一種多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車的設(shè)計

陳 蘭 劉文星 鄭金松 胡 淼

（1.河南理工大學(xué) 鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，鶴壁 458030；2.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，鶴壁 458030）

城市化的快速發(fā)展，使得城市街道的面積越來越大，為環(huán)衛(wèi)清潔車的行業(yè)發(fā)展空間提供了助益，也對環(huán)衛(wèi)清潔車的高效快速工作提出了更高要求[1]。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2021》可知，環(huán)衛(wèi)清潔車要完成道路清掃、沖洗、灑水、除雪以及垃圾糞便清運等工作?？梢?，環(huán)衛(wèi)清潔車工作質(zhì)量的好壞及效率的高低，將直接影響整個城市的精神面貌。

近年來，隨著環(huán)保機(jī)械的發(fā)展趨勢不斷加快，很多學(xué)者加大對環(huán)衛(wèi)清潔車的研究力度。目前，清潔車主要可分為純掃式、純吸式以及吸掃混合式3種。白文娟提出建立一個“環(huán)衛(wèi)工人-環(huán)衛(wèi)保潔車-行人車輛-道路環(huán)境系統(tǒng)”的環(huán)境系統(tǒng)，由各個要素之間相互影響進(jìn)行清潔車的設(shè)計[2]。朱少軍提出基于包括安全因素、功能因素及其操作因素的人性化理念，為技術(shù)人員提供了一定參考[3]。買迪娜從使用者和周圍相關(guān)者兩種角度出發(fā)，提出真正滿足環(huán)衛(wèi)工人需求的清潔車設(shè)計方案[4]。王啟晨、高曉紅等人通過控制動力系統(tǒng)、清掃系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)清掃垃圾和傳輸垃圾的功能，通過灑水系統(tǒng)實現(xiàn)除塵，達(dá)到了節(jié)約人力資源的目的[5-6]。韓魯佳等人提出將收集的雜物進(jìn)行預(yù)壓，在預(yù)壓縮裝置中利用高壓作用將落葉制作成圓柱形，并利用快刀切成塊狀，實現(xiàn)了高效完成落葉清掃[7]。夏明愛發(fā)明了一種新型拖掛式道路清潔車，將動力機(jī)器與拖掛鉤連接帶動設(shè)備移動，通過拖掛執(zhí)行道路清潔功能，操作簡單且方便[8]。

本文解決了傳統(tǒng)清潔車清掃方式效率低下的問題，排除了天氣、路況等外界環(huán)境的影響，主要針對小區(qū)、學(xué)校、廣場及人為活動的場所，提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率，改善環(huán)衛(wèi)工人的工作環(huán)境，減少作業(yè)過程中揚塵給身體帶來的不利影響。

1 多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車的工作原理

研究設(shè)計的城市環(huán)衛(wèi)清潔車主要由輪子、2個圓盤刷、1個滾筒刷、傳動機(jī)構(gòu)以及收集裝置等部分組成。機(jī)身結(jié)構(gòu)使用的是手推式車身設(shè)計，采用配備了剎車功能的萬向輪作為車身的2個車輪，通過剎車功能可實現(xiàn)清潔裝置在斜坡路段的停放。小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車最大清掃半徑達(dá)到210 mm，清潔車總體高度為1 050 mm，總體長度為1 550 mm，總體寬度為860 mm。清潔車可根據(jù)所需要清潔的范圍調(diào)整作業(yè)高度。

圖1為多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車簡圖。城市環(huán)衛(wèi)清潔車運轉(zhuǎn)時，驅(qū)動清潔車前進(jìn)。電動機(jī)將動力傳遞到小帶輪2，再由小帶輪將動力傳遞給大帶輪3，從而使在同軸上的帶輪7和錐齒輪4、錐齒輪9一起運轉(zhuǎn)。帶輪7將移動運動傳到帶輪8，再由帶輪8帶動主刷13作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同時錐齒輪4和錐齒輪9推動錐齒輪5和錐齒輪10轉(zhuǎn)動，利用帶傳動的運動傳給毛刷11作順時針轉(zhuǎn)動，同時側(cè)毛刷作逆時針轉(zhuǎn)動，把兩邊的廢棄物掃向中間，再傳給主刷13由主毛刷將清掃物掃進(jìn)收集箱內(nèi)。

圖1 多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車簡圖

2 多用途小型環(huán)衛(wèi)清潔車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的多用途小型環(huán)衛(wèi)清潔車主要由清掃機(jī)構(gòu)、收集機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)以及車輪車架等其他附件組成。

2.1 清掃機(jī)構(gòu)的主要零件設(shè)計

滾筒毛刷和電機(jī)共同組成了整個清掃系統(tǒng)。充分利用電極為滾筒毛刷提供驅(qū)動力。在電極驅(qū)動輸出端配備1個連接V帶，與滾筒毛刷實現(xiàn)連接，并為2個機(jī)構(gòu)的運行提供驅(qū)動力。清潔車的前進(jìn)方向是主滾筒毛刷的轉(zhuǎn)動方向。設(shè)置在兩側(cè)的2個輔助盤刷旋轉(zhuǎn)方向相反，主要負(fù)責(zé)清潔設(shè)備周圍的雜物。

