基于平行四邊形機構的牽引式土壤修復裝置設計*

潘四普 ，達雨軒 ，余靖涵 ，吳偉吉

（南京工業職業技術大學交通工程學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

近年來，我國土壤污染防治形勢嚴峻[1-2]。截至2021年，歷時4年完成的土壤污染狀況詳查基本摸清了全國農用地和企業用地土壤污染狀況及潛在風險的底數。《“十四五”土壤、地下水和農村生態環境保護規劃》指出，我國生態環境保護結構性、根源性、趨勢性壓力總體上尚未根本緩解，以重化工為主的產業結構尚未根本改變，部分污染物排放總量仍處于高位。土壤、地下水和農業農村污染防治與美麗中國目標要求還有不小差距，到2035年實現土壤和地下水環境質量穩中向好的目標任務異常艱巨。以工業土地污染為例，常見的有機物污染物比如DNAPL、PAHs等，因其具有高遷移性和高毒性，所以給人類健康和生態環境帶來了嚴重威脅[3-4]。

隨著《中華人民共和國土壤污染防治法》的實施，土壤修復行業管理及技術支撐體系不斷完善[5]。目前，污染場地修復技術主要包括異位修復和原位修復兩種技術。其中，原位化學修復方法具有修復效果徹底、修復周期短、對場地擾動小等優點，其還可同時處理多種污染物，且易于控制二次污染，近年來在污染土地修復中得到較多應用[6]。鄭瑾等[7-8]設計了一種污染場地原位修復注入設備，該設備最大試驗壓力5.5 MPa，最大流量60 L/min，累計運行150 h，取得了良好的修復效果。馮超[9]設計了雙管導向鉆多分支水平井的原位噴射注入修復工藝，結果表明，靶距在20 mm～30 mm之間可以得到較大的壓力峰值與幅度。萬杏波等[10]設計了一種污染土壤修復試驗裝置，通過檢測土壤凝結程度以提高土壤淋洗劑的利用效率。現有土壤修復裝置以固定式為主、自走式為輔，固定式修復裝置需要在某一固定地點作業，待修復完成后才可轉移至下一地點，因此修復效率低。本文設計了一種牽引式土壤修復裝置，在前進的同時向土壤中注入修復藥液，大大提高了修復工作效率。

1 總體設計及工作原理

牽引式土壤修復裝置由輸送系統、偏心系統、注射系統組成，總體結構如圖1所示。

圖1 牽引式土壤修復裝置總體結構

輸送系統由連架桿、常開軸系統、連接管組成，結構如圖2所示。連架桿起連接作用，將裝置總體與牽引機構連接，在牽引機構的牽引下向前運動。常開軸系統和連接管起輸送、分配藥液的作用。

圖2 輸送系統結構

偏心系統由驅動盤、偏心盤、定位盤、第一銷軸、連接板、第二銷軸、法蘭、滾輪組成，結構如圖3所示。定位盤上開有一大圓孔，常開軸系統從中穿過，通過肋板與常開軸系統固定連接，定位盤外圍裝有3組滾輪，偏心盤中心開有一圓孔，通過圓孔嵌套在滾輪上，可以繞滾輪轉動。偏心盤圓周均布有8個通孔，第一銷軸從通孔穿過，偏心盤與第一銷軸在通孔處構成轉動副，法蘭與第二銷軸固定連接。驅動盤圓周均布有8個通孔，第二銷軸從通孔穿過，驅動盤與第二銷軸在通孔處構成轉動副；驅動盤底部與地面接觸，通過牽引設備牽引前進與地面產生摩擦力從而轉動，驅動偏心盤旋轉。連接板開有兩個圓孔，第一銷軸和第二銷軸分別穿過兩個圓孔，并在圓孔處分別構成一個轉動副。

圖3 偏心系統結構

注射系統由常閉軸系統、注射針、注射針頭組成，結構如圖4所示。常閉軸系統從連接管接收藥液，通過中空的注射針輸送到土壤中，完成修復作業。

圖4 注射系統結構

定位盤上3組滾輪的回轉中心位于同一個圓上，且該圓圓心位于大圓孔的正上方，兩圓圓心距為L1，即偏心盤的圓心與常開軸系統的圓心的距離為L1，結構尺寸如圖5所示。連接板上兩個圓孔的圓心距同樣為L1，且安裝時保證豎直安裝。因此，驅動盤、偏心盤、定位盤、連接板構成平行四邊形機構，平行四邊形機構的四條邊分別為：1）圖5所示定位盤上的圓心距L1，可以看成機架；2）偏心盤；3）連接板，長度同樣為L1且與圖5的L1平行；4）驅動盤。平行四邊形機構工作時，可以保證連接板始終豎直向下，從而注射針也始終垂直于地面。

