基于平行四邊形機構(gòu)的牽引式土壤修復(fù)裝置設(shè)計*

潘四普 ，達雨軒 ，余靖涵 ，吳偉吉

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

近年來，我國土壤污染防治形勢嚴峻[1-2]。截至2021年，歷時4年完成的土壤污染狀況詳查基本摸清了全國農(nóng)用地和企業(yè)用地土壤污染狀況及潛在風(fēng)險的底數(shù)?！丁笆奈濉蓖寥馈⒌叵滤娃r(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》指出，我國生態(tài)環(huán)境保護結(jié)構(gòu)性、根源性、趨勢性壓力總體上尚未根本緩解，以重化工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)尚未根本改變，部分污染物排放總量仍處于高位。土壤、地下水和農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染防治與美麗中國目標要求還有不小差距，到2035年實現(xiàn)土壤和地下水環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好的目標任務(wù)異常艱巨。以工業(yè)土地污染為例，常見的有機物污染物比如DNAPL、PAHs等，因其具有高遷移性和高毒性，所以給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重威脅[3-4]。

隨著《中華人民共和國土壤污染防治法》的實施，土壤修復(fù)行業(yè)管理及技術(shù)支撐體系不斷完善[5]。目前，污染場地修復(fù)技術(shù)主要包括異位修復(fù)和原位修復(fù)兩種技術(shù)。其中，原位化學(xué)修復(fù)方法具有修復(fù)效果徹底、修復(fù)周期短、對場地擾動小等優(yōu)點，其還可同時處理多種污染物，且易于控制二次污染，近年來在污染土地修復(fù)中得到較多應(yīng)用[6]。鄭瑾等[7-8]設(shè)計了一種污染場地原位修復(fù)注入設(shè)備，該設(shè)備最大試驗壓力5.5 MPa，最大流量60 L/min，累計運行150 h，取得了良好的修復(fù)效果。馮超[9]設(shè)計了雙管導(dǎo)向鉆多分支水平井的原位噴射注入修復(fù)工藝，結(jié)果表明，靶距在20 mm～30 mm之間可以得到較大的壓力峰值與幅度。萬杏波等[10]設(shè)計了一種污染土壤修復(fù)試驗裝置，通過檢測土壤凝結(jié)程度以提高土壤淋洗劑的利用效率?，F(xiàn)有土壤修復(fù)裝置以固定式為主、自走式為輔，固定式修復(fù)裝置需要在某一固定地點作業(yè)，待修復(fù)完成后才可轉(zhuǎn)移至下一地點，因此修復(fù)效率低。本文設(shè)計了一種牽引式土壤修復(fù)裝置，在前進的同時向土壤中注入修復(fù)藥液，大大提高了修復(fù)工作效率。

1 總體設(shè)計及工作原理

牽引式土壤修復(fù)裝置由輸送系統(tǒng)、偏心系統(tǒng)、注射系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引式土壤修復(fù)裝置總體結(jié)構(gòu)

輸送系統(tǒng)由連架桿、常開軸系統(tǒng)、連接管組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。連架桿起連接作用，將裝置總體與牽引機構(gòu)連接，在牽引機構(gòu)的牽引下向前運動。常開軸系統(tǒng)和連接管起輸送、分配藥液的作用。

圖2 輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

偏心系統(tǒng)由驅(qū)動盤、偏心盤、定位盤、第一銷軸、連接板、第二銷軸、法蘭、滾輪組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。定位盤上開有一大圓孔，常開軸系統(tǒng)從中穿過，通過肋板與常開軸系統(tǒng)固定連接，定位盤外圍裝有3組滾輪，偏心盤中心開有一圓孔，通過圓孔嵌套在滾輪上，可以繞滾輪轉(zhuǎn)動。偏心盤圓周均布有8個通孔，第一銷軸從通孔穿過，偏心盤與第一銷軸在通孔處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，法蘭與第二銷軸固定連接。驅(qū)動盤圓周均布有8個通孔，第二銷軸從通孔穿過，驅(qū)動盤與第二銷軸在通孔處構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；驅(qū)動盤底部與地面接觸，通過牽引設(shè)備牽引前進與地面產(chǎn)生摩擦力從而轉(zhuǎn)動，驅(qū)動偏心盤旋轉(zhuǎn)。連接板開有兩個圓孔，第一銷軸和第二銷軸分別穿過兩個圓孔，并在圓孔處分別構(gòu)成一個轉(zhuǎn)動副。

圖3 偏心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

注射系統(tǒng)由常閉軸系統(tǒng)、注射針、注射針頭組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。常閉軸系統(tǒng)從連接管接收藥液，通過中空的注射針輸送到土壤中，完成修復(fù)作業(yè)。