電機(jī)選擇是否合適對整臺機(jī)器影響較大。選擇的電機(jī)容量過小，會影響電機(jī)的正常工作。選擇的電機(jī)容量過大，則可能造成電動機(jī)造價過高，且不能充分利用其能量。查閱資料可知，當(dāng)清潔車的工作速度為60 r·min-1的較低轉(zhuǎn)速時，推薦選擇電壓12 V、額定功率為250 W的齒輪減速電機(jī)。該電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為600 r·min-1。

在毛刷的設(shè)計過程中，主要使用如圖2所示的兩種刷子，分別為滾動刷和圓盤刷。一個主刷放在清潔車的前部，兩個輔助毛刷設(shè)置在輔助機(jī)的兩側(cè)。尼龍絲、不銹鋼絲以及合成纖維等是最常見的毛刷材料。通過清掃實驗對比選擇尼龍絲作為毛刷刷體。尼龍絲本身具有良好的彈性，使用壽命較長，使用成本較低，可以很好地進(jìn)入狹窄的縫隙中，且在使用過程中對障礙物產(chǎn)生的損害也較低。

圖2 毛刷

從圖2（a）可以看出，傳動軸主要以籠統(tǒng)的中心進(jìn)行連接，滾筒整體直徑為201 mm，滾筒中心軸與地面的距離為201 mm，刷子長度為155 mm。如圖2（b）所示，工作軸與地面之間的距離固定，圓盤毛刷的高度為260 mm。連排毛刷本身存在一定的角度，因此底座的直徑為100 mm。在實際作業(yè)過程中，兩側(cè)設(shè)置的圓盤刷最大的清掃距離為210 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)對道路兩邊邊角的清掃，提高清潔效果。

2.2 收集機(jī)構(gòu)主要部件設(shè)計

設(shè)計的多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車主要設(shè)置了一個箱體作為收集機(jī)構(gòu)，如圖3所示。布袋式、塑料桶式以及金屬式是當(dāng)前最常見的幾種收集箱材料。其中，金屬式使用壽命較長，因此本文選擇金屬材料的收集箱。在收集箱底部設(shè)置了一個出渣口，經(jīng)過收集通過拉開底部擋板進(jìn)行出渣。

圖3 收集箱結(jié)構(gòu)

2.3 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

清潔車傳動機(jī)構(gòu)的主要功能是連接電機(jī)和滾筒毛刷。整個傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)主要由V帶、工作軸以及錐齒輪等部分組成。

齒輪選型時，在充分結(jié)合傳動系統(tǒng)整體示意圖和實際的工況條件后，整個結(jié)構(gòu)涉及兩處齒輪聯(lián)合，主要是電機(jī)輸出和垂直軸、工作軸與兩側(cè)輔助毛刷旋轉(zhuǎn)軸剛配合。本文選擇圓錐齒輪傳動，如圖4所示?？紤]小型城市環(huán)衛(wèi)車工作速度相對較低，選用了八級高精度齒輪。查閱資料后，設(shè)計選擇42SiMn（調(diào)質(zhì)處理）作為齒輪材質(zhì)。

圖4 圓錐齒輪傳動（單位：mm）

設(shè)計工作軸時，它對毛刷的正常生產(chǎn)運動影響很大。工作中軸同時受到扭矩和彎矩的作用，并承受一定的強(qiáng)度和剛度。選取45號鋼為材料，實際硬度能夠達(dá)到55～61 HRC，保證屈服強(qiáng)度為355 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到600 MPa。

在工作軸兩端設(shè)置的錐形齒輪，在實際運行過程中會受到周向力FV1和徑向力FH1的共同作用，受力狀況如圖5所示。工作軸主要設(shè)置在清掃車的內(nèi)部，因此尺寸設(shè)計會受到一定限制。由于清掃車本身的寬度為650 mm，而圓盤毛刷實際的中心距達(dá)到330 mm，因此工作軸長度設(shè)置在350～600 mm。

圖5 工作軸受力分析圖

此外，需要選擇合適的車輪和設(shè)計相應(yīng)的車架。對于整個行走系統(tǒng)來說，車輪是其主要的運動機(jī)構(gòu)，承載機(jī)器整體的垂直載荷，也受路面反應(yīng)的影響。選擇車輪時，與單向輪、球形輪及其他類型相比，萬向輪結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，靈活性和控制精度更高。在本次進(jìn)行清潔設(shè)計時，面對的實際路面情況多樣且需要實現(xiàn)行走功能，對車輪的方向性和靈活性要求較高，因此最終選擇萬向輪。萬向輪的尺寸直徑設(shè)置為25 mm，實際高度設(shè)置為30 mm，車輪厚度設(shè)置為10 mm。

設(shè)計車架時，要求車架具備強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕以及使用壽命長等特點。車架的規(guī)格、材質(zhì)、構(gòu)造決定了清掃機(jī)的總體運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。車架的上下支柱均選用Q235冷拔無縫矩形鋼或25×20無縫矩形鋼。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種多用途小型城市環(huán)衛(wèi)清潔車，主要由傳動機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)以及收集機(jī)構(gòu)等部件組成。這種機(jī)器的設(shè)計具有較高的運行可靠性、較強(qiáng)的合理性及其性價比，能夠最大限度地緩解清潔人員的勞動強(qiáng)度，具有一定的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。