車載下水道疏通清洗裝備的設計探討

福建龍馬環衛裝備股份有限公司 鄭海輝

針對下水道疏通清洗設備所需滿足的各主要功能分別提出了解決方案，并對整體結構組成和布局分別進行了介紹分析，為后續系列下水道疏通清洗設備的設計制造提供了基本思路和參考。

城市下水道網絡作為城市建設的重要組成部分，在城鎮居民生活中扮演著重要的角色。而近年來，隨著我國城市的不斷擴建，下水道管網不堪重負，管網堵塞現象時有發生，給疏通作業帶來巨大壓力。同時，由于下水道空間窄，環境惡劣，清理難度大、效率低，人工清理危險系數極高。在此背景下，下水道疏通清洗設備逐漸替代了人工清理。

下水道疏通清洗設備需要同時滿足疏通清洗和污水抽吸功能，要求能夠清除堆積粘附在下水道管壁上的任何雜物，并且能夠吸起污水、淤泥、砂石以及較大的塊狀物。可廣泛應用于城市各類地下污水管道、雨水井和窨井的污水、泥沙及砂石、大型塊狀物的清洗和疏通，同時也可用于大型廠礦企業的污水、工業廢油的抽吸、運輸以及小型河道的清淤和疏通作業。可大幅減少環衛工人的疏通工作量，在根本上避免安全事故發生。特殊的功能需要龐大復雜的結構支持，如何在滿足功能需求的前提下使結構更加簡單合理，成為設計的一大難題，也是整臺設備零部件設計的關鍵。

下水道疏通清洗設備的基本功能

下水道疏通清洗設備所需要滿足的主要功能包括疏通清洗功能和吸污抽排功能。經過調查研究，城市下水道堵塞的原因除了污水和淤泥沉積之外，大量的砂石和固體垃圾滯留是另一個主要原因，這就需要具有較強破除障礙能力的疏通設備進行疏通。筆者在下水道疏通清洗設備研制過程中，經過反復試驗驗證后得出了一系列可靠的數據和結論，以下對下水道疏通清洗設備的各基本功能的解決方案分別進行介紹分析。

1. 疏通清洗功能

目前國內外較為成熟的是高壓疏通清洗的方法，即采用高壓水流對下水管道進行沖洗，具有簡單、高效、成本低等眾多優點。但是，高壓力的水流對水泵性能提出了更高的要求，如果要達到較好的清洗效果，水壓需保證在20 MPa以上（具體需根據使用環境和噴頭的流量大小）。如圖1所示，清水經高壓水泵加壓后進入疏通絞盤，再流經疏通軟管進入噴頭，水流經噴頭分兩個方向噴射，向后的射流B可清洗管道周圍的淤積物，同時又給噴頭和疏通管提供不斷向前的動力，向前的速度由疏通絞盤的轉速控制，圖中的液壓馬達可通過節流閥控制疏通絞盤的轉速。向前的射流A可破除前方的障礙物，為噴頭開辟通道，一旦噴頭穿過障礙物，向后的射流可輕松擊破周圍的淤積物，從而達到疏通的目的。

圖1 高壓水泵疏通清洗示意圖

為了達到更好的疏通和清洗效果，選擇噴頭時首先考慮噴頭噴孔傾角與管道沉積物之間的關系。增加噴嘴噴孔傾角，推力減小，降低了噴頭的穿透性，但對管道沉積物的清洗作用則顯著增加；減小噴嘴噴孔傾角則前進推力加大，穿透性增強，疏通能力較為顯著。選擇噴頭時除了考慮噴頭本身的形狀和噴孔傾角以外，也需要同時考慮系統工作壓力與噴嘴流量等參數。

噴嘴的流量隨壓力的變化而變化，一般情況下，流量與壓力的計算方法如下：

式中，Q為流量，L/min；P為壓力，Pa；n為噴嘴指數，不同的噴霧形狀有不同的指數，通常為0.5。

在實際作業過程中，實現疏通清洗良好效果的一個重要的參數指標就是噴嘴噴出水柱的打擊力大小。即噴嘴噴出水柱在距離噴嘴30 cm處1 mm2面積上的作用力，打擊力越大，在同等情況下疏通清洗效果越好。打擊力的大小可以按如下公式進行計算：

式中，I為理論總打擊力；K為常量，K=0.24；Q為噴嘴流量；P為系統工作壓力。

2. 抽吸功能

由于污水夾雜大量淤泥和固體垃圾，作業時需要在保護泵體的前提下進行抽吸。傳統的離心式水泵和污水泵無法抽吸帶固體垃圾的污水，吸力有限，而此時真空泵顯示出了自己的優勢，目前真空泵的真空度可達到92%以上，真空度越大，負壓就越大。其原理是，真空泵對罐體進行抽氣，形成高真空后，利用大氣壓將外界污水垃圾等壓入罐體內，抽吸介質無需通過泵體，由于吸污口始終浸在污水當中，罐體內可持續形成高真空狀態，固體垃圾通過性強，因此抽吸效果顯著。如圖2所示，真空泵首先經真空管從罐體內抽吸空氣，使罐體內形成高負壓狀態，此時大氣壓將下水道中的污水經吸污管壓入罐體內，由此實現清理轉移下水道內淤積物的目的。

在真空抽氣系統中，由于空氣直接流經泵體內腔，若空氣夾帶固體雜物則易對真空泵造成損壞，因此需在真空管路中設置防溢閥，當罐體中污水浸過防溢閥時，其內置的浮球會將吸氣口堵住，以防止罐體內污物進入真空泵內。同樣，罐體和真空管路本身都具有一定的承壓極限，不論真空泵對罐體是抽還是排，壓力過高都會對其產生破壞，因此需要在管路中設置負壓安全閥和過壓安全閥，負壓安全閥可在一定負壓狀態下開啟，過壓安全閥在達到一定正壓時開啟，以防止罐體和真空管路變形。

