南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車整車設(shè)計(jì)

李 冰，張吉祥，段俊法

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，450045，河南鄭州）

南水北調(diào)中線工程作為一項(xiàng)重大的民生工程，有效緩解了華北地區(qū)的用水壓力，但是南水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，露天渠道和水深較淺等因素都為藻類的繁殖提供了便利，引起了渠道邊坡襯板表面水位線附近水藻滋生（如圖1 所示），嚴(yán)重影響南水水質(zhì)[1-2]。

圖1 南水北調(diào)渠道邊坡水藻滋生

目前，為了及時(shí)清理渠道邊坡襯板上的藻類等沉積物，需要派遣人工進(jìn)行清理，作業(yè)模式為一組作業(yè)人員系安全繩并穿戴救生衣下至渠道臨水作業(yè)面處，同時(shí)使用鏟刀和擋板清理水面上沿的藻類及塵沙碎石等沉積物，人工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。

圖2 人工除藻作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

現(xiàn)有人工作業(yè)方式存在作業(yè)效率低、工作強(qiáng)度大及危險(xiǎn)性高等問(wèn)題，清掃過(guò)程中藻類等沉積物會(huì)進(jìn)入渠道造成水源二次污染。當(dāng)前已有的渠道邊坡除藻設(shè)備研究方向是采用在馬路上行走的工程車輛搭載高揚(yáng)程自吸液壓泵進(jìn)行除藻作業(yè)[3]，但現(xiàn)有設(shè)備存在自重大、成本高、作業(yè)效率低、除藻效果欠佳等問(wèn)題，尚未能在南水北調(diào)中線工程進(jìn)行實(shí)際推廣應(yīng)用。因此，亟須研發(fā)安全、高效及綠色化作業(yè)的南水北調(diào)中線工程渠道邊坡除藻設(shè)備。

本文針對(duì)南水北調(diào)中線工程渠道邊坡坡度大、坡面高低起伏、臨水作業(yè)易打滑等技術(shù)難題，研制能夠適應(yīng)渠道邊坡復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的純電動(dòng)履帶底盤，履帶底盤上部搭載藻類等沉積物清理作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在南水北調(diào)渠道邊坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行除藻作業(yè)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保除藻車能夠滿足安全、高效及綠色化除藻作業(yè)的功能需求。

1 整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車設(shè)計(jì)需要適應(yīng)渠道邊坡復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，除藻車主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 電動(dòng)除藻履帶車主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車底盤采用電動(dòng)履帶底盤，電動(dòng)履帶底盤能夠最大限度降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，確保水質(zhì)安全。除藻車設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電動(dòng)履帶底盤、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分，除藻車樣車如圖3 所示。

圖3 除藻車樣車

1.1 電動(dòng)履帶底盤設(shè)計(jì)

采用電動(dòng)履帶底盤作為運(yùn)行機(jī)構(gòu)，需要對(duì)電動(dòng)履帶底盤進(jìn)行整體設(shè)計(jì)[4-6]，以實(shí)現(xiàn)除藻車在渠道邊坡上的正常行走，底盤設(shè)計(jì)包括車身骨架和車身外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）車身骨架設(shè)計(jì)。車身骨架整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，方案采用鋼管結(jié)構(gòu)作為整車骨架，采用外部附著鐵皮的方式制作車體，車身內(nèi)部能夠放置驅(qū)動(dòng)電池、執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電電池及兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器等裝置，實(shí)現(xiàn)了車身內(nèi)部空間的充分利用，同時(shí)降低了整車重心，有效提升了電動(dòng)履帶底盤臨水行走防滑能力。

圖4 車身骨架

（2）車身外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。車身外部結(jié)構(gòu)如圖5 所示，利用蒙皮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車身的密封處理，避免了車身內(nèi)部電控系統(tǒng)觸水失效風(fēng)險(xiǎn)，并在車身上預(yù)留了控制開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)和電池電量顯示屏等安裝孔位。

圖5 車身外部結(jié)構(gòu)

