而過。除在汛期攔滯洪水外，水庫整年都在低水位運行，以利用盡可能大的洪水沖沙，潼關高程下降到325.2米，此階段幾乎沒有發電效益。(3)蓄清排渾期。吸取蓄水攔沙運用和滯洪排沙運用的經驗與教訓，三門峽水庫于1973年11月開始采用蓄清排渾調水調沙控制運用，在來沙少的非汛期(11月至次年6月)蓄水防凌、春灌、發電，汛期(7月至10月)降低水位防洪排沙，汛期低水位運行，把非汛期淤積在庫內的泥沙在洪水期泄排出庫。隨著整個庫區的持續淤積，潼關高程又逐漸抬升到328.5米。

近年來，黃河流域水土保持項目推進，黃土高原的植被大大改善，整個黃土高原從黃塵漫天變成綠野茫茫。隨著黃土高原水土流失治理力度的進一步加大，以及黃河水沙調控體系的逐漸完善，黃河泥沙在未來一段時期有可能進一步減少，但流域產流能力也隨之下降，進入河道的水量不斷減少，不能形成大洪水來沖刷河床，長期淤積在潼關河段的泥沙難以向下游輸送。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種用于刮起河床泥沙的柔性葉輪的旋轉動力由河道水流流動的動能和水面的風能來提供的，節能減排的河流清淤水車；進一步地，本發明提供一種利用河道水流流動的動能、水面的風能和太陽能作為動力，開發出一種零碳排放的河流自行走清淤水車。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

河流清淤水車，包括水上平臺、水下平臺和設置于二者之間的升降平臺，所述升降平臺中部貫穿式設置有用于刮起河床泥沙的柔性葉輪，所述水下平臺上設置有用于穿過所述柔性葉輪的通孔，所述升降平臺四角均設置有轉桿，所述轉桿位于所述水上平臺上面的部分設置有風機，所述柔性葉輪的驅動齒輪軸的兩端分別與減速齒輪組相咬合，所述減速齒輪組與套于所述轉桿上的風機轉桿齒輪相咬合；所述水下平臺下表面設置有若干載重輪，所述水下平臺前端通過支架連有驅動轉向輪。

所述水上平臺的中部設置有控制箱，所述控制箱頂端下表面與所述水下平臺上表面之間連有至少4根垂直的導向桿，所述導向桿外套有螺紋管，所述螺紋管底端與所述升降平臺固定連接，所述升降平臺穿過所述導向桿；所述螺紋管中上部螺紋連接有升降齒輪，所述升降齒輪與設置于升降電機的輸出軸相咬合；所述控制箱內還設置有控制器和蓄電池，所述控制箱頂端設置有太陽能板，所述太陽能板與蓄電池相連；所述風機外表面上設置有磁鋼，所述控制箱與磁鋼相對應處設置有干簧管，所述升降電機和干簧管分別與控制器相連；所述太陽能板上設置有GPS接收機，所述GPS接收機與控制器相連；所述蓄電池給控制器和升降電機供電。

所述支架內設置有與所述驅動轉向輪相連的驅動電機，所述水下平臺前端設置有弧形的轉向軌道，所述轉向軌道上設置有轉向電機，所述轉向電機與所述支架活動連接；所述控制器分別與所述驅動電機和轉向電機相連，所述蓄電池給驅動電機和轉向電機供電。

所述轉桿頂端安裝有安全警戒燈，所述安全警戒燈由蓄電池供電。

所述活動連接包括銷軸連接。

所述柔性葉輪包括位于中心的所述驅動齒輪軸，所述驅動齒輪軸的長度與所述升降平臺的寬度相同，所述驅動齒輪軸的輪轂上設置有至少4個柔性葉片。

所述風機底端與所述水上平臺上表面之間設置有空隙。

所述導向桿包括金屬桿。

兩組所述減速齒輪組均包括與所述柔性葉輪的驅動齒輪軸相咬合的中心齒輪，每個所述中心齒輪分別與兩側邊齒輪相咬合，兩所述側邊齒輪分別與兩所述風機轉桿齒輪相咬合。

本發明的清淤水車沉沒于水中，利用河道水流上層流速大、下層流速小的垂向流速分布特征，柔性葉輪上部的葉輪為展開姿勢，受上層大流速的沖力作用大，柔性葉輪下部的葉輪為卷曲姿勢，受下層小流速的沖力作用小，柔性葉輪在受水流沖力作用下而轉動，攪起河床泥沙懸浮混入于水中，之后隨流水輸送到河流下游，直至河口。

