小型垃圾清掃車的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

雷曉鈞 張 輝

(嘉興學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

隨著自動化設(shè)備的不斷發(fā)展，自動化清掃車完成了大部分城市公路的清掃工作，大大減少了環(huán)衛(wèi)工人的數(shù)量[1]。清掃車主要在城市平坦的公路進行清掃，而環(huán)衛(wèi)工人還使用傳統(tǒng)的掃帚進行清掃，所以環(huán)衛(wèi)工人的工作強度并未減少[2]。根據(jù)目前垃圾清掃車的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種適用于公園、小區(qū)、綠化帶及人行道等小路的小型垃圾清掃車，降低環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，提高清掃效率。

1 工作原理

人力推動小型垃圾清掃車運動，清掃車的清掃輥刷在前輪帶動下轉(zhuǎn)動，把地面上的垃圾清掃到撮板上，垃圾順著撮板到達活動擋板，通過清掃輥刷的不斷轉(zhuǎn)動擠壓垃圾打開活動擋板進入垃圾箱，從而完成對所經(jīng)過地面垃圾的收集。垃圾清掃車不工作時可以向下壓扶手，則清掃車的前輪離開地面可快速前進。工作時放下扶手，前輪重新開始轉(zhuǎn)動，則繼續(xù)帶動清掃刷輥進行清掃。傾倒垃圾時先壓下扶手再放開扶手可以關(guān)閉收集箱的活動擋板，垃圾箱被封閉起來，再打開活動擋板倒出垃圾[3]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文根據(jù)環(huán)衛(wèi)工人的工作需要，設(shè)計了一種新型的低成本、小體積、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的小型垃圾清掃車。此垃圾清掃車主要由扶手、萬向輪、皮帶輪、撮板、清掃刷輥、刷輥護罩、刷輥軸承、皮帶、輪軸、垃圾箱等組成，主要分為清掃裝置、前進裝置、傳動裝置和收集裝置等部分[4]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

清掃裝置由清掃刷輥、斜刷、撮板和護罩組成。清掃刷輥安裝在清掃車的前部，清掃刷輥水平放置旋轉(zhuǎn)收集地面的垃圾，清掃刷輥利用前輪的滾動對地面垃圾進行清掃，再驅(qū)使垃圾沿著撮板進入垃圾箱，清掃刷輥的直徑為20mm，刷苗高65mm，為高強尼龍絲做成，具有高強的彈性；斜刷位于前方呈外八字安裝，主要收集路牙、護欄下面和隔離帶死角的垃圾掃進入到清掃刷輥工作范圍內(nèi)，大大減少了清掃盲區(qū)，擴大了清掃幅寬，使得垃圾車前面清掃無盲區(qū)；護罩位于清掃刷輥的上方，防止清掃后的垃圾亂飛及垃圾沿清掃刷輥再次回落到地面的現(xiàn)象。

前進裝置由兩個萬向輪和兩個傳動輪組成，使用者推動扶手給清掃車前進的動力。傳動輪承擔(dān)支撐清掃裝置重量，使用者推力轉(zhuǎn)化為清掃刷輥的轉(zhuǎn)動。后輪采用萬向輪，轉(zhuǎn)動靈活，適合清掃曲折道路?？焖龠\動的時候可以壓下扶手使前輪離開地面，后面的萬向輪承受整車的重量，方便快速移動和轉(zhuǎn)動方向。

傳動裝置采用皮帶傳動,皮帶連接傳動輪和清掃滾刷，采用單邊傳動，防止清掃轉(zhuǎn)彎或彎曲道路打滑或卡死，有效的延長了清掃滾刷的使用壽命?？赏ㄟ^兩個前后皮帶輪直徑比調(diào)節(jié)清掃刷輥的轉(zhuǎn)速，方便日常維護。

