沈體強(qiáng)

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式管道清淤機(jī)器人，主要通過(guò)電動(dòng)缸控制清淤斗升降和翻轉(zhuǎn)的方式完成清淤工作。介紹了清淤機(jī)器人的系統(tǒng)組成和工作原理，確定了主要技術(shù)參數(shù)。該機(jī)械式管道清淤機(jī)器人的研究，開(kāi)辟了一條解決排水管道淤積堵塞問(wèn)題的道路。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式；管道清淤機(jī)器人；設(shè)計(jì)；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）29-0018-02

1 概 述

隨著我國(guó)城市的建設(shè)和人民生活水平的提高，各省市的用水量不斷增加，隨之排水管道的排水量也不斷增加。而人們所排放的生活垃圾、工廠所排放的工業(yè)垃圾以及建筑垃圾等經(jīng)常導(dǎo)致排水管道淤泥沉積，如果不按時(shí)清理，必然導(dǎo)致管道堵塞，污水溢流。不僅會(huì)污染環(huán)境，還可能妨礙交通運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行，甚至給人們正常的生活帶來(lái)困擾，損害市容市貌，給國(guó)家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)排水管道的分布非常廣泛，管道內(nèi)部環(huán)境更是復(fù)雜多變，所以城市排水管道的清理和維護(hù)工作非常棘手。

目前，大多數(shù)情況下只能通過(guò)人工作業(yè)的方式進(jìn)行清理，且清理效果不是很有效。然而管道里往往含有一些有毒氣體，給工人的工作帶來(lái)了非常大的困難，而且容易對(duì)工人的身體健康造成傷害。于是，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)械式管道清淤機(jī)器人，能夠安全高效的清理管道淤泥，為城市管道清理工作提供了一種新的解決方法[1]-[3]。

2 清淤機(jī)器人的系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 清淤機(jī)器人的系統(tǒng)組成

機(jī)械式管道清淤機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。如圖1所示，機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要包括清淤斗清淤機(jī)構(gòu)部分和一體化箱體結(jié)構(gòu)。

機(jī)械式排水管道清淤機(jī)器人適用于管徑300 mm以上的排水管道，在管道內(nèi)的空間是有限的，因此，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)要盡可能的小并且要保證輸出穩(wěn)定的清淤力[4]。整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要著重考慮清淤機(jī)器人在管道中的密封問(wèn)題，從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度提高密封的可靠性，我們采用一體化箱式結(jié)構(gòu)提高機(jī)器人的密封性[5]。清淤機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用輪式行走機(jī)構(gòu)，以蓄電池為動(dòng)力源，以電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力控制清淤斗的升降和翻轉(zhuǎn)。機(jī)械式清淤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。

2.2 清淤機(jī)器人的清淤機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)管道的復(fù)雜環(huán)境，并能夠節(jié)能高效的完成管道的清淤作業(yè)，設(shè)計(jì)了一種靈活可靠的組合清淤結(jié)構(gòu)[6]。該機(jī)構(gòu)由清淤斗、電動(dòng)缸、連桿機(jī)構(gòu)組成。清淤機(jī)構(gòu)的三維模型圖，如圖3所示。

清淤斗機(jī)構(gòu)可以在管道中完成舉升翻轉(zhuǎn)的動(dòng)作，其中清淤斗的舉升和翻轉(zhuǎn)主要由兩組同步的電動(dòng)缸來(lái)完成，采用電動(dòng)缸可以很好地實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)行，使機(jī)構(gòu)的受力更加均衡，運(yùn)行平穩(wěn)，連桿機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)連接處，都裝有軸承，減小了機(jī)構(gòu)的磨損[7]。

清淤斗機(jī)構(gòu)的舉升裝置可有效保證機(jī)器人車(chē)體在管道中的暢通運(yùn)行，提高了清淤機(jī)器人的清淤效率，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可快速高效的將淤泥倒出，由于管道中環(huán)境復(fù)雜，清淤機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)連接處均采用密封裝置，提高了機(jī)構(gòu)的使用壽命。

2.3 清淤機(jī)器人的工作原理

機(jī)械式清淤機(jī)器人適宜于管道中淤泥少于50%的情況，假設(shè)管道中的淤泥少于50%，清淤機(jī)器人的工作過(guò)程可分為四個(gè)部分。

