路面自適應(yīng)掃地機盤刷觸地壓力調(diào)整裝置的研制

韓雪松，李錫慶，陸美文

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.南寧南機環(huán)保科技有限公司，廣西 南寧 530003）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市和城鎮(zhèn)面積數(shù)倍增加，人力成本也在不斷地提高，依靠人力完成龐大的城鎮(zhèn)道路和集市的清掃工作已不大現(xiàn)實，城鎮(zhèn)的環(huán)衛(wèi)工作也從人力清掃為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐話呗奋?、掃地機等機械化清掃為主[1]。

對于集路面清掃、垃圾收集和運輸為一體的掃路車來說，盤刷是影響其清潔性能的關(guān)鍵部件，也是掃路車作業(yè)時易耗損的部件，它通常在連續(xù)工作十余個工作日后就需要更換[2]。影響盤刷清掃效果及磨損速度的因素很多，其中盤刷的觸地壓力是一個重要因素。傳統(tǒng)掃地機的盤刷與車身之間通常采用剛性連接，工人可通過絲桿調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整盤刷與路面的間距，實現(xiàn)觸地壓力調(diào)整。在清掃作業(yè)過程中，剛性連接方式不能讓盤刷跟隨路面起伏進(jìn)行自由上下浮動，因此盤刷的觸地壓力會受到工作地形的影響。當(dāng)遇到凸起路面時，盤刷觸地壓力增大，引起盤刷過度磨損；在遇到凹陷路面時，盤刷觸地壓力減小，造成垃圾遺漏。

1 常見的盤刷觸地壓力自動調(diào)整方案

為了解決盤刷剛性連接帶來的弊端，眾多工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究。長沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司的劉如意等[1]提出了盤刷自適應(yīng)、提升及鎖緊的氣動方案，利用氣動減壓溢流閥、誘導(dǎo)止回閥和抱緊氣缸等氣動元件，通過氣動系統(tǒng)的3 個回路能夠有效實現(xiàn)盤刷的自適應(yīng)、提升和鎖緊功能。中國重汽集團(tuán)青島重工有限公司的任浩[2]提出的盤刷自適應(yīng)調(diào)節(jié)觸地壓力系統(tǒng)包括氣缸、盤刷支撐結(jié)構(gòu)、連桿機構(gòu)，利用括梭閥、鎖止閥、電磁換向閥、減壓閥組成的盤刷觸地壓力控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)盤刷與路面的間距，使盤刷觸地壓力保持恒定。陜西汽車控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心的郭佳鵬等[3]把常規(guī)結(jié)構(gòu)的盤刷離地高度調(diào)節(jié)叉以電動執(zhí)行器進(jìn)行替換，配以盤刷觸地壓力檢測傳感器反饋出盤刷離地高度，通過程序來自動控制帶有電動推桿的調(diào)節(jié)裝置的伸縮量，使盤刷的離地高度始終處于優(yōu)良狀態(tài)。長沙福田汽車科技有限公司的程小建等[4]在分析清掃機構(gòu)重力、提升油缸推力及盤刷觸地壓力的基礎(chǔ)上，從力平衡角度，提出一種盤刷升降控制系統(tǒng)，通過控制提升油缸推力，間接實現(xiàn)盤刷觸地壓力的恒定和觸地深度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。以上學(xué)者使用壓力傳感器直接或間接測量盤刷觸地壓力，壓力控制系統(tǒng)通過氣缸、液壓缸或電動推桿驅(qū)動盤刷升降，使盤刷觸地壓力保持恒定。

2 盤刷觸地壓力自適應(yīng)調(diào)整裝置設(shè)計方案

上述盤刷觸地壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含眾多的液壓、氣動控制元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造成本較高。路面狀況通常不是理想的水平狀態(tài)，總會一定程度高低不平，從而導(dǎo)致地面作用在油缸或氣缸軸向上的力的角度或大小或有很大變化，進(jìn)一步的導(dǎo)致原本設(shè)定好的油缸或氣缸內(nèi)腔壓力不具有準(zhǔn)確參考價值，最終無法準(zhǔn)確適時調(diào)整掃盤刷與地面有合理的接地壓力[5]。為此，筆者設(shè)計了一套純機械式的盤刷觸地壓力自適應(yīng)調(diào)整裝置，通過在盤刷底部設(shè)置萬向輪，讓盤刷與路面的間距保持不變，從而使盤刷與地面的壓力保持恒定。

