沙灘垃圾清潔車的設(shè)計(jì)

摘 要：針對當(dāng)今沙灘環(huán)境存在大量垃圾滯留現(xiàn)象所帶來的生態(tài)問題，設(shè)計(jì)一款用于清理沙灘垃圾的沙灘垃圾清潔車。該車最主要功能是實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾與沙子的有效分離并將沙灘垃圾收集起來。通過對同步帶、同步輪的計(jì)算選定裝置所需要的零部件尺寸，并使用SolidWorks軟件對裝置整體進(jìn)行建模和虛擬裝配，利用Simulation插件對主要零部件進(jìn)行有限元仿真分析，得出應(yīng)力圖、位移圖，進(jìn)而驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的合理性及可行性。

關(guān)鍵詞：沙灘垃圾清潔車；三維建模；仿真分析

中圖分類號：U469.6+91" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0038-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.008

0" " 引言

我國沙灘上常見的垃圾主要有塑料類（占37.37%）、泡沫類（占35.67%）等廢棄物[1-2]。根據(jù)美國相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，全球每日產(chǎn)生海灘垃圾3 700 t，香煙和塑料袋成為全球海洋環(huán)境的頭號“殺手”[3]。這些沙灘垃圾帶來的污染已經(jīng)給海岸帶和近海生態(tài)系統(tǒng)造成了重大壓力，對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[4]。國內(nèi)沙灘清潔車研發(fā)晚于國外，以理論研究和發(fā)明專利為主，市場上多為進(jìn)口車。

目前，廈門威迪思汽車設(shè)計(jì)服務(wù)有限公司已成功研發(fā)兩款清潔車，并完成了樣機(jī)試制和試驗(yàn)[5]?？偟膩碚f，我國未來需加強(qiáng)研究和技術(shù)投入，以提升沙灘垃圾清潔車產(chǎn)業(yè)的競爭力[6]。

1" " 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的沙灘垃圾清潔車結(jié)構(gòu)如圖1所示。該車由垃圾拾取裝置、垃圾輸送裝置、篩沙裝置、垃圾收集裝置、行走裝置組成，以此實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾與沙子有效分離并將沙灘垃圾集中收集起來的功能。

這五個(gè)裝置的設(shè)計(jì)思路如下：

1）行走裝置。

根據(jù)沙灘的地形特點(diǎn)，選取履帶式行走裝置而不是輪胎式行走裝置，因?yàn)槁膸叫凶哐b置具有支撐面積大、接地比壓小、凹陷小的優(yōu)點(diǎn)，在沙灘上具有良好的通過性能。

2）垃圾拾取裝置。

基于沙灘垃圾普遍存在于沙灘表面或略深于沙灘表面以及防止拾取過程中沙灘垃圾掉落的現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)的垃圾拾取裝置為具有傾斜角的前鏟式且兩側(cè)附有擋板的構(gòu)造。

3）垃圾輸送裝置。

參考傳送帶的工作原理，進(jìn)一步增加了前側(cè)和兩側(cè)附有擋板的抬升板，以此實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾的輸送和防止掉落的功能。

4）篩沙裝置。

參考水泥攪拌車的攪拌筒構(gòu)造，其內(nèi)部攪拌槳的螺旋式構(gòu)造不僅能夠起到輸送的功能，且能夠?qū)⑸匙訑嚿?。在此基礎(chǔ)上，在滾筒的外圈設(shè)計(jì)了一定數(shù)量的較大孔徑的篩孔。攪拌槳隨滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)能將沙灘垃圾表面可能還附帶的一些潮濕的沙子或已經(jīng)和海水凝結(jié)成塊狀的沙子攪散，實(shí)現(xiàn)與沙灘垃圾充分的分離，最后經(jīng)過較大孔徑的篩孔篩除這些攪散的沙子。

5）垃圾收集裝置。

設(shè)計(jì)了一個(gè)抽拉式可再次篩沙的垃圾收集裝置，再次篩沙是為了避免在沙灘垃圾收集時(shí)還夾雜一些細(xì)沙，為了保障垃圾收集時(shí)能最大限度與沙子分離，利用四個(gè)凸輪帶動(dòng)箱體的四根軸使箱體上下運(yùn)動(dòng)，使得小篩孔狀的箱體把剩下的細(xì)沙篩除。

