一種清掃裝置試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

崔華勝

（北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計(jì)科學(xué)研究所，北京 100028）

北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計(jì)科學(xué)研究所自2006年開始進(jìn)行掃路機(jī)專業(yè)性能檢測工作，由于掃路機(jī)檢測主要在露天進(jìn)行，受溫度、濕度、風(fēng)力等環(huán)境因素影響較大，不利于檢測結(jié)果的準(zhǔn)確再現(xiàn)，也影響檢測日程的安排。目前絕大多數(shù)的掃路機(jī)在作業(yè)時(shí)都會用到盤刷、吸盤等清掃裝置，這些清掃裝置的設(shè)計(jì)普遍使用經(jīng)驗(yàn)法，存在一定的盲目性，缺乏可行的試驗(yàn)方法和準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為解決這一問題，北京市環(huán)境衛(wèi)生設(shè)計(jì)科學(xué)研究所設(shè)計(jì)建造了一套清掃裝置試驗(yàn)平臺，旨在為掃路機(jī)性能檢測提供一個(gè)全天候的、具有良好再現(xiàn)性的試驗(yàn)平臺，完善掃路機(jī)性能檢測體系、提高檢測數(shù)據(jù)可信度。

1 總體方案選擇

1.1 功能設(shè)計(jì)

為了在室內(nèi)模擬實(shí)際道路清掃條件，清掃裝置試驗(yàn)臺應(yīng)具備如下功能：①有一套能夠?qū)崿F(xiàn)清掃裝置-模擬路面連續(xù)相對運(yùn)動且相對運(yùn)動速度可調(diào)的系統(tǒng)，相對速度0～10 km/h，模擬路面寬度≥1.5 m，長度≥3 m；②模擬路面應(yīng)具有實(shí)際瀝青路面的洞隙率；③具有布料量可調(diào)的布料機(jī)構(gòu)，可以均勻布撒標(biāo)準(zhǔn)物料，模擬路面污染程度；④配備大功率吸塵系統(tǒng)，收集模擬路面上布撒的標(biāo)準(zhǔn)物料，用于計(jì)算布料量及掃凈率；⑤配套大風(fēng)量排塵系統(tǒng)，將試驗(yàn)中激起的塵土迅速排出；⑥配套相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

清掃裝置-模擬路面系統(tǒng)是整套試驗(yàn)臺核心，直接決定了其他功能、結(jié)構(gòu)方案。而模擬實(shí)際瀝青路面的洞隙率則是研究清掃裝置的基本條件。

1.2 方案比選

1） 第1種方案：建造1條平直的實(shí)際瀝青路面，并且使清掃裝置在其上往復(fù)運(yùn)動。

2） 第2種方案：建造1條環(huán)形的實(shí)際瀝青路面，并且使清掃裝置在其上循環(huán)運(yùn)動。

3） 第3種方案：制造1套類似履帶結(jié)構(gòu)的滾動平臺，使用金屬或橡膠板塊模擬路面，清掃裝置固定。

4） 第4種方案：制造1套類似履帶結(jié)構(gòu)的滾動平臺，使用與實(shí)際路面相同的瀝青板塊模擬路面，清掃裝置固定，見圖1。

方案1由于采用平直瀝青路面，所以最接近真實(shí)路面情況。但是，考慮到場地條件，試驗(yàn)臺總長度必須小于15 m。因此，清掃裝置只能進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動才能保證運(yùn)行足夠長的距離，無法真正實(shí)現(xiàn)清掃裝置-模擬路面連續(xù)相對運(yùn)動，因此放棄此方案。

方案2采用環(huán)型瀝青路面，既接近真實(shí)路面情況，又可以實(shí)現(xiàn)清掃裝置-模擬路面連續(xù)相對運(yùn)動，但布料機(jī)構(gòu)、吸塵系統(tǒng)也必須在路面上進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，整體結(jié)構(gòu)將很復(fù)雜，因此放棄此方案。

