窨井清淤機械手臂的研究

劉釗，李成群，董小雷

(河北聯合大學機械工程學院，河北唐山 063000)

由于我國城市發展迅速，城市人口日益增多，城市排水系統中的問題也變得更為復雜，一旦出現問題既會影響到企業的生產同時也會影響人們的生活。其中城市窨井清淤工作也變得尤為重要，但目前我國在窨井清淤方面還處于起步階段，多數仍為人工清淤。傳統的人工清理方式工作效率低、工作環境約束性大、危險性大，且清掏效率較低［1］。我國仍停留在傳統的人工清淤，主要依靠大鐵勺、鐵叉、夾具等［2］。而機械清淤也主要采用吸污車或繩索升降抓斗清淤，面對窨井中出現的磚塊、瀝青、樹枝等則不宜清除，并且遇到黏稠度較大的淤泥時易附著在抓斗的內部，造成卸載時淤泥的殘留問題。

通過分析城市窨井清淤的現狀以及清淤的具體環境，設計一種新型的窨井清淤機械手臂已成為人們的需求。窨井清淤機械手臂與傳統的人工清淤相比應具備的優點有：工作效率大大提高，減少工人的勞動強度;清淤動作靈活，適應于各種工作環境，避免危險的環境帶來的人員傷亡;操作簡單，適應于城市窨井中的各種清掏物。在清淤過程中窨井清淤機械手臂應完成窨井內淤泥及其他雜物的收集與卸載任務。

1 窨井清淤機械手臂的組成及工作原理

窨井清淤機械手臂的組成包括減速電機、聯軸器、升降液壓缸、機械臂連桿、機械臂驅動液壓缸、清淤抓斗支架、抓取油缸、抓取活塞桿、連桿、連桿支架、清淤抓斗、淤泥刮板等，如圖1 所示。

圖1 窨井清淤機械手臂三維圖

減速電機下部通過聯軸器與升降油缸連接，減速電機箱下端與聯軸器通過推力球軸承接觸，升降活塞桿與機械臂后座固定。減速電機的旋轉可使得整體機構完成水平旋轉，升降活塞桿的伸縮可完成機構的整體升降。

機械臂后座與機械臂前座通過機械臂主連桿和機械臂副連桿鉸接，構成平行四邊形結構的機械臂，機械臂驅動油缸與機械臂后座鉸接，機械臂驅動活塞桿與機械臂主連桿鉸接。機械臂驅動活塞桿的伸縮控制機械臂的運動，從而調整窨井清淤抓斗的作業半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，便于清淤。

清淤抓斗支架下端與抓取油缸固定，上端可與機械臂固定從而配合清淤抓斗的窨井清淤工作。抓取油缸與抓取活塞桿裝配，抓取活塞桿上端與連桿支架固定，連桿上端與連桿支架鉸接，下端與清淤抓斗鉸接，清淤抓斗與淤泥刮板鉸接，同時淤泥刮板上端與抓取油缸固定，抓取活塞桿的伸縮帶動連桿的運動從而使清淤抓斗繞淤泥刮板的連接軸轉動，完成窨井清淤的動作。淤泥刮板的設計可使淤泥刮板與清淤抓斗之間作相對運動實現淤泥刮板的刮泥動作，既使收集到的淤泥不易溢出，又使淤泥卸載時淤泥抓斗內部不會存留淤泥，清淤徹底從而提高清淤效率。

為了滿足窨井清淤機械手臂在清淤過程中的特點及其任務，選用連桿傳動和液壓驅動方式，避免目前鏈繩傳動全行程處于“漂浮”狀態，不利于清淤機械手臂深入窨井淤泥中，液壓驅動保證運動中自行潤滑具有過載保護能力［3］。

2 平行四邊形機械臂結構的模型分析

對上述的平行四邊形機械臂結構進行簡化分析，得出圖2 所示的機構簡圖。

圖2 平行四邊形機械臂結構簡圖

圖中，a 為機械臂后座鉸接點A、D 的距離;b為機械臂主、副連桿的長度;c 為機械臂后座鉸接點D、E 的距離;θ 為平行四邊形機構旋轉角度;ω 為機械臂驅動油缸旋轉角度;G 為機械臂受到的載荷。設：AB 桿所受的壓力為FAB;CD 桿所受的壓力為FCD;機械臂驅動液壓缸所受到的軸向拉力為FY。

對平行四邊形機械臂機構進行受力分析：

(1) AB 桿所受壓力FAB

(2) 機械臂驅動液壓缸所受到的軸向拉力FY

化簡可得：

在機械臂的設計中選擇平行四邊形機構，可調整窨井清淤抓斗的作業半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下。平行四邊形機構具有油缸行程短、結構緊湊等特點，應用在窨井清淤過程中，避免機械臂驅動油缸失穩等現象的出現，使得窨井清淤抓斗在工作中穩定可靠。

