南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車整車設計

李 冰，張吉祥，段俊法

（華北水利水電大學 機械學院，450045，河南鄭州）

南水北調中線工程作為一項重大的民生工程，有效緩解了華北地區的用水壓力，但是南水經過長距離運輸，露天渠道和水深較淺等因素都為藻類的繁殖提供了便利，引起了渠道邊坡襯板表面水位線附近水藻滋生（如圖1 所示），嚴重影響南水水質[1-2]。

圖1 南水北調渠道邊坡水藻滋生

目前，為了及時清理渠道邊坡襯板上的藻類等沉積物，需要派遣人工進行清理，作業模式為一組作業人員系安全繩并穿戴救生衣下至渠道臨水作業面處，同時使用鏟刀和擋板清理水面上沿的藻類及塵沙碎石等沉積物，人工作業現場如圖2 所示。

圖2 人工除藻作業現場

現有人工作業方式存在作業效率低、工作強度大及危險性高等問題，清掃過程中藻類等沉積物會進入渠道造成水源二次污染。當前已有的渠道邊坡除藻設備研究方向是采用在馬路上行走的工程車輛搭載高揚程自吸液壓泵進行除藻作業[3]，但現有設備存在自重大、成本高、作業效率低、除藻效果欠佳等問題，尚未能在南水北調中線工程進行實際推廣應用。因此，亟須研發安全、高效及綠色化作業的南水北調中線工程渠道邊坡除藻設備。

本文針對南水北調中線工程渠道邊坡坡度大、坡面高低起伏、臨水作業易打滑等技術難題，研制能夠適應渠道邊坡復雜作業環境的純電動履帶底盤，履帶底盤上部搭載藻類等沉積物清理作業執行機構，并在南水北調渠道邊坡現場進行除藻作業機構及控制系統試驗驗證，以確保除藻車能夠滿足安全、高效及綠色化除藻作業的功能需求。

1 整車系統設計

南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車設計需要適應渠道邊坡復雜作業環境，除藻車主要設計技術指標如表1 所示。

表1 電動除藻履帶車主要設計技術指標

南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車底盤采用電動履帶底盤，電動履帶底盤能夠最大限度降低對周圍環境的影響，確保水質安全。除藻車設計內容包括電動履帶底盤、執行機構和控制系統三大部分，除藻車樣車如圖3 所示。

圖3 除藻車樣車

1.1 電動履帶底盤設計

采用電動履帶底盤作為運行機構，需要對電動履帶底盤進行整體設計[4-6]，以實現除藻車在渠道邊坡上的正常行走，底盤設計包括車身骨架和車身外部結構設計。

（1）車身骨架設計。車身骨架整體結構如圖4 所示，方案采用鋼管結構作為整車骨架，采用外部附著鐵皮的方式制作車體，車身內部能夠放置驅動電池、執行機構供電電池及兩臺驅動電機和控制系統驅動器等裝置，實現了車身內部空間的充分利用，同時降低了整車重心，有效提升了電動履帶底盤臨水行走防滑能力。

圖4 車身骨架

（2）車身外部結構設計。車身外部結構如圖5 所示，利用蒙皮技術實現了車身的密封處理，避免了車身內部電控系統觸水失效風險，并在車身上預留了控制開關、急停開關和電池電量顯示屏等安裝孔位。

圖5 車身外部結構

車身蒙皮上預留了上部執行機構回轉電機及回轉齒輪安裝孔位，側面則預留了電機輸出軸孔位；同時為了保證整車密封性，對整車側面安裝孔位及電機輸出軸孔位進行了密封處理。

1.2 執行機構設計

執行機構是除藻車實現南水北調渠道邊坡藻類破碎和吸污作業的關鍵機構，其主要包括回轉機構、變幅機構、清掃機構和吸污裝置等。

（1）回轉機構。回轉機構由回轉齒輪、驅動小齒輪和驅動電機組成，整體結構如圖6 所示。回轉機構采用50∶1的大比例齒輪傳動，有效提高了回轉扭矩，降低了回轉機構的回轉速度，確保了回轉穩定性；回轉電機選用帶有電磁剎車的電機，保證回轉位置精確可靠。

圖6 回轉機構

回轉機構需要保證清掃機構和吸污系統能夠在除藻車臨水一側開展作業，可實現±90°范圍內的回轉運動，確保電動履帶底盤盡可能遠離水面運行。

（2）變幅機構。變幅機構整體結構如圖7 所示，工作臂與車體通過鉸鏈連接，選用電動推桿實現工作臂的變幅運動。

圖7 變幅機構

除藻車正常行駛過程中利用變幅機構將掃盤舉升離開地面，保證除藻車能夠順利通過道路牙子等障礙，變幅機構能夠在縮短工作臂長度的同時將清掃機構回轉至除藻車側面工作位置。

（3）清掃機構。清掃機構整體結構如圖8 所示。清掃機構采用雙電機雙掃盤系統，同時設計浮動機構，使掃盤能夠適應渠道邊坡高低起伏的作業環境，以確保清掃機構達到預期的清掃效果。

圖8 清掃機構

（4）吸污裝置。吸污裝置整體設計主要包括除藻箱（如圖9 所示）和吸塵口（如圖10 所示）設計。除藻箱內置2 個功率為600 W 的吸水風機，2 個風機共用1 個集藻箱，利用2 個吸塵管道配合吸塵口完成吸污作業。此方案能夠擴大吸塵管路的通道，大大提升吸污效果。

圖9 除藻箱

圖10 吸塵口

1.3 控制系統

除藻車采用遠程遙控進行作業控制，控制系統包括兩部分：第一部分利用VCU 實現電動履帶底盤前進、后退和轉向動作控制，第二部分采用Arduino 控制板實現變幅機構、回轉機構、清掃機構和吸污裝置除藻作業動作。兩部分控制系統集成在同一個控制器上，控制器如圖11 所示。

圖11 集成控制器

2 現場測試

除藻車樣車在南水北調中線工程河南局某段開展了現場測試，測試項目包括行駛功能（前進、后退、轉向）、執行機構功能（變幅、回轉、清掃、吸污）和續航功能等，測試現場如圖12 所示。

圖12 測試現場

除藻車現場測試各項技術指標如表2 所示。由表2 可知，南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車能夠滿足各項設計指標要求，具有較好的除藻作業能力。

表2 除藻車現場測試結果對比

渠道邊坡藻類等沉積物清掃前后效果對比如圖13 所示。由圖13 可知，南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車能夠較好清除附著在渠道邊坡上的藻類等沉積物，達到了預期除藻作業效果。

圖13 清掃前后效果對比

3 結語

設計了集電動履帶底盤、除藻執行機構和控制系統于一體的南水北調渠道邊坡電動履帶除藻車，并在南水北調渠道邊坡對電動履帶除藻車性能指標進行了現場測試，完成了整車在渠道邊坡上越障、行駛、清掃和吸污試驗，現場試驗結果表明電動履帶除藻車能夠滿足安全、高效和綠色化除藻作業技術要求，具有較好的推廣應用前景。