方案3采用履帶式結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動，而且清掃裝置、布料機(jī)構(gòu)、吸塵系統(tǒng)等均可固定布置，結(jié)構(gòu)相對簡單。同時(shí)，使用金屬或橡膠板模擬路面制作難度低，但很難準(zhǔn)確模擬真實(shí)路面，而使用橡膠板很難承受掃刷刷絲的長期磨損，尤其是對于采用金屬刷絲的掃刷。因此最終放棄此方案。

方案4使用瀝青板塊可以較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際路面，耐磨，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動且清掃裝置、布料機(jī)構(gòu)、吸塵系統(tǒng)等均可固定布置，結(jié)構(gòu)相對簡單。經(jīng)過研究，最終選擇了此方案。

2 履帶式滾動臺面設(shè)計(jì)

2.1 瀝青板塊設(shè)計(jì)

采用履帶式滾動臺面配合瀝青板塊模擬實(shí)際路面，其技術(shù)關(guān)鍵在于瀝青板塊的設(shè)計(jì)。其基本要求是：①由于瀝青本身較脆，直接制成板塊安裝于履帶結(jié)構(gòu)上很容易在鏈輪部位因離心力過大而碎裂，所以一定要將瀝青裝在其他基底上，這種基底應(yīng)保證能與瀝青緊密連接不易脫離，并且方便安裝；②瀝青板塊應(yīng)盡量輕，以減少回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，防止整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動；③瀝青板有效寬度為1.5 m。為了達(dá)到上述3點(diǎn)要求，采用了在金屬盒內(nèi)填裝瀝青的方法。

為了減輕每塊瀝青板的質(zhì)量，在有效長度選定的條件下，應(yīng)盡量減小其厚度與寬度。在厚度方面，瀝青路面需要使用豆石，其大小有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，常用的10號路面，其豆石直徑在10 mm左右，且至少要鋪設(shè)2.5倍于豆石直徑的厚度才能保證路面的緊實(shí)，因此，最終確定金屬盒深度為25 mm。在寬度方面，瀝青板過寬其質(zhì)量增大，瀝青板過窄會增加縫隙數(shù)量，不利于模擬路面，綜合考慮后確定瀝青板寬度為300 mm左右。按照上述設(shè)計(jì)尺寸，每塊板質(zhì)量為40 kg左右。

由于金屬盒既薄且窄，為了保證其強(qiáng)度及剛度，選擇使用3 mm冷軋鋼板制作。兩側(cè)沿使用折彎機(jī)直接彎制，兩端焊接封邊，并各加4個(gè)加強(qiáng)筋，確保安裝位置強(qiáng)度。盒體內(nèi)加2道縱向加強(qiáng)筋，提高盒體剛度。

為保證瀝青與盒體連接緊密不脫落，在盒體內(nèi)還需設(shè)置若干倒鉤，提高瀝青與盒體的結(jié)合力。

實(shí)際制作的瀝青板如圖2所示。經(jīng)過試驗(yàn)其強(qiáng)度、剛度、結(jié)合度均滿足使用要求。

2.2 滾動臺面主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾動臺面總體采用履帶式結(jié)構(gòu)，通過鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)帶動瀝青板運(yùn)動，其基本設(shè)計(jì)要求為：①臺面運(yùn)動平穩(wěn)順暢，其速度應(yīng)在0～10 km/h范圍內(nèi)可調(diào)；②臺面上表面必須平直，有效長度為3 m；③驅(qū)動電機(jī)具有足夠的功率；④鏈條設(shè)置有張緊措施；⑤預(yù)留清掃裝置安裝位置。

