道路清掃車關鍵部件研究進展

黃興華，　孫　會

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

?

道路清掃車關鍵部件研究進展

黃興華，孫會

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

摘要道路清掃車是清掃路面的專用機具，對保持城市清潔發揮著重要作用。以道路清掃車的工作性能為目標，對道路清掃車的清掃裝置、吸塵裝置等關鍵零部件的研究現狀進行了分析，著重綜述了清掃裝置中不同類型垃圾清掃效率的影響因素和刷絲的力學性能，闡述了吸塵裝置中塵粒的運動機理、吸塵效率的影響因素以及吸塵口的結構優化等關鍵技術。最后提出了未來道路清掃車關鍵零部件的研究方向。

關鍵詞道路清掃車； 清掃性能； 掃刷； 吸塵口

Research Progress in Key Parts of Road Sweeper

HUANGXinghua,SUNHui

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractAs dedicated road maintenance vehicles, road sweepers are widely used in cities. Considering the cleaning functions, development of the key parts of the road sweeper such as cleaning brush and pick-up head is analyzed. Key factors such as the influence on effectiveness in removing different debris types, performance of brush tines, pickup and saltation mechanisms of solid particles, effectiveness of picking up particles, and structural optimization of the pick-up head are reviewed. Research direction of the key components of the road sweepers in the future is suggested.

Keywordsstreet sweeper; cleaning performance; brush; pick-up head

道路清掃車是保持城市清潔的重要基礎裝備，作為城市環衛主要裝備之一，是一種集路面清掃、垃圾回收與短途運輸為一體的道路專用養護機械。世界上首臺道路清掃車誕生于19世紀20年代的歐洲[1]，經過近兩百年的努力，在產品設計、技術水平、作業操控等各方面均有了較大的發展。隨著城市發展現代化建設步伐的加快，市民對環境要求的不斷提升，對道路清掃車的清掃性能、工作效率及環保要求提出了越來越高的要求，這就需要對道路清掃車進行系統性研究，對其關鍵部件的幾何結構、工作參數進行合理設計與選取尤為重要。本文在研究國內外相關文獻報道的基礎上，以道路清掃車的清掃性能為出發點，針對清掃車清掃裝置、吸塵裝置等關鍵部件的研究現狀進行了總結、分析。

1清掃裝置

清掃裝置是道路清掃車中最重要的部件之一，主要由盤刷、柱刷及其輔助機構等組成。輔助機構主要用于盤刷、柱刷的擺出、收回、避障、自動復位等，以適應不同工況要求。盤刷、柱刷作為清掃元件，其工作性能和參數直接決定了道路清掃車的作業效率。目前對掃刷的研究大多集中在掃刷的機構設計[2-3]、自動控制[4-5]、刷毛磨損[6]等，其中最重要的是掃刷的性能研究與優化。

Vanegas等[7]利用掃刷臺架試驗裝置，研究了掃刷在不同操作條件下對中等粒徑碎石、細小塵粒以及潮濕片狀垃圾等不同類型垃圾的清掃效率，確定了不同路面狀況下掃刷最佳的位置參數(包括接地距離、傾斜角度等)、旋轉速度和清掃作業速度[2]。作者認為對于混合型垃圾，在保證高清掃效率下的清掃車的作業參數： 掃刷側傾角15°，掃刷轉速120r/min，清掃車作業速度2km/h。除此還研究了工作狀態下，掃刷的振動對清掃效率的影響[8]。研究發現： 對于受約束顆粒和潮濕的片狀垃圾，掃刷旋轉狀態下疊加的振動可提高掃刷的清掃效率，但對松散型垃圾則不起作用。

Peel等[9]基于現實中路面上被壓實的雜物難以清理的情況，提出了一種假設靜態離散模型，模擬分析了清掃車盤刷在作業時與路面間的相互作用關系，并通過試驗驗證數值模擬結果的可靠性。研究結果表明： 盤刷轉速提高，則盤刷與路面間的摩擦系數減小、盤刷接地壓力減小，相應的盤刷驅動扭矩降低。但是因扭矩下降而引起的功率降低會因盤刷轉速的提高而抵消，因此增加盤刷轉速并不會使盤刷總的消耗功率發生大的變動。

