一種人力式垃圾清掃車的結構設計與分析

湯學華， 夏晨晨， 蔣 政

(上海電機學院 機械學院, 上海 200240)

一種人力式垃圾清掃車的結構設計與分析

湯學華， 夏晨晨， 蔣 政

(上海電機學院 機械學院, 上海 200240)

介紹了一種針對小區等較窄路面的人力式垃圾清掃車的整體結構設計，該機具有結構簡單、加工成本低、工作效率高等特點。對垃圾清掃車的滾刷軸輥進行了靜力學分析，結果表明滾刷軸輥在清掃車工作過程中能夠滿足其設計剛度的要求。

垃圾清掃車; 結構設計; 軸輥分析

隨著社會經濟和城市化建設的發展，城市的保潔工作變得越來越重要。由于每個地區的城市化水平并不相同，故其所使用的保潔方式也不同。一線城市多使用較為先進的自動化清掃車完成了大部分城市公路的清掃工作。而對于經濟較為落后的地區，則多使用人力的方式傳統的掃帚進行清掃[1-2]。根據這一城市道路清掃的情況，筆者設計了一種適用于城市街區、公園、小區、學校等道路的人力式小型垃圾清掃車，減輕環衛工人的勞動強度，提高清掃效率。

1 工作原理

本文設計的垃圾清掃車采用人力推動的方式使垃圾車運動，配置48V蓄電池，對提供清掃裝置的運轉提供動力。在清掃時，使用者將手控桿向下按到指定位置并扣住，由于機構的聯動作用，此時盤刷向前傾斜一定角度[3]，滾刷向下移動一定距離，使得此時盤刷、滾刷都與地面有一定接觸。當啟動清掃裝置電源時，左右盤刷均由外側向內側旋轉，將垃圾逐漸向垃圾清掃車中部收集，此時滾刷由地面向上旋轉。左右盤刷收集在內側的垃圾在滾刷旋轉的作用下，垃圾沿滾刷切線方向產生一定的初速度，部分垃圾能夠沿一定角度飛濺[4]。由于盤刷傾斜一定角度，騰空的垃圾碰撞到盤刷后，在盤刷旋轉作用下，沿著不確定的角度“躍入”垃圾倉內。而部分沒有“躍入”垃圾倉內的垃圾便掉到地面上，繼續在盤刷與滾刷的作用下進行往復運動。在傾倒垃圾時，操作人員將垃圾倉抽出進行傾倒垃圾。利用防揚塵裝置防止垃圾車在工作時所引起的塵土飛揚，優化環衛工人的工作環境。垃圾清掃車如圖1所示。

圖1 垃圾清掃車Fig.1 Road sweeper

2 結構設計

該垃圾清掃車主要由扶手、蓄電池、車體、車輪、滾刷組合、盤刷組合、萬向輪、空氣過濾裝置、手控桿等組成，其結構如圖2所示。

圖2 垃圾清掃車結構示意圖Fig.2 Structure of the road sweeper

部分技術參數如下:

(1) 盤刷電動機48V，額定功率110W，轉速60r/min;

(2) 滾刷電動機48V，額定功率40W，轉速30r/min;

(3) 鼓風機 48V，額定功率 30W，風速 0.92m3/min，風壓150Pa，回轉式風機;

(4) 工作速度vmax=5km/h；

(5) 清潔寬度(主刷+邊刷)1.569m。

清掃裝置是由盤刷和滾刷兩部分組合，盤刷的底圓直徑約為713mm，盤刷組合的最大寬度約為1.569m，大于車體的最大寬度，便于清掃臺階角落處的清掃盲區。滾刷的刷輥直徑為 70mm，苗高70mm，最大外圓直徑為210mm。在清掃時，使用者將手控桿向下按到指定位置并扣住，在連桿機構的作用下，使盤刷向前傾斜約15°，與地面接觸的刷毛長度約45mm；滾刷向下移動約 40mm 的距離，與地面形成寬度約為 30mm 的接觸面積[5]。而在不清掃時可將手控桿抬起到原來位置并扣住，此時盤刷與滾刷都處于懸空狀態，減少非工作狀態時垃圾車與地面的摩擦力，增加垃圾車運動的靈活性[6-10]。