圖5 偏心盤結構尺寸圖

2 關鍵部件設計

2.1 常開軸系統

常開軸系統主要由左端蓋、第一O型圈、左軸承、左軸套、第二O型圈、第三O型圈、進液口、第四O型圈、第五O型圈、右軸套、右軸承、第六O型圈、密封塞、旋轉軸、右端蓋、右擋圈、軸筒、左擋圈組成，結構如圖6所示。

圖6 常開軸系統結構

旋轉軸開有一盲孔，靠近盲孔底端開有若干通孔，通孔與軸筒內部相通，土壤修復藥液可以沿著進液口流進旋轉軸內部，旋轉軸盲孔另一端也開有若干通孔，土壤修復藥液可以沿該通孔流出，進入連接管，旋轉軸盲孔開口處用密封塞密封。

常開軸系統的主要作用是從進液口接收藥液，在保證旋轉軸與軸筒既相對轉動又相互密封的條件下，將藥液從中空的旋轉軸輸送出去。相對轉動由左軸承和右軸承來實現，兩個軸承與旋轉軸通過端蓋、擋圈以及軸肩進行軸向定位，密封主要通過4個O型圈來實現，保證藥液不泄露。

2.2 常閉軸系統

常閉軸系統主要由第一擋圈、第七O型圈、第八O型圈、緊定螺釘、第九O型圈、第二擋圈、第十O型圈、第三擋圈、釋放軸、釋放筒、通孔軸套、釋放環、盲孔軸套等組成，結構如圖7所示。

圖7 常閉軸系統結構

根據裝配順序，通孔軸套右側通過第三擋圈固定，左側通過第二擋圈固定，與釋放軸通過第十O型圈密封，釋放環與釋放軸通過緊定螺釘連接，并且由第八O型圈、第九O型圈密封，盲孔軸套左側通過第一擋圈固定，右側通過釋放環固定；釋放軸可以在釋放筒內轉動，釋放軸右側開有盲孔，靠近盲孔底端開有第一出液孔，釋放環側面開有第二出液孔，釋放筒側面開有第三出液孔；釋放筒左端面均布螺紋孔，與法蘭通過螺栓連接，在連接時，保證第三出液孔朝向地面；釋放軸在釋放筒中的安裝角度各不相同，具體和與該釋放筒連接的法蘭的位置有關；連接管一端連接旋轉軸，另一端連接釋放軸；旋轉軸盲孔另一端開有若干通孔，土壤修復藥液可以沿該通孔流出，通過連接管流進釋放軸。

3 修復裝置工作過程

以1號注射系統為例，修復裝置工作過程可分為四步，如圖8所示。

圖8 修復裝置工作過程

1）當1號注射系統注射針頭底部剛接觸地面時，由于注射針通孔暴露在空氣中，所以第二出液孔與第三出液孔未連通，如圖8（a）所示。

2）當1號注射系統注射針通孔上邊緣接觸地面時，注射針通孔完全進入土壤內部，第二出液孔與第三出液孔開始連通，如圖8（b）所示。

3）當1號注射系統注射針通孔上邊緣離開地面時，注射針通孔開始暴露在空氣中，第二出液孔與第三出液孔開始關閉，如圖8（c）所示。

4）當1號注射系統注射針頭離開地面時，注射針通孔暴露在空氣中，第二出液孔與第三出液孔保持關閉狀態，如圖8（d）所示。

4 結論

本文設計了基于平行四邊形機構的牽引式土壤修復裝置，裝置主要由輸送系統、偏心系統、注射系統組成，在常開軸系統和常閉軸系統的配合工作下，保證裝置整體在牽引前進的同時，注射針始終保持豎直向下，與地面始終呈垂直關系，既保證了修復作業效率，又避免了注射針入土時承受彎矩而影響使用壽命。