矩形檢查口市政管道清淤裝置的設計*

□ 肖書浩 □ 李 碩 □ 吳修玉 □ 周 嚴

華中科技大學武昌分校 機電與自動化學院 武漢 430064

城市排水管道系統清淤是一個既古老而又現代的課題，隨著我國城市化進程的加快，城鎮排水管道系統清淤的任務也越來越重。據《人民日報》披露，2008年到2010年，全國有62%的城市發生過內澇。特別是近幾年來，城市的地下管線網越來越復雜，城市用水和排水量都急劇增大，而污水中的生活垃圾和建筑垃圾極易堵塞下水管道。北京、武漢等城市頻遇大雨造成“看海”現象，使排水管道清淤問題成為了現代城市建設中的一個難題［1］。

1 現行的清淤方案介紹

目前，國內各城市的下水管道堵塞后，主要有以下幾種清淤方式。

（1）絞車清淤法。這是一種利用排水管道兩端進行繩索拉結的方法進行淤泥清除，是目前應用最廣泛的一種清淤方式。首先是用系著鋼絲繩的TT片穿過需要清通的管道段，鋼絲繩上系住清通工具的一端，在清通管段兩端的檢查井上各設1臺絞車，當TT片穿過管段后，將鋼絲繩系在1臺絞車上，清通工具的另一端通過鋼絲繩系在另1臺絞車上。 然后再利用絞車來回往復絞動鋼絲繩，帶動清通工具將淤泥刮到下游檢查井內，從而使管道得到清通。這種方法適用于各種直徑的下水管道，但是需從一個井口向另一個井口輸送TT片，需要人工下井完成，會給工人帶來極大的不便甚至傷害生命。

（2）高壓水射流清淤法。這也是一種被廣泛應用的管道清淤法，其主要設備為1臺高壓噴射車，裝備有大型水罐、機動卷管器、高壓水泵、射水噴頭等。操作時由汽車引擎驅動高壓水泵，將水加壓后送入射水噴嘴，靠射水產生的反作用力，使射水噴頭和膠管一起向相反方向前進，同時清洗管道壁。當噴頭到達一定的距離時，機動絞車將軟管卷回，此時射水噴頭繼續噴射水流，將管道內殘留的沉積物沖到下游檢查井，再由吸泥車將其吸走。這種方法適用各種口徑的下水管道，但由于需要用到干凈水，所以成本比較高。

（3）水沖刷清淤法。制作一種能擋水的清淤裝置，由檢查井放入管道內，由于井口尺寸較小，整個裝置放不下去，一般采用先運下裝置的部件，再到管道內裝配的辦法。待清淤裝置裝配好后，放到管道的一定位置，把管道中的污水阻擋在裝置的上游，當水位達到一定高度后便放水，使上游水形成水流來清除管道內的沉積物，這種清淤方法既費工又費水［2］［3］。

自上世紀90年代開始，國內學者開始對排水管道的清淤機器人進行了深入的研究，先后研制出了各種排污機械手，這些設備的使用在一定程度上解決了某種情況下的清淤問題，但都存在較大的局限性。

2 矩形檢查口市政管道排污方法

目前市政的排水管道檢查井口多為圓形的，且直徑多在1m以下，工人在下井時很不方便，也不便于清淤設備的進入和固定。筆者提出采用矩形的檢查口方式，據此建立的排水管道的箱涵模型如圖1所示。

清淤設備可利用矩形檢查口和底部的沉槽完成固定，同時由于矩形的檢查口空間更大，更方便淤泥的提取工作。

▲圖1 矩形檢查井箱涵結構示意圖

2.1 矩形檢查井的排污裝置設計

該設備的動力部分采用液壓系統驅動，清淤動作主要由拖斗來完成。作業時，頂部固定支架安裝在矩形檢查井上，底部固定支架安裝在沉槽的側壁上，液壓伸縮缸伸出，使清淤設備在垂直于管道中心線的方向上固定。拖斗可按需要在傳動鏈上懸掛一定的數量，處于最底端部分的拖斗進入淤泥層吸取淤泥，然后隨著傳動鏈條的傳動逐步運動到頂端，在越過檢查井的高度后將淤泥傾倒在運輸車上，完成“清淤-運輸-傾倒淤泥”的整個流程。

