福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司 鄭海輝

針對(duì)下水道疏通清洗設(shè)備所需滿足的各主要功能分別提出了解決方案，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)組成和布局分別進(jìn)行了介紹分析，為后續(xù)系列下水道疏通清洗設(shè)備的設(shè)計(jì)制造提供了基本思路和參考。

城市下水道網(wǎng)絡(luò)作為城市建設(shè)的重要組成部分，在城鎮(zhèn)居民生活中扮演著重要的角色。而近年來，隨著我國(guó)城市的不斷擴(kuò)建，下水道管網(wǎng)不堪重負(fù)，管網(wǎng)堵塞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給疏通作業(yè)帶來巨大壓力。同時(shí)，由于下水道空間窄，環(huán)境惡劣，清理難度大、效率低，人工清理危險(xiǎn)系數(shù)極高。在此背景下，下水道疏通清洗設(shè)備逐漸替代了人工清理。

下水道疏通清洗設(shè)備需要同時(shí)滿足疏通清洗和污水抽吸功能，要求能夠清除堆積粘附在下水道管壁上的任何雜物，并且能夠吸起污水、淤泥、砂石以及較大的塊狀物?？蓮V泛應(yīng)用于城市各類地下污水管道、雨水井和窨井的污水、泥沙及砂石、大型塊狀物的清洗和疏通，同時(shí)也可用于大型廠礦企業(yè)的污水、工業(yè)廢油的抽吸、運(yùn)輸以及小型河道的清淤和疏通作業(yè)。可大幅減少環(huán)衛(wèi)工人的疏通工作量，在根本上避免安全事故發(fā)生。特殊的功能需要龐大復(fù)雜的結(jié)構(gòu)支持，如何在滿足功能需求的前提下使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，成為設(shè)計(jì)的一大難題，也是整臺(tái)設(shè)備零部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

下水道疏通清洗設(shè)備的基本功能

下水道疏通清洗設(shè)備所需要滿足的主要功能包括疏通清洗功能和吸污抽排功能。經(jīng)過調(diào)查研究，城市下水道堵塞的原因除了污水和淤泥沉積之外，大量的砂石和固體垃圾滯留是另一個(gè)主要原因，這就需要具有較強(qiáng)破除障礙能力的疏通設(shè)備進(jìn)行疏通。筆者在下水道疏通清洗設(shè)備研制過程中，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證后得出了一系列可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)論，以下對(duì)下水道疏通清洗設(shè)備的各基本功能的解決方案分別進(jìn)行介紹分析。

1. 疏通清洗功能

目前國(guó)內(nèi)外較為成熟的是高壓疏通清洗的方法，即采用高壓水流對(duì)下水管道進(jìn)行沖洗，具有簡(jiǎn)單、高效、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。但是，高壓力的水流對(duì)水泵性能提出了更高的要求，如果要達(dá)到較好的清洗效果，水壓需保證在20 MPa以上（具體需根據(jù)使用環(huán)境和噴頭的流量大?。Ｈ鐖D1所示，清水經(jīng)高壓水泵加壓后進(jìn)入疏通絞盤，再流經(jīng)疏通軟管進(jìn)入噴頭，水流經(jīng)噴頭分兩個(gè)方向噴射，向后的射流B可清洗管道周圍的淤積物，同時(shí)又給噴頭和疏通管提供不斷向前的動(dòng)力，向前的速度由疏通絞盤的轉(zhuǎn)速控制，圖中的液壓馬達(dá)可通過節(jié)流閥控制疏通絞盤的轉(zhuǎn)速。向前的射流A可破除前方的障礙物，為噴頭開辟通道，一旦噴頭穿過障礙物，向后的射流可輕松擊破周圍的淤積物，從而達(dá)到疏通的目的。

圖1 高壓水泵疏通清洗示意圖

為了達(dá)到更好的疏通和清洗效果，選擇噴頭時(shí)首先考慮噴頭噴孔傾角與管道沉積物之間的關(guān)系。增加噴嘴噴孔傾角，推力減小，降低了噴頭的穿透性，但對(duì)管道沉積物的清洗作用則顯著增加；減小噴嘴噴孔傾角則前進(jìn)推力加大，穿透性增強(qiáng)，疏通能力較為顯著。選擇噴頭時(shí)除了考慮噴頭本身的形狀和噴孔傾角以外，也需要同時(shí)考慮系統(tǒng)工作壓力與噴嘴流量等參數(shù)。

