（机械设计及理论专业论文）窨井清掏机器人研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 窨井清掏机器人属于服务机器人范畴，用来清除窨井中的淤泥污物，减 轻人工工作强度，保证城市排水系统的正常工作。 本文在分析了现有窨井清掏机器人的优缺点后，把窨井清掏机器人的机 械本体设计成随车起重机与抓斗的组合结构，整个机构由液压系统控制，吊 臂具有水平转动和上下俯仰及伸缩功能，抓斗由液压缸驱动，各鄂板能够同 步开合，具有较高的抓取率。并用闭环矢量法对窨井清掏机器人抓斗机构进 行了运动学分析，利用s i m u l i n k 和s i m m e c h a n i c s 对运动学方程进行了仿真 研究，验证了运动学分析的正确性，仿真的运动轨迹证明了抓斗机构作为窨 井清掏机构的合理性。对臂架在有风工况和最大工作载荷情况下，进行了整 体的理论受力分析，并在考虑各节臂之间的相互影响的基础上，利用a n s y s 软件分别对各个臂段进行有限元分析，从应力云图中可以得出危险截面的应 力均在安全范围内，且与理论计算结果相符，证明臂架的设计合理可靠，提 高了整机的设计质量。最后对样机进行了典型窨井污物的现场抓取实验，实 验表明清掏机器人的总体结构、液压系统及抓斗的性能指标满足设计和生产 实际使用要求。 关键词：窨井清掏机器人；运动学；有限元；实验 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t s a n ds e d i m e n tt r a pc l e a n i n gr o b o t ，w h i c hi su s e df o rr e m o v i n gd i r tm u d f r o ms c e n t i n gw e l l s ，b e l o n gt ot h es c o p eo fs e r v i c er o b o t s i ta l s oc a nh e l pt o r e d u c et h em a n u a lw o r ki n t e n s i t ya n dt oe n s u r et h a tu r b a nd r a i n a g es y s t e mw o r k p r o p e r l y a f t e ra n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs a n ds e d i m e n tt r a p c l e a n i n gr o b o t ，t h em e c h a n i c a ln o u m e n o r mo ft h er o b o tw a sd e s i g n e da sa c o m b i n a t i o ns t r u c t u r eo fal o r r yc r a n ea n dg r a bi nt h i sp a p e r t h ee n t i r e m e c h a n i s mi sc o n t r o l l e db yt h eh y d r a u l i cs y s t e m t h eb o o mh a st w of r e e d o m s w h i c ha r et h el e v e lo fr o t a t i o na n dp i t c h g r a bi sd r o v e db yt h eh y d r a u l i cc y l i n d e r , s ot h a tt h ej a wp l a t ec a nb es i m u l t a n e o u s l yo p e na n dc l o s e ，w h i c hh a v eah i g h c r a w lr a t e t h e nt h ec l o s e dl o o pv e c t o rm e t h o dw a su s e dt od e d u c et h ed i r e c ta n d i n v e r s ek e y so fi t sk i n e m a t i c sf u n c t i o no ft h e 伊a bm e c h a n i s m ，a n ds i m u l i n ka n d s i m m e c h a n i c sw a su s e dt os i m u l a t et h em o t i o no ft h eg r a bt os h o wt h a tt h e k i n e m a t i c sa n a l y s i si sc o r r e c t t h es i m u l a t i o nt r a j e c t o r yp r o v e st h a tt h eg r a b m e c h a n i s mu s e df o rs a n ds e d i m e n tt r a pc l e a n i n gr o b o ti sr e a s o n a b l e u n d e rt