车载下水道疏通清洗装备的设计探讨

福建龙马环卫装备股份有限公司 郑海辉

针对下水道疏通清洗设备所需满足的各主要功能分别提出了解决方案，并对整体结构组成和布局分别进行了介绍分析，为后续系列下水道疏通清洗设备的设计制造提供了基本思路和参考。

城市下水道网络作为城市建设的重要组成部分，在城镇居民生活中扮演着重要的角色。而近年来，随着我国城市的不断扩建，下水道管网不堪重负，管网堵塞现象时有发生，给疏通作业带来巨大压力。同时，由于下水道空间窄，环境恶劣，清理难度大、效率低，人工清理危险系数极高。在此背景下，下水道疏通清洗设备逐渐替代了人工清理。

下水道疏通清洗设备需要同时满足疏通清洗和污水抽吸功能，要求能够清除堆积粘附在下水道管壁上的任何杂物，并且能够吸起污水、淤泥、砂石以及较大的块状物。可广泛应用于城市各类地下污水管道、雨水井和窨井的污水、泥沙及砂石、大型块状物的清洗和疏通，同时也可用于大型厂矿企业的污水、工业废油的抽吸、运输以及小型河道的清淤和疏通作业。可大幅减少环卫工人的疏通工作量，在根本上避免安全事故发生。特殊的功能需要庞大复杂的结构支持，如何在满足功能需求的前提下使结构更加简单合理，成为设计的一大难题，也是整台设备零部件设计的关键。

下水道疏通清洗设备的基本功能

下水道疏通清洗设备所需要满足的主要功能包括疏通清洗功能和吸污抽排功能。经过调查研究，城市下水道堵塞的原因除了污水和淤泥沉积之外，大量的砂石和固体垃圾滞留是另一个主要原因，这就需要具有较强破除障碍能力的疏通设备进行疏通。笔者在下水道疏通清洗设备研制过程中，经过反复试验验证后得出了一系列可靠的数据和结论，以下对下水道疏通清洗设备的各基本功能的解决方案分别进行介绍分析。

1. 疏通清洗功能

目前国内外较为成熟的是高压疏通清洗的方法，即采用高压水流对下水管道进行冲洗，具有简单、高效、成本低等众多优点。但是，高压力的水流对水泵性能提出了更高的要求，如果要达到较好的清洗效果，水压需保证在20 MPa以上（具体需根据使用环境和喷头的流量大小）。如图1所示，清水经高压水泵加压后进入疏通绞盘，再流经疏通软管进入喷头，水流经喷头分两个方向喷射，向后的射流B可清洗管道周围的淤积物，同时又给喷头和疏通管提供不断向前的动力，向前的速度由疏通绞盘的转速控制，图中的液压马达可通过节流阀控制疏通绞盘的转速。向前的射流A可破除前方的障碍物，为喷头开辟通道，一旦喷头穿过障碍物，向后的射流可轻松击破周围的淤积物，从而达到疏通的目的。

图1 高压水泵疏通清洗示意图

为了达到更好的疏通和清洗效果，选择喷头时首先考虑喷头喷孔倾角与管道沉积物之间的关系。增加喷嘴喷孔倾角，推力减小，降低了喷头的穿透性，但对管道沉积物的清洗作用则显著增加；减小喷嘴喷孔倾角则前进推力加大，穿透性增强，疏通能力较为显著。选择喷头时除了考虑喷头本身的形状和喷孔倾角以外，也需要同时考虑系统工作压力与喷嘴流量等参数。

喷嘴的流量随压力的变化而变化，一般情况下，流量与压力的计算方法如下：

式中，Q为流量，L/min；P为压力，Pa；n为喷嘴指数，不同的喷雾形状有不同的指数，通常为0.5。

在实际作业过程中，实现疏通清洗良好效果的一个重要的参数指标就是喷嘴喷出水柱的打击力大小。即喷嘴喷出水柱在距离喷嘴30 cm处1 mm2面积上的作用力，打击力越大，在同等情况下疏通清洗效果越好。打击力的大小可以按如下公式进行计算：

式中，I为理论总打击力；K为常量，K=0.24；Q为喷嘴流量；P为系统工作压力。

2. 抽吸功能

由于污水夹杂大量淤泥和固体垃圾，作业时需要在保护泵体的前提下进行抽吸。传统的离心式水泵和污水泵无法抽吸带固体垃圾的污水，吸力有限，而此时真空泵显示出了自己的优势，目前真空泵的真空度可达到92%以上，真空度越大，负压就越大。其原理是，真空泵对罐体进行抽气，形成高真空后，利用大气压将外界污水垃圾等压入罐体内，抽吸介质无需通过泵体，由于吸污口始终浸在污水当中，罐体内可持续形成高真空状态，固体垃圾通过性强，因此抽吸效果显著。如图2所示，真空泵首先经真空管从罐体内抽吸空气，使罐体内形成高负压状态，此时大气压将下水道中的污水经吸污管压入罐体内，由此实现清理转移下水道内淤积物的目的。

在真空抽气系统中，由于空气直接流经泵体内腔，若空气夹带固体杂物则易对真空泵造成损坏，因此需在真空管路中设置防溢阀，当罐体中污水浸过防溢阀时，其内置的浮球会将吸气口堵住，以防止罐体内污物进入真空泵内。同样，罐体和真空管路本身都具有一定的承压极限，不论真空泵对罐体是抽还是排，压力过高都会对其产生破坏，因此需要在管路中设置负压安全阀和过压安全阀，负压安全阀可在一定负压状态下开启，过压安全阀在达到一定正压时开启，以防止罐体和真空管路变形。

