矩形檢查口市政管道清淤裝置的設(shè)計*

□ 肖書浩 □ 李 碩 □ 吳修玉 □ 周 嚴(yán)

華中科技大學(xué)武昌分校 機(jī)電與自動化學(xué)院 武漢 430064

城市排水管道系統(tǒng)清淤是一個既古老而又現(xiàn)代的課題，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)排水管道系統(tǒng)清淤的任務(wù)也越來越重。據(jù)《人民日報》披露，2008年到2010年，全國有62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇。特別是近幾年來，城市的地下管線網(wǎng)越來越復(fù)雜，城市用水和排水量都急劇增大，而污水中的生活垃圾和建筑垃圾極易堵塞下水管道。北京、武漢等城市頻遇大雨造成“看?！爆F(xiàn)象，使排水管道清淤問題成為了現(xiàn)代城市建設(shè)中的一個難題［1］。

1 現(xiàn)行的清淤方案介紹

目前，國內(nèi)各城市的下水管道堵塞后，主要有以下幾種清淤方式。

（1）絞車清淤法。這是一種利用排水管道兩端進(jìn)行繩索拉結(jié)的方法進(jìn)行淤泥清除，是目前應(yīng)用最廣泛的一種清淤方式。首先是用系著鋼絲繩的TT片穿過需要清通的管道段，鋼絲繩上系住清通工具的一端，在清通管段兩端的檢查井上各設(shè)1臺絞車，當(dāng)TT片穿過管段后，將鋼絲繩系在1臺絞車上，清通工具的另一端通過鋼絲繩系在另1臺絞車上。 然后再利用絞車來回往復(fù)絞動鋼絲繩，帶動清通工具將淤泥刮到下游檢查井內(nèi)，從而使管道得到清通。這種方法適用于各種直徑的下水管道，但是需從一個井口向另一個井口輸送TT片，需要人工下井完成，會給工人帶來極大的不便甚至傷害生命。

（2）高壓水射流清淤法。這也是一種被廣泛應(yīng)用的管道清淤法，其主要設(shè)備為1臺高壓噴射車，裝備有大型水罐、機(jī)動卷管器、高壓水泵、射水噴頭等。操作時由汽車引擎驅(qū)動高壓水泵，將水加壓后送入射水噴嘴，靠射水產(chǎn)生的反作用力，使射水噴頭和膠管一起向相反方向前進(jìn)，同時清洗管道壁。當(dāng)噴頭到達(dá)一定的距離時，機(jī)動絞車將軟管卷回，此時射水噴頭繼續(xù)噴射水流，將管道內(nèi)殘留的沉積物沖到下游檢查井，再由吸泥車將其吸走。這種方法適用各種口徑的下水管道，但由于需要用到干凈水，所以成本比較高。

（3）水沖刷清淤法。制作一種能擋水的清淤裝置，由檢查井放入管道內(nèi)，由于井口尺寸較小，整個裝置放不下去，一般采用先運下裝置的部件，再到管道內(nèi)裝配的辦法。待清淤裝置裝配好后，放到管道的一定位置，把管道中的污水阻擋在裝置的上游，當(dāng)水位達(dá)到一定高度后便放水，使上游水形成水流來清除管道內(nèi)的沉積物，這種清淤方法既費工又費水［2］［3］。

自上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)學(xué)者開始對排水管道的清淤機(jī)器人進(jìn)行了深入的研究，先后研制出了各種排污機(jī)械手，這些設(shè)備的使用在一定程度上解決了某種情況下的清淤問題，但都存在較大的局限性。

2 矩形檢查口市政管道排污方法

目前市政的排水管道檢查井口多為圓形的，且直徑多在1m以下，工人在下井時很不方便，也不便于清淤設(shè)備的進(jìn)入和固定。筆者提出采用矩形的檢查口方式，據(jù)此建立的排水管道的箱涵模型如圖1所示。

清淤設(shè)備可利用矩形檢查口和底部的沉槽完成固定，同時由于矩形的檢查口空間更大，更方便淤泥的提取工作。

▲圖1 矩形檢查井箱涵結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 矩形檢查井的排污裝置設(shè)計

該設(shè)備的動力部分采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，清淤動作主要由拖斗來完成。作業(yè)時，頂部固定支架安裝在矩形檢查井上，底部固定支架安裝在沉槽的側(cè)壁上，液壓伸縮缸伸出，使清淤設(shè)備在垂直于管道中心線的方向上固定。拖斗可按需要在傳動鏈上懸掛一定的數(shù)量，處于最底端部分的拖斗進(jìn)入淤泥層吸取淤泥，然后隨著傳動鏈條的傳動逐步運動到頂端，在越過檢查井的高度后將淤泥傾倒在運輸車上，完成“清淤-運輸-傾倒淤泥”的整個流程。

