張爭艷 胡吉全 陳定方 李濤濤 陸寧洲

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 前 言

大學生集體宿舍、旅游景點（公園等）、居民小區(qū)、公共場所等大量人們聚集的地方，會產(chǎn)生大量的各色各樣的垃圾，垃圾清掃工作仍停留在人工清掃、使用傳統(tǒng)的掃把、拖把等人力工具的層面上，清掃工具沒有實現(xiàn)自動化，使得工作效率低，人力資源浪費，工作強度大，長期人力接觸大量的垃圾對清潔人員的精神也形成了巨大的挑戰(zhàn).工具不能自動化、作業(yè)強度大、效率低，給人們的旅游、生活帶來嚴重的影響［1－2］.

目前市場上清掃機械的品種很多，但功能單一，不能夠清除所有垃圾雜物，有的甚至連基本垃圾都不能進行很好的清掃.部分抽氣型清掃機使所謂氣體在清掃機械內(nèi)形成空氣對流，但實際上對渾濁空氣沒有進行廢氣處理，對環(huán)境形成了二次污染.

針對上述問題，設計出一種可進行自動掃地、拖地的清掃機.該道路清掃機采用創(chuàng)新機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修方便、持續(xù)工作能力強、清掃效率高、低噪聲作業(yè)等特點，是無污染的綠色環(huán)保機械.

1 整機機構(gòu)設計

本清掃機主要由掃地機構(gòu)、拖地機構(gòu)、翻斗機構(gòu)組成.其中掃地機構(gòu)與翻斗機構(gòu)由電機提供回轉(zhuǎn)動力輸入，協(xié)調(diào)運作，用機械模仿人工掃地時的動作過程，實現(xiàn)對垃圾的清掃與臨時存貯.拖地機構(gòu)應用多滾筒帶傳動的方式對地面進行水拖，車前進時，依靠拖布與地面間的摩擦力被動傳動來實現(xiàn)清潔.整個車體既能依靠人力推動前進，也可以實現(xiàn)自動前進.圖1為清掃車的整體外觀各向視圖.

圖1 掃拖車整體外觀

1.1 掃地機構(gòu)

該機構(gòu)的組成部件見圖2a）.掃地機構(gòu)的原理為演化的平面四連桿機構(gòu)，見圖2b）.其中連桿上端點軌跡中一段為近似直線，此階段為掃把的清掃階段.原動件為大齒輪，由電機對其直接輸入動力.

圖2 掃地機構(gòu)設計

1.2 翻斗機構(gòu)

翻斗機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3b），圓盤與導軌組成間歇機構(gòu)，間歇行程占圓盤轉(zhuǎn)動的1／2周期，在另一T／2的工作周期內(nèi)，該裝置可看作正弦機構(gòu)與滑塊搖塊機構(gòu)的串聯(lián).其中圓盤軸線與轉(zhuǎn)動滑塊軸線位置與機架固定，半圓導軌由于收到機架的約束只能進行上下往復運動.

圖3 翻斗機構(gòu)設計

1.3 拖地機構(gòu)

組成部件為水箱、6個滾筒和拖布，見圖4.清洗面與地面接觸由摩擦力帶動進行傳動.水箱內(nèi)可裝設濾網(wǎng)、清潔刷等對拖布進行清洗.

1.4 其他輔助裝置

1.4.1 垃圾箱 垃圾箱（見圖5）位于車體中部，可以橫向抽出，進行傾倒，轉(zhuǎn)置垃圾.

圖4 拖地機構(gòu)外觀圖及平面原理圖

圖5 垃圾箱示意圖

1.4.2 斜坡，擋板 車頭有斜坡?lián)醢逖b置（見圖6），斜坡背面與翻斗前沿緊密接觸，保證能夠?qū)⒗樌貜男逼聮呷敕?斜坡的前面具有一定傾角，彈性貼地，在掃把清掃間期，能推動垃圾隨車前進，防止在翻斗上翻期間有垃圾遺漏的現(xiàn)象發(fā)生.斜坡兩側(cè)的擋板的距離可調(diào)，作用是適應不同寬度路面的清掃，實現(xiàn)對路面上的垃圾聚攏，提高清潔效率.另外，整車采用單側(cè)動力傳動，通過合理調(diào)節(jié)右擋板的位置，可使其貼墻作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對緊貼墻邊的垃圾的清掃.

圖6 斜坡，擋板示意圖

2 多機構(gòu)協(xié)調(diào)運作的工作原理

2.1 整機多機構(gòu)協(xié)調(diào)工作

圓盤與齒輪同軸，轉(zhuǎn)動比為1∶1.圖3a）所示位置為單周期周期的起點，0～T／2周期內(nèi)，圓盤與半圓導軌無相互作用，翻斗靜止不動，掃把在此期間完成近似直線運動的掃地動作（掃地動作用時小于T／2）.T／2至3T／4時間內(nèi)，圓盤滾子與半圓導軌作用，翻斗軸上升，在搖塊作用下翻轉(zhuǎn)，將垃圾傾倒入垃圾箱.3T／4至T內(nèi)，翻斗的運動可看作T／2至3T／4時間內(nèi)運動的逆運動.在周期末T時刻掃把復位至起始處.此后重復上述運動.整機工作流程圖見圖7.

