高 波，李 寧

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引 言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中，經(jīng)常出現(xiàn)大量物料與生活垃圾堆積在廣場或路面的現(xiàn)象，尤其是當(dāng)發(fā)生泥石流、洪水等自然災(zāi)害后，大量泥沙封堵路面，這些泥沙清理起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且缺少專門機(jī)械。 若堆積物較多且條件允許的情況下，由鏟車等裝載機(jī)將堆積較厚的物料(泥沙)鏟掘在一起，通過卡車運(yùn)送至指定位置后，再由人工或道路清掃車清理剩余的堆積物。 雖然鏟車或者道路清掃車清理堆積物效率較高，但因場地限制以及投入成本高等問題影響，泥濘道路的清理還存在很多挑戰(zhàn)。 國內(nèi)外學(xué)者針對這一問題進(jìn)行了多方面研究[1-4]，設(shè)計(jì)出泥沙清理和泥水分離的裝置，但是針對泥沙清理轉(zhuǎn)運(yùn)和場地清掃功能一體化裝置的報(bào)道較少。 筆者結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際需求，為方便工農(nóng)業(yè)及日常生活物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，尤其是提高泥沙清理的效率，專門提出一種物料清理轉(zhuǎn)運(yùn)裝置設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，其目的是實(shí)現(xiàn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物料和泥沙的轉(zhuǎn)運(yùn)及清理功能。

1 物料清理轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié) 構(gòu)

物料清理轉(zhuǎn)運(yùn)裝置主要由驅(qū)動(dòng)模塊、滾筒切削裝置、固液分離裝置、傳送裝置、自動(dòng)清掃裝置、收集箱、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和其他輔助裝置構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。 驅(qū)動(dòng)模塊1 放置于機(jī)架7 上，滾筒切削裝置2 在最前端，滾筒切削裝置下方有固液分離裝置3，滾筒切削裝置緊連著傳送裝置4，自動(dòng)清掃裝置5 位于機(jī)架下方緊貼地面，收集箱6 放在傳送裝置的末端。

圖1 物料清理轉(zhuǎn)運(yùn)智能裝置

1.2 工作原理

此裝置可通過四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向前推進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 滾筒切削裝置上的鏟斗收集物料，經(jīng)傳送裝置輸送至收集箱或者運(yùn)輸車。 底部的自動(dòng)清掃裝置可清除殘余物料，并配備有負(fù)壓收集裝置和灑水器，防止塵土飛揚(yáng)。 鏟斗裝置高度、滾筒轉(zhuǎn)速及傳送帶速度等參數(shù)可通過分析傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，在使用時(shí)可以智能控制。 以清理道路泥沙為例，該裝置對泥沙的清理轉(zhuǎn)運(yùn)流程如圖2 所示。 道路上的泥沙屬于泥水混合物，主要被滾筒切削裝置清理，少部分需要自動(dòng)清掃裝置清掃。 如果滾筒切削裝置中的泥沙含水量大，則需要進(jìn)行泥水分離。 泥沙經(jīng)過傳送裝置進(jìn)入收集箱，收集箱中多余的水分也可通過泥水分離裝置收集至儲(chǔ)水器中。 儲(chǔ)水器中的水可用于噴灑除塵或者沖洗污漬。

圖2 泥沙清理轉(zhuǎn)運(yùn)圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 切削裝置

滾筒切削裝置由鏟斗和滾筒構(gòu)成，如圖3 所示，滾筒安裝在鏟斗上，為螺旋狀對稱結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)帶動(dòng)減速器，經(jīng)皮帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，目的是將泥沙卷進(jìn)滾筒內(nèi)，并在向前推進(jìn)過程中能將泥沙收集并放置在傳送帶上，提高工作效率且減少勞動(dòng)強(qiáng)度。 該裝置可根據(jù)泥沙的厚度調(diào)整鏟斗的高度。 滾筒旋轉(zhuǎn)的同時(shí)鏟斗可上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同厚度的泥沙清理。 前進(jìn)速度和鏟斗高度決定了清理的體積，滾筒和傳送帶的轉(zhuǎn)速則決定了清理的泥沙能否及時(shí)全部收集。 滾筒和鏟斗之間有一定間隙，防止被小石子卡死。 滾筒傳動(dòng)軸上安裝的傳感器可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測到受力過大導(dǎo)致滾筒卡死時(shí)，及時(shí)減少滾筒速度并反向旋轉(zhuǎn)，通過同時(shí)整體后退的方法及時(shí)退出被卡異物。

