南水北调渠道边坡电动履带除藻车整车设计

李 冰，张吉祥，段俊法

（华北水利水电大学 机械学院，450045，河南郑州）

南水北调中线工程作为一项重大的民生工程，有效缓解了华北地区的用水压力，但是南水经过长距离运输，露天渠道和水深较浅等因素都为藻类的繁殖提供了便利，引起了渠道边坡衬板表面水位线附近水藻滋生（如图1 所示），严重影响南水水质[1-2]。

图1 南水北调渠道边坡水藻滋生

目前，为了及时清理渠道边坡衬板上的藻类等沉积物，需要派遣人工进行清理，作业模式为一组作业人员系安全绳并穿戴救生衣下至渠道临水作业面处，同时使用铲刀和挡板清理水面上沿的藻类及尘沙碎石等沉积物，人工作业现场如图2 所示。

图2 人工除藻作业现场

现有人工作业方式存在作业效率低、工作强度大及危险性高等问题，清扫过程中藻类等沉积物会进入渠道造成水源二次污染。当前已有的渠道边坡除藻设备研究方向是采用在马路上行走的工程车辆搭载高扬程自吸液压泵进行除藻作业[3]，但现有设备存在自重大、成本高、作业效率低、除藻效果欠佳等问题，尚未能在南水北调中线工程进行实际推广应用。因此，亟须研发安全、高效及绿色化作业的南水北调中线工程渠道边坡除藻设备。

本文针对南水北调中线工程渠道边坡坡度大、坡面高低起伏、临水作业易打滑等技术难题，研制能够适应渠道边坡复杂作业环境的纯电动履带底盘，履带底盘上部搭载藻类等沉积物清理作业执行机构，并在南水北调渠道边坡现场进行除藻作业机构及控制系统试验验证，以确保除藻车能够满足安全、高效及绿色化除藻作业的功能需求。

1 整车系统设计

南水北调渠道边坡电动履带除藻车设计需要适应渠道边坡复杂作业环境，除藻车主要设计技术指标如表1 所示。

表1 电动除藻履带车主要设计技术指标

南水北调渠道边坡电动履带除藻车底盘采用电动履带底盘，电动履带底盘能够最大限度降低对周围环境的影响，确保水质安全。除藻车设计内容包括电动履带底盘、执行机构和控制系统三大部分，除藻车样车如图3 所示。

图3 除藻车样车

1.1 电动履带底盘设计

采用电动履带底盘作为运行机构，需要对电动履带底盘进行整体设计[4-6]，以实现除藻车在渠道边坡上的正常行走，底盘设计包括车身骨架和车身外部结构设计。

（1）车身骨架设计。车身骨架整体结构如图4 所示，方案采用钢管结构作为整车骨架，采用外部附着铁皮的方式制作车体，车身内部能够放置驱动电池、执行机构供电电池及两台驱动电机和控制系统驱动器等装置，实现了车身内部空间的充分利用，同时降低了整车重心，有效提升了电动履带底盘临水行走防滑能力。

图4 车身骨架

（2）车身外部结构设计。车身外部结构如图5 所示，利用蒙皮技术实现了车身的密封处理，避免了车身内部电控系统触水失效风险，并在车身上预留了控制开关、急停开关和电池电量显示屏等安装孔位。

图5 车身外部结构

车身蒙皮上预留了上部执行机构回转电机及回转齿轮安装孔位，侧面则预留了电机输出轴孔位；同时为了保证整车密封性，对整车侧面安装孔位及电机输出轴孔位进行了密封处理。

1.2 执行机构设计

执行机构是除藻车实现南水北调渠道边坡藻类破碎和吸污作业的关键机构，其主要包括回转机构、变幅机构、清扫机构和吸污装置等。

（1）回转机构。回转机构由回转齿轮、驱动小齿轮和驱动电机组成，整体结构如图6 所示。回转机构采用50∶1的大比例齿轮传动，有效提高了回转扭矩，降低了回转机构的回转速度，确保了回转稳定性；回转电机选用带有电磁刹车的电机，保证回转位置精确可靠。

图6 回转机构

回转机构需要保证清扫机构和吸污系统能够在除藻车临水一侧开展作业，可实现±90°范围内的回转运动，确保电动履带底盘尽可能远离水面运行。

（2）变幅机构。变幅机构整体结构如图7 所示，工作臂与车体通过铰链连接，选用电动推杆实现工作臂的变幅运动。

图7 变幅机构

除藻车正常行驶过程中利用变幅机构将扫盘举升离开地面，保证除藻车能够顺利通过道路牙子等障碍，变幅机构能够在缩短工作臂长度的同时将清扫机构回转至除藻车侧面工作位置。

（3）清扫机构。清扫机构整体结构如图8 所示。清扫机构采用双电机双扫盘系统，同时设计浮动机构，使扫盘能够适应渠道边坡高低起伏的作业环境，以确保清扫机构达到预期的清扫效果。

图8 清扫机构

（4）吸污装置。吸污装置整体设计主要包括除藻箱（如图9 所示）和吸尘口（如图10 所示）设计。除藻箱内置2 个功率为600 W 的吸水风机，2 个风机共用1 个集藻箱，利用2 个吸尘管道配合吸尘口完成吸污作业。此方案能够扩大吸尘管路的通道，大大提升吸污效果。

图9 除藻箱

图10 吸尘口

1.3 控制系统

除藻车采用远程遥控进行作业控制，控制系统包括两部分：第一部分利用VCU 实现电动履带底盘前进、后退和转向动作控制，第二部分采用Arduino 控制板实现变幅机构、回转机构、清扫机构和吸污装置除藻作业动作。两部分控制系统集成在同一个控制器上，控制器如图11 所示。

图11 集成控制器

2 现场测试

除藻车样车在南水北调中线工程河南局某段开展了现场测试，测试项目包括行驶功能（前进、后退、转向）、执行机构功能（变幅、回转、清扫、吸污）和续航功能等，测试现场如图12 所示。

图12 测试现场

除藻车现场测试各项技术指标如表2 所示。由表2 可知，南水北调渠道边坡电动履带除藻车能够满足各项设计指标要求，具有较好的除藻作业能力。

表2 除藻车现场测试结果对比

渠道边坡藻类等沉积物清扫前后效果对比如图13 所示。由图13 可知，南水北调渠道边坡电动履带除藻车能够较好清除附着在渠道边坡上的藻类等沉积物，达到了预期除藻作业效果。

图13 清扫前后效果对比

3 结语

设计了集电动履带底盘、除藻执行机构和控制系统于一体的南水北调渠道边坡电动履带除藻车，并在南水北调渠道边坡对电动履带除藻车性能指标进行了现场测试，完成了整车在渠道边坡上越障、行驶、清扫和吸污试验，现场试验结果表明电动履带除藻车能够满足安全、高效和绿色化除藻作业技术要求，具有较好的推广应用前景。