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摘 要：本文设计了一种螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备，该设备采用螺旋铰龙对淤泥进行切割和输送。文中介绍了螺旋挖掘式淤泥清理设备的结构组成、工作原理，并且对主要构件螺旋铰龙进行了受力分析，给出了该装置设计的力学依据。
关键词：淤泥清理方法;螺旋铰龙;螺旋挖掘与输送
引言
在我们日常生活和生产过程中有许多需要清理淤泥的场合，像河道、港口、化粪池、沉淀池、水库等等，如图1所示。
目前对淤泥的清理方式主要有人工清理，挖掘机清理以及铰吸式清理等。人工清理劳动强度大，工作环境恶劣，生产效率低。挖掘机清理只适应于工作场地大，作业量大的场合，在对水下淤泥挖掘时，一部分淤泥会在上升过程中被水冲刷流回原处，因此清淤效率低。[1]
铰吸式清理的基本原理如图2所示，是通过搅拌装置将淤泥与水搅拌成泥浆，然后用泥浆泵吸出，用排水管道将泥浆输送到岸边的沉淀场地，通过沉淀使泥水分离。
铰吸式清理适用于有大量水源的河道、港口、池塘等，这种方法柔性好、适应性广。缺点是吸出的泥浆需要沉淀滤出水份后才能装车运走，需要较大的沉淀场地，会造成环境污染;另外在铰吸过程中吸出的多数是水，少数是泥，因此消耗了大量的无用功，浪费能源，增大了清淤的成本，清淤效率较低。[2]
1 螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备的结构及工作原理
基于前面各种清淤方法的分析，我们设计了一种螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备，该设备的结构见图3。
图中立式电动机2与摆线针轮减速机3的输入轴连接，摆线针轮减速机3的输出轴与螺旋铰龙轴10连接，带动螺旋铰龙轴旋转，螺旋铰龙轴上端通过两个向心推力轴承固定在轴承座管8内，铰龙外套管14通过法兰盘11与轴承座管连接，输送管道1通过法兰盘13连接到铰龙外套管的出口。铰龙外套管的直径D以及螺旋铰龙轴上的螺旋叶片的螺距L，可以根据挖掘泥土的效率要求在设计时进行调整。
螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备的工作过程如下：利用其他施力装置对铰龙轴外套管施加轴向压力，使铰龙轴外套管入口端切入淤泥中，外套管内的淤泥被切离于其他淤泥，驱动装置带动螺旋铰龙轴转动，铰龙轴上的螺旋叶片切割并推动管内泥土向上移动，再通过输送管道将泥土输送到需要的地方，完成泥土的挖掘与输送。当铰龙外套管深入到淤泥底层坚硬部分而不能继续下降时，由施力装置将其提升至泥土表面，横向移动一个铰龙外套管直径距离，然后再重复前述过程，直至淤泥挖净为止。[3]
对于化粪池、沉淀池等深度比较浅的淤泥清理场合，运用一节图3所示的螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备既可以满足使用需要。但是如港口、水库等具有较深水面或者较远距离的淤泥挖掘与输送场合，一节螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备难以满足使用需要，此时可以采用多节衔接接力传送的方法，如图5所示。
其中第一节螺旋输送式淤泥清理设备与前述作用相同，即有挖掘功能也有输送功能，第二节及以后的各节螺旋输送式淤泥清理设备仅起输送作用。也即第二节及以后的各节螺旋输送式淤泥清理设备的入口通过法兰盘与前一级螺旋输送式淤泥清理设备的出口相连接，将前一级螺旋输送式淤泥清理设备输送过来的淤泥继续向后输送，直至将淤泥输送到运输车中。
2 受力分析與设计要点
对螺旋输送式淤泥清理设备进行受力分析，有助于弄清楚该设备的工作原理，为合理设计该设备提供理论依据。我们以处于螺旋叶面上的淤泥为研究对象分析其受力情况，其受力如图5所示。
图中G为淤泥的重力，该重力可以分解为垂直压向螺旋叶片表面的分力N和平行于螺旋叶片表面的分力F，N’是螺旋叶片对淤泥的支反力，并且N’= N。从图中看出分力N和分力F的大小与螺旋叶片的螺旋升角α有关，α增大，则分力F增大，分力N减小。力P是驱动螺旋铰龙轴转动的力矩M除以转动半径r得到的力，即P=M/r，力P的作用线与螺旋表面受力点转动的圆形轨迹相切，方向与螺旋表面转动的旋向一致，力P与力N?的合力R是推动物料上升的动力。
