论城市管道疏通机的设计

论城市管道疏通机的设计

邓涛，王志文，王发港，张超，于慧，朱艳华

山东英才学院山东济南250104

摘要：很多城市地下排水大管道堵塞严重,影响其排水功能[1]。在我国，大型城市管道通常需要人工进行清理，但城市管道空间有限，且管道内容易滋大量易燃易爆的有害气体，因此清理工作强度大且及其危险。针对上述问题，本文设计了一种城市管道疏通机。该疏通机可分为机械部分和检测部分，机械部分为底盘、切碎装置、导向装置和清扫装置四部分组成。底盘驱动和导向装置能够保证了疏通机在管道内灵活运动和转向。切碎装置和清扫装置能够有效的切碎管道内的杂物并冲洗。该疏通机能够代替人工完成城市管道内的检测、疏通等工作，改善工人的工作环境和作业方式，提高工作效率。

关键词：疏通机；底盘驱动；导向装置

1概述

该疏通机可分为机械部分和检测部分，机械部分主要针对于管道机器的零件与机械传动的配合方式进行设计，整体结构分为底盘、切碎装置、导向装置和清扫装置四部分，其结构三维模型如图1所示。

2.城市管道疏通机的总体设计

1.1底盘驱动

为了让疏通机在管道中可以达到疏通和检测的目的，及要解决疏通机在管道中行走的问题。从基本设计参数出发，底盘的驱动方式影响着底盘的稳定性和动力性能。底盘驱动方式可分为两轮驱动和四轮驱动。因为机器的主要工作环境在管道内部，管道内部环境恶劣，高低不平，容易发生打滑或卡死等现象[2]。四轮驱动可以在两个轮子打滑时，另两个轮子依然运动，更好的逾越障碍。管道机器人的运行需要较大的动力，因此选用四轮驱动。四轮驱动如图2所示。

1.2转向机构

根据转向形式，一种方法是靠转向机构如图3所示。前轮转向，这种转向的方式相对比较灵活，但由于疏通机采用四轮驱动，前轮需要安放电机，电机和轮子一起绕轴旋转。电机的体积过大，需要更多的安放空间，加大了制作成本。并且管道内部环境复杂，前轮转向不利于疏通机的稳定性。

另一种方法是通过轮子转动来转弯如图4所示。利用锁死一侧轮子，另一侧轮子转动带动整个车身转弯，这种转向方式虽然简化了整个车身的结构，但根据管道内部的情况可知，机器进行分段作业，因此管道内部不需要大幅度的拐弯，而这种转弯方式可能会直接导致机器撞向管道，并且只靠一侧轮子转动，将导致整个机器动力不足，轮子转动不利于疏通机的动力性能。

通过以上转向形式可以看出，目前存在的管道机器转向形式都有其无法避免的弊端，影响着管道机器在管道内部的平稳运行，基于对以上转向形式的研究，本文引用一种新型的转向方式—导向轮转向形式，如图4所示。在机器的两侧添加两排导向轮的方式相对简单，疏通机在管道内正常行走，在通过弯道时导向轮通过接触管道内壁，在内壁上行成一条行走路线，迫使机器转向。由于导向轮为被动轮，不需添加任何动力，并且装配在疏通机外部，内部结构较为简单，从而优化了整个机械结构。

导向轮的主要作用是帮助机器实现转弯的作用，其次还可以稳定车身。机器在管道内行走，两侧的轮子类似张开的手臂，辅助机器在管道内平稳行走。导向轮应遵循以下原则：

1.如图6所示，导向轮应位于机器的中上位置（主轮上方），由于机器采用轮式行走，机器下方主轮直接接触地面，而机器主体属于悬挂状态，当机器利用导轮过弯时，机器重心偏向弯道外侧，假设导轮安装在机器下方，与主轮同时接触下方管壁，转弯时，机器上方无支点支撑整个车体，从而出现上方重心偏移，出现侧翻现象。

2.如图7所示，导向轮采用前中后的排列顺序，目前存在的导向轮选用前后的固定组装方式，并且前轮大于后轮，只适用于L型墙壁。采用前中后的目的是，由于机器在管道内部行走时较为缓慢，而管道内环境多变，借助弹簧和可调式支撑架可将导向轮一直维持着与管道内壁接触。当机器转弯时，重心向外，外侧的导向轮被压缩，辅助机器转弯，同时还保证了机器的稳定性。

机器在管道内转弯，管道中存在较多淤泥，行径阻力很大，因此要减少轮子的摩擦力，及可以减少接触面积，采用传统的轮式行走，轮子的接触面积大大减少，但同时接触部分受力较大，轮胎的寿命大大减小，而现有的轮子都有一定的弊端。本文将采用一种新型轮胎的配合方法。该轮子的配合方式，是由一个普通直径为300mm轮子和一个直径为80mm的轮子组成如图8，大小两轮的独特设计，可以使轮子的一侧与管道内部紧密接触，增大了与管道的接触面，同时可以加宽底盘，底盘的稳定性明显增加，辅助机器的轮式行走和转弯。

1.3其他结构

疏通机在具有以上的创新性外，还具有其他特点，配备了切碎刀架，可将大型杂物切碎；清扫装，将淤泥等小型垃圾清出管道；冲洗系统，给管道进行无死角的清洗；作业摄像头和传感器，可观察管道内的实际问题，并且通过红外传感器和气敏传感器可分辨出管道内是否存在安全隐患。

结语

本文设计的疏通机应用于城市管道的机器技术，研究的疏通机可以达到对管道进行无损伤的清洗，在清洗过程中具有低成本、无污染、高效率等特点，有着非常好的效果。在疏通机工作的时候，因车内有专属摄像头及部分传感器，可以及时反应给外部人员并进行解决。该疏通机具有一定的通用性，对我国城市管道的清理难题有着巨大的贡献和经济价值，具有较大的市场需求。

参考文献：

[1]桂林市内涝现象引发的思考——城市排水设施建设的改进[J].周晓亮.科技创新与应用.2017(09)

[2]自导航式管道疏通机[P].郭柏林,杨光,任向杰,杨艳学,吴中纬,霍卫光,喻自光,焦丽娟.中国专利:CN101265717.