Wahab等[10]在假設路面為平面，忽略掃刷刷絲與垃圾間作用關系的前提下，采用三維有限元模型分析了不同操作條件下不同類型刷絲的力學特性，以及刷絲幾何參數對掃刷性能的影響。根據刷絲相對刷絲安裝軸線的夾角γ，將刷絲分為切削型和掃拂型兩種，見圖1。建模中將掃刷的刷絲簡化為細長的懸臂梁，通過力學分析建立了專用模型以考慮掃刷高速旋轉下刷絲的離心效應，同時采用迭代加載法計算外載作用下刷絲的變形。模擬結果表明： 掃刷的轉速、刷絲安裝角度等都會對掃刷工作性能產生顯著的影響。掃刷轉速增高，切削型刷絲的接地壓力降低，但對掃拂型刷絲影響很小；刷絲安裝角度增大，接地壓力降低。

圖1　刷絲類型Fig.1　Two types of brush tines

國內關于掃刷清掃性能的研究范圍及水平與國外有很大差距，目前尚未見到關于掃刷工作狀態下刷絲受力、變形等的理論分析，研究手段大多以試驗段和實踐為主。張晨光等[2]針對自行研發的小型雙發道路清掃車，試驗研究了清掃效率的影響因素。研究結果表明： 盤刷轉速提高、風機風量增加、清掃車作業速度降低均有利于提高清掃效率。楊淑華[11]采用單因素試驗和正交試驗法，考慮了盤刷轉速、清掃車作業速度等因素對清掃效率和清掃能力的影響規律。研究結果亦表明： 清掃效率隨著盤刷轉速的增加而提高，隨著清掃車作業速度的增加而下降。此外盤刷轉速為影響清掃效率的主要因素，而清掃車作業速度對清掃效率的影響并不顯著。宋永剛等[12]對清掃車作業條件下盤刷的性能要求進行了較為細致地分析。為使清掃車獲得較好的作業性能，一般接地點的絕對速度為5～12m/s，內傾角約為30°，盤刷接地角約為120°，并且盤刷刷毛應具有合適的接地壓力以及良好的彈性和適中的剛度。許禮鴻[13]根據多年高等級公路路面養護作業經驗，提出了立式掃盤的適宜參數，即盤刷的前傾角調整為4°～5°，側傾角設定為4°，以利于垃圾的吸掃。

2吸塵裝置

吸塵裝置位于氣路系統的最前端，其作用是將掃刷集中的灰塵、垃圾完全吸入并收集[14-15]。吸塵口為吸塵裝置中的關鍵部件，其結構、形狀、尺寸等將直接影響到道路清掃車的吸塵效率。目前對吸塵口的研究包括塵粒的運動機理、吸塵口的吸塵效率以及吸塵口的結構改進等。

吸塵裝置通過氣流將路面上的垃圾或塵粒俘獲、夾帶進入吸塵口，以達到吸塵目的。為了實現此功能，必須保證較高的氣流速度以使塵粒獲得足夠的起動速度。因此，目前對塵粒運動機理的研究主要集中在顆粒的起動速度上。國外在20世紀50年代就開展了這方面的研究。Bagnold[16]在風沙物理學專著中推導出塵粒開始移動時所需的最小風速和粒徑之間的關系式。Cabrejos等[17-19]針對各種不同材料進行了試驗研究，建立了基于力平衡的理論模型，以及較大尺寸顆粒起動速度的經驗關聯式。Hayden等[20]通過試驗測量了不同顆粒的起動速度。研究發現，顆粒存在一個最低的起動速度。決定顆粒起動速度的主控力與顆粒尺寸密切相關。對于較大尺寸的顆粒，應保證足夠高的氣流速度以克服顆粒本身質量，實現氣流夾帶；而對于小顆粒，要求較高的氣流速度則主要用于克服顆粒間的相互作用力。Kalman等[21]亦對不同顆粒的臨界起動速度進行了試驗研究，隨后綜合分析其他研究者的已有試驗結果，建立了考慮顆粒尺寸、形狀、密度等多種影響因素的顆粒起動速度經驗關聯式。Anantharaman等[22-23]試驗研究了不同顆粒尺寸分布和顆粒球形度對最低起動速度的影響。國內對這一塊內容僅限于少量的定性分析，李戰軍等[24]在對使塵粒起跳的主控力分析的基礎上，理論分析了塵粒粒徑對起動風速的影響。而關于塵粒起動速度、塵粒運動機理目前尚未進行系統化的研究。

