王明旭, 宋岳昌

(1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州 450001,E-mail:wmx20032002@163.com;2.河南工業(yè)大學(xué) 河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室,鄭州 450001)

隨著我國城市建設(shè)不斷發(fā)展,城鎮(zhèn)化程度越來越高,城市下水道經(jīng)常堵塞,特別是二三線城市的老城區(qū),堵塞的現(xiàn)象非常普遍。下水道堵塞輕者造成污水橫流道路積水,重者引起管涌,沖走井蓋,造成人身財產(chǎn)安全事故,所以下水道需定時疏通和維護(hù)。由于下水道環(huán)境惡劣,傳統(tǒng)的疏通作業(yè)需要人工掏挖等強(qiáng)力勞動,需要耗費大量的人力物力。

彭小平等[1]以PLC為主控單元,設(shè)計了一款下水道除污機(jī)器人,可實現(xiàn)對地下管網(wǎng)的檢測、除污和疏堵。龍澤明等[2]設(shè)計了一種清理城市下水道淤泥的車載液壓伺服機(jī)械手設(shè)備,由運載車提供液壓動力和控制系統(tǒng)電源,使用手持操作控制器。張東等[3]設(shè)計了一款智能、輕便、高效的清理裝置,該作品以履帶式小車為底盤,清理時將裝置放入管道內(nèi)。綜上所述設(shè)備主要用來疏通檢測下水道,以下水道淤泥清理為出發(fā)點,但下水道內(nèi)垃圾、淤泥和沙石都可能造成堵塞,但最難處理的是下水道形成的沙石層。本文以下水道沙石層為處理點,設(shè)計出下水道沙石清理系統(tǒng),節(jié)省人力,整個系統(tǒng)能夠與卡車結(jié)合,工作期間不會影響交通,能夠完成城市化、大面積下水道的清理工作,保證下水道的常態(tài)化清潔狀態(tài)。

1 整體設(shè)計及工作原理

下水道清理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 清理平臺示意圖

抓斗模塊負(fù)責(zé)將下水道底部的沙石挖取收集,配合支撐結(jié)構(gòu)和動力裝置提升地面。支撐模塊負(fù)責(zé)抓斗的提升與下降,以此來適應(yīng)城市各種下水道深度。抓斗模塊將抓斗結(jié)構(gòu)、電動推桿和電池組進(jìn)行集成,增加了抓斗自身重量,代替配重的同時又保證了挖掘能力不受影響。整個清理系統(tǒng)可以與卡車結(jié)合,可以完成大面積、城市化的清潔清理工作。

2 主要模塊設(shè)計

2.1 抓斗模塊設(shè)計

抓斗的主要作用是沙石的挖取,制作材料選用301型不銹鋼板材,材料耐腐蝕,焊接性好,方便加工制作,適合下水道濕度大的環(huán)境。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抓斗模塊結(jié)構(gòu)

抓斗設(shè)計采用集成化方式,將電動推桿及電池組與抓斗本身進(jìn)行融合,避免不必要的配重。由于采用繩索提升裝置,不能提供向下的壓力,而只能提供拉力,所以在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的準(zhǔn)則下,要判斷抓斗模塊依靠自身重力所能達(dá)到的沙石層深度。以STM32和LABVIEW為基礎(chǔ)搭建壓力實驗平臺,探究鋼板切入沙石顆粒物料時的作用關(guān)系。

2.1.1 實驗探究

測量裝置如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與單片機(jī)配合,控制步進(jìn)電機(jī)和絲杠滑臺,二者配合實現(xiàn)懸臂梁以不同的速度上升下降,懸臂梁上貼有應(yīng)變片,當(dāng)懸臂梁受到向上的壓力時,應(yīng)變片將懸臂梁的形變量經(jīng)全橋電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值,采集到的電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī),單片機(jī)與電腦上位機(jī)進(jìn)行串口通訊,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示[4-6]。上位機(jī)界面采用LABVIEW圖形編程語言編寫,將數(shù)據(jù)點整合為曲線進(jìn)行表示[7-12]。

圖3 測量裝置實物圖

實驗采用長度100 mm,寬度40 mm,厚度3 mm的不銹鋼板,以2 mm/s的速度勻速壓入沙石中。沙石采用工程建筑沙石,承載沙石顆粒的容器長寬高分別為:100 mm,80 mm,120 mm。實驗過程如圖4所示。

