李青芬 黃曉云

摘要：針對(duì)現(xiàn)有道路清潔車(chē)、樹(shù)葉清掃車(chē)清掃裝置占用空間大，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，功能單一，價(jià)格昂貴，不好安裝，實(shí)用性差，提出了鏟斗式樹(shù)葉清掃車(chē)設(shè)計(jì)方案。整體設(shè)計(jì)包括盤(pán)刷機(jī)構(gòu)，鏟斗機(jī)構(gòu)，鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)等;此機(jī)構(gòu)以液壓系統(tǒng)和電機(jī)為動(dòng)力來(lái)源，對(duì)清掃車(chē)輛所行駛經(jīng)過(guò)道路上的樹(shù)葉進(jìn)行清掃，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、維護(hù)難度小。采用Solidworks三維建模，確保了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：鏟斗式樹(shù)葉收集車(chē);設(shè)計(jì);應(yīng)用;鼓風(fēng)鏟斗;可伸縮

0 ?引言

隨著城市的快速發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，城市道路的清潔顯得尤為重要，市區(qū)樹(shù)葉的清掃需要耗費(fèi)大量的人力物力，為減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，樹(shù)葉清掃車(chē)的設(shè)計(jì)與使用應(yīng)運(yùn)而生。目前，純掃式樹(shù)葉清掃車(chē)的清掃機(jī)構(gòu)，容量小、操作麻煩、二次揚(yáng)塵污染嚴(yán)重、故清掃效率不高。小型純吸式和吸掃式清掃作業(yè)裝置可靠性有待提高，而大中型的清掃裝置造價(jià)高、能耗高、噪聲高、排放污染嚴(yán)重[1]。為此，本文提出了一款機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的掃鏟吸相結(jié)合的清掃裝置，以滿足社會(huì)對(duì)道路清潔車(chē)的需要。

1 ?鼓風(fēng)鏟斗式樹(shù)葉清掃車(chē)的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

針對(duì)目前樹(shù)葉清掃裝置占用空間大、功能單一、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等一系列問(wèn)題，本文基于《機(jī)械原理》[2]、《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]，參考張安康的《新型多功能道路清掃車(chē)設(shè)計(jì)》[4]，提出了一種更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的樹(shù)葉清掃裝置設(shè)計(jì)方案：采用可調(diào)節(jié)盤(pán)刷、自動(dòng)壓縮鏟斗和鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)配合使用的設(shè)計(jì)，既滿足了不同車(chē)型的需求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了清掃、鏟除、吸等功能于一體清掃裝置的合理配置。本文主要對(duì)清掃裝置機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，確定最終的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本設(shè)備主要包括盤(pán)刷機(jī)構(gòu)、鏟斗機(jī)構(gòu)和鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)三大裝置，通過(guò)自動(dòng)壓縮鏟斗，在不用時(shí)將清掃裝置快速便捷的恢復(fù)到不易發(fā)生碰撞的位置，提高車(chē)輛的通過(guò)性。

盤(pán)刷機(jī)構(gòu)主要由盤(pán)刷、升降機(jī)構(gòu)和電機(jī)組成。機(jī)構(gòu)采用1個(gè)盤(pán)刷、1個(gè)盤(pán)刷底座、1個(gè)盤(pán)刷電機(jī)，2個(gè)液壓升降桿和1個(gè)液壓升降桿固定板，在升降桿的作用下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整盤(pán)刷的高度和角度，使樹(shù)葉清掃車(chē)輛在清掃時(shí)能適應(yīng)各種路面，達(dá)到最好的清掃效果。

鏟斗機(jī)構(gòu)包括鏟斗機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)裝置組成。鏟斗機(jī)構(gòu)采用1個(gè)鏟斗、1個(gè)壓縮鏟、1個(gè)鏟斗機(jī)構(gòu)蓋組成，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括1個(gè)壓縮鏟壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、1個(gè)壓縮鏟角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，增加了清掃裝置的清掃范圍。

鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)主要由鼓風(fēng)機(jī)和管道組成。其功能是將清掃進(jìn)鏟斗的樹(shù)葉吸入車(chē)廂，增加儲(chǔ)存樹(shù)葉的容量，提高樹(shù)葉清掃車(chē)使用空間。

