大流量高壓清洗吸污車設(shè)計(jì)

周宇霖 姚冰川 周福義

武漢市漢福專用車有限公司 湖北武漢 430000

1 前言

目前隨著城市發(fā)展，污水管網(wǎng)管徑越來(lái)越大，埋深也越來(lái)越深，靠近污水處理站的地方離地面9 m。傳統(tǒng)的清洗吸污系統(tǒng)只能達(dá)到5 ～6 m，而且管徑變粗后，原有的高壓水泵流量無(wú)法將管道內(nèi)的淤泥清除干凈，已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求。針對(duì)上述的問(wèn)題，筆者決定研發(fā)大流量清洗吸污車來(lái)提升作業(yè)效率，滿足城市發(fā)展的需要，如清洗疏通下水道和各種管道的沉積物，同時(shí)可以進(jìn)行下水道中污泥清撈、裝運(yùn)、傾卸等工作，還具有運(yùn)水、排水應(yīng)急消防等功能。因此，該清洗吸污車自投放市場(chǎng)后，迅速得到了用戶的認(rèn)可和搶購(gòu)。整車外形如圖1。

圖1 整車外形

2 設(shè)計(jì)背景及整車專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

經(jīng)過(guò)多個(gè)城市的市場(chǎng)調(diào)研?？蛻艟从畴S著城市的發(fā)展，污水管網(wǎng)的建設(shè)趨向于大管徑，管徑的尺寸從原來(lái)的400 mm變成了800 mm，甚至1 000 mm；深埋的發(fā)展趨勢(shì)從地下5 m變成地下7 m，靠近污水處理廠的埋管接近9 m。原有的管道疏通車、真空吸污車已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的管網(wǎng)疏通清污需求。用車單位希望能有一輛滿足適用于現(xiàn)代市政工作要求的清洗吸污車。

2.2 整車專用系統(tǒng)

大流量高壓清洗吸污車集成了排污系統(tǒng)，高壓清洗系統(tǒng)，吸污系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組合使用，完成管網(wǎng)的疏通清理工作。操作流程如下：a.蛙人下到污水井用氣囊將堵塞的污水管道的上游堵住，然后通過(guò)排污系統(tǒng)將管道堵塞段內(nèi)的污水抽排到野外；b.此時(shí)蛙人再次下到污水井將高壓膠管和噴頭引入到堵塞的污水管內(nèi)，通過(guò)高壓清洗系統(tǒng)將堵塞的雜物打松和打散；c.此時(shí)管道內(nèi)存在污水和雜物的混合物，通過(guò)吸污系統(tǒng)將雜物和污水吸入到污水罐中，如果堵塞嚴(yán)重重復(fù)步驟b和c直至將堵塞段徹底疏通；d.完成疏通后，將機(jī)器人放入污水管內(nèi)進(jìn)行勘察和拍照確認(rèn)；e.收回機(jī)器人和氣囊,將污水罐中的污水反排至污水管道，管道疏通任務(wù)完成。

整車的清水罐有效容積為7.75 m3，可保證高壓水泵持續(xù)工作20 min以上；污水罐有效容積為9.7 m3，可提高車輛的轉(zhuǎn)運(yùn)效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。該車選用的底盤總質(zhì)量25 000 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為208 kW/2 300 (r/min)。排污系統(tǒng)選用型號(hào)為6ZSH-12的吸砂泵，額定流量為145 m3/h，可快速完成前期排水任務(wù)。高壓清洗系統(tǒng)選用的高壓水泵流量為347 L/min，壓力可以達(dá)到200 bar。相比原來(lái)的220 L/min，壓力200 bar的高壓水泵，在壓力不變的情況下，流量提升了173%，能高效地將堵塞的泥沙沖到沉淀井內(nèi)。大流量的水泵也可以配置大流量高壓噴頭（如圖2），為復(fù)雜的工況提供多種解決辦法。大流量高壓噴頭相關(guān)參數(shù)見表1。吸污系統(tǒng)的副發(fā)動(dòng)為液環(huán)真空泵提供動(dòng)力。液環(huán)泵最大抽氣速率為36 m3/min，具有流量大、吸程深、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品和傳統(tǒng)產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)比見表2。

