摘要：設(shè)計(jì)研究了一種真空挖掘抽吸車，該車具有土壤的開(kāi)挖、真空抽吸以及物料的運(yùn)輸、裝卸等功能，主要通過(guò)旋挖頭、水力和氣力設(shè)備對(duì)地面進(jìn)行挖掘，在離心真空泵的作用下抽吸管隨臂架運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍物料抽吸，物料在料箱內(nèi)分離沉淀，由此實(shí)現(xiàn)真空挖掘抽吸功能。

關(guān)鍵詞：真空挖掘；挖掘抽吸車；離心真空泵

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2024-06-27

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.014

1 前言

伴隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下開(kāi)挖的市政工程越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。這些開(kāi)挖工作一方面要避免破壞地下管網(wǎng)，另一方面還需要避免開(kāi)挖工程產(chǎn)生的揚(yáng)塵污染，這對(duì)現(xiàn)有施工機(jī)械提出了很高的要求［1］。新型的真空挖掘抽吸車?yán)每諝鈩?dòng)力抽吸把土從地面抽吸上來(lái)，實(shí)現(xiàn)土壤、砂石、粉粒等物料的挖掘，對(duì)市政非破壞施工具有極高的應(yīng)用價(jià)值［2］。

隨著我國(guó)城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市新管線鋪設(shè)和老管線改造工作正在同時(shí)進(jìn)行，政府對(duì)環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越重視，頒布了很多相關(guān)政策以保障在施工工程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生破壞，在這種大環(huán)境下，真空挖掘技術(shù)及設(shè)備在我國(guó)有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和前景?；谝陨弦蛩?，本文研究一種適用于市政工程等場(chǎng)合使用的真空挖掘抽吸車。

2 總體要求

本真空挖掘抽吸車適用于市政工程修建及維護(hù)、軌道工程維護(hù)、自然災(zāi)害救援及災(zāi)后清理、建筑物內(nèi)外及屋頂清理、隧道清理等場(chǎng)合方面。真空挖掘抽吸車集成液壓驅(qū)動(dòng)、真空抽吸、過(guò)濾裝置、折疊臂架、水切割、氣力挖掘等系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)土壤的開(kāi)挖、抽吸以及物料的運(yùn)輸、裝卸等功能，真空挖掘抽吸車工作狀態(tài)如圖1所示。

真空挖掘抽吸車采用單車結(jié)構(gòu)，料箱有效容積6 m3，水切割系統(tǒng)壓力大于25 MPa，氣動(dòng)破碎系統(tǒng)壓力0.7 MPa；最大真空度27.5 kPa，抽吸管通徑200 mm，抽吸水平距離大于60 m，臂架最大作業(yè)半徑6.2 m，臂架作業(yè)高度不小于-3～8.5 m；單人操作整車展開(kāi)/撤收時(shí)間小于10 min。

3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案擬采用國(guó)Ⅵ底盤(pán)配置可側(cè)翻的4.2 m廂體，車廂頂部設(shè)置可翻轉(zhuǎn)上蓋，形成封閉空間；在附車架末端的折疊臂架上設(shè)置旋挖頭和連接上蓋的抽吸管道，底盤(pán)末端配置風(fēng)鎬、高壓水槍，實(shí)現(xiàn)土壤的挖掘；真空泵工作時(shí)，車廂內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓將土壤等物料沿抽吸管道吸入料箱，物料經(jīng)過(guò)重力分離沉淀在料箱內(nèi)部。這里擬采用五十鈴QL5440TZZW6VDHY二類底盤(pán)，最大總質(zhì)量31 000 kg，采用6WG1-TCG61五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)，功率338 kW，軸距2 100 mm+4 325 mm+1 370 mm，車輛底盤(pán)為作業(yè)上裝提供動(dòng)力。

整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮兩個(gè)方面：a.應(yīng)能滿足車輛的功能需求；b.滿足國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求。功能上，該車最大的空間需求為料箱，料箱的大小直接關(guān)系到車輛的持續(xù)作業(yè)能力，需結(jié)合整車總質(zhì)量的要求設(shè)計(jì)。為減小環(huán)境對(duì)挖掘作業(yè)范圍的限制，折疊臂架設(shè)置在車架末端，便于在水平180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)及上下俯仰，料箱布置在折疊臂架的前方，水箱布置在駕駛室后方，離心風(fēng)機(jī)布置在水箱與料箱之間。車輛的外廓尺寸、總質(zhì)量以及前后軸荷應(yīng)分別符合GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制》的相關(guān)要求，前后軸荷的校核在建立好模型的情況下，可按以下方法進(jìn)行：

a.采用在地磅上稱重的方式，得出底盤(pán)的前后軸荷，分別為M底前和M底后。

b.采用三維模擬的方式，得出上裝在前后軸的重量分布，分別為M上裝前和M上裝后。

c.采用三維模擬的方式，得出清水、物料在前后軸的重量分布，分別為M清水前、M清水后和M物料前、M物料后。

d.分別求出前后軸荷：前軸荷=M底前+M上裝前+M清水前+M物料前，后軸荷=M底后+M上裝后+M清水后+M物料后，應(yīng)能滿足GB 1589—2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制》的相關(guān)要求，并能同時(shí)滿足底盤(pán)的軸荷要求。

