一種人力驅(qū)動(dòng)垃圾箱清洗裝置設(shè)計(jì)

張更娥，丁 源，李美妝

(1.南寧學(xué)院，南寧 530200；2.上海海事大學(xué)，上海 201306)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市人口也在迅猛增長，隨之導(dǎo)致生活垃圾以及垃圾桶的數(shù)量也在不斷增加，環(huán)境質(zhì)量問題也越來越嚴(yán)重。大中小型城市對(duì)環(huán)境清潔方面越來越重視，要求也越來越嚴(yán)格。垃圾桶清潔度是提高城市環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)之一，其設(shè)計(jì)需要滿足“高效率、節(jié)能、環(huán)保、低成本”等要求。要實(shí)現(xiàn)這些條件，使用傳統(tǒng)的清洗方式不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，也難以達(dá)到清洗的最優(yōu)效果。本設(shè)計(jì)通過高壓水槍噴濕垃圾箱，隨之轉(zhuǎn)動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)齒輪，使其沿著齒條機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，人工通過推拉方式移動(dòng)水平滑軌實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)毛刷運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)垃圾箱清洗任務(wù)，這不僅可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約水資源，還提高了勞動(dòng)效率。本設(shè)計(jì)以齒輪齒條的設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，討論了齒輪齒條在上下運(yùn)動(dòng)工作時(shí)伸臂與箱面的受力計(jì)算。

1-伸臂及刷架 2-車頭 3-80號(hào)槽鋼 4-滑軌裝置 5-齒條 6-齒輪 7-手柄 8-棘輪裝置 9-連接板

圖2 連接板局部圖

圖3 連接板整體圖

1 垃圾箱清洗裝置總體設(shè)計(jì)

根據(jù)垃圾箱清洗裝置的總體結(jié)構(gòu)，垃圾箱清洗裝置主要分為傳動(dòng)系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、清刷系統(tǒng)三大系統(tǒng)。垃圾箱清洗裝置的整體設(shè)計(jì)方案：以環(huán)衛(wèi)車作為清洗裝置的載體，實(shí)現(xiàn)不同垃圾箱之間清洗的靈活性和便捷性，保證裝置的“自由移動(dòng)”。水槍噴水的同時(shí)，毛刷能對(duì)垃圾箱進(jìn)行清洗，能夠?qū)崿F(xiàn)單向行駛、多側(cè)同時(shí)清洗的作業(yè)目的。整個(gè)裝置由四部分組成，分別是底盤、傳動(dòng)裝置、清刷裝置與供水裝置。傳動(dòng)裝置是前懸式結(jié)構(gòu)，由齒輪齒條機(jī)構(gòu)、槽鋼、滑軌及伸臂等組成。整個(gè)傳動(dòng)裝置是將兩根滑軌平行固定于車頭，槽鋼凌駕于滑軌上且齒條焊接于鋼槽中。為避免由于齒條自身重力作用而使其產(chǎn)生橫向傾斜或側(cè)翻，齒條與槽鋼之間通過焊接的形式連接。齒輪與齒條在運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)發(fā)生不嚙合現(xiàn)象，因此以連接板作為齒輪排的基架，將齒輪固定其上并與齒條嚙合(齒輪排基架由齒輪、齒輪軸及連接板組成)，雙排齒輪的間距為140 mm?；纱笮?、規(guī)格一致，但長短不一致的鐵板焊接而成。在基座上安放長度為900 mm的方鋼作為伸臂，伸臂一端與毛刷架相連接。為使工作時(shí)毛刷架不產(chǎn)生晃動(dòng)，則安裝長為1 000 mm方鋼作為固定桿。當(dāng)作業(yè)人員轉(zhuǎn)動(dòng)手柄驅(qū)動(dòng)齒輪時(shí)，齒輪沿著齒條方向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)清洗過程。當(dāng)齒輪到達(dá)頂部位置時(shí)，為防止發(fā)生齒輪下滑，通過控制棘輪來鎖止齒輪。清洗裝置位于環(huán)衛(wèi)車正前方，能夠保證清洗作業(yè)過程中不妨礙其他車輛運(yùn)行，作業(yè)人員具有良好的視野，使清洗車能夠停靠在合適的位置。整個(gè)清洗裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。清刷裝置由刷毛、刷板和各種緊固件組成，刷板與毛刷架之間通過螺栓緊固于一體。供水裝置是提供清洗用的輔助裝置，它是由噴水機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)水箱及相應(yīng)的管路設(shè)備組成。噴水機(jī)構(gòu)是用于噴頭射水作業(yè)的機(jī)構(gòu)，利用水槍通過壓力方式噴灑在垃圾箱面上，從而實(shí)現(xiàn)噴水過程。所用的儲(chǔ)水箱容量為200 L，能夠滿足半個(gè)工作日的工作要求。當(dāng)作業(yè)人員操縱齒輪手柄時(shí)，進(jìn)而帶動(dòng)伸臂及毛刷上下刷洗，操作方便，同時(shí)能夠?qū)η逑窜噷?shí)現(xiàn)不同高度位置的瞬間控制反應(yīng)，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2 垃圾箱清洗裝置設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 滑軌結(jié)構(gòu)及尺寸

