窨井清淤機(jī)械手臂的研究

劉釗，李成群，董小雷

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063000)

由于我國城市發(fā)展迅速，城市人口日益增多，城市排水系統(tǒng)中的問題也變得更為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題既會影響到企業(yè)的生產(chǎn)同時(shí)也會影響人們的生活。其中城市窨井清淤工作也變得尤為重要，但目前我國在窨井清淤方面還處于起步階段，多數(shù)仍為人工清淤。傳統(tǒng)的人工清理方式工作效率低、工作環(huán)境約束性大、危險(xiǎn)性大，且清掏效率較低［1］。我國仍停留在傳統(tǒng)的人工清淤，主要依靠大鐵勺、鐵叉、夾具等［2］。而機(jī)械清淤也主要采用吸污車或繩索升降抓斗清淤，面對窨井中出現(xiàn)的磚塊、瀝青、樹枝等則不宜清除，并且遇到黏稠度較大的淤泥時(shí)易附著在抓斗的內(nèi)部，造成卸載時(shí)淤泥的殘留問題。

通過分析城市窨井清淤的現(xiàn)狀以及清淤的具體環(huán)境，設(shè)計(jì)一種新型的窨井清淤機(jī)械手臂已成為人們的需求。窨井清淤機(jī)械手臂與傳統(tǒng)的人工清淤相比應(yīng)具備的優(yōu)點(diǎn)有：工作效率大大提高，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;清淤動(dòng)作靈活，適應(yīng)于各種工作環(huán)境，避免危險(xiǎn)的環(huán)境帶來的人員傷亡;操作簡單，適應(yīng)于城市窨井中的各種清掏物。在清淤過程中窨井清淤機(jī)械手臂應(yīng)完成窨井內(nèi)淤泥及其他雜物的收集與卸載任務(wù)。

1 窨井清淤機(jī)械手臂的組成及工作原理

窨井清淤機(jī)械手臂的組成包括減速電機(jī)、聯(lián)軸器、升降液壓缸、機(jī)械臂連桿、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸、清淤抓斗支架、抓取油缸、抓取活塞桿、連桿、連桿支架、清淤抓斗、淤泥刮板等，如圖1 所示。

圖1 窨井清淤機(jī)械手臂三維圖

減速電機(jī)下部通過聯(lián)軸器與升降油缸連接，減速電機(jī)箱下端與聯(lián)軸器通過推力球軸承接觸，升降活塞桿與機(jī)械臂后座固定。減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)可使得整體機(jī)構(gòu)完成水平旋轉(zhuǎn)，升降活塞桿的伸縮可完成機(jī)構(gòu)的整體升降。

機(jī)械臂后座與機(jī)械臂前座通過機(jī)械臂主連桿和機(jī)械臂副連桿鉸接，構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)油缸與機(jī)械臂后座鉸接，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)活塞桿與機(jī)械臂主連桿鉸接。機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)活塞桿的伸縮控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整窨井清淤抓斗的作業(yè)半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，便于清淤。

清淤抓斗支架下端與抓取油缸固定，上端可與機(jī)械臂固定從而配合清淤抓斗的窨井清淤工作。抓取油缸與抓取活塞桿裝配，抓取活塞桿上端與連桿支架固定，連桿上端與連桿支架鉸接，下端與清淤抓斗鉸接，清淤抓斗與淤泥刮板鉸接，同時(shí)淤泥刮板上端與抓取油缸固定，抓取活塞桿的伸縮帶動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)從而使清淤抓斗繞淤泥刮板的連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成窨井清淤的動(dòng)作。淤泥刮板的設(shè)計(jì)可使淤泥刮板與清淤抓斗之間作相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)淤泥刮板的刮泥動(dòng)作，既使收集到的淤泥不易溢出，又使淤泥卸載時(shí)淤泥抓斗內(nèi)部不會存留淤泥，清淤徹底從而提高清淤效率。

