鼓風(fēng)鏟斗式樹葉清掃車的設(shè)計與應(yīng)用

李青芬 黃曉云

摘要：針對現(xiàn)有道路清潔車、樹葉清掃車清掃裝置占用空間大，機構(gòu)復(fù)雜，功能單一，價格昂貴，不好安裝，實用性差，提出了鏟斗式樹葉清掃車設(shè)計方案。整體設(shè)計包括盤刷機構(gòu)，鏟斗機構(gòu)，鼓風(fēng)機構(gòu)等;此機構(gòu)以液壓系統(tǒng)和電機為動力來源，對清掃車輛所行駛經(jīng)過道路上的樹葉進行清掃，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、維護難度小。采用Solidworks三維建模，確保了設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：鏟斗式樹葉收集車;設(shè)計;應(yīng)用;鼓風(fēng)鏟斗;可伸縮

0 ?引言

隨著城市的快速發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)的推進，城市道路的清潔顯得尤為重要，市區(qū)樹葉的清掃需要耗費大量的人力物力，為減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，樹葉清掃車的設(shè)計與使用應(yīng)運而生。目前，純掃式樹葉清掃車的清掃機構(gòu)，容量小、操作麻煩、二次揚塵污染嚴(yán)重、故清掃效率不高。小型純吸式和吸掃式清掃作業(yè)裝置可靠性有待提高，而大中型的清掃裝置造價高、能耗高、噪聲高、排放污染嚴(yán)重[1]。為此，本文提出了一款機構(gòu)簡單，成本低廉的掃鏟吸相結(jié)合的清掃裝置，以滿足社會對道路清潔車的需要。

1 ?鼓風(fēng)鏟斗式樹葉清掃車的總體設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

針對目前樹葉清掃裝置占用空間大、功能單一、價格昂貴、操作復(fù)雜等一系列問題，本文基于《機械原理》[2]、《機械設(shè)計》[3]，參考張安康的《新型多功能道路清掃車設(shè)計》[4]，提出了一種更加經(jīng)濟實用的樹葉清掃裝置設(shè)計方案：采用可調(diào)節(jié)盤刷、自動壓縮鏟斗和鼓風(fēng)機構(gòu)配合使用的設(shè)計，既滿足了不同車型的需求，同時又實現(xiàn)了清掃、鏟除、吸等功能于一體清掃裝置的合理配置。本文主要對清掃裝置機械部分進行設(shè)計，經(jīng)過調(diào)查研究，確定最終的設(shè)計方案如圖1所示。

本設(shè)備主要包括盤刷機構(gòu)、鏟斗機構(gòu)和鼓風(fēng)機構(gòu)三大裝置，通過自動壓縮鏟斗，在不用時將清掃裝置快速便捷的恢復(fù)到不易發(fā)生碰撞的位置，提高車輛的通過性。

盤刷機構(gòu)主要由盤刷、升降機構(gòu)和電機組成。機構(gòu)采用1個盤刷、1個盤刷底座、1個盤刷電機，2個液壓升降桿和1個液壓升降桿固定板，在升降桿的作用下能實現(xiàn)自動調(diào)整盤刷的高度和角度，使樹葉清掃車輛在清掃時能適應(yīng)各種路面，達到最好的清掃效果。

鏟斗機構(gòu)包括鏟斗機構(gòu)和調(diào)節(jié)裝置組成。鏟斗機構(gòu)采用1個鏟斗、1個壓縮鏟、1個鏟斗機構(gòu)蓋組成，調(diào)節(jié)機構(gòu)包括1個壓縮鏟壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、1個壓縮鏟角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單，維護成本低，通過壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，增加了清掃裝置的清掃范圍。