2" " 同步帶、同步輪的計(jì)算

2.1" " 垃圾輸送裝置的同步帶、同步輪的計(jì)算

根據(jù)垃圾輸送裝置的結(jié)構(gòu)布局和大概需要功率，并查閱網(wǎng)上相關(guān)的電動(dòng)機(jī)資料，挑選CH18-

100-3～200三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定功率P=100 W，轉(zhuǎn)速為7～500 r/min。

1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd：

Pd=KAP=0.15 kW " （1）

式中：KA為工況系數(shù)，假設(shè)垃圾輸送裝置每天工作8～10 h，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的工況系數(shù)表得KA=1.5[7]。

2）由電機(jī)選型得額定轉(zhuǎn)速n為7～500 r/min，取n=200 r/min；又由上一步算出設(shè)計(jì)功率Pd=0.15 kW。根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的模數(shù)制同步帶選型圖和圓弧齒同步帶選型圖得模數(shù)m=3 mm，帶型節(jié)距Pb=3 mm也即圓弧齒同步帶型為3M。

3）為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)加速，假設(shè)主動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速是從動(dòng)同步輪的1/3，則可得傳動(dòng)比為i=1/3，因此主動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速n1=電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=200 r/min，從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速也即小帶輪轉(zhuǎn)速n2=600 r/min。根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速n2=600 r/min以及圓弧齒同步帶型為3M，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的小帶輪最小齒數(shù)表可得Zmin=10。在帶速和安裝尺寸允許時(shí)，小帶輪的齒數(shù)Z2盡可能選用最大值，取小帶輪齒數(shù)Z2=14。根據(jù)假設(shè)的傳動(dòng)比可得大帶輪齒數(shù)Z1=42。

4）由大帶輪齒數(shù)Z1=42、小帶輪齒數(shù)Z2=14，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的圓弧齒帶輪直徑表得大帶輪節(jié)圓直徑d1≈40.11 mm、小帶輪節(jié)圓直徑d2≈13.37 mm。

5）計(jì)算同步帶的帶速V：

式中：Lp為圓弧齒帶節(jié)線長度，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》的圓弧齒帶的節(jié)線長度表，選取接近的圓弧齒帶節(jié)線長度Lp=192 mm。

9）計(jì)算總結(jié)：

垃圾輸送裝置選用節(jié)線長度Lp=192 mm、中心距a=52.21 mm的3M型圓弧齒同步帶；大帶輪節(jié)圓直徑d1=40.11 mm、齒數(shù)Z1=42，小帶輪節(jié)圓直徑d2=

13.37 mm、齒數(shù)Z2=14。

2.2" " 篩沙裝置的同步帶、同步輪的計(jì)算

根據(jù)工作環(huán)境為沙灘，篩沙裝置的電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級應(yīng)至少為IP54，以確保電動(dòng)機(jī)在一定程度上防水、防塵和防腐蝕。根據(jù)篩沙裝置的結(jié)構(gòu)布局和大概需要功率，并查閱網(wǎng)上相關(guān)的電動(dòng)機(jī)資料。篩沙裝置挑選6IK200GU-UFT/6GU75K三相異步電動(dòng)機(jī)。

同理可計(jì)算得，篩沙裝置選用節(jié)線長度Lp=750 mm、中心距a=145.5 mm的3M型圓弧齒同步帶；大帶輪節(jié)圓直徑d1=68.75 mm、齒數(shù)Z1=72，小帶輪節(jié)圓直徑d2=22.92 mm、齒數(shù)Z2=24。

3" " 主要零部件的仿真分析

3.1" " 垃圾輸送裝置的垃圾抬升板有限元分析

垃圾輸送裝置的抬升板起到承載和運(yùn)輸沙灘垃圾的作用，其在傳送帶的運(yùn)輸過程中，受到的靜應(yīng)力能否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，是確保該裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。因此需要對其進(jìn)行靜應(yīng)力分析并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