為了滿足窨井清淤機(jī)械手臂在清淤過程中的特點(diǎn)及其任務(wù)，選用連桿傳動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)方式，避免目前鏈繩傳動(dòng)全行程處于“漂浮”狀態(tài)，不利于清淤機(jī)械手臂深入窨井淤泥中，液壓驅(qū)動(dòng)保證運(yùn)動(dòng)中自行潤滑具有過載保護(hù)能力［3］。

2 平行四邊形機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的模型分析

對上述的平行四邊形機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化分析，得出圖2 所示的機(jī)構(gòu)簡圖。

圖2 平行四邊形機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡圖

圖中，a 為機(jī)械臂后座鉸接點(diǎn)A、D 的距離;b為機(jī)械臂主、副連桿的長度;c 為機(jī)械臂后座鉸接點(diǎn)D、E 的距離;θ 為平行四邊形機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度;ω 為機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)油缸旋轉(zhuǎn)角度;G 為機(jī)械臂受到的載荷。設(shè)：AB 桿所受的壓力為FAB;CD 桿所受的壓力為FCD;機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸所受到的軸向拉力為FY。

對平行四邊形機(jī)械臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析：

(1) AB 桿所受壓力FAB

(2) 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸所受到的軸向拉力FY

化簡可得：

在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中選擇平行四邊形機(jī)構(gòu)，可調(diào)整窨井清淤抓斗的作業(yè)半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下。平行四邊形機(jī)構(gòu)具有油缸行程短、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，應(yīng)用在窨井清淤過程中，避免機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)油缸失穩(wěn)等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得窨井清淤抓斗在工作中穩(wěn)定可靠。

3 窨井清淤抓斗受力分析

設(shè)計(jì)清淤抓斗為對稱結(jié)構(gòu)，研究清淤抓斗的受力時(shí)可對單個(gè)清淤抓斗進(jìn)行分析。單個(gè)窨井清淤抓斗的受力分析如圖3 所示。其中：F1為清淤抓斗水平切刃受到阻力;F2為清淤抓斗兩側(cè)切刃受到阻力;F3為清淤抓斗水平切刃受到摩擦力及淤泥黏著力;F4為清淤抓斗兩側(cè)切刃受到摩擦力及淤泥黏著力;F5為連桿受到拉力;F6為抓取液壓缸壓力;C 為清淤抓斗重力。

圖3 抓斗受力分析簡圖

清淤抓斗容積為0.2 m3，常見窨井淤泥密度為1 200 kg/m3，可知清淤抓斗載滿淤泥時(shí)的質(zhì)量為C'=0.2 m3×1 200 kg/m3=240 kg。

4 窨井清淤機(jī)械手臂的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)回路

為了使窨井清淤抓斗達(dá)到窨井內(nèi)部淤泥的深度，特設(shè)置了升降機(jī)構(gòu)。升降液壓缸安裝在整體機(jī)構(gòu)上部，其液壓原理如圖4 所示，通過三位四通換向閥的換向，可以實(shí)現(xiàn)升降液壓缸的伸展與收縮，從而完成機(jī)構(gòu)的升降?？紤]到機(jī)構(gòu)應(yīng)在清淤過程中保持平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此應(yīng)選用平衡閥來滿足要求，保證機(jī)構(gòu)承載時(shí)能勻速運(yùn)動(dòng)。

圖4 升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)回路

4.2 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)回路

機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸承受載重G 與機(jī)械臂連桿重力之和的分力作用?？紤]到機(jī)械臂應(yīng)平穩(wěn)調(diào)整窨井清淤抓斗的作業(yè)半徑，保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，因此應(yīng)采用平衡閥來達(dá)到負(fù)重平穩(wěn)的要求，其液壓原理如圖5 所示，當(dāng)三位四通換向位于右位，液壓缸克服負(fù)載重力作功時(shí)，液壓油直接通過平衡閥中的單向閥做功;當(dāng)三位四通換向閥位于左位，機(jī)械臂縮回時(shí)，在受到負(fù)載重力作用下，使機(jī)械臂下降速度增加，采用平衡閥來達(dá)到在負(fù)重的同時(shí)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的要求。

