城市道路清掃機(jī)吸塵模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)

周著學(xué)（閩南理工學(xué)院，福建石獅　362700）

城市道路清掃機(jī)吸塵模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)

周著學(xué)
（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

城市道路清掃機(jī)在我國(guó)越來(lái)越普遍，國(guó)產(chǎn)的清掃機(jī)普遍存在清掃過(guò)程效率低、清洗效果不佳、維修率高等問(wèn)題，論文從清掃機(jī)結(jié)構(gòu)入手，以 “吸掃式”清掃機(jī)為研究對(duì)象，嘗試探究清掃機(jī)出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因所在。以城市道路遇到的垃圾塵粒為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算，得出改進(jìn)前后清掃機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)的對(duì)比，以期提高清掃機(jī)的工作的效率，提高保潔效率。

清掃機(jī)；吸塵；電動(dòng)機(jī)；吸嘴

0　引言

清掃作業(yè)是公路養(yǎng)護(hù)工程的重要內(nèi)容，為適應(yīng)我國(guó)快速城市化的發(fā)展需要，城市道路的清掃實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是大勢(shì)所趨。道路清掃機(jī)是重要的路面養(yǎng)護(hù)專(zhuān)用環(huán)衛(wèi)車(chē)輛之一，具備灑水噴霧、清掃、吸入垃圾等功能。主要用于高等級(jí)路面和城市路面以及廣場(chǎng)的垃圾清掃。它的出現(xiàn)和使用，將極大減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省工作時(shí)間。對(duì)道路清掃機(jī)性能的改進(jìn)可以提高清掃機(jī)的工作的效率，減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，加速環(huán)衛(wèi)死角的清理，提高保潔效率。但是我國(guó)普遍投入使用的道路清掃機(jī)存在清潔路面不夠干凈的問(wèn)題。本文以小型道路清掃機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)原理做了詳細(xì)的調(diào)查研究，并針對(duì)清掃機(jī)的吸塵模塊做了改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期對(duì)我國(guó)的道路清掃機(jī)的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供一定參考。

1　調(diào)查研究及改進(jìn)方案的提出

我國(guó)的清掃機(jī)研制起步較晚，清掃機(jī)的機(jī)電一體化程度相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)比較落后。20世紀(jì)60年代，我國(guó)研制出第一代掃路機(jī)，由于清掃效果差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作不方便、面世不久即被淘汰。70年代，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠家加大了掃路機(jī)的研究開(kāi)發(fā)力度，我國(guó)第二代掃路機(jī)由此誕生。北京和上海研制了大、中、小三種規(guī)格的純掃式掃路機(jī)，S31大型掃路機(jī)和S32中型掃路機(jī)、S15小型掃路機(jī)的技術(shù)水平比第一代有了較大的提高。但由于傳感器、液壓技術(shù)、真空技術(shù)、電液操作等技術(shù)原因，使該類(lèi)道路清掃機(jī)的使用受到極大限制，直接制約和影響了我國(guó)清掃機(jī)裝備的發(fā)展。

這迫切需要針對(duì)國(guó)內(nèi)清掃機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)清掃機(jī)實(shí)行智能控制、針對(duì)不同的工作環(huán)境對(duì)清掃機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和改造，使其更加適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和需求。這需要在之前的技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，將清掃機(jī)機(jī)型變得簡(jiǎn)單輕便，外觀更加美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時(shí)，降低清掃機(jī)的重量。提高清掃機(jī)的使用壽命，減少噪聲，降低成本，使清掃機(jī)更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，這些研究對(duì)于我國(guó)清掃機(jī)的發(fā)展具有重要意義。

本文以吸掃式清掃機(jī)為研究對(duì)象，該機(jī)器包括清掃裝置、風(fēng)機(jī)、減速器、柴油機(jī)、吸嘴及等部分。工作時(shí)，由汽車(chē)的主發(fā)動(dòng)機(jī)使車(chē)輛行駛，副發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)使垃圾箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，盤(pán)刷將清掃范圍內(nèi)的垃圾掃至中間由吸嘴把垃圾帶入垃圾箱內(nèi)。道路清掃車(chē)裝有兩個(gè)掃盤(pán)，其作用是將路面上的垃圾掃至吸入（吸口）區(qū)范圍，再依靠吸入系統(tǒng)的強(qiáng)風(fēng)力風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的較大的負(fù)壓，將垃圾吸入垃圾箱內(nèi)，垃圾進(jìn)入垃圾箱內(nèi)還需要經(jīng)過(guò)重力除塵和脈沖除塵。

我國(guó)廣泛使用的吸掃式清掃機(jī)普遍存在的問(wèn)題是動(dòng)力不足，吸塵口的負(fù)壓不足以吸入較大顆粒，吸嘴和吸塵罩的設(shè)計(jì)也比較落后，導(dǎo)致效率較低。本文提出的改進(jìn)方案首先是解決動(dòng)力不足的問(wèn)題，采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)由主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，副發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)盤(pán)刷，這個(gè)方案可以從根本上解決動(dòng)力不足和單發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)載問(wèn)題。