本發明的顯著特點在于：

1、清潔動力，零碳排放

本發明以水動力為主，風力作為輔助動力來驅動柔性葉輪運轉，刮起河床的泥沙隨水流向下游輸送；太陽能為清淤水車上的控制設備和驅動設備供電。所有能量直接利用，無轉換損失；所有能量為清潔能源，無碳排放。

2、無人值守，長期運轉

將清淤水車置于起始斷面，自動向目標斷面移動，在水力和風力作用下長期運轉，無需能量補給，實現無人值守，全天候運行，提高工作效率。

3、智能控制，穩定運行

以控制器為核心，監測水車的運行狀態，控制升降平臺高低位置，使水車轉動速度匹配水流速度，處于最佳運轉狀態；水力與風力互補互控，使清淤水車處于長期穩定運行狀態。

4、傳統水車，北斗導航

黃河水車是古老的，本發明采用在水下運轉的柔性葉輪水車是創新之舉，水面流速大，水車在水下運轉，水流沖力力矩明顯增大，刮泥阻力力臂減小；又因使用柔性葉片，刮泥工作時間增長，刮泥效率大大提高。在北斗導航的指引下，清淤水車在清淤河段往復運動。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明中柔性葉輪的俯視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

黃河中游河龍區間各站多年平均泥沙中值粒徑在0.0194～0.0694mm，黃河下游小浪底至利津站多年泥沙中值粒徑在0.009～0.035mm，沉積的粉沙群體顆粒間有一定的粘著力，密實性好，因此粉沙又稱“鐵板沙”，在河道中存在懸移質、推移質和臨底高濃度含沙層三種運動形態。

泥沙的起動、止動和揚動流速的表達式分別為：

起動速度U_C:

止動速度U_C’:

揚動速度U_S:

式中:r-水的容重，kg/m³；r_s-泥沙容重，kg/m³；g-重力加速度，m/s²；d-泥沙粒徑，mm；ω-泥沙在靜水中沉降速度，m/s；R_b-水力半徑，m。

水溫為10℃時，水的容重γ＝999.7kg/m³，運動粘性系數＝1.307×10^-6m²/s，泥沙的容重γ_s＝2650kg/m³，水深2.0m的河段，使用上述公式計算的各種粒徑泥沙的特征流速見下表。

各種粒徑泥沙的特征流速表

從表中數據可以看出，河道中靜止的泥沙需要較大的啟動流速才能使之運動，處于運動狀態的泥沙只需要較小的水流流速就能使泥沙保持運動狀態；對于粒徑小于0.04mm的泥沙，保證泥沙懸浮在水中需要的流速也小于泥沙的啟動流速；對于粒徑小于0.08mm的泥沙，泥沙運動后的止動流速也小于泥沙的啟動流速。這就說明需要設法使泥沙從靜止狀態轉變為運動狀態。

本發明利用水流的動能和水面的風能驅動水車，將河流底泥攪起后，渾濁的泥漿隨著水流向下游輸送，達到采用水流自身的能量全天候轉移搬運河底泥沙、塑造河槽的作用。具體方案如下。

如圖1～圖2所示，河流清淤水車，包括水上平臺10、水下平臺15和設置于二者之間的升降平臺14，所述升降平臺14中部貫穿式設置有用于刮起河床泥沙的柔性葉輪13，所述水下平臺15上設置有用于穿過所述柔性葉輪13的通孔，所述升降平臺14四角均設置有轉桿22，所述轉桿22位于所述水上平臺10上面的部分設置有風機3，所述柔性葉輪13的驅動齒輪軸29的兩端分別與減速齒輪組12相咬合，所述減速齒輪組12與套于所述轉桿22上的風機轉桿齒輪23相咬合；所述水下平臺15下表面設置有若干載重輪16，所述水下平臺15前端通過支架24連有驅動轉向輪17。

