矩形检查口市政管道清淤装置的设计*

□ 肖书浩 □ 李 硕 □ 吴修玉 □ 周 严

华中科技大学武昌分校 机电与自动化学院 武汉 430064

城市排水管道系统清淤是一个既古老而又现代的课题，随着我国城市化进程的加快，城镇排水管道系统清淤的任务也越来越重。据《人民日报》披露，2008年到2010年，全国有62%的城市发生过内涝。特别是近几年来，城市的地下管线网越来越复杂，城市用水和排水量都急剧增大，而污水中的生活垃圾和建筑垃圾极易堵塞下水管道。北京、武汉等城市频遇大雨造成“看海”现象，使排水管道清淤问题成为了现代城市建设中的一个难题［1］。

1 现行的清淤方案介绍

目前，国内各城市的下水管道堵塞后，主要有以下几种清淤方式。

（1）绞车清淤法。这是一种利用排水管道两端进行绳索拉结的方法进行淤泥清除，是目前应用最广泛的一种清淤方式。首先是用系着钢丝绳的TT片穿过需要清通的管道段，钢丝绳上系住清通工具的一端，在清通管段两端的检查井上各设1台绞车，当TT片穿过管段后，将钢丝绳系在1台绞车上，清通工具的另一端通过钢丝绳系在另1台绞车上。 然后再利用绞车来回往复绞动钢丝绳，带动清通工具将淤泥刮到下游检查井内，从而使管道得到清通。这种方法适用于各种直径的下水管道，但是需从一个井口向另一个井口输送TT片，需要人工下井完成，会给工人带来极大的不便甚至伤害生命。

（2）高压水射流清淤法。这也是一种被广泛应用的管道清淤法，其主要设备为1台高压喷射车，装备有大型水罐、机动卷管器、高压水泵、射水喷头等。操作时由汽车引擎驱动高压水泵，将水加压后送入射水喷嘴，靠射水产生的反作用力，使射水喷头和胶管一起向相反方向前进，同时清洗管道壁。当喷头到达一定的距离时，机动绞车将软管卷回，此时射水喷头继续喷射水流，将管道内残留的沉积物冲到下游检查井，再由吸泥车将其吸走。这种方法适用各种口径的下水管道，但由于需要用到干净水，所以成本比较高。

（3）水冲刷清淤法。制作一种能挡水的清淤装置，由检查井放入管道内，由于井口尺寸较小，整个装置放不下去，一般采用先运下装置的部件，再到管道内装配的办法。待清淤装置装配好后，放到管道的一定位置，把管道中的污水阻挡在装置的上游，当水位达到一定高度后便放水，使上游水形成水流来清除管道内的沉积物，这种清淤方法既费工又费水［2］［3］。

自上世纪90年代开始，国内学者开始对排水管道的清淤机器人进行了深入的研究，先后研制出了各种排污机械手，这些设备的使用在一定程度上解决了某种情况下的清淤问题，但都存在较大的局限性。

2 矩形检查口市政管道排污方法

目前市政的排水管道检查井口多为圆形的，且直径多在1m以下，工人在下井时很不方便，也不便于清淤设备的进入和固定。笔者提出采用矩形的检查口方式，据此建立的排水管道的箱涵模型如图1所示。

清淤设备可利用矩形检查口和底部的沉槽完成固定，同时由于矩形的检查口空间更大，更方便淤泥的提取工作。

▲图1 矩形检查井箱涵结构示意图

2.1 矩形检查井的排污装置设计

该设备的动力部分采用液压系统驱动，清淤动作主要由拖斗来完成。作业时，顶部固定支架安装在矩形检查井上，底部固定支架安装在沉槽的侧壁上，液压伸缩缸伸出，使清淤设备在垂直于管道中心线的方向上固定。拖斗可按需要在传动链上悬挂一定的数量，处于最底端部分的拖斗进入淤泥层吸取淤泥，然后随着传动链条的传动逐步运动到顶端，在越过检查井的高度后将淤泥倾倒在运输车上，完成“清淤-运输-倾倒淤泥”的整个流程。

