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）

0 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 mm～30 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。

图1 牵引式土壤修复装置总体结构

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。

图2 输送系统结构

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。

图3 偏心系统结构

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。

图4 注射系统结构

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。

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。

图6 常开轴系统结构

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型圈来实现，保证药液不泄露。

2.2 常闭轴系统

常闭轴系统主要由第一挡圈、第七O型圈、第八O型圈、紧定螺钉、第九O型圈、第二挡圈、第十O型圈、第三挡圈、释放轴、释放筒、通孔轴套、释放环、盲孔轴套等组成，结构如图7所示。

图7 常闭轴系统结构

根据装配顺序，通孔轴套右侧通过第三挡圈固定，左侧通过第二挡圈固定，与释放轴通过第十O型圈密封，释放环与释放轴通过紧定螺钉连接，并且由第八O型圈、第九O型圈密封，盲孔轴套左侧通过第一挡圈固定，右侧通过释放环固定；释放轴可以在释放筒内转动，释放轴右侧开有盲孔，靠近盲孔底端开有第一出液孔，释放环侧面开有第二出液孔，释放筒侧面开有第三出液孔；释放筒左端面均布螺纹孔，与法兰通过螺栓连接，在连接时，保证第三出液孔朝向地面；释放轴在释放筒中的安装角度各不相同，具体和与该释放筒连接的法兰的位置有关；连接管一端连接旋转轴，另一端连接释放轴；旋转轴盲孔另一端开有若干通孔，土壤修复药液可以沿该通孔流出，通过连接管流进释放轴。

3 修复装置工作过程

以1号注射系统为例，修复装置工作过程可分为四步，如图8所示。

图8 修复装置工作过程

1）当1号注射系统注射针头底部刚接触地面时，由于注射针通孔暴露在空气中，所以第二出液孔与第三出液孔未连通，如图8（a）所示。

2）当1号注射系统注射针通孔上边缘接触地面时，注射针通孔完全进入土壤内部，第二出液孔与第三出液孔开始连通，如图8（b）所示。

3）当1号注射系统注射针通孔上边缘离开地面时，注射针通孔开始暴露在空气中，第二出液孔与第三出液孔开始关闭，如图8（c）所示。

4）当1号注射系统注射针头离开地面时，注射针通孔暴露在空气中，第二出液孔与第三出液孔保持关闭状态，如图8（d）所示。

4 结论

本文设计了基于平行四边形机构的牵引式土壤修复装置，装置主要由输送系统、偏心系统、注射系统组成，在常开轴系统和常闭轴系统的配合工作下，保证装置整体在牵引前进的同时，注射针始终保持竖直向下，与地面始终呈垂直关系，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。