李彥晶，黃莉莉，張亞萍，羅鈿

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便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車的設(shè)計(jì)研究

李彥晶，黃莉莉，張亞萍，羅鈿

（蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

針對(duì)學(xué)校、公園、小區(qū)、小街巷等小區(qū)域范圍內(nèi)清掃人力投入多、清掃效率低等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車。該清掃車通過(guò)太陽(yáng)能電池板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)清掃機(jī)進(jìn)行清掃作業(yè)。其具有節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低且針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效快速的清掃落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾，保護(hù)環(huán)衛(wèi)工人的健康。

便攜；太陽(yáng)能；清掃車；節(jié)能；設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代化程度的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高。相應(yīng)地，對(duì)城市環(huán)衛(wèi)清掃車的需求也越來(lái)越多樣化。目前，常用的清掃車主要用于清掃平坦且面積較大的城市主干道，工作時(shí)只需沿馬路直行即可。然而，這些車型較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完全不適合在學(xué)校、公園、小區(qū)、小街巷這些小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行清掃；同時(shí)，這些區(qū)域的垃圾主要以落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾為主，受人為影響因素較大，分布雜亂。在這些場(chǎng)所，常見(jiàn)環(huán)衛(wèi)工人借助于掃帚等工具進(jìn)行清掃，其存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，清掃不徹底、二次污染等問(wèn)題，更為嚴(yán)重的是損害環(huán)衛(wèi)工人的健康。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款適用于小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行清掃作業(yè)的節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、輕量化的便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車。

1 總體方案設(shè)計(jì)

便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車主要由電動(dòng)機(jī)、蓄電池、太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、側(cè)盤刷、滾刷、集塵箱、車輪和機(jī)架等組成，如圖 1所示。便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)，環(huán)衛(wèi)工通過(guò)手推扶手推動(dòng)清掃車前進(jìn)，太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池中，蓄電池為電機(jī)提供電能，電機(jī)將動(dòng)力通過(guò)V帶傳遞到帶輪上，帶動(dòng)側(cè)盤刷和滾刷的轉(zhuǎn)動(dòng)，左右兩側(cè)盤刷的旋轉(zhuǎn)方向相反，將兩側(cè)的垃圾掃到中間，后滾刷的轉(zhuǎn)動(dòng)將垃圾掃到吸塵口，垃圾在負(fù)壓的作用下，被吸入集塵箱，采用CATIA軟件繪制的三維內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.太陽(yáng)能電池板；2.手推扶手；3.集塵箱；4.滾刷；5.車輪；6-吸塵口；7.機(jī)架；8-側(cè)盤刷；9.蓄電池；10.帶輪

便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車不進(jìn)行清掃作業(yè)時(shí)，可以將清掃車停放在太陽(yáng)光線充足的地方，太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為清掃車的工作提供足夠能量，增加清掃車可持續(xù)工作時(shí)間[1]，其清掃車主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 電機(jī)的選擇

清掃車作業(yè)時(shí)，因驅(qū)動(dòng)滾刷和側(cè)盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)功率最大，所以總功率為驅(qū)動(dòng)側(cè)盤刷功率與驅(qū)動(dòng)滾刷功率之和，其中兩個(gè)側(cè)盤刷和滾刷主要受到地面的摩擦力，所以可近似看作克服刷毛與地面間摩擦力所需的功率P，則兩側(cè)盤刷刷毛與地面間摩擦力所需的功率P1為：