h e w i n dc o n d i t i o n sa n dt h ec a s eo fm a x i m u mw o r k i n gl o a d ，t h e o r e t i c a ls t r e s s a n a l y s i so ft h eo v e r a l lb o o mm e c h a n i s mw a sc a r r i e do u t a n dc o n s i d e r i n gt h e i m p a c tb e t w e e nt h ea r m s ；a n s y sw a su s e dt od ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f e a c ha r n lr e s p e c t i v e l y t h es t r e s sn e p h o g r a ms h o wt h a tt h ed a n g e r o u ss e c t i o ni s i nt h es a f e t ya r e aa n dt h er e s u l t si sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , w h i c hp r o v e st h a tt h eb o o md e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dr e l i a b l ea n dc a ni m p r o v et h e q u a l i t yo ft h ew h o l em a c h i n e f i n a l l y , t h ec r a w le x p e r i m e n to fc l a s s i cd i r to nt h e s p o tu s i n gt h ep r o t o t y p ew a sc a r r i e do 此t h e r e s u l t ss h o wt h a ts a n ds e d i m e n tt r a p c l e a n i n gr o b o t so v e r a l ls t r u c t u r e ，h y d r a u l i cs y s t e ma n dg r a b sp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g na n dt h ea c t u a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s a n ds e d i m e n tt r a pc l e a n i n gr o b o t ；k i n e m a t i c s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； e x p e r i m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担9 ，、 作者( 签字) ：i 物伽 日期：耖砂7 年衫月才日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：禹发衫导师( 签字) 勖哆；骂 日期：矽67 年夕月伯年月叼自。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题的来源，目的和意义 随着我国城市化进程的加快，城市下水的排水养护工作已经变得日益 繁重，出现的问题也更加复杂。城市排水系统一旦出现问题，将会直接影 响各企业和部门的正常运行，人们的正常生活也同样会受到严重的影响。 传统的人工清理方式工作效率低、工作环境约束性大、危险性大，专用机 械应用范围较小，且清掏率比较低1 。国内对城市排水系统清理，尤其是 窨井清掏这一方向的研究还刚刚起步，大多仍然停留在对原有机械设备的 改进和直接进口国外设备的阶段口1 。进行窨井清掏专用机械的研究，提高 城市排水系统的清理能力，对我国的国民经济的发展和人民生活水平的提 高具有重要的意义。窨井清掏机器人是一种自动化程度较高的专用机械设 备，能够代替人工劳动，对窨井进行有效的清理，减少工人的劳动强度， 并能避免由于工作环境危险而带来的不必要的人员伤亡，在污水清排领域 具有广泛的使用前景和较好的经济效益p “。 本课题来源于哈尔滨市科技攻关项目，课题编号：2 0 0 5 a a 4 c s l l l 。 课题研究的目的：研制一种高性能窨井清掏机器人，适应于城市窨井 清掏的各种工作环境和清掏物，具有较高的工作效率、较低的制造成本、 方便工作人员使用、安全性好、保证城市排水的通畅。 课题研究的意义：城市排水系统的优劣与否对经济发展和人们生活水 平的提高都有着重要的影响，城市排水系统结构越来越复杂，承受的排水 任务越来越繁重垆棚，尤其近几年工业的发展和城市人口密度的增大，城市 的废水排放量持续增加p 1 ，管道堵塞的现象也越来越多，这对排水和维护 设备的要求也越来越高。