▲圖2 清淤設備的動力結構

2.1.1 清淤裝置動力部分

（1）清淤泥斗設計。區別于傳統的清淤方式，本設備設計一個挖泥斗，其形狀如圖3所示，它的特點是體積不大，在淤泥層中運動靈活，另外它的側壁和底部開設了很多圓孔，方便排水及懸掛在傳動鏈條上，如圖4所示，根據淤泥的成分和厚度，可以適當調整懸掛在鏈條上的泥斗數量，以達到最好的清淤效果。

（2）設備固定裝置設計。圖5所示為頂部的固定裝置，其固定架安裝在矩形檢查井口，作業時通過螺栓使其固定，在該裝置的左右兩側和固定架深入檢查井的側壁處都設計了滾輪，使設備在縱向移動時非常方便。同樣，在檢查井的底部安裝了底部固定裝置，其結構和頂部固定裝置類似。

另外，在設備的底部中央還設計了成對的伸縮液壓缸（如圖6所示），在清淤作業進行時，兩液壓缸的活塞桿向相反的方向伸出，分別頂靠在前后管道壁上，使設備能夠穩定地進行清淤動作。

2.1.2 清淤裝置張緊裝置

該清淤設備的傳動鏈較長，原先計劃是利用傳統的“穿繩”方法，將其從一個檢查井口穿進，從另外一個檢查井口伸出，但是不能保證鏈條的傳動效果，故另設計了專門的張緊結構，布置在相鄰的檢查井中，其結構如圖7所示。當作業時發現傳動效率降低或者泥斗的重量較大使鏈條撓度較大時，張緊裝置就開始工作，張緊缸的活塞桿伸出，推動鏈輪的傳動軸向外側移動，從而張緊鏈輪。張緊缸的結構如圖8所示。

2.2 矩形檢查井的排污裝置工作情況

該清淤設備主要由上述的動力部分和張緊部分兩大機構組成，在進行清淤工作時，先將這兩個機構分別固定在相鄰的兩個矩形檢查井中，整個裝置由液壓馬達提供動力，沒有電源接入，保證了設備使用時的安全性。在動力部分的支架上開設了很多的圓孔，可根據淤泥層的厚度上下調節清淤泥斗的作業高度，同時，各固定裝置均可通過滾輪前后移動，所以該設備基本可以清除管道中各個位置的淤泥，達到良好的清淤效果，其工作示意簡圖如圖9所示。

▲圖7 清淤設備的張緊結構

▲圖8 張緊缸的結構

▲圖3 清淤泥斗

▲圖4 懸掛在傳動鏈上的泥斗

▲圖5 頂部固定裝置

▲圖6伸縮液壓缸

▲圖9 清淤設備工作示意圖

3 結論

根據城市排水管道清淤的現狀和存在的一些問題，筆者提出了一種新型的矩形檢查井的概念，并據此設計了一種新型的管道清淤裝置，其使用和移動都比較方便，具有良好的清淤效果并具有較高的安全性，自動化程度也較高，克服了目前管道清淤的一些難點，降低了清淤工人的勞動強度。該設備一旦投入使用，將填補市場上的空白，大大緩解城市管道清淤的壓力。該設備主要創新點為：①將檢查口的形狀設計為矩形，解決了清淤設備的固定和移動問題；②設計專用的挖泥泥斗，其體積較小，運動靈活，并可根據實際情況使用合適的數量；③在頂部和底部的固定裝置上安裝滾輪，使清淤裝置可自由移動，改善清淤效果；④整個設備的動力供給采用液壓馬達，提高了使用的安全性。

［1］ 盛金良，嚴敏東，龔海，等。城鎮排水管道清淤液壓抓斗挖掘過程建模與分析［J］.工程機械，2011（11）：34-35.

［2］ 莫曉亮.城市排水管道的清淤問題研究［J］.科學與財富，2012（6）：382.

［3］ 嵇鵬程，沈惠平.基于AT89C 51控制的排水管道清淤機器人的設計［J］.機械設計與制造，2012（12）：165.