一種排水溝清理設(shè)備的研制與應(yīng)用

陳鏈冰，李志明，吳 開，陳達(dá)隆，劉智科

（廣東能達(dá)高等級(jí)公路維護(hù)有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

路面排水是公路工程中一項(xiàng)重要的內(nèi)容,排水是否暢通直接關(guān)系到路面、路基的穩(wěn)定和養(yǎng)護(hù)、管理的質(zhì)量[1]。高速公路兩側(cè)排水溝主要作用是疏通雨水作用，路基地面排水主要是通過(guò)全線貫通的邊溝來(lái)進(jìn)行，一般采用漿砌片石砌筑[2]。排水溝主要有泥沙、漿土、枝條、雜草以及各種垃圾等，每年需要進(jìn)行至少二次以上的全履蓋清疏作業(yè)，以保證排水溝具備良好的排水功能?，F(xiàn)階段，排水溝的清理疏通工作主要以人工加小型機(jī)具的作業(yè)方式，無(wú)專用機(jī)械化作業(yè)體系，整體工效非常低，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，市面上又無(wú)專業(yè)清理排水溝的機(jī)械設(shè)備[3-6]。因此，有必要通過(guò)設(shè)計(jì)一種代替人工清理排水溝的機(jī)械設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)排水溝清理作業(yè)機(jī)械化，提高清理效率及節(jié)約成本。

1 輪式排水溝清理設(shè)備設(shè)計(jì)原理

本文作者設(shè)計(jì)一種輪式排水溝清理設(shè)備，主要工作原理為：工作裝置為前端旋轉(zhuǎn)刀頭，通過(guò)輪胎行走作業(yè)，后置汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。清理設(shè)備在行進(jìn)過(guò)程中對(duì)水溝底部泥沙、雜草等進(jìn)行切割，切割后的雜物隨刀頭旋轉(zhuǎn)慣性沿拋管排出水溝。

2 設(shè)備研制

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

排水溝清理設(shè)備整機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、控制系統(tǒng)（操作手柄）、工作裝置（旋轉(zhuǎn)式清理器）、其他輔助裝置（拋管）等組成，如圖1所示，主要部件包括有：

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）旋轉(zhuǎn)式清理設(shè)備整體設(shè)計(jì)為圓盤式，圓盤邊緣均勻分布共8片V鏟型刀片，圓盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)刀片對(duì)排水溝內(nèi)雜草及泥沙等進(jìn)行剪切，剪碎后的雜物隨刀片旋轉(zhuǎn)慣性，帶入拋管向外拋出排水溝。

（2）刀片焊接在清理器圓盤邊緣，采用耐磨合金鋼材質(zhì)，強(qiáng)度高且不易磨損及斷裂。選用V鏟型刀片在剪切的過(guò)程中刀身與雜物接觸面積大，且V鏟型起到收攏雜物的作用，清理效率較高。

（3）旋轉(zhuǎn)清理器外殼設(shè)計(jì)為圓筒型，直徑40 cm，長(zhǎng)30 cm，可避免清理器刀片斷裂崩出的危險(xiǎn)，相比長(zhǎng)方體型既節(jié)省材料，又能減少經(jīng)過(guò)修剪后的雜物遺留在清理器內(nèi)。

（4）拋管長(zhǎng)70 cm，直徑15 cm，10 kg，螺絲緊固于旋轉(zhuǎn)清理器外殼頂部，且配合拋物的方向要求可旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度約120°。

圖2為排水溝設(shè)備工作裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 工作裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

排水溝清理設(shè)備可進(jìn)入排水溝（截面寬度大于55cm）內(nèi)清理作業(yè)，通過(guò)人工控制操作手柄實(shí)現(xiàn)清理器的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向及作業(yè)，渦輪式清理器刀片高速旋轉(zhuǎn)將排水溝內(nèi)雜草等切碎后帶入清理器外罩頂端拋管后拋出排水溝，拋管可在水平方向120°調(diào)整，達(dá)到清理、排出一體化的效果。清理厚度可達(dá)8～20 cm，清理寬度可達(dá)15～45 cm。