①將清淤機(jī)器人從窨井井口投放到工作管道，調(diào)整清淤斗機(jī)構(gòu)的舉升裝置，使清淤斗位于一個(gè)合適的位置，保證其在空載時(shí)不會(huì)影響機(jī)器人的正常行走。

②清淤機(jī)器人到達(dá)工作位置后，工作人員在地上通過(guò)監(jiān)控設(shè)備觀察管道，調(diào)整清淤機(jī)器人的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使清淤斗的弧形底部，與管道底部相接觸，啟動(dòng)清淤機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，視具體情況控制機(jī)器人的移動(dòng)路線，通過(guò)拖動(dòng)清淤斗，將管道內(nèi)的淤泥收入斗中[8]。

③當(dāng)淤泥達(dá)到清淤斗的最大儲(chǔ)存量時(shí)，調(diào)整清淤斗的舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使清淤斗處于一個(gè)合適位置，使其不影響機(jī)器人的移動(dòng)，保證淤泥不會(huì)從斗中漏出。

④當(dāng)清淤機(jī)器人移動(dòng)至檢查井井口位置時(shí)停止，清淤斗的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將淤泥卸在窨井井口附近，然后使用其他裝置把淤泥運(yùn)出窨井。

3 清淤機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)的確定

自主式清淤機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)如下：

①適用管徑：300～2 000 mm；

②移動(dòng)速度：2～10 m/min；

③清淤能力：10 kg/次；

④最大越障高度：100 mm；

機(jī)械式清淤機(jī)器人在管道內(nèi)部清淤作業(yè)，排水管道內(nèi)部空間有限，清淤機(jī)器人的總體尺寸受到限制。為了使清淤機(jī)器人能夠順利從窨井井口進(jìn)入工作管道，機(jī)器人的總體尺寸不能太大[9]。為了避免清淤機(jī)器人的總體尺寸過(guò)大而使機(jī)器人不能正常進(jìn)入工作管道而卡在窨井和排水管道的交叉地帶的情況發(fā)生，分析了清淤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)器人的可通過(guò)性的影響。

當(dāng)清淤機(jī)器人的總體尺寸小于窨井口尺寸時(shí)，清淤機(jī)器人能夠順利通過(guò)窨井而進(jìn)入工作管道。反之，當(dāng)清淤機(jī)器人的總體尺寸大于窨井口尺寸時(shí)，機(jī)器人肯定會(huì)卡住。于是經(jīng)計(jì)算可知，清淤機(jī)器人的總體尺寸如下：長(zhǎng)約為1 200 mm，寬約為

400 mm，高約為400 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式管道清淤機(jī)器人，采用電動(dòng)缸調(diào)節(jié)清淤斗高低和翻轉(zhuǎn)，這種清淤方式能夠適用更加復(fù)雜的工作環(huán)境，并且具有操作簡(jiǎn)單，工作效率高等特點(diǎn)。同時(shí)，減少了純凈水的適用，降低了成本，為更好的完成管道清淤工作提供了新的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯霞，陳衛(wèi)兵，李懷正.城市排水系統(tǒng)沉積物特性及清淤方式研究進(jìn)展 [J].城市道橋與防洪，2013，3（3）.

[2] 李俊.城市排水管道的清淤問(wèn)題[J].黑龍江水利科技，2004，01：122-123.

[3] 嵇鵬程，沈惠平，基于AT89C5控制的排水管道清淤機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].機(jī) 械設(shè)計(jì)與制造，2010.12.

[4] 王豐.基于pro/e的中小型排水管道清淤機(jī)器人虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電 一體化，2007.1.

[5] 李懷正，柏蔚，邱平平.一種新型排水管道在線檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].綠色 科技，2013，7.

[6] 孟慶春，齊勇，張淑軍，等.智能機(jī)器人及其發(fā)展[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2004，05：831-838.

[7] YOUNG SIK KWON， BYUNG-JU YI. Design and Motion Planning of a Two-Module Collaborative Indoor Pipeline Inspection Robot[J]. IEEE Transactions on Robotics， 2012， 28.

[8] 翟俊，李華飛，關(guān)東，等.大管徑排水管道清淤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械 設(shè)計(jì)與制造，2012，12：254-256.

[9] 肖海文，朱林海，翟俊，等.一種新型大管徑排水管道清淤裝置[J].中國(guó)給 水排水，2013，20：140-144.