3 窨井清淤抓斗受力分析

設計清淤抓斗為對稱結構，研究清淤抓斗的受力時可對單個清淤抓斗進行分析。單個窨井清淤抓斗的受力分析如圖3 所示。其中：F1為清淤抓斗水平切刃受到阻力;F2為清淤抓斗兩側切刃受到阻力;F3為清淤抓斗水平切刃受到摩擦力及淤泥黏著力;F4為清淤抓斗兩側切刃受到摩擦力及淤泥黏著力;F5為連桿受到拉力;F6為抓取液壓缸壓力;C 為清淤抓斗重力。

圖3 抓斗受力分析簡圖

清淤抓斗容積為0.2 m3，常見窨井淤泥密度為1 200 kg/m3，可知清淤抓斗載滿淤泥時的質量為C'=0.2 m3×1 200 kg/m3=240 kg。

4 窨井清淤機械手臂的液壓系統設計

4.1 升降機構液壓系統回路

為了使窨井清淤抓斗達到窨井內部淤泥的深度，特設置了升降機構。升降液壓缸安裝在整體機構上部，其液壓原理如圖4 所示，通過三位四通換向閥的換向，可以實現升降液壓缸的伸展與收縮，從而完成機構的升降。考慮到機構應在清淤過程中保持平穩的運動狀態，因此應選用平衡閥來滿足要求，保證機構承載時能勻速運動。

圖4 升降機構液壓系統回路

4.2 機械臂驅動液壓系統回路

機械臂驅動液壓缸承受載重G 與機械臂連桿重力之和的分力作用。考慮到機械臂應平穩調整窨井清淤抓斗的作業半徑，保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，因此應采用平衡閥來達到負重平穩的要求，其液壓原理如圖5 所示，當三位四通換向位于右位，液壓缸克服負載重力作功時，液壓油直接通過平衡閥中的單向閥做功;當三位四通換向閥位于左位，機械臂縮回時，在受到負載重力作用下，使機械臂下降速度增加，采用平衡閥來達到在負重的同時平穩運動的要求。

圖5 機械臂驅動液壓系統回路

4.3 窨井清淤抓斗的液壓系統回路

清淤抓斗液壓系統的主要組成部分包括：液壓驅動裝置、控制裝置和執行裝置。驅動裝置采用電動機帶動液壓泵來提供動力，控制裝置采用電磁閥來控制液壓缸的移動和換向，執行裝置為液壓缸。

為保證左右清淤抓斗在工作時同步運動，應在液壓缸控制油路中設置分流集流閥。為確保清淤抓斗抓取淤泥時不松脫，應設置鎖緊回路，即在液壓缸承載側加裝液控單向閥。由窨井清淤工況可知液壓系統的負載較小，油缸的進程和回程速度基本相同，在具體的清淤工作環境下，可能出現負載變化的情況，因此系統要有調速功能，同時為了保證液壓系統的運行安全，采用過載保護裝置，并且不同執行裝置的工作負載不同，在各回路中要設置減壓回路，以保證各部分工作時所需的壓力。如圖6 所示。

圖6 窨井清淤抓斗的液壓系統回路

4.4 窨井清淤機械手臂整體液壓系統回路設計

根據上述分析，最終確定窨井清淤機械手臂整體的液壓原理圖如圖7 所示。這是一種通過手動操縱來實現多缸各自動作的系統。為了簡化結構，系統用一個液壓泵給各執行元件串聯供油。各串聯的執行元件可任意組合，使幾個執行元件同時動作。

圖7 窨井清淤機械手臂整體液壓系統回路設計

5 執行元件設計與選用

5.1 各機構液壓執行器的配置及負載分析

圖1 所示窨井清淤機械手臂的各工位要求，通過對升降液壓缸、機械臂驅動液壓缸、抓取液壓缸的工作狀態以及工位進行液壓執行器的配置及其分析，可知整個液壓系統的執行件相關運動參數如表1 所示。

表1 液壓系統執行件相關運動參數

5.2 各液壓缸技術參數計算

預選抓取液壓缸的設計壓力p1=10 MPa。抓取液壓缸的無桿腔為主工作腔，則可計算出液壓缸無桿腔的有效面積：

則液壓缸的內徑為：

式中：η 為抓取液壓缸機械效率，取值為0.9。

按GB/T2348-1993，取標準值D=50 mm，查表可得活塞直d=0.7D=0.7 ×50 mm=35 mm，取標準值d=35 mm。

液壓缸作用有效面積為：

液壓缸的單程平均速度：

液壓缸的實際流量：

液壓缸的實際工作壓力：

同理可計算出機械臂驅動液壓缸與升降液壓缸的參數。

6 結束語

研究的窨井清淤機械手臂能夠實現窨井清淤作業，提高了清淤的自動化程度，減輕了工人的勞動量，具有實用性。

(1) 設計出的淤泥刮板解決了清淤抓斗卸載淤泥時淤泥的殘留問題。

(2) 平行四邊形結構的機械臂的設計可調整窨井清淤抓斗的作業半徑，并保證窨井清淤抓斗的方向始終豎直向下，便于清淤。

(3) 設計窨井清淤機械手臂的液壓系統回路以及選用液壓執行元件。

針對窨井清淤機械手臂的研究提出了理論依據及其分析模型。窨井清淤機械手臂將有廣闊的應用前景和經濟效益，同時也對市政工程建設具有重要意義。

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