設(shè)垃圾輸送裝置的垃圾抬升板每次裝有10 kg的沙和沙灘垃圾，取g=10 N/kg，則該抬升板受到的力為100 N的載荷。經(jīng)查閱網(wǎng)上的資料，ABS PC具有重量輕、耐磨損、抗腐蝕等特點(diǎn)，而且制作成本相對較低，可以滿足垃圾輸送裝置的垃圾抬升板具有足夠的承載能力，以承受沙灘垃圾的重壓的使用要求。通過有限元分析模擬垃圾抬升板實(shí)際工作狀態(tài)，分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）得知，抬升板承受最大應(yīng)力為1.796×107 N/m2，最小應(yīng)力為3.726×103 N/m2。對比其材料彈性模量為2.41×109 N/m2，垃圾輸送裝置的垃圾抬升板所受應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)；由圖2（b）得知，抬升板在承受應(yīng)力時(shí)的最大位移為1.092 mm，最小位移為1.000×10-30 mm。抬升板作為垃圾輸送裝置的承重和運(yùn)輸裝置，會(huì)產(chǎn)生微量位移，但位移的數(shù)值在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，不影響裝置的運(yùn)行。綜上可得，該設(shè)計(jì)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.2" " 垃圾收集裝置凸輪的有限元分析

垃圾收集裝置中，通過凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)垃圾收集裝置上下移動(dòng)，起到最后一次篩沙的作用。凸輪在該過程受到的靜應(yīng)力能否符合安全標(biāo)準(zhǔn)，是確保該裝置正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

設(shè)垃圾收集裝置有40 kg的沙和沙灘垃圾，由于該裝置裝有四個(gè)凸輪，取g=10 N/kg，則一個(gè)凸輪受到的力為100 N的載荷。經(jīng)查閱網(wǎng)上的資料，退火不銹鋼具有較好的耐腐蝕性和高強(qiáng)度，可以滿足凸輪在沙灘等環(huán)境中的使用要求。通過有限元分析模擬凸輪實(shí)際工作狀態(tài)，分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）得知，凸輪承受最大應(yīng)力為1.909×

106 N/m2，最小應(yīng)力為5.540×104 N/m2。對比裝置的材料彈性模量為2.07×1011 N/m2，因此垃圾收集裝置凸輪所受應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)；由圖3（b）得知，垃圾收集裝置凸輪在承受應(yīng)力時(shí)的最大位移為4.707×10-5 mm，最小位移為1.000×10-30 mm。

凸輪作為垃圾收集裝置的篩沙、承重裝置，會(huì)產(chǎn)生微量位移，但位移的數(shù)值在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，不影響裝置的運(yùn)行。

綜上可得，該設(shè)計(jì)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

4" " 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的沙灘垃圾清潔車采取履帶式行走裝置，其垃圾拾取裝置采用八葉式前鏟翻沙板結(jié)構(gòu)，垃圾輸送裝置則使用了擋板式傳送帶，隨后通過滾筒式篩沙裝置進(jìn)行篩沙，最后垃圾收集裝置采用篩孔式收集箱進(jìn)行垃圾的最終收集并進(jìn)一步篩除殘留在沙灘垃圾的細(xì)沙。

為了更好地設(shè)計(jì)沙灘垃圾清潔車，本文使用SolidWorks軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬裝配。

由于垃圾輸送裝置和篩沙裝置涉及帶傳動(dòng)系統(tǒng)，為了降低電機(jī)的功率要求，進(jìn)而降低電機(jī)所需成本，采取了小傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)加速的功能；為了使帶傳動(dòng)系統(tǒng)更好地運(yùn)行，查閱了帶傳動(dòng)的相關(guān)資料，對于同步帶和同步輪的選擇為圓弧齒同步帶和圓柱齒輪，并根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》關(guān)于帶傳動(dòng)的選型設(shè)計(jì)和垃圾輸送裝置、篩沙裝置對應(yīng)電機(jī)的功率，對于各自的圓弧齒同步帶以及圓柱同步輪進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算選型。

最后，本文利用SolidWorks軟件中的Simulation插件對垃圾輸送裝置的抬升板和垃圾收集裝置凸輪進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力仿真分析，校核其強(qiáng)度和剛度，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡介：周林建（2001—），男，福建漳州人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目資助：寧德師范學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目（2023ZX01）、寧德師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助