收集裝置由垃圾箱和底板組成。為了方便倒垃圾和日常維護，垃圾箱可以拆卸。垃圾箱與底板緊密配合，底板與刷輥護罩、撮板連接。底板上布滿小孔，方便垃圾中的水流出，減輕垃圾清掃車的重量。工作時為了防止垃圾倒出，在垃圾箱內(nèi)部設(shè)計了一個可轉(zhuǎn)動的活動擋板。當(dāng)外部垃圾被清掃滾刷推到活動擋板前時，活動擋板被推開進入到垃圾收集箱；完成清掃工作時，活動擋板自動恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)，可以有效防止垃圾倒出。傾倒垃圾時活動擋板處于關(guān)閉狀態(tài)，垃圾箱才可方便拿出。

3 有限元分析

從小型垃圾清掃車的工作原理和結(jié)構(gòu)分析可知，小型垃圾車主要受力零件是清掃刷輥，清掃刷輥的跨度最大，為柔性體易變形，其受力最大，其可靠性和穩(wěn)定性如果滿足條件，其他部件自然滿足要求。清掃刷輥由鋁合金棒料加工而成，主要完成垃圾的清掃，屬于易損和磨損件，要求材料具有良好的剛度與韌性。為了保障清掃刷輥的剛度和強度符合設(shè)計要求，在Solidworks 軟件中建立了清掃刷輥實體模型并導(dǎo)入ANSYS workbench 軟件中進行有限元分析。清掃刷輥的材料為鋁合金，密度ρ 是2770 kg/m3，楊氏彈性模量E 是7.1*1010pa，泊松比μ 是0.33。清掃刷輥的橫截面是圓形，直徑是20mm，采用ANSYS workbench 軟件劃分網(wǎng)格，其精度選擇-85，因為其結(jié)構(gòu)簡單，則節(jié)點有2037 個,單元格有370 個。

清掃刷輥的載荷主要指清掃刷輥自身重量和毛刷與地面的摩擦力，其極限摩擦力的2 倍是1000N，摩擦力沿清掃刷輥的切向。使用ANSYS workbench 軟件對清掃刷輥進行有限元分析，得到清掃刷輥在清掃過程的應(yīng)變圖。清掃刷輥兩端通過簡化可認為是固定端約束,然后給清掃刷輥加載自身重量和摩擦力載荷，得到極限載荷下的應(yīng)變圖，如圖2 所示。

圖2 橫梁受力應(yīng)變圖

從圖2 清掃刷輥有限元分析的應(yīng)變圖可知，清掃刷輥應(yīng)變量的最大位置是處于清掃刷輥中心的位置，清掃刷輥的變形在極限載荷下的最大變形是0.1mm，且變形關(guān)于其中心對稱，遠超設(shè)計技術(shù)要求。

4 總結(jié)

使用Solidworks 軟件建立了小型垃圾清掃車的三維圖，并使用ANSYS workbench 軟件對小型垃圾清掃車的關(guān)鍵零件清掃刷輥進行了靜力學(xué)有限元分析，得到小型垃圾清掃車的關(guān)鍵零件應(yīng)變圖。從以上分析可知，此小型垃圾清掃車的設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單。制造出了樣機，通過樣機在人行道和廣場等以3km/小時進行清掃實驗，從實驗結(jié)果可以看出本小型垃圾車可以有效的完成清掃工作，可以把經(jīng)過的地面上的樹葉和紙屑等垃圾清掃干凈，達到清掃要求。

［1］吳剛，張棉好，等.小型電動清掃機的研制[J].科技資訊，2011（15）：34-36.

［2］楊啟勇.純掃式街道垃圾清掃小車的設(shè)計[J].機械與電子，2010（10）：71-73.

［3］莊澤堂.掃路機垃圾提升轉(zhuǎn)運機理研究與機構(gòu)改進[J].筑路機械與施工機械化，2004,21（9）：31-32.

［4］雷曉均，陳超，等.小型垃圾清掃機的設(shè)計[J].科技信息，2014(3)：66-67.