圖3 滾筒切削裝置示意圖

2.2 固液分離裝置

當(dāng)清理含水較多的泥沙時(shí)，需要進(jìn)行固液分離，方便收集和轉(zhuǎn)運(yùn)。 滾筒最下方有排水孔，液體經(jīng)過排水孔后被收集，滾筒的旋轉(zhuǎn)能防止收集孔堵塞。 經(jīng)過濾后可為噴灑裝置提供水源，也可通過水泵直接噴射至花壇、草坪或其他合適位置。

2.3 傳送裝置

傳送裝置主要是將滾筒切削裝置收集的泥沙升高并轉(zhuǎn)移運(yùn)至本裝置自帶的收集箱或隨行卡車中，收集箱下端有液壓裝置，可傾倒儲(chǔ)存的泥沙。 傳送裝置由電機(jī)經(jīng)過減速后驅(qū)動(dòng)大傾角輸送帶傳送，實(shí)現(xiàn)泥沙的提升，其電機(jī)轉(zhuǎn)速主要由輸送泥沙的體積決定。 同時(shí)，輸送帶末端有撥轉(zhuǎn)裝置，可改變泥沙的收集形式。如果道路被較多泥沙覆蓋，可直接將收集的泥沙拋灑至道路兩邊，以最快的速度疏通道路，為后續(xù)救援爭取時(shí)間。

2.4 自動(dòng)清掃裝置

為了進(jìn)一步清掃滾筒切削裝置未能清理的泥沙，可使用自動(dòng)清掃裝置輔助清掃道路。 自動(dòng)清掃裝置由清掃刷、噴淋裝置和負(fù)壓吸塵器構(gòu)成，可清理泥沙也可強(qiáng)力沖洗泥污。 清掃刷旋轉(zhuǎn)時(shí)將殘余泥沙清掃至儲(chǔ)存?zhèn)}，負(fù)壓吸塵器則吸取細(xì)小泥沙及灰塵。 噴淋裝置可噴灑收集到的分離水，用于除塵。

2.5 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置分為油動(dòng)和電動(dòng)兩個(gè)版本，動(dòng)力可由動(dòng)力電池或發(fā)動(dòng)機(jī)提供。 裝置能兼容新能源車的動(dòng)力電池，也可將其動(dòng)力電池階梯利用，使電池的全生命周期得到充分利用。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置的前進(jìn)速度、鏟斗高度、滾筒轉(zhuǎn)速及傳送帶速度等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際工況及時(shí)調(diào)整，以便智能控制，控制系統(tǒng)整體思路如圖4 所示。 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)進(jìn)入初始化狀態(tài)，讀取相關(guān)設(shè)置信息。 根據(jù)清理的工況選擇相關(guān)設(shè)置，可以選擇清理泥沙、清掃路面、清理泥沙的同時(shí)清掃路面、自動(dòng)操作和手動(dòng)控制等模式。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

2.6.1 清理泥沙

使用清理泥沙功能時(shí)，先啟動(dòng)傳動(dòng)裝置，讓傳送帶開始旋轉(zhuǎn)；然后啟動(dòng)切削裝置，讓滾筒開始旋轉(zhuǎn)并調(diào)整鏟斗高度；設(shè)置泥沙堆放的形式，可將泥沙倒入隨車收集箱、運(yùn)輸卡車或者直接拋灑至路邊。 通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移動(dòng)位置，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)泥沙清理。

2.6.2 清掃路面

當(dāng)使用清掃路面功能時(shí)，啟動(dòng)噴淋裝置減少揚(yáng)塵；轉(zhuǎn)動(dòng)清掃滾刷，將泥沙掃入收集箱；開啟負(fù)壓吸塵器，進(jìn)一步收集泥沙和細(xì)小灰塵。 清掃路面功能啟用后，在清掃較厚泥沙的同時(shí)，一次性將路面清掃干凈，免去了人工二次清掃的麻煩。

