湯學(xué)華， 夏晨晨， 蔣 政

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 200240)

一種人力式垃圾清掃車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

湯學(xué)華， 夏晨晨， 蔣 政

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院, 上海 200240)

介紹了一種針對小區(qū)等較窄路面的人力式垃圾清掃車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、工作效率高等特點(diǎn)。對垃圾清掃車的滾刷軸輥進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明滾刷軸輥在清掃車工作過程中能夠滿足其設(shè)計(jì)剛度的要求。

垃圾清掃車; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 軸輥分析

隨著社會經(jīng)濟(jì)和城市化建設(shè)的發(fā)展，城市的保潔工作變得越來越重要。由于每個(gè)地區(qū)的城市化水平并不相同，故其所使用的保潔方式也不同。一線城市多使用較為先進(jìn)的自動化清掃車完成了大部分城市公路的清掃工作。而對于經(jīng)濟(jì)較為落后的地區(qū)，則多使用人力的方式傳統(tǒng)的掃帚進(jìn)行清掃[1-2]。根據(jù)這一城市道路清掃的情況，筆者設(shè)計(jì)了一種適用于城市街區(qū)、公園、小區(qū)、學(xué)校等道路的人力式小型垃圾清掃車，減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強(qiáng)度，提高清掃效率。

1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的垃圾清掃車采用人力推動的方式使垃圾車運(yùn)動，配置48V蓄電池，對提供清掃裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動力。在清掃時(shí)，使用者將手控桿向下按到指定位置并扣住，由于機(jī)構(gòu)的聯(lián)動作用，此時(shí)盤刷向前傾斜一定角度[3]，滾刷向下移動一定距離，使得此時(shí)盤刷、滾刷都與地面有一定接觸。當(dāng)啟動清掃裝置電源時(shí)，左右盤刷均由外側(cè)向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，將垃圾逐漸向垃圾清掃車中部收集，此時(shí)滾刷由地面向上旋轉(zhuǎn)。左右盤刷收集在內(nèi)側(cè)的垃圾在滾刷旋轉(zhuǎn)的作用下，垃圾沿滾刷切線方向產(chǎn)生一定的初速度，部分垃圾能夠沿一定角度飛濺[4]。由于盤刷傾斜一定角度，騰空的垃圾碰撞到盤刷后，在盤刷旋轉(zhuǎn)作用下，沿著不確定的角度“躍入”垃圾倉內(nèi)。而部分沒有“躍入”垃圾倉內(nèi)的垃圾便掉到地面上，繼續(xù)在盤刷與滾刷的作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。在傾倒垃圾時(shí)，操作人員將垃圾倉抽出進(jìn)行傾倒垃圾。利用防揚(yáng)塵裝置防止垃圾車在工作時(shí)所引起的塵土飛揚(yáng)，優(yōu)化環(huán)衛(wèi)工人的工作環(huán)境。垃圾清掃車如圖1所示。

圖1 垃圾清掃車Fig.1 Road sweeper

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該垃圾清掃車主要由扶手、蓄電池、車體、車輪、滾刷組合、盤刷組合、萬向輪、空氣過濾裝置、手控桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 垃圾清掃車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the road sweeper

部分技術(shù)參數(shù)如下:

(1) 盤刷電動機(jī)48V，額定功率110W，轉(zhuǎn)速60r/min;

(2) 滾刷電動機(jī)48V，額定功率40W，轉(zhuǎn)速30r/min;

(3) 鼓風(fēng)機(jī) 48V，額定功率 30W，風(fēng)速 0.92m3/min，風(fēng)壓150Pa，回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī);

(4) 工作速度vmax=5km/h；

(5) 清潔寬度(主刷+邊刷)1.569m。

清掃裝置是由盤刷和滾刷兩部分組合，盤刷的底圓直徑約為713mm，盤刷組合的最大寬度約為1.569m，大于車體的最大寬度，便于清掃臺階角落處的清掃盲區(qū)。滾刷的刷輥直徑為 70mm，苗高70mm，最大外圓直徑為210mm。在清掃時(shí)，使用者將手控桿向下按到指定位置并扣住，在連桿機(jī)構(gòu)的作用下，使盤刷向前傾斜約15°，與地面接觸的刷毛長度約45mm；滾刷向下移動約 40mm 的距離，與地面形成寬度約為 30mm 的接觸面積[5]。而在不清掃時(shí)可將手控桿抬起到原來位置并扣住，此時(shí)盤刷與滾刷都處于懸空狀態(tài)，減少非工作狀態(tài)時(shí)垃圾車與地面的摩擦力，增加垃圾車運(yùn)動的靈活性[6-10]。

運(yùn)動裝置由2個(gè)大輪和1個(gè)萬向輪組成，這3個(gè)輪子同時(shí)承擔(dān)整個(gè)車體的質(zhì)量，由于萬向輪的靈活性，適合清掃較為不平的路面。