圖2 大流量高壓噴頭

表1 大流量噴頭相關(guān)參數(shù)

表2 本產(chǎn)品和傳統(tǒng)產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)比

2.3 排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排污系統(tǒng)由取力器、傳動(dòng)軸、分動(dòng)箱、皮帶輪、皮帶和吸沙泵組成。吸沙泵具有流量大，耐磨性強(qiáng)，無(wú)需引水的優(yōu)點(diǎn)。吸沙泵組件通過(guò)側(cè)取力器輸出動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞到分動(dòng)箱上，分動(dòng)箱上的皮帶盤組件和吸沙泵連接，吸砂泵的進(jìn)出接口均為5寸陽(yáng)端快速接頭，可與5寸吸污管通用。吸沙泵型號(hào)為6ZSH-12，流量為145 m3/h。

2.4 高壓清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓清洗系統(tǒng)由夾心取力器、傳動(dòng)軸、高壓水泵、高壓水閥、高壓軟管、高壓噴頭和清水罐等組成。夾心取力器從底盤發(fā)動(dòng)機(jī)取力，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)高壓水泵旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高壓水流，高壓水通過(guò)高壓軟管輸送到高壓噴頭?？蓪?duì)堵塞的污水管道進(jìn)行疏通；還可以通過(guò)高壓水閥連接到罐體內(nèi)部自潔管路，對(duì)污水罐進(jìn)行清洗。

針對(duì)客戶反映的固態(tài)污物容易在罐體下半部分沉積成塊，不容易清洗的情況，本車專門配了三個(gè)大口徑噴頭用于沖散塊狀污物，并且在罐體兩側(cè)上端分別布置了一排噴頭用于清洗管壁的污物。為了適應(yīng)現(xiàn)在沉淀井間隔距離最大70 m的實(shí)際工況，本車攜帶內(nèi)徑1寸，長(zhǎng)度100 m的高壓軟管，保證滿足工作需求。

2.5 吸污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吸污系統(tǒng)由副發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、水環(huán)真空泵、水汽分離器、真空管路，污水罐等組成。通過(guò)副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水環(huán)式真空泵旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生負(fù)壓。真空管路系統(tǒng)將吸污罐、氣動(dòng)四通閥、水環(huán)式真空泵、氣動(dòng)截止閥、水汽分離器連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)將污物吸入到吸污罐內(nèi)和將污物從吸污罐加壓強(qiáng)排出罐體的功能。該系統(tǒng)可以將埋深9 m管道內(nèi)的泥沙、污水和最大尺寸小于100 mm的石塊吸入到污水罐中，9.7 m3的污水罐可以在5 min內(nèi)吸滿。

3 整車結(jié)構(gòu)布置

整車結(jié)構(gòu)由國(guó)底盤、副發(fā)-水環(huán)真空泵組件、高壓水泵、罐體，真空管路、高壓水路和高壓軟管卷管器等部件組成（見圖3）。

圖3 整車結(jié)構(gòu)

3.1 罐體總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家法規(guī)約束，車輛寬度總寬不能超過(guò)2 500 mm，初選罐體內(nèi)直徑Di=2 100 mm、長(zhǎng)度L1=3 200 mm，材料為Q245R，封頭為碟形封頭，工作壓力為外壓P=0.1 MPa。

圓筒承受外壓時(shí)，圓筒計(jì)算壁厚為：

式中，δ為圓筒的計(jì)算壁厚，mm；Pc為計(jì)算壓力，取0.1 MPa;Di為圓筒內(nèi)直徑，取2 100 mm；[σt]為20許用強(qiáng)度，取148 MPa；Φ為焊接系數(shù)，取0.85；代入數(shù)值計(jì)算得δ=0.83 mm。

由最小條件δmin≥3 mm，實(shí)際壁厚應(yīng)為：

δn=δ+C

式中，δn為名義厚度，mm；C為厚度附加量，mm。

C=C1+C2

式中，C1為材料厚度負(fù)偏差，取0.3 mm；C2為腐蝕裕量，取1 mm；C=1.3 mm。

考慮腐蝕加上負(fù)公差，δn=δmin+C1+C2。代入數(shù)值得δn=4.3 mm，圓整取δn=5 mm。有效厚度：δe=δn- C1-C2，代入數(shù)值得δe=3.7 mm。