图2 真空泵抽吸示意图

图2中，污水所能抽吸的最高高度为H2，其数值跟所抽吸的介质密度有关系，计算方法如下：

根据液体压强的计算公式P=ρgh可知：

式中，H为污水抽吸的总高度；H1为污水液面离地面高度；H2为污水抽吸最高高度；ρW为污水密度；g为重力加速度；P为1个大气压。

车载下水道疏通清洗设备的整体布局

车载下水道疏通清洗设备（整车也称下水道疏通清洗车）比固定设备更加方便快捷，是目前下水道疏通清洗设备的主要形式，但是在整体上比固定设备更加复杂，尤其是动力部分，需要进行无缝匹配。笔者参考了国外较先进案例，包括德国维德曼多功能下水道清洗车等。但实际上，由于国外下水道结构与国内不同、使用习惯不一样以及国内的一些关键零部件不能达到国外疏通车所要求的性能等原因，按照扬长避短的原则，在国外疏通车的基础上进行改进，包括取力系统的布置和整体结构的布置等，一些关键性的机构总成零部件也进行厂内自行设计制作，同时对一些较为复杂的机构总成进行简化，使得机构更加紧凑、实用、美观，而这些对整体布局都具有一定的影响。下面对笔者已经研制成功的一款车载下水道疏通清洗设备的整车布局进行简单介绍。

1. 高压水泵和真空泵取力方案

由于下水道疏通清洗车均为驻车作业模式，因此高压水泵和真空泵均可从底盘直接取力，无需另外安装副发动机。如图3所示，高压水泵和真空泵作为下水道疏通清洗设备最主要的部件，为方便动力输入，分别布置在底盘左右两侧空位，并由底盘发动机主输出轴提供动力来源。为了将底盘主输出轴动力分别输送给高压水泵和真空泵，需在主输出轴中间安插分动箱，分别为左右两侧的高压水泵和真空泵提供动力，左右两侧动力可单独输出，亦可同时输出。由于传动轴工作时震动大，容易损坏工作部件，需将分动箱输出的动力先经过轴承座（6或9），再由轴承座通过传动皮带（5或10）传递给高压水泵和真空泵，这样可以减少甚至避免传动轴的震动给泵体带来的损坏。

图3 真空泵抽吸污水示意图

高压水泵和真空泵选型时，需根据底盘发动机功率曲线特性，选择合适功率的机型。其原则是，在某一转速下，高压水泵和真空泵同时运行的最大总功率不大于底盘发动机输出功率，用公式表达如下。

当高压水泵和真空泵转速分别为ns和nz时，底盘发动机转速为nd：

式中，Pns为 高压水泵在额定转速ns下维持最高水压输出的功率；Pnz为 真空泵在额定转速下nz维持罐体最大负压的功率；Pnd为底盘发动机在设定转速nd下 的输出功率。

2. 整体结构方案研究

由于下水道疏通清洗设备在疏通清洗时需要耗费大量的清水，并且需要较大的空间来存放淤积物，罐体都会比较大，因此笔者选用较大吨位的二类底盘进行改装。

图4为下水道疏通清洗设备简图，污水罐采用卷圆罐体配合蝶形封头进行制作，其具有结构简单、外形美观大方、质量轻以及承压性好等优点，后门也相应地采用蝶形封头的形式，整个罐体需设计成可倾翻式，方便倾倒污水和垃圾；车辆两边空间用于放置清水箱，也可将清水箱设置在污水罐前部，成为污水罐一部分，但这样设计的缺点是：倾倒垃圾时需将清水箱一同举起，当举至高位时，下面的水管软管连接处往往受不了高水压而出现爆裂漏水等情况，因此笔者将清水箱与污水罐分开放置；图中的吸污吊臂可进行180°旋转、伸缩和升降，这样的目的是为了更加方便准确地将吸污管放入下水道中，能够更好地配合疏通绞盘进行下水道的疏通清洗工作；为了适应道路情况和下水井在路中间的位置，后门是疏通绞盘的理想位置，同时又可与吸污管进行配合，同时工作。

下水道疏通清洗设备在实际使用过程中，较为影响用户体验的是单罐水的可持续作业时间，可持续使用时间长可以减少加水频次，提高实际工作效率，可持续作业时间可按如下公式计算：式中,T为单罐水的可持续作业时间，min；V为罐体有效容积，m3；Q为喷嘴喷射流量，L/min；P为额定工作压力，Pa（压力值不变）；n为喷嘴指数，不同喷雾形状有不同的指数，通常为0.5。

结语

经过长时间的研发设计和大量的可靠性试

图4 整体结构布局示意图

验，笔者按此思路研制的下水道疏通清洗设备（车）顺利投入小批生产，并陆续销往浙江、山西、重庆和新疆等地，在实际的下水道疏通清洗作业中效果良好，也为后续设计系列下水道疏通清洗设备提供了一定的参考依据。当然，目前该设备的研究主要针对下水道的疏通清洗，而对于疏通后的管道内的固体沉积物采用抽吸的办法，抽吸物中水分的含量较高，约占70%～80%，在固体沉积物较多的情况下就会造成车辆的排污频次加大，抽吸效率较低，后续研究方向将基于此问题进行不断改进优化。