圖2 真空泵抽吸示意圖

圖2中，污水所能抽吸的最高高度為H2，其數值跟所抽吸的介質密度有關系，計算方法如下：

根據液體壓強的計算公式P=ρgh可知：

式中，H為污水抽吸的總高度；H1為污水液面離地面高度；H2為污水抽吸最高高度；ρW為污水密度；g為重力加速度；P為1個大氣壓。

車載下水道疏通清洗設備的整體布局

車載下水道疏通清洗設備（整車也稱下水道疏通清洗車）比固定設備更加方便快捷，是目前下水道疏通清洗設備的主要形式，但是在整體上比固定設備更加復雜，尤其是動力部分，需要進行無縫匹配。筆者參考了國外較先進案例，包括德國維德曼多功能下水道清洗車等。但實際上，由于國外下水道結構與國內不同、使用習慣不一樣以及國內的一些關鍵零部件不能達到國外疏通車所要求的性能等原因，按照揚長避短的原則，在國外疏通車的基礎上進行改進，包括取力系統的布置和整體結構的布置等，一些關鍵性的機構總成零部件也進行廠內自行設計制作，同時對一些較為復雜的機構總成進行簡化，使得機構更加緊湊、實用、美觀，而這些對整體布局都具有一定的影響。下面對筆者已經研制成功的一款車載下水道疏通清洗設備的整車布局進行簡單介紹。

1. 高壓水泵和真空泵取力方案

由于下水道疏通清洗車均為駐車作業模式，因此高壓水泵和真空泵均可從底盤直接取力，無需另外安裝副發動機。如圖3所示，高壓水泵和真空泵作為下水道疏通清洗設備最主要的部件，為方便動力輸入，分別布置在底盤左右兩側空位，并由底盤發動機主輸出軸提供動力來源。為了將底盤主輸出軸動力分別輸送給高壓水泵和真空泵，需在主輸出軸中間安插分動箱，分別為左右兩側的高壓水泵和真空泵提供動力，左右兩側動力可單獨輸出，亦可同時輸出。由于傳動軸工作時震動大，容易損壞工作部件，需將分動箱輸出的動力先經過軸承座（6或9），再由軸承座通過傳動皮帶（5或10）傳遞給高壓水泵和真空泵，這樣可以減少甚至避免傳動軸的震動給泵體帶來的損壞。

圖3 真空泵抽吸污水示意圖

高壓水泵和真空泵選型時，需根據底盤發動機功率曲線特性，選擇合適功率的機型。其原則是，在某一轉速下，高壓水泵和真空泵同時運行的最大總功率不大于底盤發動機輸出功率，用公式表達如下。

當高壓水泵和真空泵轉速分別為ns和nz時，底盤發動機轉速為nd：

式中，Pns為 高壓水泵在額定轉速ns下維持最高水壓輸出的功率；Pnz為 真空泵在額定轉速下nz維持罐體最大負壓的功率；Pnd為底盤發動機在設定轉速nd下 的輸出功率。

2. 整體結構方案研究

由于下水道疏通清洗設備在疏通清洗時需要耗費大量的清水，并且需要較大的空間來存放淤積物，罐體都會比較大，因此筆者選用較大噸位的二類底盤進行改裝。

圖4為下水道疏通清洗設備簡圖，污水罐采用卷圓罐體配合蝶形封頭進行制作，其具有結構簡單、外形美觀大方、質量輕以及承壓性好等優點，后門也相應地采用蝶形封頭的形式，整個罐體需設計成可傾翻式，方便傾倒污水和垃圾；車輛兩邊空間用于放置清水箱，也可將清水箱設置在污水罐前部，成為污水罐一部分，但這樣設計的缺點是：傾倒垃圾時需將清水箱一同舉起，當舉至高位時，下面的水管軟管連接處往往受不了高水壓而出現爆裂漏水等情況，因此筆者將清水箱與污水罐分開放置；圖中的吸污吊臂可進行180°旋轉、伸縮和升降，這樣的目的是為了更加方便準確地將吸污管放入下水道中，能夠更好地配合疏通絞盤進行下水道的疏通清洗工作；為了適應道路情況和下水井在路中間的位置，后門是疏通絞盤的理想位置，同時又可與吸污管進行配合，同時工作。

下水道疏通清洗設備在實際使用過程中，較為影響用戶體驗的是單罐水的可持續作業時間，可持續使用時間長可以減少加水頻次，提高實際工作效率，可持續作業時間可按如下公式計算：式中,T為單罐水的可持續作業時間，min；V為罐體有效容積，m3；Q為噴嘴噴射流量，L/min；P為額定工作壓力，Pa（壓力值不變）；n為噴嘴指數，不同噴霧形狀有不同的指數，通常為0.5。

結語

經過長時間的研發設計和大量的可靠性試

圖4 整體結構布局示意圖

驗，筆者按此思路研制的下水道疏通清洗設備（車）順利投入小批生產，并陸續銷往浙江、山西、重慶和新疆等地，在實際的下水道疏通清洗作業中效果良好，也為后續設計系列下水道疏通清洗設備提供了一定的參考依據。當然，目前該設備的研究主要針對下水道的疏通清洗，而對于疏通后的管道內的固體沉積物采用抽吸的辦法，抽吸物中水分的含量較高，約占70%～80%，在固體沉積物較多的情況下就會造成車輛的排污頻次加大，抽吸效率較低，后續研究方向將基于此問題進行不斷改進優化。