根据上述受力分析可知设计要点如下：
由于力R与力N?的大小有关，力N?越大则力R越大，而力N?与螺旋升角α成反比，α增大，则分力N?减小，综合考虑提升速度和提升力的关系，角α一般在150--250为宜。
当螺旋铰龙轴转速较高时，淤泥的离心力比较大，与铰龙外套管之间的摩擦力也会增大，不利于淤泥的向上输送，同时还有被铰成泥浆的可能，而泥浆是不能被立式螺旋输送的，因此，螺旋铰龙轴的转速一般在60r/min--90r/min为宜。
为了防止铰龙叶片与铰龙外套管的内壁接触产生摩擦而影响转动，二者之间的间隙为1mm--2mm之间为宜。
结论：与现有的淤泥清理方式相比，螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备具有明显的优点：
1）清淤效率高，节能效果显著;因为螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备挖掘和输送的过程中只有淤泥没有水，与铰吸式清理相比，节省了搅拌过程以及大量吸水所消耗的无用功能量。与挖掘机挖掘相比，节省了挖掘机往返的空行程和被水冲刷掉淤泥所消耗的无用功能量。
2） 操作简便，操作空间小，且不污染环境;螺旋输送式淤泥清理设备工作时只是在淤泥中上下移动进行挖掘，没有大范围移动或廻转，因此操作空间小，操作简便，除了应用于港口、河道、水库等，还可以广泛适用于各种化粪池、沉淀池等空间范围狭小场合的淤泥清理工作。另外输出的泥土可以直接装车，不需要沉淀过滤等，因此不污染环境。[4]
3）设备结构简单，成本低廉，易于推广应用。
总之，螺旋挖掘与输送式淤泥清理是一种新型淤泥清理设备与方法，具有前述各种淤泥清理方法不具备的优点，值得推广应用。
参考文献：
[1]申长璞，李永祥，王明旭，国内外城市河道淤泥清理设备发展现状的探讨[J]现代制造技术与装备，2015第六期。
[2]王经超，河道清淤施工方式与工况条件分析，工程管理，2020年3月。
[3]金守宽， 螺旋输送式化粪池清理装置及化粪池清理方法，ZL201610075011.5，2018年02月06日。
[4]王秉飞，煤矿水仓清理机器人的设计，机械管理开发，2020年第九期
作者简介：
李小林，（1999年10月），男，汉族，浙江省绍兴市），本科，学生，机械设计制造及自动化
通讯作者：金守宽（1955年1月），男，汉族，籍贯 辽宁省本溪市，硕士研究生，副教授，机械设计制造及自动化，指导教师。
关键词：淤泥清理方法;螺旋铰龙;螺旋挖掘与输送
引言
在我们日常生活和生产过程中有许多需要清理淤泥的场合，像河道、港口、化粪池、沉淀池、水库等等，如图1所示。
目前对淤泥的清理方式主要有人工清理，挖掘机清理以及铰吸式清理等。人工清理劳动强度大，工作环境恶劣，生产效率低。挖掘机清理只适应于工作场地大，作业量大的场合，在对水下淤泥挖掘时，一部分淤泥会在上升过程中被水冲刷流回原处，因此清淤效率低。[1]
铰吸式清理的基本原理如图2所示，是通过搅拌装置将淤泥与水搅拌成泥浆，然后用泥浆泵吸出，用排水管道将泥浆输送到岸边的沉淀场地，通过沉淀使泥水分离。
铰吸式清理适用于有大量水源的河道、港口、池塘等，这种方法柔性好、适应性广。缺点是吸出的泥浆需要沉淀滤出水份后才能装车运走，需要较大的沉淀场地，会造成环境污染;另外在铰吸过程中吸出的多数是水，少数是泥，因此消耗了大量的无用功，浪费能源，增大了清淤的成本，清淤效率较低。[2]
1 螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备的结构及工作原理
基于前面各种清淤方法的分析，我们设计了一种螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备，该设备的结构见图3。
图中立式电动机2与摆线针轮减速机3的输入轴连接，摆线针轮减速机3的输出轴与螺旋铰龙轴10连接，带动螺旋铰龙轴旋转，螺旋铰龙轴上端通过两个向心推力轴承固定在轴承座管8内，铰龙外套管14通过法兰盘11与轴承座管连接，输送管道1通过法兰盘13连接到铰龙外套管的出口。铰龙外套管的直径D以及螺旋铰龙轴上的螺旋叶片的螺距L，可以根据挖掘泥土的效率要求在设计时进行调整。
螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备的工作过程如下：利用其他施力装置对铰龙轴外套管施加轴向压力，使铰龙轴外套管入口端切入淤泥中，外套管内的淤泥被切离于其他淤泥，驱动装置带动螺旋铰龙轴转动，铰龙轴上的螺旋叶片切割并推动管内泥土向上移动，再通过输送管道将泥土输送到需要的地方，完成泥土的挖掘与输送。当铰龙外套管深入到淤泥底层坚硬部分而不能继续下降时，由施力装置将其提升至泥土表面，横向移动一个铰龙外套管直径距离，然后再重复前述过程，直至淤泥挖净为止。[3]
对于化粪池、沉淀池等深度比较浅的淤泥清理场合，运用一节图3所示的螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备既可以满足使用需要。但是如港口、水库等具有较深水面或者较远距离的淤泥挖掘与输送场合，一节螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备难以满足使用需要，此时可以采用多节衔接接力传送的方法，如图5所示。
其中第一节螺旋输送式淤泥清理设备与前述作用相同，即有挖掘功能也有输送功能，第二节及以后的各节螺旋输送式淤泥清理设备仅起输送作用。也即第二节及以后的各节螺旋输送式淤泥清理设备的入口通过法兰盘与前一级螺旋输送式淤泥清理设备的出口相连接，将前一级螺旋输送式淤泥清理设备输送过来的淤泥继续向后输送，直至将淤泥输送到运输车中。
2 受力分析與设计要点
对螺旋输送式淤泥清理设备进行受力分析，有助于弄清楚该设备的工作原理，为合理设计该设备提供理论依据。我们以处于螺旋叶面上的淤泥为研究对象分析其受力情况，其受力如图5所示。
图中G为淤泥的重力，该重力可以分解为垂直压向螺旋叶片表面的分力N和平行于螺旋叶片表面的分力F，N’是螺旋叶片对淤泥的支反力，并且N’= N。从图中看出分力N和分力F的大小与螺旋叶片的螺旋升角α有关，α增大，则分力F增大，分力N减小。力P是驱动螺旋铰龙轴转动的力矩M除以转动半径r得到的力，即P=M/r，力P的作用线与螺旋表面受力点转动的圆形轨迹相切，方向与螺旋表面转动的旋向一致，力P与力N?的合力R是推动物料上升的动力。
根据上述受力分析可知设计要点如下：
由于力R与力N?的大小有关，力N?越大则力R越大，而力N?与螺旋升角α成反比，α增大，则分力N?减小，综合考虑提升速度和提升力的关系，角α一般在150--250为宜。
当螺旋铰龙轴转速较高时，淤泥的离心力比较大，与铰龙外套管之间的摩擦力也会增大，不利于淤泥的向上输送，同时还有被铰成泥浆的可能，而泥浆是不能被立式螺旋输送的，因此，螺旋铰龙轴的转速一般在60r/min--90r/min为宜。
为了防止铰龙叶片与铰龙外套管的内壁接触产生摩擦而影响转动，二者之间的间隙为1mm--2mm之间为宜。
结论：与现有的淤泥清理方式相比，螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备具有明显的优点：
1）清淤效率高，节能效果显著;因为螺旋挖掘与输送式淤泥清理设备挖掘和输送的过程中只有淤泥没有水，与铰吸式清理相比，节省了搅拌过程以及大量吸水所消耗的无用功能量。与挖掘机挖掘相比，节省了挖掘机往返的空行程和被水冲刷掉淤泥所消耗的无用功能量。
2） 操作简便，操作空间小，且不污染环境;螺旋输送式淤泥清理设备工作时只是在淤泥中上下移动进行挖掘，没有大范围移动或廻转，因此操作空间小，操作简便，除了应用于港口、河道、水库等，还可以广泛适用于各种化粪池、沉淀池等空间范围狭小场合的淤泥清理工作。另外输出的泥土可以直接装车，不需要沉淀过滤等，因此不污染环境。[4]
3）设备结构简单，成本低廉，易于推广应用。
总之，螺旋挖掘与输送式淤泥清理是一种新型淤泥清理设备与方法，具有前述各种淤泥清理方法不具备的优点，值得推广应用。
参考文献：
[1]申长璞，李永祥，王明旭，国内外城市河道淤泥清理设备发展现状的探讨[J]现代制造技术与装备，2015第六期。
[2]王经超，河道清淤施工方式与工况条件分析，工程管理，2020年3月。
[3]金守宽， 螺旋输送式化粪池清理装置及化粪池清理方法，ZL201610075011.5，2018年02月06日。
[4]王秉飞，煤矿水仓清理机器人的设计，机械管理开发，2020年第九期
作者简介：
李小林，（1999年10月），男，汉族，浙江省绍兴市），本科，学生，机械设计制造及自动化
通讯作者：金守宽（1955年1月），男，汉族，籍贯 辽宁省本溪市，硕士研究生，副教授，机械设计制造及自动化，指导教师。