2.2.1 鏈條鏈輪選擇

本試驗(yàn)臺使用鏈輪鏈條驅(qū)動的履帶式結(jié)構(gòu)。為使臺面上表面平直，瀝青板下應(yīng)加支撐。為使臺面運(yùn)動能平穩(wěn)順暢，支撐面最好為滾動摩擦。經(jīng)過考察，選擇了雙節(jié)距輸送鏈作為驅(qū)動鏈條。此種鏈條的優(yōu)點(diǎn)是可以加裝大滾子作為承重支撐，適于大負(fù)載條件。此外，這種雙節(jié)距輸送鏈有多種附件可供選擇，可加裝側(cè)彎板，方便瀝青板與鏈條的連接。為了避免鏈條上安裝瀝青板后出現(xiàn)側(cè)翻，同時(shí)也為了使瀝青板與鏈條連接緊密，選擇了兩側(cè)都帶有彎板且每側(cè)彎板上具有2個(gè)安裝孔的輸送鏈。

雙節(jié)距輸送鏈最主要的參數(shù)是節(jié)距，節(jié)距大則承載能力強(qiáng)，但是相應(yīng)的質(zhì)量會增加。同時(shí)，為了使回轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，鏈輪齒數(shù)應(yīng)盡量多，但是同等齒數(shù)條件下節(jié)距越大鏈輪直徑越大。鏈輪直徑增大，在同等線速度下其轉(zhuǎn)速降低，可以減少回轉(zhuǎn)過程的離心力，降低整體結(jié)構(gòu)振動。另外，鏈輪直徑過大將使整個(gè)結(jié)構(gòu)高度增加，不利于清掃裝置試驗(yàn)臺其他配套機(jī)構(gòu)、裝置的操作，實(shí)驗(yàn)室建筑條件也不允許。因此，最終確定鏈條節(jié)距為50.8 mm，鏈輪齒數(shù)為32，鏈輪節(jié)圓直徑為518.3 mm。每6節(jié)鏈節(jié)安裝1塊瀝青板，瀝青板間留一定間隙，保證瀝青板可以順暢回轉(zhuǎn)，使用較軟的密封條封閉這些間隙。最終確定瀝青板寬度為302 mm。使用2根鏈條及導(dǎo)軌支撐瀝青板。

為了支撐鏈條，其下部應(yīng)設(shè)置導(dǎo)軌。選擇標(biāo)準(zhǔn)輕軌作為鏈條支撐，為提高瀝青板中間部分剛度，在其下添加1條聚四氟乙烯支撐軌。

鏈條應(yīng)進(jìn)行張緊，考慮到瀝青板質(zhì)量較大，其自重即可起到一定的張緊作用。同時(shí)，還在鏈輪軸支撐處設(shè)置張緊力調(diào)整裝置，見圖3。

2.2.2 減速機(jī)選取

瀝青板線速度為0～10 km/h，其線速度v最高為10 km/h，即2.8 m/s，鏈輪節(jié)圓直徑d為518.3 mm，則鏈輪輸入轉(zhuǎn)速為：

每塊瀝青板質(zhì)量約為40 kg，取其質(zhì)量為50 kg，鋼-鋼滾動摩擦因數(shù)u約為0.21，瀝青板有效距離為3 m，即同時(shí)有10塊瀝青板在支撐導(dǎo)軌上運(yùn)動，則總摩擦力F1為：

扭矩M1為：

瀝青板最大運(yùn)動速度v為2.8 m/s，則所需電機(jī)功率P1為：

聚四氟乙烯-鋼的滑動摩擦因數(shù)為0.05，按照最極端條件即所有質(zhì)量全部壓在該支撐上計(jì)算，其摩擦力F2為：

扭矩M2為：

此外，由于要安裝清掃裝置，以盤刷為例，根據(jù)以往掃路機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，盤刷直徑最大為600 mm，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，消耗功率P3不大于250 W，則盤刷摩擦力扭矩M3為：

其他清掃裝置產(chǎn)生的摩擦力均不會大于盤刷。

綜合上述3項(xiàng)，電機(jī)所需總功率P’為：

鏈傳動效率約為0.92，所以減速機(jī)須提供的最小功率P為：

選用標(biāo)準(zhǔn)K系列減速機(jī)，為保證減速機(jī)能夠提供足夠的功率及扭矩，同時(shí)也為了能有必要的儲備功率，便于未來實(shí)現(xiàn)對多種清掃裝置協(xié)作作業(yè)的性能研究與檢測，選擇7.5 kW減速機(jī)，減速比13.52，輸出轉(zhuǎn)速106 r/min，輸出扭矩675 N·m，臥式安裝形式，配套變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