作為道路清掃車最關鍵的技術指標之一，吸塵效率也受到了國內外研究者的廣泛關注。文獻[25-26]中采用統計顆粒分析等方法對不同清掃車的吸塵效率進行了試驗研究。陳忠基等[27]利用皮托管多點測量方法研究了道路清掃車的結構對吸塵效果的影響。然而，吸塵效率是反映吸塵口的結構參數、操作條件、吸塵頻率、路面狀況、顆粒尺寸等多種因素的函數，試驗研究不可避免地存在著成本高、周期長等問題。

在計算流體力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)不斷發展的大背景下，國內研究者開始著手利用CFD技術研究道路清掃車的吸塵效率。現有研究大多只考慮氣相工作介質在吸塵口內產生的流場。例如，不同研究者[14-15,28-32]分別針對吸掃式清掃車、真空吸塵車等不同類型清掃車，基于連續性方程、N-S動量方程組以及k-ε湍流模型，利用CFD技術對吸塵口內的氣體流場結構進行了數值研究。研究結果表明，吸塵口處以及吸塵口內的流場結構對于吸塵效率、能量利用率、工作可靠性等起著重要作用。為了更真實地反映吸塵口內的實際流場結構，對吸塵效率進行定量研究，Wu等[33]考慮了顆粒本身的運動以及顆粒和氣體之間的相互作用，對真空道路清掃車吸塵口的吸塵效率進行了數值研究，并利用試驗測試驗證了數值模擬結果的可靠性。作者將空氣看作連續相，塵粒視為離散相，采用離散相顆粒模型(Discrete Particle Model， DPM)建模氣—固兩相流動，雷諾應力模型建模湍流，相間曳力采用Haider & Levenspiel曳力模型[34]。研究發現，清掃車的作業速度和吸塵口負壓是影響吸塵效率的重要因素。清掃車作業速度增高、吸塵口負壓增大，吸塵效率提高。此外，在相同操作條件下，氣流對小顆粒的影響更大，吸塵效率更高。

在對吸塵口的研究中，還有相當一部分工作聚焦在吸塵口的結構改進上。國外很早就有關于吸塵口的專利申請。例如美國專利《道路清掃車吸塵口》[35]介紹了一種純吸式吸塵口(見圖2)，通過對吸塵口結構的改進提高了吸塵效率、減小了工作噪音。再如針對循環吸掃式清掃車[36]，設計了吹吸結合式吸塵口，各設吸氣導管和吹氣導管一根，在吸塵口處增設導流板以避免吸塵口區域污物的累積，如圖3所示。

圖2　純吸式吸塵口Fig.2　Vacuum pick-up head

國內也有關于吸塵口結構改進的研究報道。袁丹紅[37]針對清掃車傳統型吸塵口存在的缺陷進行了結構改進，改善了吸塵口在復雜路面上的貼地性能，增加了吸塵口相對底盤的自由度，通過加裝臥式掃刷提高了清掃效率，見圖4。陳忠基等[27]從延長吸塵口對地面垃圾的有效作用時間的角度出發，提出在吸塵口前后A、B兩處增設翼板、在兩側C處增設翼板和側擋板(見圖5)，可有效提高吸塵能力以及氣流的利用率。利用CFD技術對吸塵口的結構參數進行改進也成為近年來的一個研究熱點。徐云、曾廣銀等[28-29]基于吸塵口內的氣相流場結構，對吸塵口的結構及其參數進行了優化，見圖6。優化后的吸塵口的主要結構特征表現為： 通往垃圾箱的風管居中；吸塵口形狀變為圓滑弧形，消除死區；增加導流擋板；加大前吸塵口的高度；回吹風口角度變為45°等。朱伏龍[32]提出了具有變截面結構構型的新型吸塵口，同時，在吸塵口肩部設置了一個傾斜的角度(見圖7)，使得吸塵口的氣流分布有利于地表塵粒的揚起、揚起的塵粒很容易被氣流攜帶進入吸塵口的肩部、降低了塵粒進入排氣口的難度，有利于提高除塵效率。楊春朝等[38]基于吸塵口結構參數的數值分析，提出了流線型曲面的吸塵口改進方案(見圖8)，有效保證了吸塵口內部氣流分布的合理性。Wu等[33]設計了過渡連接的帶收縮角的吸塵口(見圖9)，并基于氣固兩相CFD數值模擬結果，指出在保證92%的清掃效率下，最佳吸塵口負壓 2.4kPa、最佳作業車速12km/h。