圖5 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)回路

4.3 窨井清淤抓斗的液壓系統(tǒng)回路

清淤抓斗液壓系統(tǒng)的主要組成部分包括：液壓驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置和執(zhí)行裝置。驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵來提供動(dòng)力，控制裝置采用電磁閥來控制液壓缸的移動(dòng)和換向，執(zhí)行裝置為液壓缸。

為保證左右清淤抓斗在工作時(shí)同步運(yùn)動(dòng)，應(yīng)在液壓缸控制油路中設(shè)置分流集流閥。為確保清淤抓斗抓取淤泥時(shí)不松脫，應(yīng)設(shè)置鎖緊回路，即在液壓缸承載側(cè)加裝液控單向閥。由窨井清淤工況可知液壓系統(tǒng)的負(fù)載較小，油缸的進(jìn)程和回程速度基本相同，在具體的清淤工作環(huán)境下，可能出現(xiàn)負(fù)載變化的情況，因此系統(tǒng)要有調(diào)速功能，同時(shí)為了保證液壓系統(tǒng)的運(yùn)行安全，采用過載保護(hù)裝置，并且不同執(zhí)行裝置的工作負(fù)載不同，在各回路中要設(shè)置減壓回路，以保證各部分工作時(shí)所需的壓力。如圖6 所示。

圖6 窨井清淤抓斗的液壓系統(tǒng)回路

4.4 窨井清淤機(jī)械手臂整體液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，最終確定窨井清淤機(jī)械手臂整體的液壓原理圖如圖7 所示。這是一種通過手動(dòng)操縱來實(shí)現(xiàn)多缸各自動(dòng)作的系統(tǒng)。為了簡化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)用一個(gè)液壓泵給各執(zhí)行元件串聯(lián)供油。各串聯(lián)的執(zhí)行元件可任意組合，使幾個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作。

圖7 窨井清淤機(jī)械手臂整體液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)

5 執(zhí)行元件設(shè)計(jì)與選用

5.1 各機(jī)構(gòu)液壓執(zhí)行器的配置及負(fù)載分析

圖1 所示窨井清淤機(jī)械手臂的各工位要求，通過對升降液壓缸、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸、抓取液壓缸的工作狀態(tài)以及工位進(jìn)行液壓執(zhí)行器的配置及其分析，可知整個(gè)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行件相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1 所示。

表1 液壓系統(tǒng)執(zhí)行件相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

5.2 各液壓缸技術(shù)參數(shù)計(jì)算

預(yù)選抓取液壓缸的設(shè)計(jì)壓力p1=10 MPa。抓取液壓缸的無桿腔為主工作腔，則可計(jì)算出液壓缸無桿腔的有效面積：

則液壓缸的內(nèi)徑為：

式中：η 為抓取液壓缸機(jī)械效率，取值為0.9。

按GB/T2348-1993，取標(biāo)準(zhǔn)值D=50 mm，查表可得活塞直d=0.7D=0.7 ×50 mm=35 mm，取標(biāo)準(zhǔn)值d=35 mm。

液壓缸作用有效面積為：

液壓缸的單程平均速度：

液壓缸的實(shí)際流量：

液壓缸的實(shí)際工作壓力：

同理可計(jì)算出機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)液壓缸與升降液壓缸的參數(shù)。

6 結(jié)束語

研究的窨井清淤機(jī)械手臂能夠?qū)崿F(xiàn)窨井清淤作業(yè)，提高了清淤的自動(dòng)化程度，減輕了工人的勞動(dòng)量，具有實(shí)用性。

(1) 設(shè)計(jì)出的淤泥刮板解決了清淤抓斗卸載淤泥時(shí)淤泥的殘留問題。

(2) 平行四邊形結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂的設(shè)計(jì)可調(diào)整窨井清淤抓斗的作業(yè)半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，便于清淤。

(3) 設(shè)計(jì)窨井清淤機(jī)械手臂的液壓系統(tǒng)回路以及選用液壓執(zhí)行元件。

針對窨井清淤機(jī)械手臂的研究提出了理論依據(jù)及其分析模型。窨井清淤機(jī)械手臂將有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也對市政工程建設(shè)具有重要意義。

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