2.2.3 鏈輪軸設(shè)計(jì)

根據(jù)減速機(jī)選擇計(jì)算可知，鏈輪傳遞扭矩為455.5 N·m，則鏈輪軸最小直徑D為：

本設(shè)計(jì)中所有軸頸最小直徑為56 mm，滿足條件。

鏈輪安裝于鏈輪軸兩端，為了盡量減輕鏈輪軸質(zhì)量，也為了加工方便，鏈輪軸采用組合焊接形式，即中間段使用無縫鋼管，兩端焊接軸頭。

2.2.4 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)用于安裝導(dǎo)軌、鏈條、鏈輪軸、鏈輪以及減速機(jī)，支撐瀝青板質(zhì)量，同時(shí)還需預(yù)留清掃裝置安裝位置，并且便于操作人員上下。同時(shí)，框架結(jié)構(gòu)還需有足夠的質(zhì)量，以減輕試驗(yàn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動。框架使用140 mm方管制做。

2.3 履帶式滾動臺面最終總體結(jié)構(gòu)

最終履帶式滾動臺面總體結(jié)構(gòu)見圖4。

3 掃刷安裝部分設(shè)計(jì)

掃刷安裝部分是本清掃裝置試驗(yàn)臺重要組成部分，所安裝掃刷主要為盤刷，需要實(shí)現(xiàn)的功能：①可帶動盤刷轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速可調(diào)，根據(jù)掃路機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，盤刷轉(zhuǎn)速不高于100 r/min，即其調(diào)速范圍是0～100 r/min。②可測量盤刷工作時(shí)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。③盤刷工作角度可調(diào)，下壓量可調(diào)。

由上述計(jì)算可知，盤刷驅(qū)動電機(jī)功率應(yīng)大于250 W，扭矩大于7.96 N·m。為了節(jié)約空間，減小掃刷驅(qū)動部分體積，選擇擺線針輪減速機(jī)。為保證減速機(jī)能夠提供足夠的功率及扭矩，同時(shí)也為了能有必要的儲備功率，便于未來安裝其他清掃裝置，選擇減速機(jī)功率為550 W，輸出轉(zhuǎn)速155 r/min，立式安裝，配套變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

為了測量盤刷工作時(shí)的扭矩、轉(zhuǎn)速、功率，必須在減速電機(jī)與盤刷之間接入動態(tài)扭矩傳感器，實(shí)現(xiàn)動態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速、功率測量。

盤刷工作時(shí)有2個(gè)可調(diào)角度，分別為平行于地面運(yùn)動方向的俯仰角和垂直于地面運(yùn)動方向的擺動角。為實(shí)現(xiàn)這2個(gè)角度可調(diào)，采用了如圖5所示的機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)簡單、鎖緊可靠，經(jīng)過驗(yàn)證效果良好。

為實(shí)現(xiàn)下壓量可調(diào)，同時(shí)為了減少加工量，使用了已有的臺鉆立柱及其高度調(diào)整機(jī)構(gòu)。

4 試運(yùn)行結(jié)果與結(jié)論

清掃裝置試驗(yàn)臺最終實(shí)物如圖6所示。

經(jīng)過試驗(yàn)，清掃裝置試驗(yàn)臺滾動臺面運(yùn)行平穩(wěn)，無振動，噪音小，速度調(diào)節(jié)方便，能承受較大載荷，模擬路面效果良好。掃刷安裝部分安裝掃刷方便，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定有力，工作角度及下壓力調(diào)節(jié)方便，能夠較準(zhǔn)確測量盤刷工作扭矩、轉(zhuǎn)速、功率。

試驗(yàn)證明，清掃裝置試驗(yàn)臺滾動臺面及掃刷安裝部分設(shè)計(jì)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，滿足清掃裝置作業(yè)性能研究與檢測的要求。