3 排水溝清理設(shè)備的應(yīng)用

3.1 排水溝情況調(diào)查

通過(guò)對(duì)廣清、河惠粵贛、開陽(yáng)、廣肇、佛開、湛江等多條高速公路排水溝的摸底了解，大部分的排水溝需要清理的雜物主要為砂土濕泥或是淺水雜物混合物。水溝的規(guī)格尺寸差異較大，下邊坡、水溝護(hù)坡的高差相差也較大。表1所示為排水溝結(jié)構(gòu)情況。圖3-6為排水溝狀況。

3.2 測(cè)試情況

經(jīng)過(guò)對(duì)排水溝現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，最終選擇了廣清和開陽(yáng)作為排水溝清理設(shè)備的測(cè)試路段，陸續(xù)開展了近20次的工作性能作業(yè)測(cè)試。

表1 各種排水溝尺寸數(shù)據(jù)

圖3 排水溝狀況a

圖4 排水溝狀況b

圖5 排水溝狀況c

圖6 排水溝狀況d

3.2.1 廣清路段測(cè)試情況

在廣清高速公路選取了古錢嶺收費(fèi)站附近路段進(jìn)行了測(cè)試，水溝寬度為60～85 cm，深度為80～110 cm，作業(yè)環(huán)境為干砂土作業(yè)環(huán)境和濕粘土作業(yè)環(huán)境。

騰訊與武漢市公安局交通管理局?jǐn)y手打造了全國(guó)第一個(gè)24小時(shí)不打烊、全年無(wú)休的無(wú)人警局，在無(wú)人警局中肉眼驗(yàn)證身份證的方法已經(jīng)被淘汰，只用刷臉便可入場(chǎng)和辦理業(yè)務(wù)。此外，無(wú)人警局還提供智慧化服務(wù)。如智慧管家能精準(zhǔn)推送駕駛證、機(jī)動(dòng)車、違法及事故等相關(guān)信息，還能提供智能引導(dǎo)及交通出行服務(wù)；智能客服小微24小時(shí)在線答疑，特別繁瑣問(wèn)題還可以通過(guò)觸摸一體機(jī)視頻直接與警員溝通處理。

（1）干砂土作業(yè)環(huán)境（圖7）

水溝寬度為80～82 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約為15 cm，測(cè)試長(zhǎng)度為50 m。清理物主要為干砂土及樹葉樹枝，并有直徑2～4 cm的石塊。設(shè)備在這種作業(yè)環(huán)境清理效果較好，設(shè)備行進(jìn)速度穩(wěn)定，清理工作性能良好。清理深度為13～15 cm，并能一次性清理到最底部，清理寬度為45～50 cm，行進(jìn)速度約為45 m/min。

圖7 廣清段干砂作業(yè)環(huán)境清理前后對(duì)比

（2）濕粘土作業(yè)環(huán)境（圖8）

測(cè)試的水溝寬度為80～82 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約25 cm，測(cè)試長(zhǎng)度為50 m，清理物為濕潤(rùn)性較大的粘土及樹枝殘?jiān)?。設(shè)備清理效果一般，由于粘土的粘性較大，清理過(guò)程中清溝器行走會(huì)出現(xiàn)打滑，影響到行進(jìn)速度，并工作裝置會(huì)殘留有粘土難以甩出，清理深度為8～10 cm，清理寬度為30～35cm，行進(jìn)速度約為13m/min。3.2.2開陽(yáng)路段測(cè)試情況

結(jié)合在廣清路段試驗(yàn)的情況，即在濕粘土作業(yè)環(huán)境中殘留有粘土難以甩出，根據(jù)拋物線的角度對(duì)工作刀頭的拋物角度作了調(diào)整，工作刀頭的外殼為了操作的靈活性，在尺寸上也作了小型化的改變。選擇了干砂土作業(yè)環(huán)境、濕粘土作業(yè)環(huán)境、淺水混合作業(yè)環(huán)境3種較有代表性的作業(yè)工況做測(cè)試。