所述水上平臺10的中部設置有控制箱25，所述控制箱25頂端下表面與所述水下平臺15上表面之間連有4根垂直的導向桿26，所述導向桿26外套有螺紋管11，所述螺紋管11底端與所述升降平臺14固定連接，所述升降平臺14穿過所述導向桿26；所述螺紋管11中上部螺紋連接有升降齒輪9，所述升降齒輪9與設置于升降電機8的輸出軸相咬合；所述控制箱25內還設置有控制器6和蓄電池7，所述控制箱25頂端設置有太陽能板2，所述太陽能板2與蓄電池7相連；所述風機3外表面上設置有磁鋼5，所述控制箱25與磁鋼5相對應處設置有干簧管4，所述升降電機8和干簧管4分別與控制器6相連；所述太陽能板2上設置有GPS接收機1，所述GPS接收機1與控制器6相連；所述蓄電池7給控制器6和升降電機8供電。

所述支架24內設置有與所述驅動轉向輪17相連的驅動電機18，所述水下平臺15前端設置有弧形的轉向軌道20，所述轉向軌道20上設置有轉向電機19，所述轉向電機19與所述支架24活動連接；所述控制器6分別與所述驅動電機18和轉向電機19相連，所述蓄電池7給驅動電機18和轉向電機19供電。

所述轉桿22頂端安裝有安全警戒燈21，所述安全警戒燈21由蓄電池7供電。

所述活動連接為銷軸連接。

所述柔性葉輪13包括位于中心的所述驅動齒輪軸29，所述驅動齒輪軸29的長度與所述升降平臺14的寬度相同，所述驅動齒輪軸29的輪轂上設置有4個柔性葉片30。

所述風機3底端與所述水上平臺10上表面之間設置有空隙。

所述導向桿包括金屬桿。

兩組所述減速齒輪組12均包括與所述柔性葉輪13的驅動齒輪軸29相咬合的中心齒輪27，每個所述中心齒輪27分別與兩側邊齒輪28相咬合，兩所述側邊齒輪28分別與兩所述風機轉桿齒輪23相咬合。

本發明的清淤水車，柔性葉輪13位于水下，安裝在升降平臺14上，水流沖擊柔性葉輪13使之轉動，底部的葉片會刮起河床的泥沙，攪動的泥沙懸浮在水中隨水流漂向下游。風機3也安裝在升降平臺14上，減速齒輪組12與柔性葉輪13的驅動齒輪軸29咬合，風機3為柔性葉輪13提供輔助動力。水下平臺15安裝在載重輪16上，螺紋管11焊接在升降平臺14上，升降平臺14在升降電機8和升降齒輪9的作用下在水下平臺15和水上平臺10之間上下移動，以便控制柔性葉輪13的轉動速度。在風機3上安裝磁鋼5，磁鋼5隨風機3轉動，風機3轉動速度與柔性葉輪13轉動速度成正比，在水上平臺與磁鋼5高度的水平位置固定干簧管4，風機3每轉動1圈，磁鋼5掃過干簧管4，控制器6監測到干簧管4的通斷過程，計算柔性葉輪13的轉速，從而可啟動升降電機8的運行來控制水下平臺15的升降運動。太陽能板2對蓄電池7充電，蓄電池7給控制器6、驅動電機18和轉向電機19提供電力。控制器6采集GPS接收機1的位置信息，計算與預先置入的目標位置的方向角，控制啟動電機18和轉向電機19運轉。啟動電機18為驅動轉向輪17提供動力，轉向電機19在轉向軌道20運動，控制驅動轉向輪17的方向。在風車的中心軸上安裝安全警戒燈21，提供夜間航行安全預警。

控制器6內置水車起點和終點位置，采集GPS接收機1提供的定位數據，驅動轉向輪17按航跡運行。

風機3在受風力作用下轉動，通過減速齒輪組12將動力傳輸到柔性葉輪13上，作為柔性葉輪13清淤的輔助動力。

太陽能板2提供電能存貯于蓄電池7中，為清淤水車上的升降電機8、驅動電機18和轉向電機19提供動力，使用清潔能源，無碳排放。

本裝置利用流水動能攪動河床底泥后隨流水輸送到下游海洋，沒有二次運輸費用，并利用水面風能和太陽能作為附加動力，提高清淤效率，使用清潔能源，零碳排放。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。