鼓風(fēng)機構(gòu)主要由鼓風(fēng)機和管道組成。其功能是將清掃進鏟斗的樹葉吸入車廂，增加儲存樹葉的容量，提高樹葉清掃車使用空間。

1.2 基本工作原理

將盤刷調(diào)整到適合的角度和高度，把車輛行駛中清掃的樹葉掃到鏟斗旁邊，通過壓縮鏟將樹葉鏟進鏟斗內(nèi)，并進行一定程度的壓縮，壓縮鏟到達行程極限位置時，鏟斗內(nèi)部形成一個密閉的空間，鼓風(fēng)機通過管道將鏟斗樹葉吸入車廂內(nèi)部，完成樹葉的清掃工作。

2 ?盤刷機構(gòu)設(shè)計

盤刷機構(gòu)有液壓桿、液壓底座、電機、盤刷及盤刷底座等組成，其三維模型如圖2所示。

為增大清掃面積，在清掃車輛的前方布置了2個盤刷。用電機4帶動盤刷7實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，用液壓桿2的伸縮控制盤刷的高度和角度，進而控制盤刷的清掃位置和面積。電機4、盤刷7通過液壓桿固定座1固定在液壓桿上，液壓桿2帶動電機、盤刷、法蘭通過液壓底座3固定在車架上。盤刷是道路清掃車的關(guān)鍵零件，盤刷的選取直接影響到路面的清掃效果，所以進行清掃裝置的設(shè)計首先選取了適合的盤刷，盤刷的設(shè)計結(jié)構(gòu)必須能實現(xiàn)向外伸展、保持和收縮的動作。盤刷結(jié)構(gòu)如圖3所示。

盤刷的具體尺寸參數(shù)如表1所示。

其中，刷毛接地點的方向、盤刷接地點的速度是影響盤刷性能的重要因素。許蓓、余大平和邢兵經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：在大多數(shù)路段把車速、刷盤接地點的速度、內(nèi)傾角分別設(shè)定在8～10km·h-1、12 m·s-1、30°時可以取得最好的清掃效果[5]。所以，本設(shè)計為了讓盤刷的工作效果更佳，盤刷的角度布置為30°。而且由于液壓系統(tǒng)的設(shè)計，盤刷的角度并不是一成不變的，而是可以調(diào)節(jié)的，這樣就可以適應(yīng)不同路面、不同車速的需求。

盤刷驅(qū)動電機經(jīng)計算后如表2所示。

3 ?鏟斗機構(gòu)設(shè)計

鏟斗機構(gòu)主要是接收盤刷清掃過來的樹葉，并在允許的范圍內(nèi)對盤刷掃過來的樹葉進行壓縮。鏟斗機構(gòu)原理圖如圖4所示。

鏟斗機構(gòu)采用鏟斗加液壓壓縮鏟的設(shè)計，布置1個在清掃車輛的中后方。在使用時，鏟斗接受盤刷清掃過來的樹葉，當(dāng)樹葉充滿鏟斗時，由于樹葉之間的間隙較大，仍有一定的壓縮空間，這時壓縮鏟在液壓系統(tǒng)的作用下將鏟斗入口處的樹葉壓進鏟斗內(nèi)部，并對整個鏟斗內(nèi)部的樹葉進行壓縮，最后被鼓風(fēng)機構(gòu)吸入車廂內(nèi)。

鏟斗機構(gòu)接收樹葉主要是靠車輛的運動，最后輔以壓縮鏟的壓縮進行工作。鏟斗機構(gòu)設(shè)計了兩個液壓系統(tǒng)，一個是負(fù)責(zé)壓縮鏟的升降，一個是負(fù)責(zé)整個鏟斗機構(gòu)的升降。兩個液壓系統(tǒng)的參數(shù)如表3所示。壓縮鏟的升降雖然有壓縮作用，但它的主要作用還是讓壓縮鏟封閉鏟斗的內(nèi)部空間，使鼓風(fēng)機的風(fēng)力充分作用在鏟斗的內(nèi)部，節(jié)省一些不必要的浪費。另一個液壓系統(tǒng)是由兩個液壓主缸組成，增加一個液壓主缸雖然增加了成本，但可以使鏟斗機構(gòu)的升降更加穩(wěn)定，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，它主要是負(fù)責(zé)鏟斗機構(gòu)的升降。出于性能和成本方面的考慮，鏟斗機構(gòu)并沒有加入避讓輪，而是讓鏟斗的前端使用耐磨材料接地，這樣可以直接鏟入路面上的樹葉，還使鏟斗機構(gòu)不會產(chǎn)生太大的損傷。而且前端的耐磨材料十分便宜，發(fā)生嚴(yán)重磨損和碰撞之后可以快速更換，不影響接下來的工作。