圖4 實驗過程

用長度100 mm,寬度40 mm的鋼板,實驗四次驗證裝置的穩(wěn)定性和實驗結(jié)果的可靠性。取四次數(shù)據(jù)點的平均值作為最終結(jié)果。四次測量結(jié)果在下壓深度達(dá)到100 mm時分別為:27.03 8 N,24.373 N,27.489 N,平均值24.745 N,測試結(jié)果如圖5所示。從四次測試結(jié)果可以看出,每次測量的結(jié)果曲線整體趨勢相同,且壓力與壓入深度的平方近似成正比[13-15],關(guān)系式為

圖5 40 mm寬度下測試結(jié)果曲線圖

F∝h2

(1)

式中:F為壓入所需要的力,N;h為壓入的深度,mm。

為了探究板寬對壓入時阻力的影響,改變鋼板的寬度,分別設(shè)置為10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm,以2 mm/s的速度下壓,同一寬度下測試四次,再取四次結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。如圖6所示為不同寬度下的測試結(jié)果曲線。

圖6 不同寬度下測試結(jié)果曲線圖

取壓入深度100 mm時的阻力值與寬度進(jìn)行擬合,如圖7所示為擬合結(jié)果。發(fā)現(xiàn)阻力大小與寬度近似成正比,壓入沙石堆中的阻力隨著板寬的增加而增大,關(guān)系式為:

圖7 寬度與100 mm壓入深度所受阻力擬合結(jié)果

Fs∝B

(2)

式中:Fs為100 mm處阻力大小,N,B為板寬,mm。

2.1.2 抓斗結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

根據(jù)實驗所測得的結(jié)果,壓入沙石層中所需要的力與壓入深度的二次方近似成正比,與板材寬度近似成正比,由(1)式(2)式可得:

F=ABh2

(3)

式中:B為板材寬度,mm;h為壓入深度,mm;A為綜合影響系數(shù),其大小與沙石密度、堆積角度、含水率等有關(guān)。以實驗過程中,鋼板壓入100 mm深度時候所需的壓力為準(zhǔn),計算綜合系數(shù)A的大小A1=11.123×10-5,A2=6.566×10-5,A3=6.120×10-5,A4=6.436×10-5,A5=6.757×10-5,由于A1與其他值相差較大,故舍去其值,計算其余的平均值得到A=6.469×10-5。

本文以長撐桿雙顎抓斗為參考,設(shè)計如圖8所示的直角抓斗外形,并計算抓斗壓入沙石顆粒堆中所受需要的力。

圖8 抓斗外形示意圖

當(dāng)如圖8所示的板結(jié)構(gòu)抓斗壓入沙石中時,與沙石接觸的板材為兩個長方形側(cè)板和四個三角形顎板,故抓斗壓入沙石堆所需壓力與h,θ的關(guān)系式為:

F(h,θ)=A·(4·h·tanθ+2b)·h2

(4)

經(jīng)過實際測量,方形下水道口的尺寸為700 mm×500 mm,深度大小不一。取b=300 mm,θ=45°,并帶入A值大小,由(4)式計算可得F=649.75 N,換算為重量,即M0=66.3 kg。要使得抓斗依靠自身重量壓入沙石中100 mm,則必須滿足:

M推桿+M斗+M余>M0

(5)

式中:M推桿為電液推桿重量,kg;M斗為抓斗斗身重量,kg;M余為組成結(jié)構(gòu)本身其余重量,kg。

當(dāng)取H1=500 mm,H2=250 mm,鋼板厚度5 mm;電動推桿選用型號DT63型;各部分重量及占比如表1所示。

表1 各部分重量及各占百分比

計算總質(zhì)量為76.78 kg,滿足(5)式,說明此種結(jié)構(gòu)下,抓斗依靠自身重力可達(dá)到100 mm沙石層深度,以此保證可靠性挖掘抓取工作。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計

支撐結(jié)構(gòu)參考門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,門式起重機(jī)是港口散貨裝卸主要的機(jī)械設(shè)備,主要優(yōu)點有,結(jié)構(gòu)簡單,適用性強(qiáng),能夠適應(yīng)港灣復(fù)雜的環(huán)境因素。選取此種結(jié)構(gòu)的原因是,下水道距離地面的深度不一致,可以通過繩索收放的長度進(jìn)行調(diào)整,采用機(jī)械臂或者其他結(jié)構(gòu)會造成結(jié)構(gòu)過去復(fù)雜,而且所需的動力源會增多,故障發(fā)生的概率會增大,不適合露天作業(yè)。如圖9所示。