1.2 基本工作原理

將盤(pán)刷調(diào)整到適合的角度和高度，把車(chē)輛行駛中清掃的樹(shù)葉掃到鏟斗旁邊，通過(guò)壓縮鏟將樹(shù)葉鏟進(jìn)鏟斗內(nèi)，并進(jìn)行一定程度的壓縮，壓縮鏟到達(dá)行程極限位置時(shí)，鏟斗內(nèi)部形成一個(gè)密閉的空間，鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)管道將鏟斗樹(shù)葉吸入車(chē)廂內(nèi)部，完成樹(shù)葉的清掃工作。

2 ?盤(pán)刷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

盤(pán)刷機(jī)構(gòu)有液壓桿、液壓底座、電機(jī)、盤(pán)刷及盤(pán)刷底座等組成，其三維模型如圖2所示。

為增大清掃面積，在清掃車(chē)輛的前方布置了2個(gè)盤(pán)刷。用電機(jī)4帶動(dòng)盤(pán)刷7實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，用液壓桿2的伸縮控制盤(pán)刷的高度和角度，進(jìn)而控制盤(pán)刷的清掃位置和面積。電機(jī)4、盤(pán)刷7通過(guò)液壓桿固定座1固定在液壓桿上，液壓桿2帶動(dòng)電機(jī)、盤(pán)刷、法蘭通過(guò)液壓底座3固定在車(chē)架上。盤(pán)刷是道路清掃車(chē)的關(guān)鍵零件，盤(pán)刷的選取直接影響到路面的清掃效果，所以進(jìn)行清掃裝置的設(shè)計(jì)首先選取了適合的盤(pán)刷，盤(pán)刷的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必須能實(shí)現(xiàn)向外伸展、保持和收縮的動(dòng)作。盤(pán)刷結(jié)構(gòu)如圖3所示。

盤(pán)刷的具體尺寸參數(shù)如表1所示。

其中，刷毛接地點(diǎn)的方向、盤(pán)刷接地點(diǎn)的速度是影響盤(pán)刷性能的重要因素。許蓓、余大平和邢兵經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在大多數(shù)路段把車(chē)速、刷盤(pán)接地點(diǎn)的速度、內(nèi)傾角分別設(shè)定在8～10km·h-1、12 m·s-1、30°時(shí)可以取得最好的清掃效果[5]。所以，本設(shè)計(jì)為了讓盤(pán)刷的工作效果更佳，盤(pán)刷的角度布置為30°。而且由于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，盤(pán)刷的角度并不是一成不變的，而是可以調(diào)節(jié)的，這樣就可以適應(yīng)不同路面、不同車(chē)速的需求。

盤(pán)刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)計(jì)算后如表2所示。

3 ?鏟斗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏟斗機(jī)構(gòu)主要是接收盤(pán)刷清掃過(guò)來(lái)的樹(shù)葉，并在允許的范圍內(nèi)對(duì)盤(pán)刷掃過(guò)來(lái)的樹(shù)葉進(jìn)行壓縮。鏟斗機(jī)構(gòu)原理圖如圖4所示。

鏟斗機(jī)構(gòu)采用鏟斗加液壓壓縮鏟的設(shè)計(jì)，布置1個(gè)在清掃車(chē)輛的中后方。在使用時(shí)，鏟斗接受盤(pán)刷清掃過(guò)來(lái)的樹(shù)葉，當(dāng)樹(shù)葉充滿鏟斗時(shí)，由于樹(shù)葉之間的間隙較大，仍有一定的壓縮空間，這時(shí)壓縮鏟在液壓系統(tǒng)的作用下將鏟斗入口處的樹(shù)葉壓進(jìn)鏟斗內(nèi)部，并對(duì)整個(gè)鏟斗內(nèi)部的樹(shù)葉進(jìn)行壓縮，最后被鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)吸入車(chē)廂內(nèi)。

