挖掏式管道疏通车的结构设计及系统控制研究
（1.516025 惠州城市职业学院机电学院广东 惠州）（2.210000 南京金长江交通设施有限公司 江苏 南京）
【摘 要】本文介绍了一种针对城市下水管道等场所进行应用的挖掏式管道疏通车的结构设计与系统控制。此挖掏式管道疏通车主要用于清除城市下水道竖井的沉积物、淤泥等。本文介绍了此疏通车的应用场景、技术特点，阐述了其结构设计原则，包括相关配置部件的技术参数和特点，阐述了其控制的主要思路。该装置集淤泥挖、掏于一体,采用机械代替人力作业,克服了人工作业环境恶劣、强度大,不易疏通干净等缺点。通过对设计结构的优化、参数的调校,以及现场实验验证,能够达到预期效果。
【关键词】挖掏式；管道疏通车；结构设计；系统控制机械设计是根据具体要求对机械的结构、各个零件的材料和形状尺寸、控制方法等进行构思，并将其转化为制造依据的过程。本文从市场实际需求出发，阐述了挖掏式管道疏通车的具体结构设计和系统控制思路。相关设计的内容，包括主体设计和相关零部件设计，包括草图设计和具体定型图设计，包括相关的结构设计和具体的系统控制设计等。
一、挖掏式管道疏通车的具体应用场景
下水道系统是用于收集及排放城市产生的生活废水以及工业生产上所产生的工业废水的系统。城市下水道长期积存沉积物、淤泥，也包括雨水冲刷进的生活垃圾等。以上物体的堆积会引起下水道流通不畅或堵塞加重。城市下水道经过长年使用，会出现不同程度的淤堵现象。当发生淤堵时，一般采用的方式是先将淤堵物经过高压水的冲洗或者绞拉全部清理至竖井内，然后通过人工的方法，或者软连接的抓斗车将其清理出来。如果用人工去疏通的话，劳动环境恶劣，劳动强度差，危险性高，而且效果不好甚至难以实施。而传统的软连接抓斗车，仅仅依靠抓斗自身重量来抓取淤堵物，抓斗在井下的状态不可见，也不可控制，无法做到将淤泥完全清理干净。
本文设计的这种针对城市道路下水道的多功能挖掏机械装 置安装在淤泥疏通作业车上,集淤泥挖、掏于一体。
根据机械结构设计的原理,对挖掏装置进行结构设计并通过液压元器件、电气自动控制部件等进行机电控制。该产品的主要技术特点是挖掏深度深，运输密封、倾倒方便，自动控制程度高等。本设计针对现有技术的不足，提供可抓取竖井下淤堵物，并具有存储、运输、倾卸淤堵物功能的挖掏式管道疏通车。挖掏式管道疏通车将抓斗伸入井底，完全适应井底复杂情况，做到完全无死角，工作效率高，性能好 ，方便控制，清淤彻底，并且方便运输，自清洁能力强。
二、挖掏式管道疏通车的主体结构设计和工作说明图1为本挖掏式管道疏通车的结构示意图,包括底盘1、辅梁和液压装置，辅梁和液压装置设置于所述底盘1上，辅梁上还设置自卸密封式垃圾箱5和工具箱3，自卸密封式垃圾箱5上方设置滑盖，其自卸角度为45°。辅梁两侧设置液压支腿2。
图1 挖掏式管道疏通车的结构示意图
挖掏式管道疏通车还包括与液压装置连接的旋转抓斗装置4，其结构示意图如图2所示。旋转抓斗装置4设置于辅梁上，包括大臂7、抓斗12和控制所述抓斗12旋转的抓斗旋转马达11。大臂7的一端设置控制大臂7左右旋转的弹簧卷盘6，弹簧卷盘6与蜗轮蜗杆式减速机连接，控制大臂7自由旋转，用行程开关来限位。大臂7为三节伸缩臂，其旋转角度为左右90°，并设置有回转倾斜臂8，所述回转倾斜臂8顶端设置回转中心9。 大臂7另一端与抓斗12连接，所述抓斗旋转马达11设置于所述大臂7与所述抓斗12的连接处，控制抓斗12的开合，其开合角度≥135°。挖掏式管道疏通车工作时，先将自卸密封式垃圾箱5上滑盖移开将回转倾斜臂8抬起，回转中心9动作，按照要求回转90°，大臂7倾斜，将伸缩臂置于与地面垂直90°，抓斗12位于竖井口上方。旋转抓斗12至合适的角度，然后打开抓斗12，大臂7向下，抓取井下淤堵物。抓取后，大臂7向上运动，回转中心9将大臂7回转至自卸密封式垃圾箱5上方，打开抓斗12，将淤堵物至于垃圾箱内。重复上述操作，直至将井下淤堵物清理干净。工作结束后，将淤堵物运至指定地点，打开自卸密封式垃圾箱5后门油缸，将垃圾自卸在指定地点，清洗抓斗和自卸密封式垃圾箱5内部。