▲圖2 清淤設(shè)備的動力結(jié)構(gòu)

2.1.1 清淤裝置動力部分

（1）清淤泥斗設(shè)計。區(qū)別于傳統(tǒng)的清淤方式，本設(shè)備設(shè)計一個挖泥斗，其形狀如圖3所示，它的特點是體積不大，在淤泥層中運動靈活，另外它的側(cè)壁和底部開設(shè)了很多圓孔，方便排水及懸掛在傳動鏈條上，如圖4所示，根據(jù)淤泥的成分和厚度，可以適當(dāng)調(diào)整懸掛在鏈條上的泥斗數(shù)量，以達(dá)到最好的清淤效果。

（2）設(shè)備固定裝置設(shè)計。圖5所示為頂部的固定裝置，其固定架安裝在矩形檢查井口，作業(yè)時通過螺栓使其固定，在該裝置的左右兩側(cè)和固定架深入檢查井的側(cè)壁處都設(shè)計了滾輪，使設(shè)備在縱向移動時非常方便。同樣，在檢查井的底部安裝了底部固定裝置，其結(jié)構(gòu)和頂部固定裝置類似。

另外，在設(shè)備的底部中央還設(shè)計了成對的伸縮液壓缸（如圖6所示），在清淤作業(yè)進(jìn)行時，兩液壓缸的活塞桿向相反的方向伸出，分別頂靠在前后管道壁上，使設(shè)備能夠穩(wěn)定地進(jìn)行清淤動作。

2.1.2 清淤裝置張緊裝置

該清淤設(shè)備的傳動鏈較長，原先計劃是利用傳統(tǒng)的“穿繩”方法，將其從一個檢查井口穿進(jìn)，從另外一個檢查井口伸出，但是不能保證鏈條的傳動效果，故另設(shè)計了專門的張緊結(jié)構(gòu)，布置在相鄰的檢查井中，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)作業(yè)時發(fā)現(xiàn)傳動效率降低或者泥斗的重量較大使鏈條撓度較大時，張緊裝置就開始工作，張緊缸的活塞桿伸出，推動鏈輪的傳動軸向外側(cè)移動，從而張緊鏈輪。張緊缸的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.2 矩形檢查井的排污裝置工作情況

該清淤設(shè)備主要由上述的動力部分和張緊部分兩大機(jī)構(gòu)組成，在進(jìn)行清淤工作時，先將這兩個機(jī)構(gòu)分別固定在相鄰的兩個矩形檢查井中，整個裝置由液壓馬達(dá)提供動力，沒有電源接入，保證了設(shè)備使用時的安全性。在動力部分的支架上開設(shè)了很多的圓孔，可根據(jù)淤泥層的厚度上下調(diào)節(jié)清淤泥斗的作業(yè)高度，同時，各固定裝置均可通過滾輪前后移動，所以該設(shè)備基本可以清除管道中各個位置的淤泥，達(dá)到良好的清淤效果，其工作示意簡圖如圖9所示。

▲圖7 清淤設(shè)備的張緊結(jié)構(gòu)

▲圖8 張緊缸的結(jié)構(gòu)

▲圖3 清淤泥斗

▲圖4 懸掛在傳動鏈上的泥斗

▲圖5 頂部固定裝置

▲圖6伸縮液壓缸

▲圖9 清淤設(shè)備工作示意圖

3 結(jié)論

根據(jù)城市排水管道清淤的現(xiàn)狀和存在的一些問題，筆者提出了一種新型的矩形檢查井的概念，并據(jù)此設(shè)計了一種新型的管道清淤裝置，其使用和移動都比較方便，具有良好的清淤效果并具有較高的安全性，自動化程度也較高，克服了目前管道清淤的一些難點，降低了清淤工人的勞動強(qiáng)度。該設(shè)備一旦投入使用，將填補(bǔ)市場上的空白，大大緩解城市管道清淤的壓力。該設(shè)備主要創(chuàng)新點為：①將檢查口的形狀設(shè)計為矩形，解決了清淤設(shè)備的固定和移動問題；②設(shè)計專用的挖泥泥斗，其體積較小，運動靈活，并可根據(jù)實際情況使用合適的數(shù)量；③在頂部和底部的固定裝置上安裝滾輪，使清淤裝置可自由移動，改善清淤效果；④整個設(shè)備的動力供給采用液壓馬達(dá)，提高了使用的安全性。

［1］ 盛金良，嚴(yán)敏東，龔海，等。城鎮(zhèn)排水管道清淤液壓抓斗挖掘過程建模與分析［J］.工程機(jī)械，2011（11）：34-35.

［2］ 莫曉亮.城市排水管道的清淤問題研究［J］.科學(xué)與財富，2012（6）：382.

［3］ 嵇鵬程，沈惠平.基于AT89C 51控制的排水管道清淤機(jī)器人的設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012（12）：165.