2.6.3 數(shù)據(jù)處理

為了實(shí)時(shí)獲取各個(gè)部位的工作狀態(tài)，在滾筒、傳送帶和固液分離裝置上均安裝有傳感器。 傳感器數(shù)據(jù)傳送至控制器后，可判斷是否出現(xiàn)卡死、輸送不及時(shí)、功率不足等問題，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后調(diào)整轉(zhuǎn)速、功率、噴灑等參數(shù)，通過單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的聯(lián)動(dòng)控制。 分析數(shù)據(jù)可以反饋至各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，也可以為人機(jī)互動(dòng)控制提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

3 性能特點(diǎn)

該裝置可有效地提高泥沙清理的效率，并減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度。 其主要特點(diǎn)是:①通過帶螺旋滾筒的鏟斗收集不同狀態(tài)的物料，能自動(dòng)調(diào)整參數(shù)且收集效率高；②結(jié)合運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和負(fù)壓收集裝置，通過隨車運(yùn)送、他車運(yùn)輸和就近拋灑等方式處置反應(yīng)物或泥沙，適合多種工作場合；③滾筒、傳動(dòng)裝置、清掃裝置等均有傳感器，其數(shù)據(jù)由控制器分析后進(jìn)行優(yōu)化，最大可能地提高泥沙清理的效率。

4 模擬應(yīng)用

根據(jù)此設(shè)計(jì)思路，以清理洪水過后路面堆積的泥沙為案例進(jìn)行研究，并進(jìn)行可行性驗(yàn)證。 加工的演示模型如圖5 所示。 模型主體結(jié)構(gòu)由木板和3D 打印構(gòu)件加工而成，通過數(shù)字電機(jī)及舵機(jī)完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由鋰電池提供動(dòng)力，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制。

圖5 演示模型

實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別利用干沙子(模擬沙漠風(fēng)暴后埋沒道路)、濕沙子(模擬雨后沙子堆積道路)、半干泥土(模擬災(zāi)后道路搶修不及時(shí)導(dǎo)致板結(jié))和沙子中摻有小石子等工況進(jìn)行研究，各工況如表1 所列，讓演示模型在行進(jìn)中清理泥沙。

表1 模擬工況匯總表

通過實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1) 文中提出的智能泥沙清理裝置設(shè)計(jì)可行，濕沙子清理效果最好，基本上能完成清理。

(2) 干沙子可以清理，但是道路清掃時(shí)灰塵較大，演示模型的過濾裝置需進(jìn)一步完善，以避免實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)此問題。

(3) 可以完成半干泥土的清理，但是由于演示動(dòng)力不足，導(dǎo)致切削裝置無法切削堅(jiān)硬的土塊，此問題實(shí)際應(yīng)用中也能避免。

(4) 摻有小石子后偶爾發(fā)生了卡頓，主要原因是石子卡在滾筒縫隙中，滾筒與鏟斗之間的間隙和結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步改進(jìn)，本裝置適合在石頭較少的工況下使用。

5 結(jié) 語

針對工農(nóng)業(yè)及日常生活物料清理和轉(zhuǎn)運(yùn)中存在的問題，尤其是泥沙清理的問題，通過對一種物料清理轉(zhuǎn)運(yùn)裝置設(shè)計(jì)方案的分析應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)物料(泥沙)收集、固液分離、裝載轉(zhuǎn)運(yùn)和道路清掃等一體化功能。 但模擬應(yīng)用試驗(yàn)中該裝置也存在需要改進(jìn)的地方，例如在泥沙中混有石頭時(shí)有可能發(fā)生卡死現(xiàn)象。 因此，針對后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方面，可通過圖像識(shí)別技術(shù)分析周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，判斷清理物料中是否有較大石頭或其它堅(jiān)硬物體，防止?jié)L筒被卡死甚至破壞。當(dāng)判斷異物無法通過滾筒時(shí)，滾筒前端可設(shè)置叉子將其直接鏟至傳送帶。 此外，還需要增加路徑規(guī)劃系統(tǒng)，通過圖像識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃清理區(qū)域，以便進(jìn)一步提升清理效率。 本裝置可有效地提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物料的清理和轉(zhuǎn)運(yùn)效率，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。