該清洗裝置中，滑軌是整個(gè)清洗裝置的載體，也是連接環(huán)衛(wèi)車和清洗裝置的中間體?；壍闹饕饔檬鞘寡b置不工作時(shí)將其水平移動(dòng)到合適位置，即與車頭同寬，既滿足了在車道范圍內(nèi)的行駛，還實(shí)現(xiàn)了從車頭到垃圾箱的水平距離的要求。該裝置能夠很好地承受整個(gè)垃圾箱清洗過程給予其各種力的作用。

滑軌的總長度不大于環(huán)衛(wèi)車車頭的總寬度1 300 mm，以滿足安裝要求。滑軌安裝在環(huán)衛(wèi)車的底盤車頭位置處，并與其成剛性連接，保證裝置在清洗過程的穩(wěn)定性與安全性。滑軌分為上下兩條滑軌，兩滑軌成對(duì)稱狀且用螺栓固定在機(jī)車前端，其間保持300 mm的距離，便于其他裝置的安裝。

2.1.2 齒輪齒條設(shè)計(jì)及其計(jì)算

2.1.2.1 齒輪軸的設(shè)計(jì)

齒輪軸與搖動(dòng)手柄是直接連接的，連接方式可采用平鍵連接或焊接，由于齒輪需要上下運(yùn)動(dòng)，因此采用平鍵連接。選定齒輪軸直徑為φ20。驅(qū)動(dòng)力Ft=40 N。

2.1.2.2 齒輪齒條設(shè)計(jì)部分

齒輪所需驅(qū)動(dòng)力Ft=40 N，齒輪上下移動(dòng)速度為V=0.55 m/s(L=1100 m,t=2 s)，齒輪傳動(dòng)要求均勻平穩(wěn)工作。由于齒輪齒條傳動(dòng)屬于硬齒面開式傳動(dòng)，因此按齒根彎曲疲勞設(shè)計(jì)齒輪幾何參數(shù)，再根據(jù)相關(guān)參數(shù)校核齒輪強(qiáng)度。按所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值20°。垃圾箱清洗裝置為一般工作機(jī)械，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選用7級(jí)精度。材料選擇:查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選用齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，齒面硬度為280HBS，齒條材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，齒面硬度為240HBS。選齒輪齒數(shù)為z1=20，齒條齒數(shù)z2=117。

2.1.2.3 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

第一，設(shè)計(jì)公式。

(1)

1)確定公式中的各參數(shù)值。

①初選KFt=1.3。

②計(jì)算齒輪傳遞的扭矩。

初定轉(zhuǎn)速n1=100 r/min，驅(qū)動(dòng)力Ft=40 N，則扭矩為：

T1=F·L=40×150 N·mm=6×103N·mm

(2)

③查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表10-7，選取齒寬系數(shù)φd=1。

④計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度重合度系數(shù)：

(3)

由10-18圖查得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.55,Ysa2=1.8。

由10-24圖查得齒輪和齒條的齒根彎曲疲勞極限分別為：σFlim1=500 MPa，σFlim2=380 MPa。

根據(jù)圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=1.77，KFN2=2.5，

取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4，則有：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2)試算模數(shù)。

(9)

第二，調(diào)整齒輪模數(shù)。

1)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

①圓周速度v：

d1=mtz1=0.43×20 mm=8.6 mm

(10)

(11)

②齒寬b：

b=φdd1=1×8.6 mm=8.6 mm

(12)

(13)

(14)

2)計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF。

根據(jù)v=0.045 m/s，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.03。

(15)

(16)

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》10-3表得齒間載荷分配系數(shù)KFα=1.1。

由表10-4用插值法查得KHβ=1.316，結(jié)合b/h=8.89，查圖10-13，得KFβ=1.25。

則載荷系數(shù)為：

KF=KAKvKFαKFβ=1×1.03×1.1×1.25=1.42

(17)

3)由式(10-13)可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)：

(18)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，最終取模數(shù)m=2 mm。

第三，對(duì)齒輪齒條進(jìn)行幾何尺寸計(jì)算，如表1所示。

表1 齒輪齒條基本參數(shù)

