一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備

李小林 金守寬

摘 要：本文設(shè)計了一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備，該設(shè)備采用螺旋鉸龍對淤泥進行切割和輸送。文中介紹了螺旋挖掘式淤泥清理設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，并且對主要構(gòu)件螺旋鉸龍進行了受力分析，給出了該裝置設(shè)計的力學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：淤泥清理方法;螺旋鉸龍;螺旋挖掘與輸送

引言

在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)過程中有許多需要清理淤泥的場合，像河道、港口、化糞池、沉淀池、水庫等等，如圖1所示。

目前對淤泥的清理方式主要有人工清理，挖掘機清理以及鉸吸式清理等。人工清理勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)效率低。挖掘機清理只適應(yīng)于工作場地大，作業(yè)量大的場合，在對水下淤泥挖掘時，一部分淤泥會在上升過程中被水沖刷流回原處，因此清淤效率低。[1]

鉸吸式清理的基本原理如圖2所示，是通過攪拌裝置將淤泥與水?dāng)嚢璩赡酀{，然后用泥漿泵吸出，用排水管道將泥漿輸送到岸邊的沉淀場地，通過沉淀使泥水分離。

鉸吸式清理適用于有大量水源的河道、港口、池塘等，這種方法柔性好、適應(yīng)性廣。缺點是吸出的泥漿需要沉淀濾出水份后才能裝車運走，需要較大的沉淀場地，會造成環(huán)境污染;另外在鉸吸過程中吸出的多數(shù)是水，少數(shù)是泥，因此消耗了大量的無用功，浪費能源，增大了清淤的成本，清淤效率較低。[2]

1 螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

基于前面各種清淤方法的分析，我們設(shè)計了一種螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖中立式電動機2與擺線針輪減速機3的輸入軸連接，擺線針輪減速機3的輸出軸與螺旋鉸龍軸10連接，帶動螺旋鉸龍軸旋轉(zhuǎn)，螺旋鉸龍軸上端通過兩個向心推力軸承固定在軸承座管8內(nèi)，鉸龍外套管14通過法蘭盤11與軸承座管連接，輸送管道1通過法蘭盤13連接到鉸龍外套管的出口。鉸龍外套管的直徑D以及螺旋鉸龍軸上的螺旋葉片的螺距L，可以根據(jù)挖掘泥土的效率要求在設(shè)計時進行調(diào)整。

螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備的工作過程如下：利用其他施力裝置對鉸龍軸外套管施加軸向壓力，使鉸龍軸外套管入口端切入淤泥中，外套管內(nèi)的淤泥被切離于其他淤泥，驅(qū)動裝置帶動螺旋鉸龍軸轉(zhuǎn)動，鉸龍軸上的螺旋葉片切割并推動管內(nèi)泥土向上移動，再通過輸送管道將泥土輸送到需要的地方，完成泥土的挖掘與輸送。當(dāng)鉸龍外套管深入到淤泥底層堅硬部分而不能繼續(xù)下降時，由施力裝置將其提升至泥土表面，橫向移動一個鉸龍外套管直徑距離，然后再重復(fù)前述過程，直至淤泥挖凈為止。[3]

對于化糞池、沉淀池等深度比較淺的淤泥清理場合，運用一節(jié)圖3所示的螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備既可以滿足使用需要。但是如港口、水庫等具有較深水面或者較遠距離的淤泥挖掘與輸送場合，一節(jié)螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備難以滿足使用需要，此時可以采用多節(jié)銜接接力傳送的方法，如圖5所示。

其中第一節(jié)螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備與前述作用相同，即有挖掘功能也有輸送功能，第二節(jié)及以后的各節(jié)螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備僅起輸送作用。也即第二節(jié)及以后的各節(jié)螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備的入口通過法蘭盤與前一級螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備的出口相連接，將前一級螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備輸送過來的淤泥繼續(xù)向后輸送，直至將淤泥輸送到運輸車中。