噴嘴的流量隨壓力的變化而變化，一般情況下，流量與壓力的計(jì)算方法如下：

式中，Q為流量，L/min；P為壓力，Pa；n為噴嘴指數(shù)，不同的噴霧形狀有不同的指數(shù)，通常為0.5。

在實(shí)際作業(yè)過程中，實(shí)現(xiàn)疏通清洗良好效果的一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)就是噴嘴噴出水柱的打擊力大小。即噴嘴噴出水柱在距離噴嘴30 cm處1 mm2面積上的作用力，打擊力越大，在同等情況下疏通清洗效果越好。打擊力的大小可以按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，I為理論總打擊力；K為常量，K=0.24；Q為噴嘴流量；P為系統(tǒng)工作壓力。

2. 抽吸功能

由于污水夾雜大量淤泥和固體垃圾，作業(yè)時(shí)需要在保護(hù)泵體的前提下進(jìn)行抽吸。傳統(tǒng)的離心式水泵和污水泵無法抽吸帶固體垃圾的污水，吸力有限，而此時(shí)真空泵顯示出了自己的優(yōu)勢(shì)，目前真空泵的真空度可達(dá)到92%以上，真空度越大，負(fù)壓就越大。其原理是，真空泵對(duì)罐體進(jìn)行抽氣，形成高真空后，利用大氣壓將外界污水垃圾等壓入罐體內(nèi)，抽吸介質(zhì)無需通過泵體，由于吸污口始終浸在污水當(dāng)中，罐體內(nèi)可持續(xù)形成高真空狀態(tài)，固體垃圾通過性強(qiáng)，因此抽吸效果顯著。如圖2所示，真空泵首先經(jīng)真空管從罐體內(nèi)抽吸空氣，使罐體內(nèi)形成高負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)大氣壓將下水道中的污水經(jīng)吸污管壓入罐體內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)清理轉(zhuǎn)移下水道內(nèi)淤積物的目的。

在真空抽氣系統(tǒng)中，由于空氣直接流經(jīng)泵體內(nèi)腔，若空氣夾帶固體雜物則易對(duì)真空泵造成損壞，因此需在真空管路中設(shè)置防溢閥，當(dāng)罐體中污水浸過防溢閥時(shí)，其內(nèi)置的浮球會(huì)將吸氣口堵住，以防止罐體內(nèi)污物進(jìn)入真空泵內(nèi)。同樣，罐體和真空管路本身都具有一定的承壓極限，不論真空泵對(duì)罐體是抽還是排，壓力過高都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生破壞，因此需要在管路中設(shè)置負(fù)壓安全閥和過壓安全閥，負(fù)壓安全閥可在一定負(fù)壓狀態(tài)下開啟，過壓安全閥在達(dá)到一定正壓時(shí)開啟，以防止罐體和真空管路變形。

圖2 真空泵抽吸示意圖

圖2中，污水所能抽吸的最高高度為H2，其數(shù)值跟所抽吸的介質(zhì)密度有關(guān)系，計(jì)算方法如下：

根據(jù)液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式P=ρgh可知：

式中，H為污水抽吸的總高度；H1為污水液面離地面高度；H2為污水抽吸最高高度；ρW為污水密度；g為重力加速度；P為1個(gè)大氣壓。

車載下水道疏通清洗設(shè)備的整體布局

車載下水道疏通清洗設(shè)備（整車也稱下水道疏通清洗車）比固定設(shè)備更加方便快捷，是目前下水道疏通清洗設(shè)備的主要形式，但是在整體上比固定設(shè)備更加復(fù)雜，尤其是動(dòng)力部分，需要進(jìn)行無縫匹配。筆者參考了國(guó)外較先進(jìn)案例，包括德國(guó)維德曼多功能下水道清洗車等。但實(shí)際上，由于國(guó)外下水道結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)不同、使用習(xí)慣不一樣以及國(guó)內(nèi)的一些關(guān)鍵零部件不能達(dá)到國(guó)外疏通車所要求的性能等原因，按照揚(yáng)長(zhǎng)避短的原則，在國(guó)外疏通車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，包括取力系統(tǒng)的布置和整體結(jié)構(gòu)的布置等，一些關(guān)鍵性的機(jī)構(gòu)總成零部件也進(jìn)行廠內(nèi)自行設(shè)計(jì)制作，同時(shí)對(duì)一些較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)總成進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得機(jī)構(gòu)更加緊湊、實(shí)用、美觀，而這些對(duì)整體布局都具有一定的影響。下面對(duì)筆者已經(jīng)研制成功的一款車載下水道疏通清洗設(shè)備的整車布局進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1. 高壓水泵和真空泵取力方案

