吳　威, 劉　洋, 吳志立

綠籬枝條粉碎吸嘴裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳威1,2, 劉洋2, 吳志立1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.長沙普羅科環(huán)境裝備有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410128)

城市道路上，越來越多的綠籬植物在裝點(diǎn)城市，修剪下的綠籬枝條的收集與清理已成為一個(gè)主要環(huán)境問題。通過在掃路車吸嘴部件上增加粉碎功能，經(jīng)過刀組設(shè)計(jì)、功率計(jì)算、線速度計(jì)算、主軸尺寸等計(jì)算，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了一種具有“綠籬枝條粉碎功能”的吸嘴裝置，可以實(shí)現(xiàn)綠籬植物粉碎與收集同步，大幅提高了清掃工作效率。

綠籬枝條；粉碎；吸嘴；掃路車

目前，隨著改革開放不斷深入，我國不少城市開始借鑒深圳等城市的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在城市園林綠化上加大了投入，城市綠化較以前有了很大的提升。隨著城市綠化的逐步推進(jìn)，城市園林綠化的專用工具和設(shè)備也要緊跟發(fā)展的需求。目前我國在園林綠化操作中還是以人工為主，少量的工具和設(shè)備為輔。由于我國人口老齡化情況越來越嚴(yán)重，所以相關(guān)從業(yè)人員需要未雨綢繆，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)園林綠化專用工具和設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)將來可能出現(xiàn)的勞動(dòng)人口不足的問題。

目前在園林綠化的養(yǎng)護(hù)過程中，對(duì)道路隔離帶和路側(cè)的綠籬植物的修剪基本以人工修剪、人工收集為主。工作人員在將綠籬枝條進(jìn)行合適的修剪后，用勾耙將斷枝勾出綠籬范圍，再用竹掃把將枝條清掃成堆，采用人工上料方式將斷枝收集到平板車輛上，統(tǒng)一運(yùn)往垃圾處理廠或者填埋堆場進(jìn)行處理。這會(huì)存在兩方面問題：一方面人工作業(yè)效率不高，且成本居高不下；另一方面是工作人員是在道路上進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，會(huì)存在交通安全隱患，如圖1、2所示。

圖1　勾耙收集斷枝圖

圖2　清掃和收運(yùn)斷枝

目前市場上已經(jīng)有了較多針對(duì)修剪綠籬的機(jī)械設(shè)備，但是卻鮮有企業(yè)研發(fā)針對(duì)斷枝的收集和收運(yùn)的機(jī)械設(shè)備[1,2]。隨著我國人口老齡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，適合從事城市綠化環(huán)衛(wèi)的勞動(dòng)力將會(huì)越來越少，為了解決這一問題，筆者針對(duì)散落綠籬枝條的后處理問題，研發(fā)一種帶粉碎功能的綠籬枝條清掃車專用吸嘴裝置。該型裝置的應(yīng)用能大大減輕綠化環(huán)衛(wèi)工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省城市綠化的人力成本?，F(xiàn)有道路清掃用的掃路車工作原理為：用副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)在垃圾箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，通過負(fù)壓產(chǎn)生的吸力吸拾由清掃機(jī)構(gòu)清掃到吸嘴附近的垃圾。掃路車吸嘴部件一般專門針對(duì)清掃煙頭、泥沙等進(jìn)行設(shè)計(jì)，吸嘴前部有密封的橡膠板，吸嘴軟管直徑一般在200mm以內(nèi)，如圖3、圖4所示。而像綠籬枝條等長度超長的物料則無法被吸入吸嘴內(nèi)腔，也容易造成吸管堵塞。

圖4　吸嘴內(nèi)腔

市面上已經(jīng)有了用于秋季道路落葉的收集和粉碎相關(guān)設(shè)備，該型設(shè)備是專門針對(duì)清掃干燥的落葉，采用“矩形錘片”高速擊打落葉，實(shí)現(xiàn)落葉的粉碎，如圖5所示[3]。由于綠籬枝條為新鮮的枝條，有一定的韌性和一定的含水量，采用錘片方式無法實(shí)現(xiàn)粉碎。因此，綠籬枝條需要先被裁減成大小合適的尺寸才能被吸嘴吸拾，另外需考慮增加橡膠板的開閉功能，以滿足道路清掃和綠籬枝條收集這兩種作業(yè)需求。