2 受力分析與設(shè)計要點

對螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備進行受力分析，有助于弄清楚該設(shè)備的工作原理，為合理設(shè)計該設(shè)備提供理論依據(jù)。我們以處于螺旋葉面上的淤泥為研究對象分析其受力情況，其受力如圖5所示。

圖中G為淤泥的重力，該重力可以分解為垂直壓向螺旋葉片表面的分力N和平行于螺旋葉片表面的分力F，N是螺旋葉片對淤泥的支反力，并且N= N。從圖中看出分力N和分力F的大小與螺旋葉片的螺旋升角α有關(guān)，α增大，則分力F增大，分力N減小。力P是驅(qū)動螺旋鉸龍軸轉(zhuǎn)動的力矩M除以轉(zhuǎn)動半徑r得到的力，即P=M/r，力P的作用線與螺旋表面受力點轉(zhuǎn)動的圓形軌跡相切，方向與螺旋表面轉(zhuǎn)動的旋向一致，力P與力N?的合力R是推動物料上升的動力。

根據(jù)上述受力分析可知設(shè)計要點如下：

由于力R與力N?的大小有關(guān)，力N?越大則力R越大，而力N?與螺旋升角α成反比，α增大，則分力N?減小，綜合考慮提升速度和提升力的關(guān)系，角α一般在150--250為宜。

當(dāng)螺旋鉸龍軸轉(zhuǎn)速較高時，淤泥的離心力比較大，與鉸龍外套管之間的摩擦力也會增大，不利于淤泥的向上輸送，同時還有被鉸成泥漿的可能，而泥漿是不能被立式螺旋輸送的，因此，螺旋鉸龍軸的轉(zhuǎn)速一般在60r/min--90r/min為宜。

為了防止鉸龍葉片與鉸龍外套管的內(nèi)壁接觸產(chǎn)生摩擦而影響轉(zhuǎn)動，二者之間的間隙為1mm--2mm之間為宜。

結(jié)論：與現(xiàn)有的淤泥清理方式相比，螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備具有明顯的優(yōu)點：

1）清淤效率高，節(jié)能效果顯著;因為螺旋挖掘與輸送式淤泥清理設(shè)備挖掘和輸送的過程中只有淤泥沒有水，與鉸吸式清理相比，節(jié)省了攪拌過程以及大量吸水所消耗的無用功能量。與挖掘機挖掘相比，節(jié)省了挖掘機往返的空行程和被水沖刷掉淤泥所消耗的無用功能量。

2） 操作簡便，操作空間小，且不污染環(huán)境;螺旋輸送式淤泥清理設(shè)備工作時只是在淤泥中上下移動進行挖掘，沒有大范圍移動或廻轉(zhuǎn)，因此操作空間小，操作簡便，除了應(yīng)用于港口、河道、水庫等，還可以廣泛適用于各種化糞池、沉淀池等空間范圍狹小場合的淤泥清理工作。另外輸出的泥土可以直接裝車，不需要沉淀過濾等，因此不污染環(huán)境。[4]

3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于推廣應(yīng)用。

總之，螺旋挖掘與輸送式淤泥清理是一種新型淤泥清理設(shè)備與方法，具有前述各種淤泥清理方法不具備的優(yōu)點，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]申長璞，李永祥，王明旭，國內(nèi)外城市河道淤泥清理設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀的探討[J]現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015第六期。

[2]王經(jīng)超，河道清淤施工方式與工況條件分析，工程管理，2020年3月。

[3]金守寬， 螺旋輸送式化糞池清理裝置及化糞池清理方法，ZL201610075011.5，2018年02月06日。

[4]王秉飛，煤礦水倉清理機器人的設(shè)計，機械管理開發(fā)，2020年第九期

作者簡介：

李小林，（1999年10月），男，漢族，浙江省紹興市），本科，學(xué)生，機械設(shè)計制造及自動化

通訊作者：金守寬（1955年1月），男，漢族，籍貫 遼寧省本溪市，碩士研究生，副教授，機械設(shè)計制造及自動化，指導(dǎo)教師。