由于化石燃料的燃烧和工厂有毒物质的排放，造 成城市污水中含有大量的有害物质，如不对这些污水进行及时的处理，一 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 方面会对人们的身体健康造成严重的威胁，引发多种疾病曙1 ；另一方面， 随着污染物的积累和流动，还会造成潜在的危害，这些危害对人类和环境 的影响会更加严重，如温室效应、大气污染、酸雨等等p 1 。窨井是城市排 水系统的重要组成部分，也是管道堵塞经常发生的地方，窨井深度一般为 3 - 9 米，对于这类清理工作，需要更简单的机械结构、更灵活的工作方式、 更方便的操作性能、更高的工作效率和更低的工作成本。因此有必要研制 一种符合以上要求的窨井清掏机器人。由于窨井中往往含有大量的污物和 有毒气体，不适合人工清掏叫1 1 ，目前设计人员对这类清掏机械的研究还较 少，很多城市依然沿用人工工作方式或是工作效率较低的简单机械。先进 的窨井清掏机器人械能够极大的减轻工人的劳动强度和工作危险性、能够 在更短的时间内完成窨井清掏工作，减少由于窨井的堵塞而造成的排水不 畅、污水四溢问题，减少污染城市环境和影响人们日常生活的现象和由此 带来的不必要的经济损失h 2 1 。相对于大型机械和进口清淤设备，窨井清掏 机器人的工作效率高、结构简单合理、可靠性和机动性强，且制造成本较 低，适合我国城市广泛应用。因此，研制一种先进的窨井清掏机器人是一 项十分重要的工作。 1 2 管道疏通的国内外研究现状 1 2 1管道疏通的国外研究现状 管道疏通一直以来都是世界各个国家面对的一个难题，由于城市的不断 发展、工业的不断进步、人口的持续增长，城市排水系统承受着巨大的压力， 出现管道堵塞的现象就在所难免，需要专用的清理设备来解决这一问题。 国外对管道疏通的研究起步较早。从上个世纪6 0 年代起，美国就开始 从事这方面的研究，研制自动管道疏通车。紧随美国之后，意大利、德国、 英国、加拿大等国家也陆续开始进行管道疏通方面的研究工作，且取得很大 的进步和成果，近年来，不断有新技术和新产品应用到这一领域之中，这些 2 哈尔滨丁程大学硕七学何论文 国家主要采用真空吸污技术和高压水冲技术进行管道清测1 3 1 。 真空吸污技术主要以真空泵或风机为动力，在气室产生一个低气压，通 过外界和气室的压力差将污物吸到机器中，实现污物清理的功能。 采用这种技术主要的产品是真空吸污车，根据提供动力的不同方式，真 空吸污车可分为真空泵式和风机式两种。采用抽真空方式吸污，在干燥或液 体侵入的条件下均可有效工作，真空系统能够连续进行工作，使用正压移动 旋转叶片式排气器的吸管直接进入到水面以下吸取污物。这种设备在吸污之 前不必把水抽干，污物通过吸管、大管进物阀被气流吸入到污物罐内，可在 水下连续作业卅。 这种类型管道清污车的典型代表之一是美国伐克多公司生产的系列真 空疏通车。它是专为城镇污水及雨水管道系统清洁工作而设计的多用途疏通 车，采用真空泵式或风机式进行抽真空，排气量一般可达2 6 0 m 3 m i n ，它由 1 根可以自由摆动的水管、1 个装水箱、6 根吸污管、1 个污泥斗和高压冲水 管构成，此设备能够迅速抽取管渠中的污水，半小时能吸淤泥5 个立方米， 相当于8 个市政工人半天的劳动成果，可以有效地解决突发险隋。它操作过 程简单、快捷而彻底，对市政的雨、污水管道、窨井的疏通、吸污具有较明 显的功效。 英国h a r b e n 公司也是世界著名的市政机械生产企业，该公司生产的 真空吸泥车性能优良，使用方便，并配有大马力真空泵，当真空度为0 0 4 5 m p a 时，排气量为1 0 0 0 m 3 h ；真空度为0 1 5 m p a 时，排气量为1 2 7 0m 3 h ，吸泥 管直径为1 0 0 m m 。 ? 但是此种管道疏通车也有一些缺点，工作时吸泥管要插入水面以下吸 泥，总的吸泥深度不能超过9 米，一旦吸入空气后真空度下降较快，会影响 工作效率。 比利时s t o k o t a 公司生产的循环联合吸污车也具有较高的性能，它是 一种新型的多用途管道清洁机械，能够适应多种复杂的管道结构，清理各种 污泥和管道沉积物，能完成最深1 5 米的清污工作，另外此种吸污车还具有 3 哈尔滨工程大学颈士学位论文 污水过滤系统，污水过滤后也能够用于管道冲洗。其不足是造价高，一台吸 污车的费用可达几百至上千万元，且运行成本很高，每天大约需要几千元， 致使一些城市无法支付其高昂的费用。 燮婴攀弑晒赭 图11 美国伐克多疏通车真空图1 2 比利时s t o k o t a 联合吸污车 美国e l g i n 清扫车公司 g ms w e e p e rc o m p a n y ) 生产的c r o s s w i n dr 型清 扫与真空吸污组合车也被较广泛的应用于清污领域。此清污车配有7 3 5 k w 发动机，最大真空泵抽气速度可达4 8 2 m 3 m i n ，水箱容积为9 0 8 l 。该清污车 功能强大、发动机动力强劲、水箱容积大、工作效率高、性能也较稳定，但 此种设各体积较庞大，容易在工作过程中造成交通不便，不适用于街道狭窄 的环境”。 