圖5　落葉吸嘴實(shí)物

1　綠籬枝條粉碎吸嘴裝置的方案設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)輸出軸直接聯(lián)接到主軸上，主軸由兩組軸承座固定在吸嘴體上，動(dòng)刀組固定在主軸上，定刀組固定在吸嘴上。由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)刀組與定刀組形成“鍘刀”效果，對(duì)新鮮枝條進(jìn)行切割粉碎。由于綠籬枝條一般散落在道路沿側(cè)，車輛靠右行駛，將粉碎刀組布置在吸嘴的右側(cè)，便于吸拾和粉碎綠籬枝條。液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主軸由后向前高速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)刀組不斷與定刀組形成“鍘刀”，將地面的綠籬枝條切斷并粉碎，再由后部吸管內(nèi)的負(fù)壓氣流將粉碎的枝條碎片吸走。具體方案如圖6、7所示。

圖6　車輛布置俯視圖

2　綠籬枝條粉碎吸嘴裝置重要零部件設(shè)計(jì)

2.1　刀組設(shè)計(jì)

刀具的使用壽命主要由刀具的材質(zhì)決定，不同材質(zhì)刀具的力學(xué)性能有所不同，其強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性都對(duì)粉碎效果的好壞有所影響。粉碎效果越好的刀具，其能耗低，刀具磨損率低、工作壽命長[3-4]。筆者通過調(diào)查市面現(xiàn)有的粉碎機(jī)刀具，選擇了成本較低且使用最為廣泛的兩種材質(zhì)刀具，分別為：SKD11材質(zhì)與W6材質(zhì)，牌號(hào)分別為Cr12Mo1V與W6Mo5Cr4V2。本設(shè)計(jì)選取刀片Cr12Mo1V材質(zhì)。

刀具刃角對(duì)切削力的大小、切削環(huán)境的好壞以及進(jìn)料效果都有著直接的影響，對(duì)于短刀盤式削片機(jī)刀具刃角，其取值范圍一般在30°～40°內(nèi)，本機(jī)取值為30°。

2.2　功率

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]，參考國內(nèi)現(xiàn)有一些學(xué)者所推導(dǎo)出的樹枝粉碎機(jī)功率計(jì)算公式，可得：

切削機(jī)構(gòu)所需功率N𝑝(kW)：

式中：

P——單位長度切削力，N/mm;

S——切刀實(shí)際切削原料的截面積，mm2;

𝛼1——進(jìn)料口垂直傾角；

𝛼2——進(jìn)料口水平傾角；

n——刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；

z——切刀數(shù)目；

𝐾𝑑——?jiǎng)雍上禂?shù)，𝐾𝑑=1.11～1.30，取值1.3。

針對(duì)綠籬樹枝，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,10]，對(duì)比其它樹種單位長度切削阻力，單位長度切削力P取值為15N/mm，轉(zhuǎn)速n=1200r/min，最大切削直徑按照30mm計(jì)算可得出切刀實(shí)際切削面積S，飛刀數(shù)z=10，𝛼1=𝛼2=45°，代入式中，得到切削機(jī)構(gòu)功率𝑁𝑝=4.79kW，考慮到實(shí)際切割綠籬枝條粗細(xì)不均，且有石塊等雜物，安全系數(shù)選2，取整后功率配額給為10kW。

2.3　線速度

刀片線速度的大小對(duì)粉碎機(jī)的生產(chǎn)率和能耗都有較大影響。速度太低會(huì)降低刀片打擊力，無法粉碎物料；速度太高，粉碎時(shí)空轉(zhuǎn)時(shí)間太多，增加能耗，其具體計(jì)算公式如下：

式中：𝑣0——刀片末端線速度(m/s)；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)；

D——轉(zhuǎn)子直徑(mm)。

轉(zhuǎn)速n=1200r/min，D=180mm，代入公式，得到線速度為11.3m/s。

2.4　主軸尺寸設(shè)計(jì)

主軸是承載切削裝置、粉碎裝置以及傳遞動(dòng)力的主要零件[11]。為滿足主軸上相關(guān)部件的正確定位、固定、安裝、配合等要求，需要對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行科學(xué)的分析及計(jì)算；主軸的工作能力計(jì)算通常是指對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度、剛度以及振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。