圖4 注射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定位盤上3組滾輪的回轉(zhuǎn)中心位于同一個圓上，且該圓圓心位于大圓孔的正上方，兩圓圓心距為L1，即偏心盤的圓心與常開軸系統(tǒng)的圓心的距離為L1，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。連接板上兩個圓孔的圓心距同樣為L1，且安裝時保證豎直安裝。因此，驅(qū)動盤、偏心盤、定位盤、連接板構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，平行四邊形機構(gòu)的四條邊分別為：1）圖5所示定位盤上的圓心距L1，可以看成機架；2）偏心盤；3）連接板，長度同樣為L1且與圖5的L1平行；4）驅(qū)動盤。平行四邊形機構(gòu)工作時，可以保證連接板始終豎直向下，從而注射針也始終垂直于地面。

圖5 偏心盤結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 常開軸系統(tǒng)

常開軸系統(tǒng)主要由左端蓋、第一O型圈、左軸承、左軸套、第二O型圈、第三O型圈、進液口、第四O型圈、第五O型圈、右軸套、右軸承、第六O型圈、密封塞、旋轉(zhuǎn)軸、右端蓋、右擋圈、軸筒、左擋圈組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 常開軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)軸開有一盲孔，靠近盲孔底端開有若干通孔，通孔與軸筒內(nèi)部相通，土壤修復(fù)藥液可以沿著進液口流進旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)軸盲孔另一端也開有若干通孔，土壤修復(fù)藥液可以沿該通孔流出，進入連接管，旋轉(zhuǎn)軸盲孔開口處用密封塞密封。

常開軸系統(tǒng)的主要作用是從進液口接收藥液，在保證旋轉(zhuǎn)軸與軸筒既相對轉(zhuǎn)動又相互密封的條件下，將藥液從中空的旋轉(zhuǎn)軸輸送出去。相對轉(zhuǎn)動由左軸承和右軸承來實現(xiàn)，兩個軸承與旋轉(zhuǎn)軸通過端蓋、擋圈以及軸肩進行軸向定位，密封主要通過4個O型圈來實現(xiàn)，保證藥液不泄露。

2.2 常閉軸系統(tǒng)

常閉軸系統(tǒng)主要由第一擋圈、第七O型圈、第八O型圈、緊定螺釘、第九O型圈、第二擋圈、第十O型圈、第三擋圈、釋放軸、釋放筒、通孔軸套、釋放環(huán)、盲孔軸套等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 常閉軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝配順序，通孔軸套右側(cè)通過第三擋圈固定，左側(cè)通過第二擋圈固定，與釋放軸通過第十O型圈密封，釋放環(huán)與釋放軸通過緊定螺釘連接，并且由第八O型圈、第九O型圈密封，盲孔軸套左側(cè)通過第一擋圈固定，右側(cè)通過釋放環(huán)固定；釋放軸可以在釋放筒內(nèi)轉(zhuǎn)動，釋放軸右側(cè)開有盲孔，靠近盲孔底端開有第一出液孔，釋放環(huán)側(cè)面開有第二出液孔，釋放筒側(cè)面開有第三出液孔；釋放筒左端面均布螺紋孔，與法蘭通過螺栓連接，在連接時，保證第三出液孔朝向地面；釋放軸在釋放筒中的安裝角度各不相同，具體和與該釋放筒連接的法蘭的位置有關(guān)；連接管一端連接旋轉(zhuǎn)軸，另一端連接釋放軸；旋轉(zhuǎn)軸盲孔另一端開有若干通孔，土壤修復(fù)藥液可以沿該通孔流出，通過連接管流進釋放軸。

3 修復(fù)裝置工作過程

以1號注射系統(tǒng)為例，修復(fù)裝置工作過程可分為四步，如圖8所示。

圖8 修復(fù)裝置工作過程

1）當(dāng)1號注射系統(tǒng)注射針頭底部剛接觸地面時，由于注射針通孔暴露在空氣中，所以第二出液孔與第三出液孔未連通，如圖8（a）所示。

2）當(dāng)1號注射系統(tǒng)注射針通孔上邊緣接觸地面時，注射針通孔完全進入土壤內(nèi)部，第二出液孔與第三出液孔開始連通，如圖8（b）所示。

3）當(dāng)1號注射系統(tǒng)注射針通孔上邊緣離開地面時，注射針通孔開始暴露在空氣中，第二出液孔與第三出液孔開始關(guān)閉，如圖8（c）所示。

4）當(dāng)1號注射系統(tǒng)注射針頭離開地面時，注射針通孔暴露在空氣中，第二出液孔與第三出液孔保持關(guān)閉狀態(tài)，如圖8（d）所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于平行四邊形機構(gòu)的牽引式土壤修復(fù)裝置，裝置主要由輸送系統(tǒng)、偏心系統(tǒng)、注射系統(tǒng)組成，在常開軸系統(tǒng)和常閉軸系統(tǒng)的配合工作下，保證裝置整體在牽引前進的同時，注射針始終保持豎直向下，與地面始終呈垂直關(guān)系，既保證了修復(fù)作業(yè)效率，又避免了注射針入土?xí)r承受彎矩而影響使用壽命。