基于平行四边形机构的牵引式土壤修复装置设计.pdf
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1、南方论坛142023 年 10 月下South Forum基于平行四边形机构的牵引式土壤修复装置设计*潘四普,达雨轩,余靖涵,吴伟吉(南京工业职业技术大学交通工程学院,江苏 南京 210023)摘要:【目的】现有土壤修复装置以固定式修复为主、自走式修复为辅,固定式修复装置需要在某一固定地点作业,待修复完成后才可转移至下一地点,因此修复效率低。【方法】课题组提出了一种基于平行四边形机构的牵引式土壤修复装置,由偏心盘、连接板、驱动盘和定位盘构成平行四边形机构,牵引机构提供前进动力。同时分析了该装置总体设计及关键部件设计,包括输送系统、偏心系统、注射系统、常开轴系统、常闭轴系统等,并阐述了该修复装置
2、工作过程。【结果】在常开轴系统和常闭轴系统的配合工作下,该修复装置在牵引前进的同时,注射针始终与地面保持垂直,修复药液间歇式被注入土壤中。【结论】该装置既保证了修复作业效率,又避免了注射针入土时承受弯矩而影响使用寿命,应用前景广阔。关键词:土壤修复;平行四边形机构;常开轴系统;常闭轴系统中图分类号:S22;X53 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.20.0040 引言近年来,我国土壤污染防治形势严峻1-2。截至2021 年,历时4年完成的土壤污染状况详查基本摸清了全国农用地和企业用地土壤污染状况及潜在风险的底数。“十四五”土壤、地下水和农村生态
3、环境保护规划 指出,我国生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力总体上尚未根本缓解,以重化工为主的产业结构尚未根本改变,部分污染物排放总量仍处于高位。土壤、地下水和农业农村污染防治与美丽中国目标要求还有不小差距,到2035年实现土壤和地下水环境质量稳中向好的目标任务异常艰巨。以工业土地污染为例,常见的有机物污染物比如DNAPL、PAHs等,因其具有高迁移性和高毒性,所以给人类健康和生态环境带来了严重威胁3-4。随着 中华人民共和国土壤污染防治法 的实施,土壤修复行业管理及技术支撑体系不断完善5。目前,污染场地修复技术主要包括异位修复和原位修复两种技术。其中,原位化学修复方法具有修复效果彻底、修复
4、周期短、对场地扰动小等优点,其还可同时处理多种污染物,且易于控制二次污染,近年来在污染土地修复中得到较多应用6。郑瑾等7-8设计了一种污染场地原位修复注入设备,该设备最大试验压力5.5 MPa,最大流量60 L/min,累计运行150 h,取得了良好的修复效果。冯超9设计了双管导向钻多分支水平井的原位喷射注入修复工艺,结果表明,靶距在20 mm30 mm之间可以得到较大的压力峰值与幅度。万杏波等10设计了一种污染土壤修复试验装置,通过检测土壤凝结程度以提高土壤淋洗剂的利用效率。现有土壤修复装置以固定式为主、自走式为辅,固定式修复装置需要在某一固定地点作业,待修复完成后才可转移至下一地点,因此修
5、复效率低。本文设计了一种牵引式土壤修复装置,在前进的同时向土壤中注入修复药液,大大提高了修复工作效率。1 总体设计及工作原理牵引式土壤修复装置由输送系统、偏心系统、注射系统组成,总体结构如图1所示。输送系统由连架杆、常开轴系统、连接管组成,结构如图2所示。连架杆起连接作用,将装置总体与牵引机构连接,在牵引机构的牵引下向前运动。常开轴系统和连接管起输送、分配药液的作用。偏心系统由驱动盘、偏心盘、定位盘、第一销轴、连接板、第二销轴、法兰、滚轮组成,结构如图3所示。定位盘上开有一大圆孔,常开轴系统从中穿过,通过肋板与常开轴系统固定连接,定位盘外围装有3组滚轮,偏心盘中心开有一圆孔,通过圆孔嵌套在滚轮
6、上,可以绕滚轮转动。偏心盘圆周均布有8个通孔,第一销轴从通孔穿过,偏心盘与第一销轴在通孔处构成转动副,法兰与第二销轴固定连接。驱动盘圆周均布有8个通孔,第二销轴从通孔穿过,驱动盘与第二销轴在通孔处构成转动副;驱动盘底部与地面接触,通过牵引设备牵引前进与地面产生摩擦力从而转动,驱动偏心盘旋转。连接板开有两个圆孔,第一销基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究面上项目(22KJB210014);南京工业职业技术大学引进人才科研启动基金项目(YK-19-04-03)作者简介:潘四普(1990),男,江苏新沂人,博士研究生,讲师,研究方向为土壤消毒与修复技术。2023 年 10 月下南方论坛1
7、5South Forum轴和第二销轴分别穿过两个圆孔,并在圆孔处分别构成一个转动副。注射系统由常闭轴系统、注射针、注射针头组成,结构如图 4 所示。常闭轴系统从连接管接收药液,通过中空的注射针输送到土壤中,完成修复作业。1.输送系统;2.偏心系统;3.注射系统。图1牵引式土壤修复装置总体结构1.连架杆;2.常开轴系统;3.连接管。图2输送系统结构1.驱动盘;2.偏心盘;3.定位盘;4.第一销轴;5.连接板;6.第二销轴;7.法兰;8.滚轮。图3偏心系统结构定位盘上3组滚轮的回转中心位于同一个圆上,且该圆圆心位于大圆孔的正上方,两圆圆心距为L1,即偏心盘的圆心与常开轴系统的圆心的距离为 L1,结
8、构尺寸如图5所示。连接板上两个圆孔的圆心距同样为L1,且安装时保证竖直安装。因此,驱动盘、偏心盘、定位盘、连接板构成平行四边形机构,平行四边形机构的四条边分别为:1)图5所示定位盘上的圆心距L1,可以看成机架;2)偏心盘;3)连接板,长度同样为L1且与图5的L1平行;4)驱动盘。平行四边形机构工作时,可以保证连接板始终竖直向下,从而注射针也始终垂直于地面。1.常闭轴系统;2.注射针;3.注射针头。图4注射系统结构1.驱动盘;2.滚轮;3.定位盘。图5偏心盘结构尺寸图2 关键部件设计2.1 常开轴系统常开轴系统主要由左端盖、第一 O 型圈、左轴承、左轴套、第二O型圈、第三O型圈、进液口、第四O型
9、圈、第五O型圈、右轴套、右轴承、第六O型圈、密封塞、旋转轴、右端盖、右挡圈、轴筒、左挡圈组成,结构如图6所示。旋转轴开有一盲孔,靠近盲孔底端开有若干通孔,通孔与轴筒内部相通,土壤修复药液可以沿着进液口流进旋转轴内部,旋转轴盲孔另一端也开有若干通孔,土壤修复药液可以沿该通孔流出,进入连接管,旋转轴盲孔开口处用密封塞密封。常开轴系统的主要作用是从进液口接收药液,在南方论坛162023 年 10 月下South Forum保证旋转轴与轴筒既相对转动又相互密封的条件下,将药液从中空的旋转轴输送出去。相对转动由左轴承和右轴承来实现,两个轴承与旋转轴通过端盖、挡圈以及轴肩进行轴向定位,密封主要通过4个O型
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