根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算主軸的最小直徑，公式如下：

式中：

d——為軸的直徑(mm)；

[τ]——為軸材料的許用切應(yīng)力(MPa)；

P——為軸所傳遞的功率(kW)；

n——為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；

C——為與軸材料相關(guān)的系數(shù)。

軸的材料選擇為45鋼，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得：C取值范圍為126～103，本設(shè)計(jì)機(jī)型選擇C=120，根據(jù)最大驅(qū)動(dòng)功率P=10kW，轉(zhuǎn)速n=1200r/min，得到主軸最小直徑為24mm的結(jié)果，考慮到主軸上傳動(dòng)及零部件的配合，且設(shè)計(jì)的實(shí)際值應(yīng)大于計(jì)算值，故本設(shè)計(jì)的主軸最小直徑數(shù)值取50mm。根據(jù)主軸上各部件尺寸，初步設(shè)計(jì)主軸如圖8所示。

圖8　主軸結(jié)構(gòu)示意圖

3　綠籬枝條粉碎吸嘴裝置粉碎試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1)對(duì)綠籬枝條粉碎吸嘴裝置的實(shí)際粉碎效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)對(duì)安裝綠籬枝條粉碎吸嘴裝置的吸拾力進(jìn)行測(cè)量。

3.2　試驗(yàn)器材

(1)掃路車一臺(tái)，型號(hào)5182TSLE5-H2Z004。

(2)噪聲儀、負(fù)壓儀、卷尺等。

3.3　試驗(yàn)依據(jù)

GB/T 12534汽車道路試驗(yàn)方法通則、QC/T 51《掃路車》、JB/T 7303《路面清掃車》。

3.4　試驗(yàn)步驟

(1)準(zhǔn)備試驗(yàn)材料，用園林剪刀剪取綠籬枝條，用垃圾桶裝好。

(2)準(zhǔn)備試驗(yàn)儀器及設(shè)備，將安裝有綠籬粉碎吸嘴裝置的掃路車調(diào)試到位，在平坦的路面上進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示。

圖9　綠籬枝條粉碎吸嘴裝置粉碎試驗(yàn)現(xiàn)場圖片

3.5　試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前的綠籬枝條，外形尺寸為300×300× 200mm的黃天竹枝條，枝葉有韌性，平鋪在平整道路上，經(jīng)過具有粉碎功能的吸嘴粉碎和吸拾后，將垃圾箱內(nèi)的枝條倒出，枝葉基本在100mm以下(見表1)，且沒有造成吸管堵塞，如圖10所示。

按照掃路車負(fù)壓測(cè)試方案，采用負(fù)壓儀器測(cè)量吸管處的工作負(fù)壓值(見表2)，負(fù)壓值滿足掃路車道路清掃所需；測(cè)量吸管處作業(yè)噪音(見表3)，噪音表現(xiàn)合格，掃路車作業(yè)時(shí)不會(huì)造成噪音污染。

表1　綠籬枝條粉碎吸嘴裝置粉碎試驗(yàn)噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)

表2　風(fēng)機(jī)負(fù)壓水柱數(shù)據(jù)

表3　樹葉粉碎數(shù)據(jù)

圖10　綠籬枝條粉碎后的枝條尺寸

4　結(jié)論

針對(duì)綠籬枝條的收集問題，設(shè)計(jì)并制造具有粉碎功能的吸嘴部件，并安裝到掃路車上進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了粉碎功能與收集功能，為園林養(yǎng)護(hù)過程中的綠籬枝條收集提供了一種新的思路和方法。方案通過在吸嘴上安裝液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的“鍘刀”組粉碎機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)綠籬植物粉碎與收集同步，大幅提高了清掃工作效率。

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[11] 東北林學(xué)院主編.林木機(jī)械(木材生產(chǎn)切削機(jī)械)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1981.

Design and test of the suction nozzle for shredding hedgerow branches

WU Wei1,2, LIU Yang2, WU Zhili1*

(1.College of mechanical and electrical engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China;2.Changsha Proco Environmental Equipment Co. Ltd, Changsha, Hunan 410128, China)

More and more hedgerow plants have been used to decorate the city, and the collection and cleaning of the pruning hedgerow branches had become a major environmental problem. In this paper, the crushing function is added to the suction nozzle parts of the road sweeper. After the design of knife set, power calculation, linear velocity calculation, spindle size calculation and so on, a suction nozzle device with "hedge branch crushing function" is designed and tested, which realizes the synchronization of hedge plant crushing and collection, and greatly improves the cleaning efficiency.

shredding hedgerow branches; suction nozzle; road sweeper

TH69

A

2096–8736(2021)03–0005–06

吳威(1985年—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)車整車設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