2　吸塵模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吸塵模塊包括吸塵模塊的動(dòng)力部分、風(fēng)機(jī)、吸嘴、風(fēng)機(jī)軸、鍵以及帶輪等。吸塵模塊的工作首先是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)清掃裝置將垃圾清掃至車(chē)輛中間，其次利用副發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)高壓離心式除塵風(fēng)機(jī)工作，為了使得風(fēng)機(jī)能產(chǎn)生足夠大的負(fù)壓，需要選擇更大功率和轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，才能在除塵設(shè)備中產(chǎn)生高速負(fù)壓氣流，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的吸塵罩，吸入路面上的垃圾塵土，經(jīng)各級(jí)除塵設(shè)備濾塵，使垃圾塵土與流動(dòng)氣流分離，最后將干凈空氣排入大氣，完成一個(gè)工作循環(huán)。這樣的改進(jìn)使得吸掃式清掃機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域化作業(yè)，適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜路況，效率大增。

根據(jù)調(diào)查研究，市面上相當(dāng)一部分吸掃式清掃車(chē)還采用單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，少部分采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，吸塵部分的發(fā)動(dòng)機(jī)功率小，轉(zhuǎn)速僅為350-480r/min之間，達(dá)不到好的效果。本文嘗試從實(shí)踐入手，以對(duì)城市道路常見(jiàn)垃圾塵粒的分析入手，倒求風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率。

3　風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)裝置是由風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)軸承座、風(fēng)機(jī)支架、風(fēng)機(jī)進(jìn)出口接管等組成。風(fēng)機(jī)裝置是主要工作機(jī)構(gòu)之一，它的作用是使污水垃圾箱抽吸處于強(qiáng)負(fù)壓狀態(tài)，在吸嘴與地面的間隙處產(chǎn)生高速氣流，利用氣力輸送原理將污水和垃圾吸入污水垃圾箱內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用專(zhuān)用高壓離心風(fēng)機(jī)，噪聲小、效率高。傳動(dòng)部分則采用液壓傳動(dòng)方式，提高了傳動(dòng)效率，并使風(fēng)機(jī)布置十分緊湊。如圖1所示。

圖1　風(fēng)機(jī)Fig.1 Draught fan

4　常見(jiàn)垃圾塵粒分析

考慮到道理清掃車(chē)的工作對(duì)象（吸入的垃圾）分析，計(jì)算風(fēng)機(jī)的功率。如表1所示。

表1　常見(jiàn)垃圾塵粒物性Tab.1 The physical properties of common waste dust particles

在各種垃圾類(lèi)型中，選取清掃車(chē)較難吸送的粒徑為20mm的混凝土碎塊為例，計(jì)算其懸浮速度，混凝土球形顆粒自由懸浮速度：

式中：g—重力加數(shù)度，取9.8/s；ds—顆粒直徑，取20mm；ps—顆粒塊的密度，顆粒塊的密度，取2400kg/ m3；p—空氣的密度，取1.29kg/m3；C—阻力系數(shù)，由氣流雷諾數(shù)Re決定。通過(guò)對(duì)清掃車(chē)吸送塵粒時(shí)力的研究得出，慣性力在被傳送垃圾塵粒的受力中影響最大，屬于湍流運(yùn)動(dòng)，Re＞4000，取C=0.44。由以上參數(shù)求得：Vh=34.5m/s。

以上的計(jì)算模型是基于單個(gè)球形顆粒在空曠的空氣場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的條件下，實(shí)際上對(duì)于吸掃式清掃車(chē)來(lái)說(shuō)，垃圾塵粒的形狀很少是完美的球形，而且往往也是數(shù)量龐大的個(gè)粒在同一時(shí)間相互作用，塵粒與塵粒之間還會(huì)相互碰撞，塵粒進(jìn)入吸氣口之后，也是出于一個(gè)相對(duì)密閉狹窄的而不是在空曠的空氣場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。塵粒的形狀、數(shù)量以及流場(chǎng)的大小都對(duì)懸浮速度有著不同程度的影響，因此，有必要上述公式的計(jì)算結(jié)果加以修正，使得理論計(jì)算與實(shí)際情況更相符。