3.1 料箱及上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從車尾看料箱的截面呈直角梯形形狀，前隔板、后隔板將料箱分隔為前倉(cāng)、主料倉(cāng)、后倉(cāng)三個(gè)倉(cāng)室。前倉(cāng)安裝的過(guò)濾系統(tǒng)可對(duì)細(xì)微物料進(jìn)行過(guò)濾，防止顆粒物進(jìn)入真空泵損傷葉片，設(shè)置的前擋板可快速改變氣體流速及流向；后隔板設(shè)置通風(fēng)柵格，起到主料倉(cāng)與后倉(cāng)的氣流聯(lián)通并過(guò)濾大塊物料的作用。料箱在油缸的作用下，可向左側(cè)最大翻轉(zhuǎn)50°，將物料卸出料箱。

上蓋主體為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面相應(yīng)位置設(shè)置蒙皮，形成了風(fēng)道，風(fēng)道聯(lián)通料箱的后倉(cāng)、前倉(cāng)以及真空泵的進(jìn)風(fēng)口；上蓋與料箱貼合處設(shè)置密封條，閉合時(shí)與料箱形成一定的密封，便于料箱形成負(fù)壓；上蓋后方設(shè)置有隔板，在上蓋閉合時(shí)處于主料箱的后倉(cāng)，后方右側(cè)的進(jìn)風(fēng)口與抽吸管鉸接；上蓋在上蓋油缸的作用下實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉。料箱與上蓋結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

挖掘抽吸車的工作時(shí)，挖掘頭、風(fēng)鎬、水切割系統(tǒng)等挖掘的物料，在離心風(fēng)機(jī)的作用下沿抽吸管道從上蓋進(jìn)風(fēng)口1進(jìn)入主料倉(cāng)，由于氣流的方向速度發(fā)生快速改變，具有很大動(dòng)能的固體顆粒脫離氣流而被分離出來(lái)，物料在重力作用下第一次以自由落體形式沉在主料倉(cāng)底部；氣流沿后隔板的通風(fēng)柵格進(jìn)入料箱后倉(cāng)，氣流和細(xì)物料撞擊上蓋檔板，細(xì)物料在重力作用下第二次沉在后倉(cāng)底部；氣流繞過(guò)上蓋隔板通過(guò)上蓋進(jìn)風(fēng)口2、上蓋風(fēng)道1、上蓋出風(fēng)口1進(jìn)入料斗前倉(cāng)，氣流和細(xì)物料撞擊前擋板，細(xì)物料在重力作用下形成第三次沉降；氣流繞過(guò)前擋板和前倉(cāng)的底部進(jìn)入過(guò)濾系統(tǒng)并通過(guò)上蓋風(fēng)道2、上蓋出風(fēng)口2進(jìn)入真空泵，最后經(jīng)過(guò)消音系統(tǒng)排出。真空挖掘抽吸車工作示意圖見(jiàn)圖3。

3.2 過(guò)濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

過(guò)濾系統(tǒng)由過(guò)濾組件、反吹管、脈沖氣包、管路和氣閥等組成。過(guò)濾組件由40個(gè)布帶和濾籠以陣列形式布置在料箱的左倉(cāng)形成精細(xì)過(guò)濾，濾袋和濾籠采用壓板壓緊，受到機(jī)械保護(hù)，防止在車廂側(cè)翻時(shí)掉落，可定期拆下清潔。

上蓋對(duì)應(yīng)濾袋的上方布?xì)鈮褐梅创倒?，脈沖氣包在空壓機(jī)的作用下儲(chǔ)蓄能量，可根據(jù)需要向反吹管釋放壓縮脈沖氣體對(duì)濾袋進(jìn)行自動(dòng)清潔。

3.3 折疊臂架設(shè)計(jì)

折疊臂架布置在附車架的尾部，臂架由旋轉(zhuǎn)臂、折疊臂、比例油缸接、管座等組成。液壓馬達(dá)通過(guò)法蘭式梅花彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)臂架臂在水平0～180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)；臂架展開(kāi)和折疊可控制4節(jié)比例油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，臂架的上方可以固定抽吸軟管，抽吸軟管兩端分別與接管座、上蓋進(jìn)風(fēng)口1連接；接管座前端設(shè)置回轉(zhuǎn)支撐及挖掘頭，挖掘頭在液壓回轉(zhuǎn)支撐驅(qū)動(dòng)下可旋轉(zhuǎn)挖掘地面。車輛行駛狀態(tài)時(shí)臂架收回折疊在車輛尾部成“口”字形。