運動裝置由2個大輪和1個萬向輪組成，這3個輪子同時承擔整個車體的質量，由于萬向輪的靈活性，適合清掃較為不平的路面。

防揚塵裝置是由噴水裝置和空氣凈化裝置組成。噴水裝置由水箱、水泵、水管、噴頭組成。水泵將水箱中的水抽出并在噴頭處噴出，因為噴頭的孔較小，所以形成霧化環境；噴頭安裝位置在滾刷的上方，由于霧化作用，粉塵被吸附到小水珠的表面，防止揚塵。空氣凈化裝置由過濾器、鼓風機和管道組成，位于車體的前方，由于鼓風機的吸力，車體內部的空氣經過過濾器被排到外部，形成車體內部、外部的空氣循環與凈化的過程(見圖3，圖中箭頭表示空氣循環方向)。

圖3 垃圾箱內除塵氣體循環Fig.3 Air circulation inside the bin

收集垃圾的裝置是可抽拉式垃圾倉，在垃圾倉底部有一定數量的小孔，方便垃圾中的泔水流出，在垃圾倉的前部有一塊固定的傾斜板，用于引導垃圾向垃圾倉的深處移動，避免垃圾堆積在垃圾倉的前部，垃圾倉底部有4個滑輪，便于操作人員將垃圾倉抽出進行傾倒垃圾[11-15]。

3 有限元分析

通過上文的工作原理及結構設計分析可知，垃圾清掃車的主要功能部件為清掃裝置。其中滾刷主要功能是將垃圾卷入垃圾箱內，由于其跨度較大，主要承受來自于電動機的轉矩，為易變形件。其可靠性是否滿足要求直接影響垃圾清掃車完成工作的質量。故對其進行靜力學分析。

垃圾清掃車滾刷軸輥的設計長度為1.350m。對其受力分析，將工作時狀態的軸輥簡化為簡支梁，簡化力學模型約束點間距離為1.050m且兩約束點軸對稱分布[16]。軸輥主要負載是滾刷自身重力、滾刷工作時毛刷與地面的摩擦力。作用在兩支點上的力均為29.6N，其極限摩擦力是105N。查閱《機械設計手冊》，根據軸的剛度校核中彎曲變形許用值(見表1)，計算軸輥允許最大彎曲變形值為0.165mm。

表1 軸的變形許用值Tab.1 Allowable axial deformation values

軸輥材料為45鋼，具有較高的強度和韌性(見表2)。對于其強度和剛度是否滿足設計要求，使用NX軟件建立了滾刷軸輥的三維模型并導入ANSYS WORKBENCH軟件中進行有限元分析。

表2 45鋼材料屬性Tab.2 Material properties of #45 steel

在NX軟件中對滾刷軸輥模型進行理想化模型處理，將軸輥上的螺紋以及退刀槽忽略。再導入ANSYS WORKBENCH軟件中進行網格劃分，由于軸輥的橫截面為圓形，其直徑為28mm，故選擇單元類型為Solid186(三維6面體20節點的結構單元)，劃分網格大小為10mm，節點數為 8718 個，網格數4433個[17]。

滾刷軸輥主要的載荷為其自身的質量、刷毛與地面之間的摩擦力，摩擦力的方向為軸輥的切線方向。由于軸輥安裝在支撐架軸承上，通過對其工作時的狀態進行受力分析。由于滾刷在工作時軸向游動較小，可近似忽略，故軸輥兩端可簡化為固定端約束，然后在ANSYS WORKBENCH環境下對其施加重力與摩擦力載荷，得到應力云圖(見圖4)與位移云圖(見圖5)。

從軸輥有限元分析云圖可以看出，軸輥應變最大值位于軸輥中部，最大形變位移為0.01mm，遠小于軸輥允許最大彎曲變形值0.165mm。且形變關于軸輥中心對稱，符合簡支梁在本文簡化模型中受力形變的效果，符合設計要求。

圖4 應力云圖Fig.4 Equivalent elastic strain

圖5 位移云圖Fig.5 Total deformation

4 結 語

使用NX軟件垃圾清掃車建立了三維模型，并使用ANSYS WORKBENCH軟件對垃圾車清掃裝置的主要工作部件滾刷軸錕進行了靜力學分析。通過以上分析，垃圾清掃車滿足其功能要求，結構簡單。并以此制作了工作樣機，進行了垃圾清掃測試。在人力推動的情況下，垃圾車清掃裝置工作正常，能夠達到對地面清掃的標準。

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Construction Design and Analysis of Human-Powered Road Sweeper

TANGXuehua,XIAChenchen,JIANGZheng

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

This paper describes the design of a human-powered road sweeper to be used for narrow roads in residential areas. It has a simple structure, low processing cost, and high efficiency. Statics analysis of the roller of a rolling brush is carried out, showing that the roller can meet the stiffness requirement.

road sweeper; structure design; shaft roller analysis

2014 - 08 - 20

湯學華(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為機電一體化技術，E-mail: tangxh@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)05 -0259 - 04

U 418.324

A