图1 3 美国e l a n c r o s s w m dr 清扫与真空吸污组合车 猫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国外对高压水冲技术也进行了较多的研究，代表产品有美国 a q u a t e c h 系列下水道清污车和意大利卡拉雷斯公司制造的c a l a b r e s e p c 2 2 72 6 0 l r a i n 水冲车。 美国a q u a t e c h 系列下水道清污车是专门用于清理疏通下水道、管道 内堆积污物的清污设备，其优点是：操作方便、维护简单、噪音小、水罐配 置合理，具有四个独立的3 7 8 5 公升水箱，两个液面观察口，内存容积大， 水箱壁是由9 毫米厚的聚乙烯材料制成。具有冷水循环系统，冬季在寒冷地 带使用时可以在运输过程中对储水罐中的水环流。意大利生产的卡拉雷斯高 压水冲车功率大，最大可达1 3 0 k w ，每分钟可喷出2 6 0 l 的高压水，高压水 能够清理堵塞的地下管道和窨井，同时操作方便，体积较综合性清污车小。 但以上两种清淤设备需要大量水源，对于附着在管壁上的顽固污物，会出现 清理不彻底的现象，且造价同样较高”。 图1 4 美国a q u a t e c h 下水道清污车 此外，还有一些地下排水管道清淤设备，如德国的s i e l w o l f 管道清淤机， 它是专为清除管道中的坚硬沉积物而研制的一套设各，s i e l w o l f 管道清淤机 的特点是能避免大量供应清水而对设备的限制，其循环系统使用从下水道吸 出的污水，将其泵入位于水遵中的过滤装置，经过高压喷嘴来冲开沉积物， 并由粉碎钳粉碎粗大的物质，使他们可以通过污泥泵的喷嘴，随悬浊液传到 地面，再经过过滤处理使水循环使用。该系统能保证在清淤过程中管道的正 常运行，而不需要有人在管道内操作。此技术在国内应用较少，尚属试用阶 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 段。 美国的冲洗球( w a s hb a l l ) 也是一种结构简单、使用方便的管道清淤设 备，在管道内放入水力疏通球，水流经过浮球时水断面缩小、流速加快，此 时局部大流速能起到冲洗管道的作用。这种疏通球采用橡胶制成，表面做有 枪膛来复线的凹槽，可以在冲洗中形成旋转水流。对于堵塞较严重的管道， 此设备发挥的作用较小，清理也不能十分彻底口7 1 。 国外对抓斗式淤泥清掏车的研究还不多，日本五十铃公司对抓斗的研制 和生产较早，但一直没有很好的应用于清淤车上，在这一研究领域，还有很 大的发展空间。 1 2 2 管道疏通的国内研究现状 国内的管道疏通研究相对发达国家起步较晚，多年以来一直沿用人工清 掏的方式，近年来，随着行业的发展和技术的进步，开始对机械管道疏通设 备进行研究。 人工清掏方式在国内应用范围还较大，一般应用大铁勺、铁铲等手工工 具，近年来，深圳等一些发达城市开始采用一些较先进的手工清掏工具，如 污泥铲、污泥钳等，但人工清掏工作效率低、劳动强度大、安全隐患多，每 年都有因为下水管道中存有有毒气体而使工人致死的案例，新工具的使用虽 有一定效果，但这类工具只用于小区内埋设较浅的管道，对于复杂的工程管 道并不适用。 国内的机械清掏主要采用真空吸污车、高压水冲车、绞车和清掏车进行。 真空清掏车在国内尚属起步阶段，其中较有代表性的产品有东风系列吸污车 和武汉新光吸污车，这类机械适用于下水道污泥的抽吸、清捞和装载运输工 作，结构较紧凑，使用较方便，一般真空泵的真空率为6 0 左右，但在使用 过程中最大的问题是污泥含水率问题，当含水率过高时，其工作效率会大幅 降低，且国内的设备真空率较低，并在吸污过程中真空率下降较快，其性能 也会受到很大程度的影响【协1 9 1 。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。 ! l2 图1 5 东风吸污车 近年国内也出现了集真空吸污和高压水冲为一体的综合清淤车，如威康 联合清淤车，它采用三级离心压缩机和双发动机配置，操作灵活，是目前功 能较强大的联合吸污车。三级离心压缩机能提供较大的空气流量，高容量水 泵能产生高压水流，且配有可伸缩调节的吊臂，能更好的适应各种工作环境。 其缺点是：这种联合清淤车的关键部件，如压缩机、高容量水泵国内的技术 还不成熟，大部分需要从国外引进，且加工工艺要求高，所阻其制造成本同 样很高。 此外，绞车疏通也是国内常用的一种管道清淤方法，目前上海、天津、 沈阳等城市对一些管道仍用这种方法。其主要设各包括绞车、滑轮架和通沟 牛。绞车可分为手动和机动两种，滑轮的作用是避免钢索与管1 3 、井口直接 摩擦，通沟就是把污泥等沉积物垃圾从管内拉出来。因其结构简单，操作方 便，对于一般的工作环境，此种方式较适宜，但它要求工人的手动操作较多， 工作环境相对较差，自动化程度不高。 窒查鎏三堡奎兰堡圭兰堡篁兰 图1 6 绞车 为了克服污泥含水率的问题，一些城市开始采用抓泥车进行管道清理， 其中，比较具有代表性的产品有广东粤海汽车有限公司生产的淤泥抓斗车和 淮安苏通市政机械有限公司生产的抓斗式窨井清淤车。抓斗式害井清掏车抓 取的淤泥含水率低、机械结构相对简单、操作灵活方便，成本也较低，如今， 一些城市开始应用这种设备进行城市窨井的清掏工作。但是，现在用于市政 清理的抓斗式清淤车还存在一些缺点，主要是由于抓斗的结构设计方面的问 题和起重机的选取与改进问题，抓取率低，抓取过程中最后剩余的淤泥很难 清理干净，工作效率不高，剩余的淤泥会造成窨井中很快聚集更多的淤泥， 造成再堵塞，且只有在沉泥槽的窨井里才能发挥优势刚。 