▲图2 清淤设备的动力结构

2.1.1 清淤装置动力部分

（1）清淤泥斗设计。区别于传统的清淤方式，本设备设计一个挖泥斗，其形状如图3所示，它的特点是体积不大，在淤泥层中运动灵活，另外它的侧壁和底部开设了很多圆孔，方便排水及悬挂在传动链条上，如图4所示，根据淤泥的成分和厚度，可以适当调整悬挂在链条上的泥斗数量，以达到最好的清淤效果。

（2）设备固定装置设计。图5所示为顶部的固定装置，其固定架安装在矩形检查井口，作业时通过螺栓使其固定，在该装置的左右两侧和固定架深入检查井的侧壁处都设计了滚轮，使设备在纵向移动时非常方便。同样，在检查井的底部安装了底部固定装置，其结构和顶部固定装置类似。

另外，在设备的底部中央还设计了成对的伸缩液压缸（如图6所示），在清淤作业进行时，两液压缸的活塞杆向相反的方向伸出，分别顶靠在前后管道壁上，使设备能够稳定地进行清淤动作。

2.1.2 清淤装置张紧装置

该清淤设备的传动链较长，原先计划是利用传统的“穿绳”方法，将其从一个检查井口穿进，从另外一个检查井口伸出，但是不能保证链条的传动效果，故另设计了专门的张紧结构，布置在相邻的检查井中，其结构如图7所示。当作业时发现传动效率降低或者泥斗的重量较大使链条挠度较大时，张紧装置就开始工作，张紧缸的活塞杆伸出，推动链轮的传动轴向外侧移动，从而张紧链轮。张紧缸的结构如图8所示。

2.2 矩形检查井的排污装置工作情况

该清淤设备主要由上述的动力部分和张紧部分两大机构组成，在进行清淤工作时，先将这两个机构分别固定在相邻的两个矩形检查井中，整个装置由液压马达提供动力，没有电源接入，保证了设备使用时的安全性。在动力部分的支架上开设了很多的圆孔，可根据淤泥层的厚度上下调节清淤泥斗的作业高度，同时，各固定装置均可通过滚轮前后移动，所以该设备基本可以清除管道中各个位置的淤泥，达到良好的清淤效果，其工作示意简图如图9所示。

▲图7 清淤设备的张紧结构

▲图8 张紧缸的结构

▲图3 清淤泥斗

▲图4 悬挂在传动链上的泥斗

▲图5 顶部固定装置

▲图6伸缩液压缸

▲图9 清淤设备工作示意图

3 结论

根据城市排水管道清淤的现状和存在的一些问题，笔者提出了一种新型的矩形检查井的概念，并据此设计了一种新型的管道清淤装置，其使用和移动都比较方便，具有良好的清淤效果并具有较高的安全性，自动化程度也较高，克服了目前管道清淤的一些难点，降低了清淤工人的劳动强度。该设备一旦投入使用，将填补市场上的空白，大大缓解城市管道清淤的压力。该设备主要创新点为：①将检查口的形状设计为矩形，解决了清淤设备的固定和移动问题；②设计专用的挖泥泥斗，其体积较小，运动灵活，并可根据实际情况使用合适的数量；③在顶部和底部的固定装置上安装滚轮，使清淤装置可自由移动，改善清淤效果；④整个设备的动力供给采用液压马达，提高了使用的安全性。

［1］ 盛金良，严敏东，龚海，等。城镇排水管道清淤液压抓斗挖掘过程建模与分析［J］.工程机械，2011（11）：34-35.

［2］ 莫晓亮.城市排水管道的清淤问题研究［J］.科学与财富，2012（6）：382.

［3］ 嵇鹏程，沈惠平.基于AT89C 51控制的排水管道清淤机器人的设计［J］.机械设计与制造，2012（12）：165.