鏟斗機(jī)構(gòu)接收樹(shù)葉主要是靠車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)，最后輔以壓縮鏟的壓縮進(jìn)行工作。鏟斗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩個(gè)液壓系統(tǒng)，一個(gè)是負(fù)責(zé)壓縮鏟的升降，一個(gè)是負(fù)責(zé)整個(gè)鏟斗機(jī)構(gòu)的升降。兩個(gè)液壓系統(tǒng)的參數(shù)如表3所示。壓縮鏟的升降雖然有壓縮作用，但它的主要作用還是讓壓縮鏟封閉鏟斗的內(nèi)部空間，使鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)力充分作用在鏟斗的內(nèi)部，節(jié)省一些不必要的浪費(fèi)。另一個(gè)液壓系統(tǒng)是由兩個(gè)液壓主缸組成，增加一個(gè)液壓主缸雖然增加了成本，但可以使鏟斗機(jī)構(gòu)的升降更加穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，它主要是負(fù)責(zé)鏟斗機(jī)構(gòu)的升降。出于性能和成本方面的考慮，鏟斗機(jī)構(gòu)并沒(méi)有加入避讓輪，而是讓鏟斗的前端使用耐磨材料接地，這樣可以直接鏟入路面上的樹(shù)葉，還使鏟斗機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生太大的損傷。而且前端的耐磨材料十分便宜，發(fā)生嚴(yán)重磨損和碰撞之后可以快速更換，不影響接下來(lái)的工作。

4 ?鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)主要是由鼓風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)管道構(gòu)成，是用來(lái)將鏟斗內(nèi)的樹(shù)葉吸入車(chē)廂內(nèi)的機(jī)構(gòu)。其中鼓風(fēng)機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)件，可以自行根據(jù)鏟斗內(nèi)管道的大小和預(yù)計(jì)要吸入樹(shù)葉的質(zhì)量安裝適合的鼓風(fēng)機(jī)。以下為鼓風(fēng)機(jī)配置下的管道口設(shè)計(jì)。為了將鏟斗內(nèi)的樹(shù)葉吸到車(chē)廂內(nèi)，考慮到鏟斗的尺寸和鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生吸力的大小，需要在鏟斗機(jī)構(gòu)上開(kāi)兩個(gè)直徑為150mm的孔接通管道。管道口布置圖如圖5所示。

管道在清掃車(chē)工作過(guò)程中起極大的作用。一方面因?yàn)榍鍜哕?chē)輛底盤(pán)下的空間比較狹小，難以放置體積較大的鏟斗，另一方面，鏟斗過(guò)大也可能導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)的吸力不足，難以產(chǎn)生良好的清掃效果。所以，在有限的空間內(nèi)儲(chǔ)存更多的東西變成了設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)正是結(jié)合了純吸式和純掃式兩種清掃車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)連接鏟斗和車(chē)廂的方式變相增加垃圾的容量，而管道是鏟斗和車(chē)廂間的紐帶。合理的管道布置，將使清掃車(chē)的效率大大提升。

5 ?設(shè)計(jì)裝配實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證盤(pán)刷、盤(pán)刷升降裝置、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)各個(gè)零部件的裝配尺寸，實(shí)現(xiàn)收集樹(shù)葉功能，對(duì)其進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)裝配的驗(yàn)證，運(yùn)用三維軟件Solidworks進(jìn)行裝配之后的效果圖如圖6所示。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

①對(duì)盤(pán)刷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了雙液壓系統(tǒng)控制盤(pán)刷的起降與傾斜，增大了清潔車(chē)的清掃面積及效率。

②設(shè)計(jì)了可壓縮、伸縮式鏟斗，維護(hù)方便，成本低廉，增加了樹(shù)葉容納量，同時(shí)使吸納過(guò)程更加順利。

③采用鼓風(fēng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行最終的收納，節(jié)省了車(chē)廂的占用量，同時(shí)相較于其他系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單可靠。

本設(shè)計(jì)采用Solidworks軟件對(duì)鼓風(fēng)鏟斗式樹(shù)葉清掃車(chē)進(jìn)行三維建模，并最終完成了整體的裝配設(shè)計(jì)。由于本人水平有限，只進(jìn)行了三維裝配，模擬，沒(méi)有進(jìn)行功能上的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之處也有待提高，比如對(duì)于收集進(jìn)入車(chē)廂樹(shù)葉的處理及自動(dòng)卸車(chē)裝置。今后將進(jìn)一步深入研究，使設(shè)計(jì)更為合理。

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作者簡(jiǎn)介：李青芬（1983-），女，講師，主要從事汽車(chē)電子控制技術(shù)、新能源汽車(chē)的教學(xué)與研究。