穩(wěn)定性校核：

Ls為圓筒計(jì)算長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際情況得：Ls=L+hi/3+hi/3，式中，L為直筒計(jì)算長(zhǎng)度，取3 200 mm，hi為封頭高度,取447 mm，代入數(shù)值得Ls=3 200mm。Ls/D0=3 500/2 112=1.66;D0/δe=2 112/3.7=570。根據(jù)Ls/D0和D0/δe查取外壓應(yīng)變系數(shù)A值，A=1.55×10-5。按所用材料，查表計(jì)算對(duì)應(yīng)的外壓應(yīng)力系數(shù)B，B=2AEt/3;式中：Et為設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，取2 MPa；代入數(shù)值計(jì)算得B=2.06 MPa。根據(jù)B值，按式計(jì)算許用外壓力[P]：

代入數(shù)值得[P]=0.003 MPa，[P]≤Pc，剛度達(dá)不到要求，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈在已知D0,δe一定時(shí)，外壓圓筒的臨界壓力和允許最大壓力隨著筒體加強(qiáng)圈間距Ls的縮短而增加。由公式

代入數(shù)值計(jì)算得：[Ls]=272.84 mm。此參數(shù)不符合實(shí)際生產(chǎn)需求，需重新調(diào)整鋼板厚度。取鋼板厚度為δn=8 mm，代入計(jì)算得δe=6.7 mm，Ls/D0=1.66；D0/δe=315；A=1.39×10-4；B=18.47 MPa；[P]=0.06 MPa；[P]≤Pc=0.1 MPa，不合格，需要加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈間距Ls代 入數(shù)值計(jì)算得：[Ls]=1884.75 mm。

加強(qiáng)圈增加后計(jì)算長(zhǎng)度L取：Ls=L/2+hi/3；得Ls=1 750 mm。同理計(jì)算得：Ls/D0=0.83;D0/δe=315；A=0.000 286；B=37.89 MPa；[P]=0.06 MPa；[P]>Pc=0.1 MPa，穩(wěn)定性校核通過(guò)。

應(yīng)力校核：

代入數(shù)值計(jì)算得σt=23.12 MPa，σt<[σt]=148 MPa，所以合格。

加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)：

圖4 加強(qiáng)圈尺寸

距X-X軸形心距

代入數(shù)值計(jì)算得：X2=0.4 cm；X1=4.8 cm；X=2.97 cm；距X-X軸形心距a1,a2，a1=1.83 cm，a2=2.57 cm。組合慣性矩Is=Is1+Is2，代入數(shù)值計(jì)算得：Is=214.64 cm4。計(jì)算B值。

代入數(shù)值得：B=31.26；查表得A值，A=2.3×10-4；加強(qiáng)圈與圓筒組合段所需的慣性距I值:

代入數(shù)值計(jì)算得：I=126 cm4，Is>I，所以加強(qiáng)圈合格。

罐體由8個(gè)厚的容器鋼板和三個(gè)直徑2 100 mm的碟形封頭焊接而成。罐體被分為兩個(gè)罐，罐體前端為清水罐，后端為污水罐。清水罐和污水罐不同時(shí)裝液體。污水罐有效容積9.7 m3，清水罐有效容積7.75 m3，罐體自重3 900 kg（如圖5）。污水罐的尾部設(shè)有直徑700 mm的排污口，用來(lái)清理沉積和不能通過(guò)管道自排的污物。清水倉(cāng)和污水倉(cāng)的頂部均設(shè)有人孔，可以入倉(cāng)清洗清洗整理。罐體工作狀態(tài)下的極限負(fù)壓為-0.097 MPa，極限正壓為0.03 MPa。

圖5 罐體模型

3.2 舉升油缸受力分析計(jì)算及各功能油缸確定

舉升油缸的工況為污水罐內(nèi)的污水被排放完，自潔及清理污水罐底部有沉積的附著泥沙，此時(shí)舉升罐體時(shí)需提供的最大舉升力。這時(shí)清水罐中的清水可視為均質(zhì)的物體，密度為1 000 kg/m3（如圖6），在水罐底部沉淀的污物可視為密度均勻的剛體，密度可選為2 250 kg/m3（如圖7）。創(chuàng)建三維模型，設(shè)置罐體舉升角度為30°（如圖8）。利用軟件對(duì)舉升過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出油缸推力隨舉升角度的變化（見圖9）。