式中：1—刷毛作用在地面上的壓力，N；

1—摩擦因數(shù)，取值為0.4；

υ—清掃車的工作速度，m/s；

1—傳動(dòng)效率，取值為0.9。

其中，刷毛作用在地面上的壓力1為：

式中：1—側(cè)盤刷刷毛直徑，1×10-3m；

1—人造纖維彈性模量，取值范圍為(0.8~1.15)× 1011Pa；

1—慣性矩，取值為0.78×10-12m4；

1—刷毛的自由長(zhǎng)度，取值為0.15m；

1—刷毛的變形量，取值范圍為0.01~0.025m；

1—工作刷毛的數(shù)量，取100。

計(jì)算得：m1=9

驅(qū)動(dòng)滾刷計(jì)算公式和側(cè)盤刷計(jì)算公式相同，得驅(qū)動(dòng)滾刷所需功率m2=48.13。

所以總功率為：

考慮到清掃車作業(yè)速度較低，對(duì)加速性能要求不髙，故忽略其加速阻力[4]，此外，清掃車在作業(yè)的過(guò)程中，也許會(huì)碰到垃圾較多的路面，需要一定的后備功率，因此便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃車選用最高轉(zhuǎn)速為3000r/min的電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為60BL8-230。

2.2 太陽(yáng)能電池板的選用

太陽(yáng)能電池板功率決定所發(fā)電量，進(jìn)而影響清掃車的可持續(xù)工作時(shí)間。經(jīng)查閱相關(guān)太陽(yáng)能板的資料，標(biāo)準(zhǔn)日照條件下1m2面積上太陽(yáng)直射的功率大概為1000W，太陽(yáng)能板的光電轉(zhuǎn)換效率為20%，即1m2的太陽(yáng)能板一小時(shí)能夠200W·h的能量[5]。假設(shè)有效光照時(shí)間為6h，則需要太陽(yáng)能電池板的功率為64W，選用18V、80W，型號(hào)為CSW-SP80MP12，尺寸規(guī)格為1100mm×660mm×30mm。

2.3 滾刷的設(shè)計(jì)

圖3 滾刷主軸三維圖

1-主軸；2-掃絲；3-滾筒；4-鍵槽

滾刷由主軸、滾筒和掃絲等組成，主軸采用階梯軸形式，兩端留有鍵槽，通過(guò)帶傳動(dòng)使之轉(zhuǎn)動(dòng)，采用CATIA軟件繪制的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了不讓垃圾向滾刷兩邊飛散，滾刷的掃絲需與主軸成一定的角度，掃絲在滾筒上呈對(duì)稱螺旋狀布置，螺旋升角為16°。滾刷的直徑為300mm，最大轉(zhuǎn)速為152r/min，滾刷的接地角β為18°，滾刷結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.4 集塵裝置的設(shè)計(jì)

清掃車清掃的垃圾容易堆積在垃圾進(jìn)料口處，既影響垃圾的繼續(xù)收集，也影響到收集效率[6]。因此利用吸掃式的集塵裝置，即依靠風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將垃圾通過(guò)風(fēng)道吸入到垃圾箱內(nèi)，但這種方式需要較大功率的風(fēng)機(jī)才能完成，因此在垃圾箱中設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)扇，使得產(chǎn)生一定的負(fù)壓，避免垃圾在進(jìn)料口的堆積及向外噴灑，造成二次污染。采用CATIA軟件繪制的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 集塵裝置三維圖

2.4.1 吸塵口的設(shè)計(jì)

清掃車采用單式吸風(fēng)口，作業(yè)時(shí)靠風(fēng)機(jī)的吸力將垃圾經(jīng)此口吸進(jìn)垃圾箱，由風(fēng)管、吸風(fēng)口、橡膠或尼龍板組成。當(dāng)清掃車向前行走時(shí)，吸風(fēng)口借助風(fēng)機(jī)的吸力將垃圾吸進(jìn)吸管內(nèi)而進(jìn)入垃圾箱[7]。垃圾是在吸嘴處通過(guò)負(fù)壓收集，垃圾箱內(nèi)的負(fù)壓使得吸風(fēng)口產(chǎn)生高速氣流，帶動(dòng)吸嘴下方的垃圾，吸入垃圾箱。要使垃圾被吸入，水平方向氣流速度υ必須大于懸浮速度υ[8]。