2.1.2.4 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核

由上述可知：

KF=1.42,T1=6×103N·mm,YFa1=2.83,YFa2=2.15,Ysa1=1.55,Ysa2=1.8,φd=1,Ys=0.29,m=2 mm,z1=20帶入下式得

(19)

(20)

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求，并且齒輪抵抗彎曲疲勞破壞強(qiáng)度的能力大于齒條。

2.1.2.5 主要設(shè)計(jì)結(jié)論

齒數(shù)z1=20,z2=117，模數(shù)m=2 mm，壓力角α=20°，齒寬b1=30 mm,b2=40 mm。齒輪選用40Cr(調(diào)質(zhì))、齒條選用45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼。齒輪按7級(jí)精度設(shè)計(jì)，如圖4。

圖4 齒輪齒條傳動(dòng)圖

2.2 清刷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 毛刷結(jié)構(gòu)

毛刷的材料選擇：選用尼龍絲作為毛刷材料，既滿足了要求，又能提供良好的柔韌度。毛刷的形狀及其尺寸：刷毛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為長條直線式毛刷。

根據(jù)垃圾箱的尺寸，設(shè)計(jì)該裝置刷條的相應(yīng)尺寸。其中，刷條的總長度分別為1 100 mm和530 mm，刷條厚度為20 mm，刷條與刷架之間通過螺栓連接，即整個(gè)裝置呈1 100×530的矩形樣式。由于垃圾箱最底部向內(nèi)凹85 mm左右，為防止長度不夠而給清洗作業(yè)帶來困擾，因此將毛刷長度設(shè)計(jì)為120 mm為宜。

2.2.2 毛刷板的結(jié)構(gòu)

毛刷板的材料：選擇毛刷板的材料為硬塑料。

毛刷板的尺寸：由于垃圾箱呈矩形式，因此整個(gè)毛刷裝置也需設(shè)計(jì)成矩形式，即由四根刷條組合成矩形框，方便清洗。四塊毛刷板組成刷架，分別是兩塊尺寸為1 100 mm的水平刷板作為矩形長和兩塊尺寸為530 mm的刷板作矩形寬。

伸臂(刷桿)結(jié)構(gòu)：由于毛刷裝置自身重量較輕，考慮到承載車的承載質(zhì)量問題，因此采用厚度為30 mm的方鋼作伸臂。根據(jù)普遍車停靠路邊的距離，測量出車與垃圾箱的距離為600～700 mm。為了預(yù)留一定的誤差間距，所選伸臂長度為900 mm。伸臂為了能更好與毛刷架貼合，并滿足因刷毛產(chǎn)生的重力而不造成傾斜或裂縫，將伸臂放置于連接板之間。在不工作時(shí)可以通過滑軌將其沿車頭水平方向滑動(dòng)至原始位置。

對(duì)垃圾箱箱面受到的摩擦力進(jìn)行分析，即：

f=μmg=0.3×42×10 N=126 N

(21)

F—清洗過程中箱面受到的摩擦力；μ—摩擦因數(shù)選0.3；m—整個(gè)毛刷架及運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量為42 kg。要驅(qū)動(dòng)齒輪，使毛刷架能上下運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力為：

F驅(qū)·l=(mg+f)·L=2.4×103N

(22)

l—驅(qū)動(dòng)手柄力臂為0.2 m；L—伸臂長。

2.3 噴水系統(tǒng)部分

噴水系統(tǒng)主要由水泵、水管、水槍組成。水通過水泵吸入經(jīng)壓縮后流經(jīng)水管，最后經(jīng)水槍噴射出。水槍通過控制出水嘴的流量來控制水的分散大小，從而實(shí)現(xiàn)水噴射過程。由于對(duì)垃圾箱噴水不需要太大壓力，選擇在2～5 MPa即可，因此選擇微型水泵(12 V高壓水泵)即可滿足噴水。

3 結(jié)語

人力驅(qū)動(dòng)城市垃圾箱清洗裝置將高壓水泵、開關(guān)閥門、細(xì)口噴頭配合使用，采用的是人機(jī)配合控制的方式。機(jī)械傳動(dòng)通過人工控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化的功能，整個(gè)清洗過程中用的是人機(jī)結(jié)合。將現(xiàn)有的環(huán)衛(wèi)車進(jìn)行改裝、優(yōu)化，合理利用資源，充分考慮了節(jié)約水資源的重要性，確保了資源的有效利用。與人工手持水槍清洗方式相比，該裝置大大節(jié)省了水資源，清洗速度快,效率高，而且清潔凈化程度高。