圖9 支架結(jié)構(gòu)

電動推桿可以使小臂進(jìn)行伸縮,支架主體可以沿著導(dǎo)軌進(jìn)行機(jī)械移動,減少系統(tǒng)在不使用期間的占用空間。旋轉(zhuǎn)座可以使得抓斗進(jìn)行旋轉(zhuǎn),方便機(jī)械化操作。小臂的作用主要是調(diào)整抓斗與車載平臺間的距離,因為停車位置的不同,使得下水道口位置與車載平臺距離具有隨機(jī)性,通過旋轉(zhuǎn)座和小臂配合,保證抓斗到達(dá)下水道口正上方。

首先建立支架的模型,整個裝置類似于一個懸臂梁結(jié)構(gòu),當(dāng)小臂旋轉(zhuǎn)時,可以抽象成如圖10所示模型,進(jìn)行受力分析,來判斷大臂上的受力情況。

圖10 支架模型

G為挖斗和所挖物料的整體重量所受的重力;L1為小臂的長度;L2為大臂中前端到支架支撐點的距離;L3為大臂中后端到支架支撐點的距離;L4為推桿的長度,是隨運動變化的量;L5為小臂與大臂連接處到推桿與大臂連接處的長度;L6為小臂前端到小臂與推桿連接處的長度;H1為大臂到車架的高度;α為小臂的旋轉(zhuǎn)角度;β為小臂與推桿所成的角度;其中的等量關(guān)系為L5=L6=0.5L1。

通過對小臂進(jìn)行受力分析,得到如圖11所示的受力分析圖,將小臂受到的力進(jìn)行正交分解,假設(shè)推桿做勻速運動,根據(jù)力平衡關(guān)系和彎矩平衡關(guān)系,得到如下方程組:

圖11 小臂受力分析圖

通過解方程組,再根據(jù)力的相互作用關(guān)系,得到大臂所受重力方向的分力G′,再根據(jù)角度關(guān)系,可以得到關(guān)于α的關(guān)系式:

(6)

當(dāng)α=60°時,假設(shè)挖斗所承載物料為沙子顆粒,可以得到如下關(guān)系式:

G=(mw+V·ρ·μ)·g

(7)

式中:mw為抓斗裝置總質(zhì)量,kg;V為挖斗的容積,m3;ρ為沙石顆粒的密度,kg/m3;μ為挖斗的滿載率;g為重力加速度。

查閱資料可知,ρ=1 600 kg/m3;計算可得V=0.018 m3;取滿載率μ=0.75;帶入(7)式可得G=1 034.6 N。將α和G帶入(6)式,可得G′=1 214.7 N。此值將會在仿真分析中作為已知值進(jìn)行使用。

3 仿真分析

根據(jù)以上計算結(jié)果和結(jié)構(gòu),在SolidWorks中進(jìn)行三維模型,建立抓斗模塊和支架模塊的三維模型。運用ANSYS對支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核分析;運用EDEM仿真分析抓斗在挖掘過程中的受力情況,EDEM 軟件是主要研究不連續(xù)體問題的離散元軟件,可以通過模擬泥沙顆粒與抓斗挖掘的挖掘過程,有效得模擬抓斗挖掘過程中各部分所受的作用力,為抓斗的設(shè)計提供更好的支持[16]。

3.1 支架仿真分析

支架在吊起抓斗以及沙石物料時,大臂起主要承載作用,所以主要分析支架在重力方向的形變。將簡化的支架模型導(dǎo)入 ANSYS,邊界條件的添加:底座板采用固定約束,將力施加在支架大臂頂端,大小為1 214.7 N,方向為重力方向。用六面體主導(dǎo)法劃分網(wǎng)格,得到網(wǎng)格數(shù)量為995 704;仿真得到支架的等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖,如圖12所示。

圖12 應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖

支架的材料為結(jié)構(gòu)鋼,許用彎曲應(yīng)力為[σ]=70 MPa,由圖12可知整體機(jī)架的最大應(yīng)力為25.834 MPa,最大載荷小于材料屈服應(yīng)力,符合設(shè)計要求。