圖4　改善貼地性能的吸塵口Fig.4　Pick-up head close to the ground

圖5　增設翼板和側擋板的吸塵口Fig.5　Pick-up head with wing and side baffles

圖6　優化結構參數的吸塵口Fig.6　Pick-up head with optimal structural parameters

圖7　變截面結構吸塵口Fig.7　Pick-up head with variable cross-section

圖8　流線型曲面吸塵口Fig.8　Pick-up head with streamline surface

圖9　帶收縮角的吸塵口Fig.9　Pick-up head with convergence angle

3結語

(1) 以道路清掃車的工作性能為出發點，針對清掃車的清掃裝置、吸塵裝置等關鍵部件，對其研究現狀進行了分析。可以看出，盤刷本身特性及其工作參數、吸塵口的結構及其工作參數都會對道路清掃車的清掃性能和吸塵性能產生顯著影響，且垃圾類型不同，影響效果也不同。這些研究成果對進一步提高道路清掃車的工作性能具有十分重要的意義。

(2) 對比國內外研究現狀可以看出，目前我國在道路清掃車關鍵零部件的技術攻關上雖然取得了顯著進步，但主要以試驗研究和實踐經驗為主，相關基礎研究工作仍十分薄弱，還需要繼續投入大量的研究工作。

參考文獻

[1]馬克·萊斯特.全球掃路車的發展趨勢[J].商用汽車,2008(8)： 91-93.

[2]張晨光.清掃車工作裝置的匹配性能研究[D].西安： 長安大學，2010.

[3]陳順.城市道路吸掃車清掃裝置的設計與運動仿真[D].武漢： 武漢理工理工大學，2013.

[4]劉芳賢.四掃刷掃路車掃盤液壓系統[J].工程機械,2011,42(10)： 48-50,8.

[5]倪剛.輕型全液壓清掃除塵車輛液壓系統的設計與研究[D].南寧： 廣西大學，2012.

[6]羅善瞀.影響掃路車掃刷磨損的原因分析[J].建設機械技術與管理,2002(4)： 26-28.

[7]VANEGAS U L V,WAHAB M M A,PARKER G A.Effectiveness of gutter brushes in removing street sweeping waste[J].Waste Management,2010,30(2)： 174-184.

[8]VANEGAS-USECHE L V,ABDEL-WAHAB M M,PARKER G A.Effectiveness of oscillatory gutter brushes in removing street sweeping waste[J].Waste Management,2015,43： 28-36.

[9]PEEL G M,PARKER G A.Initial investigations into the dynamics of cutting brushes for sweeping[J].J DynSyst Meas Control,2002,124(4)： 675.

[10]WAHAB M A,PARKER G,WANG C.Modelling rotary sweeping brushes and analyzing brush characteristic using finite element method[J].Finite Elements in Analysis and Design,2007,43(6-7)： 521-532.

[11]楊淑華.清掃機盤刷清掃性能試驗研究與運動仿真[D].呼和浩特： 內蒙古農業大學，2010.

[12]宋永剛，姚莉娜.高等級公路清掃車盤刷性能與技術研究[J].西安公路學院學報，1995，15(1)： 66-72.

[13]許禮鴻.吸掃式路面清掃車使用效能影響因素分析[J].公路與汽運，2005，19(2)： 116-117.

[14]孫勇.真空吸塵車氣路系統優化設計與仿真分析[D].沈陽： 東北大學，2008.

[15]王翔.城市道路吸掃車吸塵系統的結構設計和流場分析[D].武漢： 武漢理工大學，2013.