图1 7 淮安苏通淤泥抓斗车 8 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 综合以上管道清淤设备，国外引进的真空吸污车和高压水冲车性能较 强，工作效率较高，在一般情况下能够完成管道清理工作，但其设备庞大、 价格高昂、维修和使用成本高，不适合中小城市普及推广；国内生产的管道 清淤设备较国外设备相比，价格较低廉，但性能不够理想、工作效率较低、 易出现机械故障，维修频率高。抓斗式机械清掏产品结构简单、成本低、制 造工艺要求不高、使用方便、如对其结构进行综合设计和改进，能得到比较 理想的效果。 1 3 本课题的研究内容和主要工作 本课题的研究内容是：设计研制害井清掏机器人实验样机，其具有结构 简单、操作方便、工作效率高、易于小型驱动设备驱动、制造成本低等特点， 用以代替原有的手工清掏，完成城市窨井井底淤泥的机械化清掏工作，提高 工作效率，避免和减少由于恶劣环境而造成的人身危险，保证城市排水系统 的畅通。 窨井清掏机器人主要组成部分有：底盘、随车起重机、抓斗、抓斗同步 控制装置以及液压控制系统。 具体要求技术指标： 1 本研究按窨井井口直径巾= 7 0 0 r a m 、井盖座内径由= 6 6 0 r a m n 刺；井径： = 1 0 0 0 m m 、般深度为3 - - - 4 米，最大深度为9 米进行研究设计； 2 起重机旋转角度要求最大摆角不小于9 0 度； ： 3 摆动的转矩小于4 0 0 0 牛米； 4 预计工作效率为6 立方米班( 每班8 小时工作制) 。 本文主要完成研究内容需要进行以下主要工作： 一、窨井清掏机器人系统总体设计。 1 、抓斗的选型与设计； 2 、随车起重机的吊臂设计； 3 、底盘的选型； 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 4 、输油管与抓斗的同步机构设计； 5 、液压控制系统的设计。 二、对抓斗的运动学分析。 包括对抓斗机构的正运动学分析、逆运动学分析，以及基于s i m u l i n k 和 s i m m e c h a n i c s 的运动学仿真。 三、对起重机吊臂的有限元分析。 对随车起重机吊臂的每节进行有限元分析，并考虑外界环境和部件的相 互影响，计算各部件受力情况。 四、对样机进行实验。 选择不同的抓取对象，对样机进行实地实验，检测相关数据，分析害井 清掏机器人的综合性能。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章窖井清掏机器人总体结构设计 2 1 引言 窨井清掏机器人是城市排水清淤的专用机械，能够有效的解决由于窨 井堵塞而带来的城市排水系统瘫痪问题，是城市排水系统维护的重要工具。 与其他类似产品相比，其具有结构简单、操作方便、制造工艺要求低、清 掏效率高等优点。本章介绍了窨井清掏机器人的基本工作原理，提出了总 体设计方案和各部分结构组成以及液压控制系统的设计。 2 2 实际工况及使用要求分析 2 2 1 窖井 窨井井身的平面形状一般为圆形，窨井井径一般为1 0 0 0 m m 、1 2 0 0 m m 、 1 4 0 0 m m 、1 6 0 0 m m 。在大直径管道的连接处或交汇处，也可做成方形、矩 形或其他各种不同的形状口。城市窨井主要有带有沉泥槽的沉沙井、甲式 检查井、砖砌雨水检查井，在哈尔滨市检查井总数约为2 4 万座，其剖视 图如图2 1 所示，砖砌圆形雨水检查井所占比例较小，而带有沉泥槽的沉 沙井则一般是每相距2 0 0 米设置一座吲。 图2 1 窨井剖视图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 窨井的井口直径尺寸有一定的标准，直径为q ) 7 0 0 井盖( 井盖座内径 平= 6 6 0 m m ) 适用于车行道，直径为q 6 3 0 井盖( 井盖座内径吓r = 6 0 0 m m ) 适用 于绿化带和绿岛内。本课题按窨井井1 3 直径为q = 7 0 0 m m 、井盖座内径为 c p = 6 6 0 m m 进行研究设计。 窨井的井径是指井室的直径，井室内放置排水管道，其尺寸决定了放置 管道的直径，本课题按井径9 = 1 0 0 0 m m ( 适用排水管管径4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、 6 0 0 m m ) 进行研究设计。 2 2 2 井下淤积物 窨井的井下淤积物主要包括生活污水污泥、工业废水污泥、破坏的井 盖及其它生活杂物。 生活污水污泥是指人们日常生活中所排放的生活用水和废物，它的主 要来源为： 1 、一般的家庭住宅； 2 、旅馆或饭店； 3 、大食堂； 4 、浴室： 5 、办公室； 6 、公共厕所等。 虽然这些污水污泥来自于人的日常生活，但如出现排水管道堵塞，污 水污泥流出的现象，会对城市环境造成很大的污染和破坏，城市排水系统 出现的问题很多情况也是因为生活污水污泥的堵塞造成的，随着近年来人 们对化学洗涤剂和化学试剂使用的越来越多，生活污水中所含的有害物质 也越来越多，因此，对其进行及时的清理显得尤为重要，否则会造成严重 的后果，甚至会导致人们的中毒或出现生命危险。 