3.2 抓斗仿真分析

3.2.1 EDEM參數(shù)設(shè)置

抓斗在挖掘過程中與沙石相對運動速度較低,且與沙石的相互作用力很復(fù)雜,包括沙石對抓斗的切入阻力、摩擦阻力、推壓阻力。抓斗的主要受力部分為底板和側(cè)板。抓斗與泥沙顆粒的作用選用軟球模型,仿真中對于顆粒與顆粒之間、顆粒與幾何體模型之間均采用基于無滑動Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及離散元虛擬仿真標(biāo)定獲得的試驗確定物性參數(shù),抓斗在挖掘過程中的仿真的相關(guān)參數(shù)如表2所示[17]。

表2 仿真主要參數(shù)

3.2.2 仿真過程

在SolidWorks機(jī)械建模軟件中按真實尺寸建立三維建模。然后將此模型轉(zhuǎn)換為x_t文件,導(dǎo)入EDEM軟件。根據(jù)抓斗的尺寸大小以及下水道口的真實尺寸,將仿真中的物料料堆長寬高定為700 mm×500 mm×200 mm。設(shè)定物料顆粒數(shù)為30 000,且顆粒大小按正態(tài)分布生成。顆粒由顆粒工廠生成后,在重力的作用下自然下落,總仿真過程11 s[18-20]。

設(shè)置抓斗的運動過程包括以下三步:

(1) 空斗下降:支撐結(jié)構(gòu)通過支撐繩索下放抓斗,抓斗呈張開狀態(tài),在自重的作用下插入沙石堆;

(2) 抓取物料:支持繩索固定不動,抓斗逐漸閉合并抓取物料直至抓斗完全閉合;

(3) 滿載提升:支撐結(jié)構(gòu)通過支撐繩索上拉抓斗,抓斗呈閉合狀態(tài),通過起重機(jī)的變幅或回轉(zhuǎn)將抓斗提升至脫離顆粒堆;

當(dāng)抓斗插入沙堆100 mm深,抓斗閉合速度為9°/s時,仿真過程如圖13所示。

圖13 仿真過程

根據(jù)仿真結(jié)果,從EDEM后處理提取單個抓斗切入顆粒堆時,抓斗的受力變化情況,將橫坐標(biāo)改為切入深度,得到如圖14所示的曲線。將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合,相關(guān)系數(shù)為0.936,且抓斗受力與切入深度二次方成正比,說明仿真與實驗結(jié)果相符,造成誤差的原因可能是:仿真所用顆粒與真實沙粒建模有誤差,真實沙粒并不是規(guī)則圓球型;仿真中所用沙堆容器與實驗所用沙堆容器大小不一致,造成橫向壓力分布不一樣。

圖14 單個抓斗受力曲線

在EDEM后處理模塊中可以獲得單個抓斗在挖掘抓取過程中的受力變化。如圖15所示為抓斗4 s～8.5 s的受力變化過程。

圖15 抓斗受力曲線

圖15的仿真結(jié)果顯示,顎板在切入過程中,初始主要受到切入阻力的影響,因而受到合力增長很快。隨著挖掘的進(jìn)行,切入阻力逐漸穩(wěn)定。在抓斗閉合度約為 3/4 時達(dá)到一個極大值點,隨后,部分物料因為擠壓和抓斗的運動從抓斗上方和閉合縫隙處溢出,因而抓斗受到的合力減小。最后,因為沙石卡在縫隙中導(dǎo)致抓斗難以完全閉合,導(dǎo)致抓斗受到的合力進(jìn)一步增大,與實際挖掘過程中表現(xiàn)出來的特性是一致的。

4 結(jié)論

基于高效機(jī)械化設(shè)計思想設(shè)計出城市下水道清理系統(tǒng),分別設(shè)計抓斗模塊和支撐結(jié)構(gòu)模塊,二者協(xié)調(diào)配合完成大規(guī)模、城市化清潔任務(wù),解決傳統(tǒng)方式需要的大量人力和效率低下的難題。其中,抓斗設(shè)計采用集成化方式,將電動推桿及電池組與抓斗本身進(jìn)行融合,避免了不必要的配重?；赟TM32單片機(jī)和LABVIEW搭建壓力測試系統(tǒng),探究了鋼板切入沙石顆粒物料時的作用關(guān)系,結(jié)果表明鋼板所受阻力與切入深度平方成正比,與板材寬度成正比,并給出了理論計算公式,可以從抓斗自重判斷設(shè)計的合理性,為抓斗設(shè)計提供了新的理論標(biāo)準(zhǔn)。將設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS仿真,判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,將設(shè)計的抓斗在離散元軟件EDEM中進(jìn)行抓取挖掘仿真,研究了抓斗挖掘時的受力變化過程。