三、挖掏式管道疏通车的结构设计和参数配置
（一）底盘的选择和参数情况
此挖掏式管道疏通车底盘，采用五十铃牌QL1110ANKACY型二类载货汽车底盘，该底盘由庆铃汽车股份有限公司依据GB17691-2018国Ⅵ生产，发动机选用生产的柴油发动机，发动机排量为5193CC，发动机功率为139千瓦，整车总质量10550千克，最高车速可达110公里/小时。驱动形式为4×2后轴驱动，轴距3815mm，最大爬坡度25%，整车尺寸7300×2170×3040mm，最大总质量10550kg，排放标准为GB17691-2018国Ⅵ。驾驶室配置隔音保温材料，装有空调装置，AM/FM收放机，电路系统有防腐、防潮措施，左侧驾驶，带液压助力转向，操作方便。
（二）自卸车厢结构设计、参数及技术特点
挖掏式管道疏通车的自卸车厢结构设计如图3所示。自卸车厢容积3m?，结构采用全密封式，顶盖结构采用滑移式（液压驱动，可锁定开启位置），自卸门结构采用上翻转式，液压开启，可锁定位置，自卸门采用机械U型包边密封条密封，保证运输过程中无泄漏。车厢采用单顶油缸自卸，自卸角度≥42°，保证污泥污水倾泻干净无遗漏。车厢内胆采用304不锈钢板材，抵御污水腐蚀，保证车厢使用寿命。
该自卸车厢的主要技术特点是具有全机械封闭结构，运输过程中无泄漏、无污染。卸角度大，积料少。全液压控制，操作方便，简单。
图3 自卸车厢
（三）挖掏装置结构设计、参数、驱动控制形式及技术特点
挖掏式管道疏通车的挖掏装置结构设计如图4所示。
此结构设计最大挖掏深度7.3m，适应井口尺寸圆形直径≥700m m、方形井口≥400×300m m，作业（旋转）半径2.2m，旋转角度（左后右三侧施工）260°，直臂调整角度0-92.5°，抓斗旋转角度360°任意旋转，抓斗容积40L(可更换25L抓斗)，抓斗材质为304不锈钢，液压开合，带沥水孔，抓斗下方焊接挖套齿。
图4 挖掏装置的结构
此挖掏装置回转动作采用液压驱动，液压马达驱动涡轮蜗杆减速的形式，运转平稳可靠。抓斗驱动形式为液压马达旋转，油缸驱动开合。伸缩臂驱动形式为双级液压油缸驱动，多级滑轮装置放大伸缩量以达到7.3米的挖套深度。摆臂采用平行四边形，四连杆结构，液压油缸驱动，调整工作半径。
伸缩臂采用三角形稳定结构，液压缸驱动，调整伸缩臂与地面角度。该装置全部采用液压驱动，无线控制，可在车身左后右三侧施工。抓斗360°旋转，抓取淤泥无死角。采用涡轮蜗杆减速形式，运行平稳，无卡滞。这样设计结构合理，运行稳定。
（四）液压系统的主要参数及控制特点
液压油箱容积设计250L，工作压力16MPa，液压油型号40#，系统流量35L/min，定量泵最高工作压力25MPa，稳定转速800r/min，动力来源为底盘取力。液压系统设置吸油过滤器，高压过滤器（保证电磁阀清洁度），液压油散热器（降低油温，保证液压泵机械效率），回油过滤器。控制方式分为两种，一是液压电磁阀，节流控制流量。二是电液比例阀，采用电磁摇杆控制流量。
系统设有过载保护，液压动作集中分别控制。管路接头采用24°锥面密封。动作由液压阀块控制，该阀块电液一体，遥控器控制。阀块具有溢流功能，提供高压保护，避免系统压力过高损坏元件。除遥控系统流量外，也可以手动控制系统流量。液压系统除具备限压溢流功能，同时安装压力传感器，实时监测抓斗下压力度（触底保护功能），抓斗触底后自动抬升一定距离，保证清淤率的同时，保护井壁不受损伤。