車身蒙皮上預(yù)留了上部執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)電機(jī)及回轉(zhuǎn)齒輪安裝孔位，側(cè)面則預(yù)留了電機(jī)輸出軸孔位；同時(shí)為了保證整車密封性，對(duì)整車側(cè)面安裝孔位及電機(jī)輸出軸孔位進(jìn)行了密封處理。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是除藻車實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)渠道邊坡藻類破碎和吸污作業(yè)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)和吸污裝置等。

（1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)齒輪、驅(qū)動(dòng)小齒輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用50∶1的大比例齒輪傳動(dòng)，有效提高了回轉(zhuǎn)扭矩，降低了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)速度，確保了回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；回轉(zhuǎn)電機(jī)選用帶有電磁剎車的電機(jī)，保證回轉(zhuǎn)位置精確可靠。

圖6 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要保證清掃機(jī)構(gòu)和吸污系統(tǒng)能夠在除藻車臨水一側(cè)開(kāi)展作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)±90°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，確保電動(dòng)履帶底盤盡可能遠(yuǎn)離水面運(yùn)行。

（2）變幅機(jī)構(gòu)。變幅機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖7 所示，工作臂與車體通過(guò)鉸鏈連接，選用電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)工作臂的變幅運(yùn)動(dòng)。

圖7 變幅機(jī)構(gòu)

除藻車正常行駛過(guò)程中利用變幅機(jī)構(gòu)將掃盤舉升離開(kāi)地面，保證除藻車能夠順利通過(guò)道路牙子等障礙，變幅機(jī)構(gòu)能夠在縮短工作臂長(zhǎng)度的同時(shí)將清掃機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)至除藻車側(cè)面工作位置。

（3）清掃機(jī)構(gòu)。清掃機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。清掃機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)雙掃盤系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，使掃盤能夠適應(yīng)渠道邊坡高低起伏的作業(yè)環(huán)境，以確保清掃機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的清掃效果。

圖8 清掃機(jī)構(gòu)

（4）吸污裝置。吸污裝置整體設(shè)計(jì)主要包括除藻箱（如圖9 所示）和吸塵口（如圖10 所示）設(shè)計(jì)。除藻箱內(nèi)置2 個(gè)功率為600 W 的吸水風(fēng)機(jī)，2 個(gè)風(fēng)機(jī)共用1 個(gè)集藻箱，利用2 個(gè)吸塵管道配合吸塵口完成吸污作業(yè)。此方案能夠擴(kuò)大吸塵管路的通道，大大提升吸污效果。

圖9 除藻箱

圖10 吸塵口

1.3 控制系統(tǒng)

除藻車采用遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行作業(yè)控制，控制系統(tǒng)包括兩部分：第一部分利用VCU 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)履帶底盤前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向動(dòng)作控制，第二部分采用Arduino 控制板實(shí)現(xiàn)變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)和吸污裝置除藻作業(yè)動(dòng)作。兩部分控制系統(tǒng)集成在同一個(gè)控制器上，控制器如圖11 所示。

圖11 集成控制器

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

除藻車樣車在南水北調(diào)中線工程河南局某段開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括行駛功能（前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能（變幅、回轉(zhuǎn)、清掃、吸污）和續(xù)航功能等，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖12 所示。

圖12 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

除藻車現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。由表2 可知，南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車能夠滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有較好的除藻作業(yè)能力。

表2 除藻車現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

渠道邊坡藻類等沉積物清掃前后效果對(duì)比如圖13 所示。由圖13 可知，南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車能夠較好清除附著在渠道邊坡上的藻類等沉積物，達(dá)到了預(yù)期除藻作業(yè)效果。

圖13 清掃前后效果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了集電動(dòng)履帶底盤、除藻執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)于一體的南水北調(diào)渠道邊坡電動(dòng)履帶除藻車，并在南水北調(diào)渠道邊坡對(duì)電動(dòng)履帶除藻車性能指標(biāo)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，完成了整車在渠道邊坡上越障、行駛、清掃和吸污試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明電動(dòng)履帶除藻車能夠滿足安全、高效和綠色化除藻作業(yè)技術(shù)要求，具有較好的推廣應(yīng)用前景。