工业废水污泥指工厂废水中的残渣瞄1 。它也是城市管道堵塞的一个重 要因素，近年来，工业发展突飞猛进，在为国家创造大量财富，提高我国 1 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 国民收入的同时，也造成的大量的废水废物的排放，而且这些排放物中含 有大量的有害物质，以前的窨井清掏方式以人工清掏为主，工人现场工作 时常常遇到窨井中含有有毒气体的现象，这些有毒气体大部分来自有毒工 业废水废物的排放，所以，有效的清理这些污染物十分重要。 工业废水污泥中含有大量的淤泥，淤泥的含水率较高，孔隙比 1 0 ， 偏向于粉质轻粘土，湿粘土容重在l t m 3 1 4 t m 3 之间。粒度为0 1 5 m m ， 属于细粒类物质，1 级散料。淤泥性质强度低、压缩性大、渗透性小， 由于这种特性，很容易造成管道堵塞弘孔。 由于井盖破损及人为破坏等原因，井下会有较多数量的破损井盖、塑 料袋、树枝、砖头等杂物，建筑工地附近还会有细沙等污涸物，这些物质 很快会沉积到窨井底部，致使大量的淤泥和土质物质不断堆积，长时间堆 积会使窨井的清掏工作十分困难。 在带有沉泥槽的沉沙井中的排水管淤积堵塞5 0 时，井下淤积物约为 0 6 2 8 - - 1 0 2 1 m s ( 按井径q o = 1 0 0 0 m m 、最大管径q ) = 6 0 0 m m 、沉泥槽深h = o 5 一l m 计算) 。不带沉泥槽雨水检查井排水管淤积堵塞5 0 时，井下 淤积物约为o 2m 3 ( 按井径q ) = l o o o m m 、最大管径q o = 5 0 0 m m 、井底不设 溜槽计算，管径6 0 0 m m 以上均设溜槽) 。在不带有沉泥槽的马路甲式检查 井、井底若设有溜槽则不适合抓斗式清掏机作业。 根据实际调查，哈尔滨市对排水系统采用季节性清掏。由于哈尔滨市 季节特殊，冬季周期很长，窨井井口发生破损，一般要在春季集中修复， 所以窨井中的破损井盖、砖石、塑料袋、树枝等杂物较多；在下水道运行 水位较高的道外、顾乡、道里等排水分公司管辖的地段，检查井内在春季 多处于淤满状态，清掏工作任务非常繁重。 2 2 3 使用要求分析 清掏机的作业目标是井下淤泥，井座盖内径仅0 6 6 米，要求清掏机定 位准确，作业效率高。井下作业空间狭小、淤积物复杂，要求适应不同的 1 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 淤泥的抓斗，提高抓斗的充填率，保证工作效率。 2 3 窖井清掏机器人的总体结构设计方案 窨井清掏机器人的总体结构如图2 2 所示，主要由随车起重机、吊臂、 液压抓斗、液压油管及其同步装置等组成，用以清除地面下3 - 9 米深的窨 井内淤积的淤泥。工作时随车起重机通过左右回转和上下俯仰、伸缩控制 吊臂位置，使吊臂能够控制抓斗使其运动到指定工作位置，抓斗放入窨井 中抓取淤泥，完成后起重机提升抓斗并送到污泥装载车内，转运处理。 袖饬懈羹臂黼 图2 2 窨井清掏机器人总体结构图 窨井清掏机器人工作原理：清掏机运行到工作位置，随车起重机调整 吊臂位置，伸缩臂将抓斗定位到工作窨井口上方，随车起重机放出钢丝绳 将抓斗放入井中，抓斗进入井后通过液压控制张开，到达淤泥表面后通过 自身的重力作用进入到淤泥中，液压控制系统通过控制液压缸使抓斗闭合 从而抓取淤泥，随车起重机收起钢丝绳将抓斗提出井外，并转动吊臂到装 载淤泥的车厢上方，张开抓斗将淤泥倾倒入车厢内，完成一个工作循环。 1 4 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 3 1 窖井清掏机器人结构组成 窨井清掏机器人结构组成包括：液压抓斗、随车起重机及其吊臂、底 盘、油管同步装置。 2 3 2 抓斗 抓斗是窨井清掏机器人的主要组成部分，它的结构和性能决定着清掏 机的整体性能和工作效率。抓斗是一种用于物料装卸的机械装置，不能独 立工作，而是作为起重机械使用的一个机具，辅助起重机或者挖泥船完成 取物作业。其工作过程完全由操作工人控制，通过驱动系统进行工作，不 需要人工辅助，工作效率高，在港口、建筑及垃圾淤泥清理中得到广泛应 用聊刀。 抓斗的分类较多，应用范围也比较广泛，在不同的工作条件下，应当使 用什么形式的抓斗，是设计者首先考虑的问题，各种形式的抓斗具有其各自 不同的优缺点。 1 、长撑杆抓斗 长撑杆抓斗对各类抓取物具有良好的适应性，是当今适用范围最广的抓 斗之一，其结构是一个十分简单的平面四杆机构，最大的特点就是没有弯矩。 就目前来看，长撑杆抓斗还是抓斗设计者首选的抓斗类型。长撑杆抓斗中心 位置低，起重机司机便于操作，当要求抓斗具有尽可能小的自重时，与其它 形式的抓斗相比，长撑杆抓斗具有一定的优势，而且长撑杆抓斗的填充量大、 自重较小，适合多种工作环境。其缺点是：在抓斗最佳覆盖面积的有关尺寸 比例方面，抓斗的最大张开度相对较小，在抓斗闭合过程中，闭合力矩逐渐 减小，尤其当用来抓取大颗粒的散货时，充填性能明显下降，这并不符合抓 斗的作业要求，因此抓取比例这一方面是制约长撑杆抓斗发展和使用的一个 重要因素。 2 、耙集式抓斗 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 耙集式抓斗的主要特点是具有一个非常大的开度，另外它也适用于长撑 杆抓斗不能触及到的角落等处。