2.1 總體設(shè)計方案

盤刷觸地壓力自適應(yīng)調(diào)整裝置的總體設(shè)計方案如圖1 所示。將萬向輪安裝在盤刷底部，且萬向輪的縱向旋轉(zhuǎn)軸線與盤刷旋轉(zhuǎn)軸線同軸布置。刷臂的一端連接盤刷驅(qū)動裝置，另一端與車身鉸接；液壓缸活塞桿通過鏈條連接刷臂。當(dāng)需要抬起盤刷時，液壓缸活塞桿縮回缸體，驅(qū)動刷臂抬起，從而帶動盤刷離開路面；需要放下盤刷時，液壓缸活塞伸出，刷臂下降，直到萬向輪與路面接觸。在掃地機清掃作業(yè)過程中，萬向輪始終緊密接觸路面；鏈條的作用是讓刷臂與車身進(jìn)行浮動連接，在遇到起伏不平的路況時盤刷能跟隨地形上下移動，使盤刷與路面的接觸壓力保持恒定。

圖1 總體設(shè)計方案

2.2 受力分析

盤刷在工作時，垂直方向上受到3 個力影響，它的受力情況如下：

（1）盤刷受到的路面支撐力F1，方向朝上；

（2）萬向輪受到的路面支撐力F2，方向朝上；

（3）盤刷裝置的自重G，方向朝下；

（4）盤刷工作時，3 個力達(dá)到平衡狀態(tài)，F(xiàn)1+F2=G

由于在工作時，盤刷裝置自重G始終大于盤刷受到的路面支撐力F1，因此萬向輪將始終與路面接觸，使盤刷裝置與路面的間距保持不變，從而盤刷與路面的接觸壓力將保持恒定。

3 盤刷驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計技術(shù)要求

盤刷驅(qū)動裝置要解決兩個主要問題：（1）萬向輪縱向旋轉(zhuǎn)軸與盤刷旋轉(zhuǎn)軸同軸，但萬向輪不能跟隨盤刷旋轉(zhuǎn)；（2）萬向輪可以沿其縱向軸線進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，用于調(diào)整盤刷觸地壓力。針對這兩個問題對盤刷驅(qū)動裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。圖2 為盤刷驅(qū)動裝置的裝配圖，圖3 為盤刷驅(qū)動裝置的局部放大圖。

圖2 盤刷驅(qū)動裝置裝配圖

圖3 盤刷驅(qū)動裝置局部放大圖

3.2 盤刷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

軸承座的上端連接電機安裝板，下端連接刷臂連接件，三者共同構(gòu)成盤刷驅(qū)動裝置的機架。軸承座內(nèi)安裝有兩個滾動軸承，盤刷驅(qū)動軸與軸承內(nèi)圈配合，因此盤刷驅(qū)動軸能相對軸承座轉(zhuǎn)動。如圖4 所示，盤刷驅(qū)動軸為管狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能讓萬向輪安裝軸從其中心穿過，實現(xiàn)兩者同軸設(shè)置且不產(chǎn)生運動干涉。盤刷驅(qū)動軸外壁設(shè)有上下兩個鍵槽，下端設(shè)有螺紋。從動同步帶輪套在盤刷驅(qū)動軸上，上下設(shè)有隔套進(jìn)行限位，同步帶輪和盤刷驅(qū)動軸通過平鍵連接的方式傳遞轉(zhuǎn)矩。盤刷安裝法蘭套在盤刷驅(qū)動軸的下端，上方設(shè)有隔套進(jìn)行限位，盤刷安裝法蘭和盤刷驅(qū)動軸通過平鍵連接的方式傳遞轉(zhuǎn)矩。盤刷安裝在盤刷安裝法蘭上，用螺釘緊固鎖。緊螺母設(shè)置在盤刷驅(qū)動軸的下端，用于預(yù)緊各個套在盤刷驅(qū)動軸上的零件。