[16]BAGNOLD R A.The physics of blown and desert dunes[M].London： Methuen and Co Ltd，1954： 57.

[17]CABREJOS F J,KLINZING G E.Pickup and saltation mechanisms of solid particles in horizontal pneumatic transport[J].Powder Technology,1994,79(2)： 173-186.

[18]CABREJOS F,KLINZING G E.Incipient motion of solid particles in horizontal pneumatic conveying[J].Powder Technology,1992,72(1)： 51-61.

[19]CABREJOS F J,KLINZING G E.Minimum conveying velocity in horizontal pneumatic transport and the pickup and saltation mechanisms of solid particles[J].Bulk Solids Handling,1994,14(3)： 541-550.

[20]HAYDEN K S,PARK K,CURTIS J S.Effect of particle characteristics on particle pickup velocity[J].Powder Technology,2003,131(1)： 7-14.

[21]KALMAN H,SATRAN A,Meir D,et al.Pickup (critical) velocity of particles[J].Powder Technology,2005,160(2)： 103-113.

[22]GOMES L M,MESQUITA L A A.Effect of particle size and sphericity on the pickup velocity in horizontal pneumatic conveying[J].Chemical Engineering Science,2013,104(50)： 780-789.

[23]ANANTHARAMAN A,Wu Xin,HADINOTO K,et al.Impact of continuous particle size distribution width and particle sphericity on minimum pickup velocity in gas-solid pneumatic conveying[J].Chemical Engineering Science,2015,130(7)： 92-100.

[24]李戰軍，鄭炳旭.塵粒起動機理的初步研究[J].爆破，2003，20(4)： 17-19，23.

[25]JOO-HYON K,STENSTROM M K.Evaluation of street sweeping effectiveness as a stormwater management practice using statistical power analysis[J].Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research,2008,57(9)： 1309-1315.

[26]CHANG Yumin,CHOU Chinhmei,SU Kuotung,et al.Effectiveness of street sweeping and washing for controlling ambient TSP[J].Atmospheric Environment,2005,39(10)： 1891-1902.

[27]陳忠基,吳曉元,徐廣普,等.路面清掃車吸嘴裝置的實驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2001,29(12)： 1483-1485.

[28]徐云，李欣峰，肖田元，等.計算流體力學在清掃車仿真分析中的應用研究[J].系統仿真學報，2004，16(2)： 270-273.

[29]曾廣銀，李欣峰，肖田元，等.公路清掃車吸塵系統仿真分析[J].系統仿真學報，2004，16(12)： 2770-2773.

[30]歐陽智江，章易程，賈光輝，等.卷邊吸塵口流場特性研究[J].機械科學與技術，2013，32(3)： 362-366.

[31]姜兆文，成凱，耿宇明.吸掃式掃路車吸嘴流場性能分析[J].專用汽車，2012(6)： 92-94，97.

[32]朱伏龍.基于吸塵性能的吸塵口結構研究與流場分析[D].上海： 上海交通大學，2008.

[33]WU Bofu.MEN Jinlai,CHEN Jie.Numerical study on particle removal performance of pickup head for a street vacuum sweeper[J].Powder Technology,2010,200(1)： 16-24.

[34]HAIDER A,LEVENSPIEL O.Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles[J].Powder Technology,1989,58(1)： 63-70.

[35]STRAUSER D P,FIELD R E.Street sweeper pick-up head： United States,5839157[P].1998-11-24.

[36]JAJKO R A,JULIEN O M.Dirt deflector for cleaning heads： United States,4807327[P].1989-02-28.

[37]袁丹紅.掃路車吸嘴結構的改進[J].專用汽車，2006(3)： 34-35.

[38]楊春朝，章易程，歐陽智江，等.基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數設計[J].中南大學學報(自然科學版)，2012，43(9)： 3704-3709.

文獻標識碼A

中圖分類號U 418.3

文章編號2095 - 0020(2016)01 -0001 - 06

作者簡介：黃興華(1962-)，男，教授級高工，主要研究方向為環境裝備，E-mail： huangxh@sdju.edu.cn

基金項目：上海市科委科技創新行動計劃項目資助(12231202500)

收稿日期：2015 - 12 - 12