在抓斗闭合过程中，闭合力矩程渐趋增大的 趋势，符合抓斗挖掘的规律。耙集式抓斗的应用范围也很广泛，尤其是各大 港口更能发挥它的作用。 耙集式抓斗的缺点是：空抓斗处于闭合状态时，由于重心位置不利，增 加了开斗操作上的困难。闭合状态的抓斗放于地面上时，容易倾倒。当抓斗 装卸粘结性的货物时，粘结在颗板内侧的抓取物更加增大了空抓斗开斗操作 的困难程度。如果抓取物粘结在两颗板之一的内侧时，会使处于悬吊状态的 抓斗歪斜。由于鄂板铰点与刃口之间的距离较大，因而抓斗不易获得良好的 切入性能。 3 、剪式抓斗 剪式抓斗的结构型式，可以使抓斗的中心铰轴不必承受扭矩的作用，因 而得到一个结构紧凑和便于修理的抓斗。在抓斗闭合过程中，其闭合绳行程 短，大大缩短工作循环时间。由于剪式抓斗最终闭合的力矩很大，因而在抓 取流动性好的散货时，密闭性能显著变好。剪式抓斗的缺点是：抓斗在闭合 状态下具有较大的结构高度，对起重机起升高度有一定要求的情况下，略显 不利。由于剪式抓斗顶部装有闭合滑轮组，其顶部结构显得过于粗壮，闭合 状态下重心偏高。剪式抓斗采用柔性开斗，在结构的限制下，开斗钢丝绳之 间过大的夹角对抓斗开斗有一定的难度，且由于用于开斗的一字横梁不是跟 抓斗一个整体，在抓斗闭合过程中可以随意晃动，容易使司机操作疲劳口引。 从以上的分析可以看出，各种类型的抓斗都有其各自的优缺点，对于窨 井清掏机器人，需要综合各种抓斗的优点，弥补它们的不足，从而设计出一 个具有高抓取比、低工作循环时间的抓斗。 本文研究的窨井井口直径为7 0 0 m m ，井盖座内径6 6 0 m m ，井径l0 0 0 m m ， 抓斗的抓取对象为窨井中的淤泥，其主要由生活污水污泥和工业污水污泥组 成。 根据抓斗的工作环境和抓取对象的物理性质，综合考虑制造工艺、加工 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 成本等因素，本文设计内连多鄂板球形同步抓斗，球形抓斗挖掘阻力最小， 其中内连多鄂板球形同步抓斗的抓取能力最大，在结构上，此种抓斗同时具 有长撑杆抓斗结构简单、重心低、稳定性好、自重小和耙集式抓斗开度大、 抓取率高的特点。同时，它的开闭方式更加合理，而且各鄂板能同步开闭， 在物料充盈的条件下抓斗的填充率高、作业效率高。 设计内连多鄂板球形同步抓斗的直径为6 2 0 r a m ，全部张开直径为 9 6 0 m m ，抓斗容积为v = 0 0 7 9 m 3 ，自重为g a = 1 0 0 k g ，抓斗的结构高度 h = 6 4 6 m m 。 抓取的物料密度约为1 5 t m 3 ，计算得抓取物料重1 2 0 k g ，所以抓取物料 后抓斗总重为2 2 0 k g 。 连：g f - 1 图2 3 内连多鄂板球形同步抓斗示意图 内连多鄂板球形同步抓斗的组成包括：上撑梁，下撑梁，伸缩油缸， 连杆和鄂板，伸缩油缸外壁与上撑梁固定，伸缩杆与下撑梁固定，上撑梁 与下撑梁间连有连杆1 、连杆2 ，连杆1 与鄂板固定。 内连多鄂板球形同步抓斗的鄂板设计为4 块，尺寸完全相同，由液压 缸驱动。工作时，起重机通过钢丝绳将抓斗送入窨井中，通过液压控制系 统的控制，伸缩油缸收缩，上下撑梁的距离减小，带动连杆1 和连杆2 的 运动，从而使鄂板张开，随着起重机钢丝绳的继续放下，并由抓斗自身的 重力作用，抓斗插入淤泥中，进行抓取，完全进入后伸缩油缸的伸缩杆伸 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 长，使上下撑梁的距离增大，带动连杆运动，鄂板闭合，实现抓取过程， 抓取完毕后起重机收起钢丝绳，将抓斗提升出窨井，并将淤泥放入淤泥车 中，完成一个工作循环。 抓斗工作过程，主要通过液压缸控制抓斗鄂板的开合，及液压缸通过 伸缩作用使抓斗的连杆机构运动实现，需克服抓取物对鄂板的阻力作用， 同时液压缸还受到上下支撑梁对其的横向作用。 2 3 3 随车起重机 随车起重机是窨井清掏机器人的重要组成部分，为清掏机提供动力并 控制抓斗的位置。根据抓斗自重、所抓取的物料质量，同时考虑抓斗在水 中作业的抽空作用( k = 1 3 ) ，计算起重量o = k ( 弭q o ) - - 2 8 4 k g 。起重 机械以其作业荷载为额定荷载的7 0 为宜，参照起重机设计规范g b 3 8 1 1 - - 2 0 0 5 征求意见稿，确定起重机的起重量为q = o 3 2 吨。 表3 - 1 最大起重量系列( i s 0 2 3 7 4 ：1 9 8 3 ) ( t ) o 10 1 2 50 1 6o 20 2 5o 3 20 40 5o 6 3 o 811 2 51 522 53 245 起重机的主要技术参数包括作业幅度，起升高度和吊臂三铰点位置： 1 、作业幅度 按照标准最小起重量的3 吨汽车起重机的最小额定幅度为2 8 m ，基本 臂起升高度不小于5 5 m ，而汽车起重机要考虑装卸杂货人工堆码，运输车 辆必须保持稳定，保证装卸工人安全；满足堆高要求，减轻工人劳动强度。 而清掏机宽度b - - 2 1 6 m ，根据g b l 5 8 9 - - 2 0 0 4 道路车辆外廓尺寸、轴荷 及质量限值确定淤泥运输车宽度小于2 5 m ，清掏机的作业对象为淤泥， 运输车辆多为专用淤泥运输车，实际作业时淤泥运输车可动，不波及装卸 工人的作业安全，装载物料为散货且多为流体，作业幅度能够达到运输车 纵轴线即可满足要求。