圖4 盤刷驅(qū)動軸

3.3 萬向輪安裝軸調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

減速電機安裝在電機安裝板上，主動同步帶輪與電機軸通過平鍵連接的方式傳遞轉(zhuǎn)矩，同時用螺釘鎖緊防止帶輪松脫；主動同步帶輪與從動同步帶輪用同步皮帶連接。螺紋套安裝在電機安裝板的上方，用螺釘緊固；上蓋安裝在螺紋套的上端面，用螺釘緊固。萬向輪安裝軸的上端旋入螺紋套內(nèi)部的螺紋孔中；防松螺釘穿過上蓋中部的通孔，旋入萬向輪安裝軸上端的螺紋孔中，起到預(yù)緊萬向輪安裝軸，防止其轉(zhuǎn)動的作用。萬向輪安裝軸和盤刷驅(qū)動軸的內(nèi)孔間設(shè)置有滾動軸承，起到輔助支撐作用，增強萬向輪安裝軸的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。萬向輪上部的安裝螺釘與萬向輪安裝軸下端的螺紋孔連接，并用螺母鎖緊。

3.4 盤刷驅(qū)動裝置工作過程

盤刷驅(qū)動裝置工作過程如下：減速電機通過同步皮帶傳動帶動盤刷驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動盤刷旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)刷掃功能。萬向輪安裝軸從中心穿過盤刷驅(qū)動軸的中孔，其上端受到螺紋套固定，因此使萬向輪安裝軸不隨盤刷驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。通過手動旋轉(zhuǎn)萬向輪安裝軸，使其相對螺紋套做軸向移動，可以調(diào)節(jié)萬向輪的安裝高度，從而調(diào)整盤刷的觸地壓力。

3.5 運動仿真

來自SiemensPLM 的UG 軟件具有強大的產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用模塊，具有高性能的機械設(shè)計和制圖功能，為機械產(chǎn)品的設(shè)計提供了高效率的設(shè)計工具，滿足設(shè)計復(fù)雜產(chǎn)品的需要。UG 以數(shù)字化的方式仿真、在產(chǎn)品研制中運用數(shù)字化仿真確認(rèn)和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能減少或消除昂貴耗時的物理樣機制造和驗證。

在本裝置設(shè)計過程中，首先使用UG NX10.0 軟件進(jìn)行零件三維實體建模和裝配，如圖5 所示，然后在UG 的運動仿真模塊中設(shè)置個零部件的運動屬性并進(jìn)行仿真運動，分析各部件運動軌跡，及時糾正設(shè)計過程中出現(xiàn)的干涉問題并優(yōu)化設(shè)計方案。

圖5 三維模型

4 樣機制造與測試

根據(jù)設(shè)計的零件圖，加工出盤刷驅(qū)動裝置的各個零件，然后根據(jù)裝配圖進(jìn)行整機組裝和調(diào)試，樣機實物如圖6 所示。本裝置已經(jīng)在南寧南機環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)NJ-D3GS1700 型純電動掃地機上進(jìn)行清掃試驗，確認(rèn)了盤刷觸地壓力自適應(yīng)調(diào)整裝置的可行性，實現(xiàn)了設(shè)計方案預(yù)期的所有功能。

圖6 樣機實物

5 結(jié)論

盤刷觸地壓力自適應(yīng)調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高，用純機械的方式使盤刷在工作時能跟隨路面的起伏自動上下移動，讓盤刷的觸地壓力保持恒定。盤刷驅(qū)動裝置將萬向輪的縱向旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置在盤刷中心位置，使盤刷能及時對路面的起伏做出反應(yīng)，保持最優(yōu)的清掃效果。本裝置既能應(yīng)用于純電動掃地機，也能適用于大型環(huán)衛(wèi)掃路車，對提高清掃率及減緩盤刷磨損具有實用價值。