防揚(yáng)塵裝置是由噴水裝置和空氣凈化裝置組成。噴水裝置由水箱、水泵、水管、噴頭組成。水泵將水箱中的水抽出并在噴頭處噴出，因?yàn)閲婎^的孔較小，所以形成霧化環(huán)境；噴頭安裝位置在滾刷的上方，由于霧化作用，粉塵被吸附到小水珠的表面，防止揚(yáng)塵。空氣凈化裝置由過濾器、鼓風(fēng)機(jī)和管道組成，位于車體的前方，由于鼓風(fēng)機(jī)的吸力，車體內(nèi)部的空氣經(jīng)過過濾器被排到外部，形成車體內(nèi)部、外部的空氣循環(huán)與凈化的過程(見圖3，圖中箭頭表示空氣循環(huán)方向)。

圖3 垃圾箱內(nèi)除塵氣體循環(huán)Fig.3 Air circulation inside the bin

收集垃圾的裝置是可抽拉式垃圾倉，在垃圾倉底部有一定數(shù)量的小孔，方便垃圾中的泔水流出，在垃圾倉的前部有一塊固定的傾斜板，用于引導(dǎo)垃圾向垃圾倉的深處移動，避免垃圾堆積在垃圾倉的前部，垃圾倉底部有4個(gè)滑輪，便于操作人員將垃圾倉抽出進(jìn)行傾倒垃圾[11-15]。

3 有限元分析

通過上文的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，垃圾清掃車的主要功能部件為清掃裝置。其中滾刷主要功能是將垃圾卷入垃圾箱內(nèi)，由于其跨度較大，主要承受來自于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，為易變形件。其可靠性是否滿足要求直接影響垃圾清掃車完成工作的質(zhì)量。故對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。

垃圾清掃車滾刷軸輥的設(shè)計(jì)長度為1.350m。對其受力分析，將工作時(shí)狀態(tài)的軸輥簡化為簡支梁，簡化力學(xué)模型約束點(diǎn)間距離為1.050m且兩約束點(diǎn)軸對稱分布[16]。軸輥主要負(fù)載是滾刷自身重力、滾刷工作時(shí)毛刷與地面的摩擦力。作用在兩支點(diǎn)上的力均為29.6N，其極限摩擦力是105N。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，根據(jù)軸的剛度校核中彎曲變形許用值(見表1)，計(jì)算軸輥允許最大彎曲變形值為0.165mm。

表1 軸的變形許用值Tab.1 Allowable axial deformation values

軸輥材料為45鋼，具有較高的強(qiáng)度和韌性(見表2)。對于其強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，使用NX軟件建立了滾刷軸輥的三維模型并導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中進(jìn)行有限元分析。

表2 45鋼材料屬性Tab.2 Material properties of #45 steel

在NX軟件中對滾刷軸輥模型進(jìn)行理想化模型處理，將軸輥上的螺紋以及退刀槽忽略。再導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于軸輥的橫截面為圓形，其直徑為28mm，故選擇單元類型為Solid186(三維6面體20節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)單元)，劃分網(wǎng)格大小為10mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 8718 個(gè)，網(wǎng)格數(shù)4433個(gè)[17]。

滾刷軸輥主要的載荷為其自身的質(zhì)量、刷毛與地面之間的摩擦力，摩擦力的方向?yàn)檩S輥的切線方向。由于軸輥安裝在支撐架軸承上，通過對其工作時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行受力分析。由于滾刷在工作時(shí)軸向游動較小，可近似忽略，故軸輥兩端可簡化為固定端約束，然后在ANSYS WORKBENCH環(huán)境下對其施加重力與摩擦力載荷，得到應(yīng)力云圖(見圖4)與位移云圖(見圖5)。

從軸輥有限元分析云圖可以看出，軸輥應(yīng)變最大值位于軸輥中部，最大形變位移為0.01mm，遠(yuǎn)小于軸輥允許最大彎曲變形值0.165mm。且形變關(guān)于軸輥中心對稱，符合簡支梁在本文簡化模型中受力形變的效果，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Equivalent elastic strain

圖5 位移云圖Fig.5 Total deformation

4 結(jié) 語

使用NX軟件垃圾清掃車建立了三維模型，并使用ANSYS WORKBENCH軟件對垃圾車清掃裝置的主要工作部件滾刷軸錕進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過以上分析，垃圾清掃車滿足其功能要求，結(jié)構(gòu)簡單。并以此制作了工作樣機(jī)，進(jìn)行了垃圾清掃測試。在人力推動的情況下，垃圾車清掃裝置工作正常，能夠達(dá)到對地面清掃的標(biāo)準(zhǔn)。

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Construction Design and Analysis of Human-Powered Road Sweeper

TANGXuehua,XIAChenchen,JIANGZheng

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

This paper describes the design of a human-powered road sweeper to be used for narrow roads in residential areas. It has a simple structure, low processing cost, and high efficiency. Statics analysis of the roller of a rolling brush is carried out, showing that the roller can meet the stiffness requirement.

road sweeper; structure design; shaft roller analysis

2014 - 08 - 20

湯學(xué)華(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)，E-mail: tangxh@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)05 -0259 - 04

U 418.324

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