图6液压马达
（五）相关控制系统的设计及参数
系统使用电压24V，车载智能控制，触摸屏人机界面（有线控制），液压动作集中控制，遥控距离10m，防水等级IP67，操作方式采用遥控+有线控制。控制系统采用车载控制器编程自动控制，性能稳定，操作简单方便。手持式遥控器，采用十字摇杆，档位手感清晰，方便操作人员观察、操作。有线控制采用触摸屏，人机界面，操作简单，一目了然。
图 7 遥控器
该挖掏装置的控制系统具备全自动挖掏功能，采用位置传感器实时定位， 旋转编码器判断深度、位置等，依靠车载智能控制器记录固定的挖掏位置。一次作业后，即可自主完成挖掏作业，不需要操作人重复操作，大大降低了工作量。之所以大量采用了液压控制，主要是基于液压控制的主要优势。液压控制可以在运行过程中实现很大范围的无级调速。在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。采用液压传动可实现无间隙传动，运动平稳。实现自动工作循环和自动过载保护。液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。
（六）清洗系统的基本情况
水箱容积80L，流量10L/min，清洗压力6MPa。方便对车厢、抓斗、路面及车身进行清洗。
（七）其他装置的基本情况
其中的2只可伸缩液压支腿，以保证车辆工作时的稳定性。警示装置包括各种灯具、后频闪灯。其他有左右后照明灯，符合国家标准的车身反光标示，符合国家标准侧示廓灯，倒车蜂鸣器。备品备件和随车工具有钢丝绳滚轮、尼龙摩擦片、黄油嘴、塑料拖链、组合垫、六角头螺栓等。其中进口件有液压控制阀、抓斗旋转马达、弹簧卷轴，均来自意大利。
四、挖掏式管道疏通车的设计过程综述
所有的设计，都是根据市场的实际需要出发的，此挖掏式管道疏通车也是如此。我们按照市场的实际需求，先做好设计的相关计划书。然后根据相关的计划书将相关的部件规格和参数设计好。然后进行相关草图的设计，给出不同的方案，并进行比较，选择出最优方案。然后进行相关的零件图和装配体绘制。在装配图中，注明各个零件的装配关系，模拟实际的装配过程，发现存在的问题。
本设计通过三维设计软件Solidworks建立整机的三维实体模型。 完成相关的移动机构,疏通机构和装载机构等。
利用ADAMS软件,构造挖掏式疏通车的虚拟样机并建立仿真环境,进行下水管道的掏挖虚拟实验，构建参数化模型,做动力学仿真。搭建掏挖式管道疏通车系统的总体控制结构,包括硬件框架的设计与软件实现流程设计。硬件设计包括微控制器、传感器、电机驱动器等选型设计。软件设计主要是动作实现的流程设计与人机交互操作面板结构框架设计。搭建挖掏式管道疏通车试验平台,包括物理样机组装,模拟组装.进行具体测试实验。通过设计和实际测试，此挖掏式管道疏通车结构合理，运行可靠和稳定，可以实现预期效果。
作者简介：
黄庆会，男（1980.02--），汉，内蒙古赤峰市人，湖南大学机械与汽车工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业，讲师，主要研究方向为:机械设计制造、机电一体化。
高玮（1978.8--），男，汉，山西省大同市人，湖南大学机械与汽车工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业，工程师，主要研究方向为:专用车研发生产制造。