3.4 真空抽吸系統(tǒng)

真空抽吸系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件是真空泵，動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)真空泵抽吸形成負(fù)壓，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，在真空挖掘車上常用的有羅茨真空泵、離心葉輪真空泵兩種。離心葉輪真空泵有更快的流速，更大的流量，有更高的挖掘效率，較低耗水量，價(jià)格較低；羅茨真空泵的特點(diǎn)是真空度高，流量相對(duì)較小，可以將泥漿型的材料抽吸到更遠(yuǎn)的距離，更有效地挖掘更重密度大的土壤（比如像黏土），為了提高抽吸效率需要消耗較多水，價(jià)格比較高。

真空泵選型要滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，本文選離心葉輪真空泵，選型德國(guó)DLK的CREML1-31-1250-S風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為21 000 m3/h，靜壓27 650 Pa，可滿足設(shè)計(jì)需求，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與靜壓、功率、效率關(guān)系見(jiàn)圖4。

通過(guò)管道接長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)不同距離及深度物料的真空抽吸，為避免被吸入管道的材料磨損真空泵，在真空泵的入風(fēng)口端設(shè)置了過(guò)濾系統(tǒng)。

3.5 水切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水切割系統(tǒng)主要由2 m3水箱、高壓水泵、高壓水槍、管路、閥等組成，高壓水槍與車輛后方的水管接口對(duì)接后即可使用。工作時(shí)高壓泵將水輸送至高壓水槍噴嘴，從高壓水槍噴嘴射出的高壓水流對(duì)土壤切成小塊足以裝進(jìn)抽吸軟管。為安全開(kāi)挖建議水切割最大壓力21 MPa、流量38 L/min。

在不同的土壤條件下，高壓水槍噴嘴的設(shè)計(jì)是非常重要的，在緊實(shí)的黏土或巖石土壤下 ，噴嘴上有一個(gè)或兩個(gè)孔的效果最好，在軟質(zhì)或砂質(zhì)土壤，噴嘴上有三個(gè)或四個(gè)效果最好。

3.6 氣力挖掘系統(tǒng)

氣力切割系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、風(fēng)鎬（吹氣槍、氣鏟）、氣管、絞盤(pán)、閥等組成，風(fēng)鎬、吹氣槍等與車后方的氣管接口對(duì)接后即可使用。工作時(shí)由空壓機(jī)將氣體輸送至氣鎬或吹氣槍，風(fēng)鎬用于破拆管線上方混凝土層、堅(jiān)硬石塊，打碎大石塊等，吹氣槍用于將塊狀土壤吹散以加快抽吸速度。研究時(shí)選額定壓力為0.7 MPa、轉(zhuǎn)速1 400 r/min、排量2.87 m3/h的空壓機(jī)，可滿足要求?？諌簷C(jī)同時(shí)為過(guò)濾系統(tǒng)提供自動(dòng)清潔的高壓氣體。

3.7 安全設(shè)計(jì)

挖掘抽吸車附車架的左側(cè)設(shè)置兩只液壓支腿，卸料時(shí)在支腿油缸的作用下支腿伸出支撐地面，提升車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性能。

挖掘抽吸車必須安裝一條可伸縮的接地電纜，在抽吸工況時(shí)接地電纜需要接地，以釋放在工作中積累的靜電。

根據(jù)需要可配置燃?xì)鈾z測(cè)裝置，用于連續(xù)測(cè)量進(jìn)氣系統(tǒng)和環(huán)境空氣中可燃?xì)怏w濃度（甲烷、丙烷等），達(dá)到一定程度觸發(fā)聲光警報(bào)，車輛停機(jī)防止安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究的真空挖掘抽吸車，采用旋挖頭、水力切割、氣力挖掘三種方式對(duì)地面進(jìn)行挖掘；折疊臂架實(shí)現(xiàn)地下、地面、地上不同高度及范圍物料的抽吸；料箱分倉(cāng)設(shè)計(jì)，不同倉(cāng)室有效分離抽吸入的物料；離心真空泵并配備過(guò)濾系統(tǒng)，提高真空抽吸系統(tǒng)壽命；接地裝置、燃?xì)馓綔y(cè)系統(tǒng)可有效防止燃?xì)庑孤┖髮?dǎo)致的燃爆事故，可為后續(xù)真空挖掘抽吸車的研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］胡業(yè)發(fā)，姚宇，黃向陽(yáng)，等.真空挖掘抽吸車CFRP葉輪的輕量化研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2019（7）：65-66.

［2］肖瑤，宋春生，黃向陽(yáng)，等.高速流場(chǎng)下非破壞挖掘抽吸車葉輪的應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.數(shù)字制造科學(xué)，2018（4）：22-25.

作者簡(jiǎn)介：

張峰，男，1983年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檠b備保障。