圖6 清水載荷模型

圖7 沉淀物模型

圖8 罐體舉升狀態(tài)載荷分布

圖9 舉升油缸推力

表上最大力為N，該車左右兩側(cè)各有一只舉升油缸，單只油缸的舉升力為F=11 6256/2=58 128 N，初定系統(tǒng)最高工作壓力初定為：P=12 MPa，由公式F=πD2Pη/4可得：

式中，D為油缸內(nèi)徑，mm；F為油缸的最大作用力，取116 256 N；P為系統(tǒng)壓力，取12 MPa；η為油缸機(jī)械效率，取0.9。代入數(shù)值計(jì)算得D=87 mm；圓整后，最小缸徑為90 mm。因結(jié)構(gòu)限制所以選擇三級(jí)缸的結(jié)構(gòu)形式。所需的舉升油缸初定為D1=140 mm，D2=110 mm，D3=90 mm的三級(jí)舉升缸。同理計(jì)算出后蓋門的開關(guān)門油缸為缸徑50 mm，桿徑28 mm。

4 液壓氣動(dòng)控制系統(tǒng)選型及工作原理

該車輛液壓動(dòng)力系統(tǒng)分為兩部分：高壓清洗和真空吸污。兩個(gè)部分能獨(dú)立工作，也可以聯(lián)合作業(yè)。高壓清洗系統(tǒng)的液壓泵由夾心取力器提供動(dòng)力，真空吸污的液壓泵由副發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。因舉升油缸為各種動(dòng)作油缸中受力最大，且使用流量最大的油缸，為首要滿足的部件。根據(jù)上述確定的舉升缸參數(shù)，舉升缸舉升時(shí)間和下降時(shí)間<45 s，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速為800 r/min。

確定液壓油泵型號(hào)為CBHLB-F550/AFφR。高壓清洗的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)選用YMC-40,油泵型號(hào)為CBF-F416-ALPA。換向閥為手電一體多路閥，通徑為12 mm，最大流量為45 L/min，電壓為24 V。液壓油箱容積為280 L。氣動(dòng)元件的氣源取自汽車底盤。液壓原理圖如圖10所示。

圖10 液壓原理圖

5 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

控制系統(tǒng)采用固定式控制盒+遙控控制盒兩種模式。操作人員可根據(jù)使用情況自由切換?？刂葡到y(tǒng)采用嵌入式芯片，電控箱采用IP56級(jí)別防水設(shè)計(jì)。

該車設(shè)有清水低水位報(bào)警器和污水罐浮球報(bào)警器。低水位報(bào)警器可以有效保護(hù)高壓水泵，當(dāng)清水罐水位低時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換開關(guān)，將水路系統(tǒng)切換為內(nèi)循環(huán)模式，防止吸空損壞高壓水泵。污水罐浮球報(bào)警器可以從外側(cè)觀察污水的實(shí)際高度，還結(jié)合了電控觸電，可以實(shí)現(xiàn)污水滿罐后，自動(dòng)切斷吸污管道，并將真空泵的工作狀態(tài)切換至空擋，防止?jié)M罐，并且對(duì)罐體和真空吸污泵卸荷，保護(hù)了吸污罐和真空泵的安全?？刂坪屑半娖髟砣鐖D11所示。

圖11 控制盒及電器原理

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和市場(chǎng)反饋效果來(lái)看，大流量高壓清洗吸污車非常適合現(xiàn)代城市的污水管網(wǎng)的疏通清洗。該車型具有吸深大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，適用面廣的特點(diǎn)。集成了管道疏通車和吸污車的功能，一車多用。降低了車輛維護(hù)費(fèi)用，提高了車輛的使用效率。憑借優(yōu)異的疏通效果實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代車輛節(jié)能經(jīng)濟(jì)環(huán)保和智能化的要求，符合城市發(fā)展的需求，已廣泛在大中型城市中使用，市場(chǎng)前景廣闊。