2.2 清掃垃圾工作工程

圖7 整機工作流程圖

如圖8所示，齒輪3在小功率電機的帶動下繞齒輪中心軸6做旋轉(zhuǎn)運動，齒輪3和電機中間連接有微型的減速機，以降低齒輪3的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)的齒輪3通過端面的定位銷5將運動傳遞給清掃連桿7，清掃連桿7的運動迫使回轉(zhuǎn)支撐桿2繞鉸接點作擺動，如此，清掃連桿7會在回轉(zhuǎn)支撐桿2的配合下以一定的規(guī)律運動，通過合理的結(jié)構(gòu)設計使其最前端安裝的掃把1的運動軌跡在某一時間段近乎直線，在該時間段，掃把1貼近地面進行垃圾的清掃工作，此過程，垃圾匯攏U形擋板8將掃把1清掃到的垃圾逐漸匯攏，防止垃圾的外溢.而在齒輪旋轉(zhuǎn)1周的其他時間內(nèi)，掃把1的軌跡呈現(xiàn)弧線，完成離地抬升然后再前伸落地動作，此時間段，掃把1完成離地提升過程，與此同時，接收垃圾并翻車傾倒垃圾模塊恰好完成翻車傾倒垃圾作業(yè)，與上述過程的清掃作業(yè)完美的配合.

2.3 接收垃圾并翻車傾倒垃圾工作過程

如圖8所示，圓盤11和齒輪3并列靠近連接在同一根軸上，并做同步旋轉(zhuǎn)運動，圓盤定位銷9固定在圓盤11上，隨圓盤一起旋轉(zhuǎn)，當圓盤定位銷9旋轉(zhuǎn)到下半周時，此時其軌跡與半圓弧槽連桿12上的半圓弧吻合，半圓弧槽連桿12靜止不動，當旋轉(zhuǎn)到上半周時，帶動半圓弧槽連桿12在水平面滑桿10和垂直面滑桿13上運動，此時，翻斗15受到半圓弧槽連桿12向上的作用力，并在其頂部圓筒活動鉸鏈14的約束下進行翻車作業(yè).

圖8 整機CAD總裝圖

3 基于Solidworks與3Dmax的工作過程仿真

3.1 整機模型的建立

產(chǎn)品的總體設計過程主要包含總體方案設計、性能優(yōu)化與仿真、結(jié)構(gòu)特征建模、分析評價四個部分［3］.因此，完成整機機構(gòu)設計后有必要對其進行仿真分析，以便優(yōu)化分析設計結(jié)果.

在三維建模軟件Solidworks中建立掃地機構(gòu)、翻車機構(gòu)、拖地機構(gòu)等各個組成部分三維模型，并進行整機的虛擬裝配完成整機虛擬樣機.虛擬裝配前可以考慮2種方案：直接插入零件完成整個裝配過程、先完成需要的子裝配體，插入子裝配體完成整個裝配.選用方案時因人而異，裝配前考慮方案的優(yōu)化對裝配完成后的后期工作有很好的幫助.

3.2 工作過程仿真結(jié)果

利用三維CAD軟件，不僅可以生成形體逼真的機械零部件造型，還可以利用其豐富的二次開發(fā)手段實現(xiàn)按照一定規(guī)律變化實體的參數(shù)化建模［4］.

將建立的虛擬樣機導入3Dmax中進行工作工程仿真；Solidworks軟件與3Dmax軟件有很好的數(shù)據(jù)傳送接口，Solidworks文件可以保存為IGES格式（不出現(xiàn)中文名和路徑）、STL格式、VRML格式等，其中，以VRML格式導入可以得到很好的結(jié)果.在3Dmax中設置部件之間的聯(lián)動關系、關鍵幀、仿真時間等，即可進行機構(gòu)的運動仿真［5］.本作品在樓道環(huán)境下基于Solidworks與3Dmax的仿真結(jié)果如圖9所示.圖中展示了從發(fā)現(xiàn)垃圾到逐漸清掃直至完全清掃的全過程.

圖9 整機工作仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

通過對整機的建模、仿真分析、樣機試制等工作，可以得出該新型掃拖推車具有以下優(yōu)點：

1）機械化、自動化程度、工作效率高.針對四桿機構(gòu)的混合驅(qū)動特點，結(jié)合機器控制技術(shù)和方法，實現(xiàn)機器在工作時的機械化、自動化.

2）操作簡單，應用范圍廣.按下電動機按扭，機器便可進行自動清掃，自動實現(xiàn)垃圾向大的垃圾箱轉(zhuǎn)移；拖地裝置全自動拖地、洗抹布，省時省事.此機器體積小，質(zhì)量輕，運作靈巧，適用于小區(qū)、學校宿舍過道、廣場等人流較大、人工維持環(huán)境較難的公共場所.

3）成本低廉，使用壽命長.保證使用壽命的前提下，采用塑料材料制作，成本明顯降低，能滿足更為廣泛的消費人群.

［1］Editor.中國高校在校生人數(shù)超2700萬［EB／OL］.［2009－05－11］http：／／www.gg－px.com／n.aspx／id＝15684.

［2］梅州電臺.公共場所亂丟垃圾現(xiàn)象嚴重，呼吁市民養(yǎng)成文 明 習 慣 ［EB／OL］.［2009－07－23］http：／／www.gdmztv.com／radio／dtxw／2009－07－29／1248849717d－11220.html.

［3］張爭艷，陳定方，劉 李.基于特征建模技術(shù)的雙級減速箱的虛擬設計［J］.湖北工業(yè)大學學報，2008（3）：46－48.

［4］魏國前，陳定方，羅會信，等.基于三維CAD的轉(zhuǎn)爐傾動力矩計算與仿真［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（3）：537－540.

［5］騰龍視覺設計工作室.3Dmax7中文版動畫技術(shù)案例精解［M］.北京：科學出版社，2005.