随着城镇化发展的脚步逐步加快,城市排水系统的安全性越来越受到重视,而排水管道作为城市基础设施建设中的重要一环,其排水畅通与否直接影响城市居民的出行安全和城市化发展。管道的定期清理是一种预防和解决管道堵塞淤积的有效手段。现有的管道清淤方法均存在缺陷,存在机械化和智能化程度不高、现有清淤设备适用性、稳定性不足等问题,本文提出一套轮-爪混合推进的管道清淤机器人设备方案,并对其清淤装置进行深入的研究。首先对城市排水系统和淤泥的流变特性进行分析,确定清淤工况,为管道清淤机器人清淤原理及其清淤装置的设计提供合理依据。提出新型清淤机器人设计方案,对清淤装置进行原理分析,该装置具有刮削—搅拌—过滤—推进的四位一体清淤能力,并应用SolidWorks软件建立机器人及其清淤装置三维模型;对清淤盘进行运动学和动力学正逆问题的研究。建立了运动学和动力学模型,并应用ADAMS软件进行仿真,得到扇形盘的运动曲线和受力曲线,验证其运动方式和运动规律满足清淤作业要求;动力学逆问题仿真为电机的选择提供依据。基于有限元理论,应用ANSYS Workbench软件,从三个方面对清淤盘的结构进行优化研究。首先,基于流固耦合的方法,研究扇形盘过滤筛网的开口问题。通过起动流速公式计算过滤网开口尺寸,设计两种不同方案的扇形盘;通过仿真获得流体的速度和压力分布图,并结合加工制造因素进行对比分析,确定可行方案。然后,以顺序优化的方法对清淤盘进行结构优化研究,在刚度、强度和模态频率满足许用范围的前提下,使清淤盘最大化地降低正面迎水率,较少了水的阻力。最后,应用参数优化的方法,在刚度和强度的约束条件下,对刮刀的许用载荷进行计算,研究了刮刀的刚性承载能力。基于ADAMS软件的动力学分析功能,对清淤装置中的自适应弹簧系统进行冲击与振动的研究。在工况允许的转速区间内,分别在不同的弹簧刚度和弹簧预压力的条件下进行仿真,提取滑块与螺塞的冲击曲线、弹簧的冲击曲线。获得了保证弹簧系统更稳定时清淤装置的最佳转速和弹簧刚度,为自适应弹簧系统的设计提供依据;为减少滑块与螺塞之间的刚性冲击,系统拟添加柔性缓冲元件,通过在高转速下基于弹簧预压力进行仿真,验证了该缓冲元件可极大减小冲击力和系统振动。为研究清淤装置在流体作用下的工作特性,对其进行流固耦合研究。首先,应用ANSYS Workbench软件的CFX模块对流固耦合的仿真条件进行设置,如设置了工况条件允许的最高和最低转速、流体的流速和前进速度等;然后,基于有限元方法,在顺流条件下进行流固单向耦合仿真,得到不同条件下流体基于速度和压力的运动状态示意图、清淤盘表面压力分布图,进行对比分析。结果表明:在工作转速区间内,清淤盘能达到预期的搅拌清淤效果,清淤盘具有过滤和推进的清淤作业能力,并为推进力的计算提供数据参考。