确定作业幅度r = 3 m ( 此时两车间距可达6 7 0 m m ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 起重机结构图 2 、起升高度 起升高度的确定应根据具体情况，按照运输车辆具体尺寸确定。国内 现有的专用淤泥运输车的淤泥箱高度不大于2 7 m ，而不带有密封的自卸车 的车厢高度不大于4 m ，以抓斗底部高度为4n l ，即己留出安全距离。考虑 实际工作更换不同的抓斗，按吊钩标准计算起重机的起升高度，起升高度 不小于5 2 m 即可满足要求( 以抓斗的结构高度1 2 m 进行计算) 。 根据最大起重重量和工作空间约束，本文设计的吊臂为两节伸缩吊臂， 液压缸铰接点到吊臂上面的距离为1 4 0 0 m m ，全伸的吊臂总长度为 3 5 0 0 m m ，基本臂长度为2 5 0 0 m m 。 3 、吊臂三铰点位置的确定 由起重机吊臂的根部铰点和变幅油缸上下铰点所组成变幅机构三铰 点，三铰点布置得合理与否，对起重机的性能影响很大。通常在设计三铰 点时，是通过作图和计算相结合的方法得到的。 图2 5 是起重机三个铰点的位置关系，o 点是吊臂与起重机支架的铰 接点，a 、b 两点式变幅油缸与吊臂和支架的上下铰接点。 1 9 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 0 图2 5 起重机吊臂三铰点结构图 铰点o 至地面的高度h ，可以根据对形势状态的整机高度限制以及吊臂 不影响驾驶员视野等因素综合考虑，一般在2 - 3 m 之间。铰接点o 至起重机 回转中心线的距离一般在1 5 3 m 之间。 铰点a 位置的确定，根据选定的变幅油缸内径和压力，由公式2 1 计算 出变幅油缸推力。 f ：尸7 r d 2 x n 4( 2 1 ) 在最大额定工况下，计算o 点至油缸中心线的距离厶。 厶= 【q 戤( 尺+ e ) + q 品c o s o o 】f ( 2 2 ) f 由变幅油缸压力尸所决定的推力，尸一般取1 5 1 7 m p a ，0 n 为最大额 定起重时吊臂仰角。 铰点b 的确定，由坐标值( ，) 决定，的值由吊臂的结构决定， 一般是常数，x 。的取值范围一般满足公式2 3 的关系： 厶3 l b 2 ( 2 - 3 ) 其中三。为吊臂未伸长时的总长度。 起重机通过调整吊臂的位置和角度来控制抓斗的位置，完成清掏工作， 吊臂的结构形式在很大程度上决定了起重机的起吊能力和整体性能，而其截 面的形式又是吊臂结构的主要研究内容，因此对吊臂截面的研究十分重要。 吊臂截面形式有很多种，典型的有矩形截面、梯形截面、五边形截面、 2 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 六边形截面、八边形截面以及椭圆形截面等。 梯形截面的上翼缘板窄，下翼缘板宽，截面中性层靠下能发挥上翼缘板 的机械性能，提高腹板的稳定性，前部滑块可接近腹板布置，后部滑块传递 给上翼缘板的集中力，因上翼缘板宽度小产生的弯曲力矩较小。但梯形截面 的下翼缘板宽，局部稳定性不好，材料性能不能充分发挥，而且需要设置侧 向支承装置。 五边形截面的结构形式与矩形基本一样，仅是在下盖板增加了一道压形 工序。液压伸缩臂架是一个承受双向弯矩和轴压联合作用的受力构件。 六边形截面伸缩臂能较好地发挥材料的机械性能，减轻起重臂自重，提 高起重能力。根据工艺性的改进六边形截面也有做成上下矿字形的截面形 式。矿字形滑块具有良好的自动对中性，可省去一对侧板滑块。 八角形截面是针对矩形截面的一些缺点而产生和发展起来的。八角形截 面也可以看作是一个矩形截面的改进。椭圆形截面：从抗局部屈曲的能力来 分析椭圆形截面是最理想的。但从几何形状的优化分析中可以看出椭圆形截 面的惯性矩和截面系数较同面积的矩形截面小。 矩形截面是目前起重机吊臂中最常用的截面形式，与其它的截面相比其 制造工艺简单，具有较好的抗弯、抗扭性能，受力概念明确。工艺制作比较 简单，大多数情况是采用腹板折边，并不需要特殊的模具，一般的中小工厂 均可加工。同时矩形截面伸缩臂布置滑块和其它附件比较方便。它的抗局部 屈曲性能决定它的高厚比不可能取得很大，这对于臂节数目不多的小型起重 机来说又称得上是一个优点。正因为矩形截面有诸多优点，所以尽管今天已 有多种新型截面形式，矩形截面却仍然有着广泛应用。尤其对于小型起重机 其它截面形状伸缩臂的优越性不能充分发挥出来，矩形截面吊臂就显得更为 适宜脚1 1 。 本文参照 ，根 据现有的起重机吊臂结构和设计计算方法，设计吊臂矩形截面的基本结构， 如图2 6 所示，其中外臂尺寸为宽l o o m m ，高1 6 0 m m ，腹板厚4 m m ，盖板 2 l 望兰堡三垄奎兰堡圭茎堡篁圣 厚5m m ；内臂宽7 5 r a m ，高1 2 5 r a m ，腹板厚3 5 r a m ，盖板厚4 m i i l ；内外臂 的两侧间隙为25 m m ，通过液压缸的作用实现伸缩运动。 图2 6 起重机吊臂截面图 工作时，吊臂的前后两节作伸缩运动，内吊臂与外吊臂通过滑块的接触 而滑动，当吊臂伸出时，由于