通過(guò)查閱手冊(cè)，得出速度修正公式。修正后，混凝土顆粒被吸入時(shí)，顆粒實(shí)際懸浮速度：

式中：Ke—形狀系數(shù)，取1.5；D—圓形風(fēng)管的直徑，取200。由以上參數(shù)求得：Vu=27.9m/s。

5　吸嘴參數(shù)的計(jì)算

吸嘴是一個(gè)封閉的直徑不一的吸氣罩，吸嘴兩側(cè)共有2個(gè)橡膠滾輪，用以保證吸嘴底部與路面的一定間隙，該間隙對(duì)吸力影響很大。滾輪使用后出現(xiàn)磨損，應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整，以保證吸嘴底沿離地間隙保持在8mm～12mm之間。吸嘴通過(guò)升降機(jī)構(gòu)及氣壓操縱的提升裝置與車(chē)架相連，吸嘴放下工作時(shí)通過(guò)滾輪接地并可隨路面的起伏上下左右浮動(dòng)，確保吸嘴底沿離地間隙保持均勻。

吸嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果不合理，一方面會(huì)造成部分區(qū)域的垃圾不能完全清除，另一方面會(huì)造成在吸盤(pán)正前方的部分垃圾被吹出吸盤(pán)，造成二次污染。吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)掃路車(chē)的性能和清掃效率有著十分重要的影響。如果風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)或選型與吸塵盤(pán)、垃圾箱相匹配，則吸塵盤(pán)的結(jié)構(gòu)型式與安裝將對(duì)吸塵效率的提高起著至關(guān)重要的作用。如圖2所示。

圖2　清掃車(chē)吸嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of suction nozzle in dust cleaning machine

式中：x—距極點(diǎn)的豎直距離；Vx—距極點(diǎn)x處的氣流速度，取27.9m/ s；V0—管路系統(tǒng)內(nèi)的氣流速度，取45m/s；a—吸嘴的長(zhǎng)度，取0.5m；b—吸嘴的寬度，取0.7m；F—吸嘴的面積，取F=ab= 0.35m2。

由上一節(jié)計(jì)算得知，要保證Vx≥27.9m/s，則x＜0.2m。

對(duì)于所需風(fēng)量的計(jì)算：

式中：A—風(fēng)管的截面積，取 A=πD2/4=0.0314m2；ηm—管道的密封效率，一般取93%；由以上參數(shù)，求得：

由以上計(jì)算可知，選取風(fēng)量為5500m3/h的風(fēng)機(jī)較為合適。

（3）風(fēng)機(jī)所需功率的計(jì)算：

式中：ηb—風(fēng)機(jī)的流體效率，取0.7；△P—管路系統(tǒng)消耗的總壓力，取6300Pa

由以上參數(shù)，求得：P=13.8kW/h?？梢?jiàn)在城市道路上，風(fēng)機(jī)能夠吸入常見(jiàn)垃圾塵粒所需的功率是13.8kw/ h，它能夠產(chǎn)生Q=5470m3/h的風(fēng)量，而圓形風(fēng)管的直徑為200mm，比普通吸掃式道路清掃機(jī)要小，保證了道路清掃機(jī)的吸風(fēng)口 “小而有力”。如表2所示。

表2　普通吸掃式道路清掃機(jī)改進(jìn)前后主要參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of main parameters before and after improvement of the common dust cleaning machine

從以上分析和計(jì)算可知，電機(jī)功率的增大是非常有必要的，雙電機(jī)的改進(jìn)方案確保了清掃車(chē)和吸塵模塊都能互不干擾的工作，保證了風(fēng)量的供應(yīng)，極大的改善了清掃機(jī)的清掃效果。

有了如上參數(shù)，還要進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)，包括軸的校核、關(guān)鍵零件的選擇、定位和校核、鍵聯(lián)接的選擇與校核、聯(lián)軸器的選擇，以及帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算等等工作需要完成。

6　結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)查研究，以實(shí)際道路上遇到的常見(jiàn)垃圾塵粒為切入點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算的方法算出了風(fēng)量、功率等清掃機(jī)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過(guò)改進(jìn)后的吸掃式清掃機(jī)與普通吸掃式道路清掃機(jī)的對(duì)比，科學(xué)的揭示了普通道路清掃機(jī)清掃效果不佳的內(nèi)在原因，并以此為出發(fā)點(diǎn)，提出了可行的解決方案，并通過(guò)計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。

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The Design and Improvements of Dust Collection Module in the Urban Road Dust Cleaning Machine

ZHOU Zhu-Xue
（Minnan University of Science and Technology，Shishi Fujian 362700，China）

Urban road cleaning machine is becoming more and more common in our country，domestic cleaning machine have some problem in such as cleaning process，low efficiency，poor cleaning effect，high maintenance rate，this article obtains from the cleaning machine structure，in order to"suction cleaning"absorption cleaning machine as the research object，try to explore the cause of the cleaning machine appear afore-mentioned problems.As a starting point of garbage in urban road encountered dust particles，through calculation，improve the key performance parameters before and after cleaning the machine，in order to improve the efficiency of the cleaning machine work，improve the efficiency of cleaning.

cleaning machine；dust collection；electric motor；suction nozzle

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.022

1002-6673（2015）05-059-03

2015-08-25

周著學(xué)（1985-），男，華僑大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)工程碩士在讀。主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。