牵引式排水管道清淤机器人的研究

第36卷第11期2014-11(上)【57】收稿日期：2014-07-06作者简介：李成群（1963-），男，河北唐山人，副教授，博士，研究方向为机电一体化。牵引式排水管道清淤机器人的研究Theresearchontractionsewerdredgingrobot李成群1，马利平1，路春光1，李华明2LICheng-qun1，MALi-ping1，LUChun-guang1，LIHua-ming2（1.河北联合大学机械工程学院，唐山063009；2.承德钢铁集团有限公司，承德067002）摘要：研究了一种新型排水管道清淤机器人，对其组成及工作原理做了论述，以及对基于PLC的软、硬件控制做了详细介绍。用钢丝绳牵引装置带动清淤车体连同清淤斗完成有载清淤作业，保证清淤作业有足够的牵引力。通过清淤机器人本体自带动力源带动清淤斗在管道内部空载运动，代替了传统清淤机器人沉重的有缆作业。通过监控系统适时监控管道内部清淤作业状况，采用无线通讯方式传输数据，根据作业要求完成对清淤动作的控制。关键词：清淤机器人；清淤；控制；PLC中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1009-0134(2014)11(上)-0057-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.11(上).150引言在我国，城市排水管道大多埋于地下，由于居民生活垃圾、工厂废物、基建工地泥浆等在排水管道中发生沉淀，淤积过多造成了管道堵塞，污水溢流，小则影响居民日常生活，严重时会打乱整个城市的正常生活节奏，因此必须对其及时进行清理和疏通。目前，城市排水管道清淤主要采用的方法是：绞车清淤、高压水清淤、冲刷清淤、清淤球清淤和通沟机清淤等。其中绞车清淤和高压水清淤在我国最为常用。高压水清淤需用饮用水质的干净水，所以成本很高，而且这种清淤方法对于管径还有一定的限制。绞车清淤相对于高压水清淤来说成本低，对于管径无特定限制，但是需要人工来完成穿缆作业，井下的工作环境非常恶劣，给工人工作带来极大不便，危害工人的健康，甚至危及工人的生命[1]。所以为了改善传统清淤作业的工作环境，减轻工人的劳动强度，提高清淤作业的自动化水平，介绍了一种牵引式城市排水管道清淤机器人，此机器人采用一种新型机械结构和控制系统,为其更有效地完成排水管道的清淤工作提供了解决方案。1清淤机器人结构及工作原理牵引式排水管道清淤机器人主要由清淤机器人本体、钢丝绳牵引装置、清淤斗、清淤斗举升翻转机构、监控系统和控制系统等部分组成，如图1所示。�����������������������1.清淤工程车；2.控制柜；3.钢丝绳牵引装置；4.牵引钢丝绳支架；5.排水管道；6.牵引钢丝绳；7.清淤斗；8.电动缸；9.清淤斗轮；10.连杆；11.摄像头；12.轴承座；13.减速器；14.电机；15.车轮；16.车体图1城市排水管道清淤系统结构图1）为保证清淤机器人清淤作业行程和灵活性，此清淤机器人车体，底部设有车轮，以自携的蓄电池作为动力源，采用电机驱动车轮的运动方式，带动清淤斗和牵引钢丝绳一起向远离窨井井口的方向运动至计划清淤的位置。2）考虑到排水管道为圆柱状，为了与排水管道内壁的圆形轮廓相吻合，清淤机器人车体的车轮制成具有一定弧度的形状。车轮的材料采用耐磨、耐腐蚀的橡胶，并在轮子的表面制有凹凸花纹[2]，以达到增加车轮与管壁间接触摩擦系数的目的，以此防止清淤作业过程中的打滑现象。3）清淤机器人在管道内部清淤作业需要有足够的牵引力，为此设计了钢丝绳牵引装置，牵引钢丝绳的一端和清淤机器人车体连接，另一端通过牵引钢丝绳支架的过渡和安装于工程车里的牵引钢丝绳电机连接；用于拖拽清淤机器人车体连同清淤斗向靠近窨井井口的方向运动，在运动过程将淤泥收入清淤斗内，完成清淤作业。【58】第36卷第11期2014-11(上)4）受到排水管道形状的限制，清淤斗整体形状为横向放置的筒体，一端封闭为斗底，另一端为开口，开口的上半部为半圆形缺口，开口的下部为圆弧状坡口，清淤斗靠近管道内壁；清淤斗底部装有清淤斗轮，便于清淤作业时清淤斗在管道内部行走。5）此清淤机器人采用了清淤斗举升翻转机构，工作原理为：通过清淤机器人车体上的电机带动传动轴运动，进而带动连杆翻转（转过一定角度），传动轴通过轴承底座设置在清淤机器人车体上；电动缸两端分别和清淤斗、连杆铰接，通过电动缸伸缩杆的伸长和缩短使清淤斗进一步翻转；此机构的作用是清淤作业开始前，将清淤斗调整，使清淤斗开口位于和管道内壁相切的位置，以便清淤，清淤结束后将清淤斗举升并翻转，避免清淤斗内淤泥外泄。6）清淤作业过程中要求机器人在存有污水和污泥的排水管道内部行走，这就要求机器人具备良好的密封性，所以此清淤机器人采用动静结合的密封方式，即对于清淤车体的密封采用密封垫片进行静密封，对于输出轴处的密封