窨井清掏機械臂機構實體建模設計

高志發+付志忠+尹鵬

摘 要：文章設計并驗證了一種車載式城市窨井清掏機機械臂，用于對城市窨井中的淤積物的掏清，以改變人工清掏效率低以及工作環境惡劣的狀況，維護城市排水管的通暢。

關鍵詞：窨井清掏機械臂；結構；設計

1 國內外在本課題上的發展狀況

當前國內常使用的清掏淤積物的方法是緩車清淤的辦法，就是先用TT片穿過管道后，并將鋼絲繩的一端系在絞車上，另一端連接有清通工具系在另一臺絞車上，絞車來回往復絞動鋼絲繩，帶動清淤工具將淤積物刮到下游積水井中或提出井外，然后人工清掏積水井中的淤積物，從而使管道暢通[1]。這種方法只是將淤泥以及其他雜物“推進”窨井底部，再由人工清理窨井底部雜物。

目前國外對下水管道的淤積物的清理方式主要是利用高壓吸泥技術來完成。西方國家在60年代就研制出了管道清通車。例如，英國HARBEN公司吸泥車，是一種典型的利用高壓技術進行清淤，該吸泥車配用的真空泵，排氣量為1270In3/h，吸泥管直徑l00mm。意大利的拉雷斯清淤車，攜帶的真空吸污裝置和高壓噴水裝置，能將深達8米左右的地下管道疏通。

2 窨井清掏機械臂結構設計

2.1 工作原理

窨井清掏機械臂是安裝在工程車上的一種工作裝置，它是由固定基座和可伸縮機械臂組成，通過伸縮缸的作用使移動體伸出及縮回，并能進行滑移和擺動。窨井清掏機械臂主要是與其聯接在一起的伸縮臂和機械手爪配合作用，從而抓取窨井內的淤積物。窨井清掏機械臂的使用會簡化清掏重物作業過程，極大地降低工人工作強度，提高工作效率及安全性，改善清掏效果。在城市窨井的清掏作業過程中，發揮了極其重要的作用。

2.2 機械臂的分類

（1）按用途分：機械臂可分為三大類，通用機械臂、專用機械臂和示教再現機械臂。通用機械臂的定位精度高、可工作范圍大、通用性強、控制系統獨立、程序可變、動作靈活多樣，適用于環境不斷變化的小批量自動化生產中。專用機械臂是一種具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置，它附屬于主機，動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低廉等特點。適用于大批量的自動化生產。示教再現機械臂是一種具有記憶功能的機械臂，首先在人工的引導下完成所有動作，然后機械臂記憶該動作，不斷自動重復執行。

（2）按控制方式分：機械臂可分為兩大類及連續軌跡控制和點位控制。連續軌跡控制是指機械臂在空間內的運動軌跡為任意連續曲線，它的最大特點是設定點是無限的并且機械臂的整個移動過程都處在控制之下，可以實現平穩和準確的運動。點位控制是指在空間內的運動為點到點的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。

3 伸縮臂結構設計

3.1 機械臂具體尺寸及結構

3.2壁厚的選擇

先初定一個壁厚，并用此壁厚進行強度校核，抗彎校核，如果不滿足要求，可從新選定壁厚再次重復以上校核步驟；如果滿足要求，根據校核結果，可適當對壁厚進行優化[2-3]

3.3 臂長的確定

小臂在工作時當手爪從窨井中抓起雜物后，必須保證伸縮臂在伸出后的長度在提起雜物過程中不會使得手爪與車架發生干涉而影響正常工作，在工作完畢后伸縮臂在完全收回后的長度也要保證機構不會與車架發生干涉現象。大臂的高度要保證在機構收回后水平長度不會觸碰到車頭部分，并且有一定的預留空間。

3.4 擺動馬達的設計及計算

3.4.1 擺動缸負載的計算

負載可分為靜負載，阻性負載和慣性負載。對于本設計而言，主要為慣性負載。

3.4.2 轉動慣量的計算

負載轉動慣量主要為T形臂與負載，伸縮臂折算到軸上的轉動慣量。

則擺動缸輸出負載總的轉動慣量為：

J=J1+J2+J3

4 結束語

本文創新研究了污水井重物清掏機械自動化設備；對現有的機械清掏式窨井清理進行了機械的改進，極大地提高了污水清掏的作業效率，減少了人員體力浪費，節省了污水處理單位的經濟開支。

參考文獻

[1]安少軍.城市窨井積水井清掏機原理樣機的研究[D].哈爾濱工程大學，2007.

[2]陳鐵鳴，王連明，王黎欽.機械設計（修訂版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

[3]王建國，安娜.機械制圖[M].呼和浩特：內蒙古大學出版社，2008，7.