圖8 廣清段濕粘土作業(yè)環(huán)境清理前后對(duì)比

（1）干砂土作業(yè)環(huán)境（圖9）

選取了上行樁號(hào)3171+600的水溝進(jìn)行測(cè)試，水溝寬度為56～58 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約15 cm，測(cè)試長(zhǎng)度為50 m。清理物為干砂土及樹葉樹枝殘?jiān)⒂兄睆? cm左右的石塊。設(shè)備在這種作業(yè)環(huán)境清理效果較好，設(shè)備行進(jìn)速度穩(wěn)定，清理工作性能良好。清理深度為10～15 cm，并能一次性清理到最底部，清理寬度為35～40 cm，行進(jìn)速度約為43 m/min。

圖9 開陽(yáng)段干砂作業(yè)環(huán)境清理前后對(duì)比

（2）濕粘土作業(yè)環(huán)境（圖10）

圖10 開陽(yáng)段濕粘土作業(yè)環(huán)境清理前后對(duì)比

（3）淺水混合作業(yè)環(huán)境（圖11）

選取了下行樁號(hào)3164+100的水溝進(jìn)行測(cè)試，水溝寬度為58～60 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約20 cm，水深約8～10 cm，測(cè)試長(zhǎng)度為50 m。清理物為水砂土及樹葉樹枝殘?jiān)?。清理效果良好，設(shè)備清理行進(jìn)能平緩順暢，清理深度為15～20 cm，清理寬度約為50～55 cm，行進(jìn)速度約為28 m/min，并能實(shí)現(xiàn)一次性把水溝基本清理干凈。

圖11 開陽(yáng)段淺水混合作業(yè)環(huán)境清理前后對(duì)比

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在通過(guò)不同工況的多次測(cè)試后，所研制排水溝清理設(shè)備對(duì)于處理淺水混合作業(yè)環(huán)境、干砂土作業(yè)環(huán)境具備良好的作業(yè)效果。

4 應(yīng)用評(píng)價(jià)

（1）作業(yè)方式。配置一輛小型貨車運(yùn)載清溝器，并在車輛上安裝一臺(tái)小型吊臂裝置，便于裝卸清溝器至工作地點(diǎn)；作業(yè)班組一般配1名駕駛員和2名操作員，2名操作員輪流操作清溝器；清溝作業(yè)前對(duì)水溝內(nèi)體積超過(guò)6 cm的石頭等大件雜物，需要采用人工預(yù)先清撿；或者在設(shè)備工作時(shí)，采用避開的方式作業(yè)；作業(yè)時(shí)，可以采取二臺(tái)清理設(shè)備一前一后搭配作業(yè)的方式進(jìn)行，這樣可以提升清理效果。

（2）作業(yè)速度。應(yīng)用排水溝清理設(shè)備進(jìn)行清理作業(yè)時(shí)，作業(yè)速度可達(dá)20～30 m/min，比人工清理速度大大提高。

（3）經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。高速公路排水溝清理成本約為600元/km，比人工修剪模式降低成本約60%。

（4）工作效率對(duì)比。通過(guò)實(shí)際工作對(duì)比，高速公路排水溝清理工作采用機(jī)械化清理模式，勞動(dòng)人數(shù)、勞動(dòng)時(shí)間和耗用工日都得到明顯降低，作業(yè)效率顯著提高。

（5）安全效益評(píng)價(jià)。作業(yè)區(qū)路段作業(yè)人員人數(shù)從10人降低到2-4人，相當(dāng)于單位密集度降低約60%，且作業(yè)時(shí)間縮短，安全系數(shù)大為提高。

表2 排水溝清理設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

高速公路排水溝清理設(shè)備可廣泛應(yīng)用于高速公路各種排水溝淤積雜物的清理作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化養(yǎng)護(hù)作業(yè)目標(biāo)；提高了施工工效，減少了作業(yè)投入；降低安全隱患及作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。在廣東省多條高速公路上使用，實(shí)際使用效果證明，設(shè)備實(shí)用有效，值得推廣和應(yīng)用