2.4.2 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)的性能影響著吸塵效率，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮風(fēng)機(jī)的效率、流量、風(fēng)壓等參數(shù)。合理的位置、葉輪布置形式、蝸殼以及入口結(jié)構(gòu)的參數(shù)有利于提高風(fēng)機(jī)的性能，從風(fēng)葉片形狀、葉片材料、進(jìn)出風(fēng)口的形狀和位置、加工工藝等方面考慮，設(shè)計(jì)出體積小、風(fēng)量大、噪聲低、耐磨的風(fēng)機(jī)[9]。

（1）風(fēng)機(jī)的流量

風(fēng)機(jī)的流量為單位時(shí)間離心通風(fēng)機(jī)輸送的氣體體積，則：

式中：—風(fēng)管的截面積，D2/4=0.0051m2；

υ0—風(fēng)口內(nèi)的氣流速度，取值為22m/s；

η—管道密封效率，取值為90%。

得：=448.8m3/h，所以選取風(fēng)量為500m3/h的風(fēng)機(jī)。

（2）全風(fēng)壓P

如果在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口列伯努力方程（位壓頭忽略不計(jì)）[10]，則有：

式中：—風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處的氣流速度，m/s。

靜風(fēng)壓P和動(dòng)風(fēng)壓P之和為全風(fēng)壓P，即：

通常動(dòng)風(fēng)壓P指氣流離開(kāi)風(fēng)機(jī)時(shí)的壓力，則為：

由上式可知：靜風(fēng)壓P和風(fēng)機(jī)的進(jìn)、出風(fēng)壓及吸塵口的氣流速度有關(guān)系，且進(jìn)出口風(fēng)壓差越大，則靜風(fēng)壓越大；吸塵口的氣流速度越大，則靜風(fēng)壓越小。

（3）風(fēng)機(jī)的軸功率和效率

風(fēng)機(jī)的軸功率和效率可按下式計(jì)算[10]：

式中：—風(fēng)機(jī)的流量，m3/s；

P—全風(fēng)壓，Pa。

由上式可知：風(fēng)機(jī)效率不同，風(fēng)機(jī)軸功率也不同，當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)工作時(shí)，其效率最低，則軸功率最大；當(dāng)在額定工況工作時(shí)，軸功率最小，則效率最大。

3 結(jié)論

本文在CATIA繪圖軟件的輔助作用下，對(duì)便攜式太陽(yáng)能環(huán)保清掃機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該清掃機(jī)適用于小區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行的清掃作業(yè)，具有節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低且針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效快速的清掃落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾，保護(hù)環(huán)衛(wèi)工人的健康，并為其提供了一種簡(jiǎn)單便捷的清掃用具。

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Design and Research of Portable Solar Environmental Sweeper

Li Yanjing, Huang Lili, Zhang Yaping, Luo Tian

（Lanzhou Institute of Technology, Gansu Lanzhou 730050）

To solve the cleaning problem of schools,parks, communities and side streets,such as more manpower and low working efficiency,a kind of portable solar environmental sweeper was designed. The sweeper of solar panel changes solar energy into electricity which is saved in battery,the battery supplies power to motor,so that the motor car was drived to the cleaning work. It has the characteristics of environmental conservation and energy saving, simple structure,conveni -ent operation,low cost,stronger pertinence and so on. It can clean quickly and effectively to domestic garbage such as fallen leaves,papers, plastic bags,food remains and so on,so that it protects dustmen health.

portable;solar;sweeper;energy conservation;design

A

1671-7988(2018)18-17-03

U469

A

1671-7988(2018)18-17-03

CLC NO.: U469

李彥晶（1984），女，甘肅甘谷，碩士，講師，主要研究方向?yàn)檐囕v工程?；痦?xiàng)目：2016年甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2016A-100）；2017年蘭州工業(yè)學(xué)院青年科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（17K- 013）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.006