由于下水道疏通清洗車均為駐車作業(yè)模式，因此高壓水泵和真空泵均可從底盤直接取力，無需另外安裝副發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖3所示，高壓水泵和真空泵作為下水道疏通清洗設(shè)備最主要的部件，為方便動(dòng)力輸入，分別布置在底盤左右兩側(cè)空位，并由底盤發(fā)動(dòng)機(jī)主輸出軸提供動(dòng)力來源。為了將底盤主輸出軸動(dòng)力分別輸送給高壓水泵和真空泵，需在主輸出軸中間安插分動(dòng)箱，分別為左右兩側(cè)的高壓水泵和真空泵提供動(dòng)力，左右兩側(cè)動(dòng)力可單獨(dú)輸出，亦可同時(shí)輸出。由于傳動(dòng)軸工作時(shí)震動(dòng)大，容易損壞工作部件，需將分動(dòng)箱輸出的動(dòng)力先經(jīng)過軸承座（6或9），再由軸承座通過傳動(dòng)皮帶（5或10）傳遞給高壓水泵和真空泵，這樣可以減少甚至避免傳動(dòng)軸的震動(dòng)給泵體帶來的損壞。

圖3 真空泵抽吸污水示意圖

高壓水泵和真空泵選型時(shí)，需根據(jù)底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線特性，選擇合適功率的機(jī)型。其原則是，在某一轉(zhuǎn)速下，高壓水泵和真空泵同時(shí)運(yùn)行的最大總功率不大于底盤發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，用公式表達(dá)如下。

當(dāng)高壓水泵和真空泵轉(zhuǎn)速分別為ns和nz時(shí)，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為nd：

式中，Pns為 高壓水泵在額定轉(zhuǎn)速ns下維持最高水壓輸出的功率；Pnz為 真空泵在額定轉(zhuǎn)速下nz維持罐體最大負(fù)壓的功率；Pnd為底盤發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)定轉(zhuǎn)速nd下 的輸出功率。

2. 整體結(jié)構(gòu)方案研究

由于下水道疏通清洗設(shè)備在疏通清洗時(shí)需要耗費(fèi)大量的清水，并且需要較大的空間來存放淤積物，罐體都會(huì)比較大，因此筆者選用較大噸位的二類底盤進(jìn)行改裝。

圖4為下水道疏通清洗設(shè)備簡(jiǎn)圖，污水罐采用卷圓罐體配合蝶形封頭進(jìn)行制作，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀大方、質(zhì)量輕以及承壓性好等優(yōu)點(diǎn)，后門也相應(yīng)地采用蝶形封頭的形式，整個(gè)罐體需設(shè)計(jì)成可傾翻式，方便傾倒污水和垃圾；車輛兩邊空間用于放置清水箱，也可將清水箱設(shè)置在污水罐前部，成為污水罐一部分，但這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是：傾倒垃圾時(shí)需將清水箱一同舉起，當(dāng)舉至高位時(shí)，下面的水管軟管連接處往往受不了高水壓而出現(xiàn)爆裂漏水等情況，因此筆者將清水箱與污水罐分開放置；圖中的吸污吊臂可進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)、伸縮和升降，這樣的目的是為了更加方便準(zhǔn)確地將吸污管放入下水道中，能夠更好地配合疏通絞盤進(jìn)行下水道的疏通清洗工作；為了適應(yīng)道路情況和下水井在路中間的位置，后門是疏通絞盤的理想位置，同時(shí)又可與吸污管進(jìn)行配合，同時(shí)工作。

下水道疏通清洗設(shè)備在實(shí)際使用過程中，較為影響用戶體驗(yàn)的是單罐水的可持續(xù)作業(yè)時(shí)間，可持續(xù)使用時(shí)間長(zhǎng)可以減少加水頻次，提高實(shí)際工作效率，可持續(xù)作業(yè)時(shí)間可按如下公式計(jì)算：式中,T為單罐水的可持續(xù)作業(yè)時(shí)間，min；V為罐體有效容積，m3；Q為噴嘴噴射流量，L/min；P為額定工作壓力，Pa（壓力值不變）；n為噴嘴指數(shù)，不同噴霧形狀有不同的指數(shù)，通常為0.5。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)設(shè)計(jì)和大量的可靠性試

圖4 整體結(jié)構(gòu)布局示意圖

驗(yàn)，筆者按此思路研制的下水道疏通清洗設(shè)備（車）順利投入小批生產(chǎn)，并陸續(xù)銷往浙江、山西、重慶和新疆等地，在實(shí)際的下水道疏通清洗作業(yè)中效果良好，也為后續(xù)設(shè)計(jì)系列下水道疏通清洗設(shè)備提供了一定的參考依據(jù)。當(dāng)然，目前該設(shè)備的研究主要針對(duì)下水道的疏通清洗，而對(duì)于疏通后的管道內(nèi)的固體沉積物采用抽吸的辦法，抽吸物中水分的含量較高，約占70%～80%，在固體沉積物較多的情況下就會(huì)造成車輛的排污頻次加大，抽吸效率較低，后續(xù)研究方向?qū)⒒诖藛栴}進(jìn)行不斷改進(jìn)優(yōu)化。