4 ?鼓風(fēng)機構(gòu)設(shè)計

鼓風(fēng)機構(gòu)主要是由鼓風(fēng)機和鼓風(fēng)管道構(gòu)成，是用來將鏟斗內(nèi)的樹葉吸入車廂內(nèi)的機構(gòu)。其中鼓風(fēng)機是標(biāo)準(zhǔn)件，可以自行根據(jù)鏟斗內(nèi)管道的大小和預(yù)計要吸入樹葉的質(zhì)量安裝適合的鼓風(fēng)機。以下為鼓風(fēng)機配置下的管道口設(shè)計。為了將鏟斗內(nèi)的樹葉吸到車廂內(nèi)，考慮到鏟斗的尺寸和鼓風(fēng)機產(chǎn)生吸力的大小，需要在鏟斗機構(gòu)上開兩個直徑為150mm的孔接通管道。管道口布置圖如圖5所示。

管道在清掃車工作過程中起極大的作用。一方面因為清掃車輛底盤下的空間比較狹小，難以放置體積較大的鏟斗，另一方面，鏟斗過大也可能導(dǎo)致鼓風(fēng)機的吸力不足，難以產(chǎn)生良好的清掃效果。所以，在有限的空間內(nèi)儲存更多的東西變成了設(shè)計的難點。本設(shè)計正是結(jié)合了純吸式和純掃式兩種清掃車的優(yōu)點，通過連接鏟斗和車廂的方式變相增加垃圾的容量，而管道是鏟斗和車廂間的紐帶。合理的管道布置，將使清掃車的效率大大提升。

5 ?設(shè)計裝配實現(xiàn)

為驗證盤刷、盤刷升降裝置、風(fēng)機、風(fēng)機驅(qū)動電機各個零部件的裝配尺寸，實現(xiàn)收集樹葉功能，對其進行總體結(jié)構(gòu)裝配的驗證，運用三維軟件Solidworks進行裝配之后的效果圖如圖6所示。

本設(shè)計創(chuàng)新點如下：

①對盤刷系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了雙液壓系統(tǒng)控制盤刷的起降與傾斜，增大了清潔車的清掃面積及效率。

②設(shè)計了可壓縮、伸縮式鏟斗，維護方便，成本低廉，增加了樹葉容納量，同時使吸納過程更加順利。

③采用鼓風(fēng)機構(gòu)進行最終的收納，節(jié)省了車廂的占用量，同時相較于其他系統(tǒng)操作更加簡單可靠。

本設(shè)計采用Solidworks軟件對鼓風(fēng)鏟斗式樹葉清掃車進行三維建模，并最終完成了整體的裝配設(shè)計。由于本人水平有限，只進行了三維裝配，模擬，沒有進行功能上的運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)分析，設(shè)計細(xì)節(jié)之處也有待提高，比如對于收集進入車廂樹葉的處理及自動卸車裝置。今后將進一步深入研究，使設(shè)計更為合理。

參考文獻：

[1]簡潔.電動清掃車清掃作業(yè)裝置的設(shè)計與研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]張安康，張攀，王選，等.新型多功能道路清掃車設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（13）：87-88.

[5]許蓓，余大平，邢兵.路面清掃車的選型及常見問題探析[J]. 設(shè)備管理與維修，2015，32（1）：95-98.

作者簡介：李青芬（1983-），女，講師，主要從事汽車電子控制技術(shù)、新能源汽車的教學(xué)與研究。