便攜式太陽能環保清掃車的設計研究

李彥晶，黃莉莉，張亞萍，羅鈿

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便攜式太陽能環保清掃車的設計研究

李彥晶，黃莉莉，張亞萍，羅鈿

（蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050）

針對學校、公園、小區、小街巷等小區域范圍內清掃人力投入多、清掃效率低等現狀，設計了一款便攜式太陽能環保清掃車。該清掃車通過太陽能電池板，將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池中，為電機供電，驅動清掃機進行清掃作業。其具有節能環保、結構簡單、操作方便、成本低且針對性強等特點，能有效快速的清掃落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾，保護環衛工人的健康。

便攜；太陽能；清掃車；節能；設計

引言

隨著現代化程度的提高，人們對生活環境的要求越來越高。相應地，對城市環衛清掃車的需求也越來越多樣化。目前，常用的清掃車主要用于清掃平坦且面積較大的城市主干道，工作時只需沿馬路直行即可。然而，這些車型較大、結構復雜，完全不適合在學校、公園、小區、小街巷這些小區域范圍內進行清掃；同時，這些區域的垃圾主要以落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾為主，受人為影響因素較大，分布雜亂。在這些場所，常見環衛工人借助于掃帚等工具進行清掃，其存在勞動強度大、效率低，清掃不徹底、二次污染等問題，更為嚴重的是損害環衛工人的健康。針對上述問題，設計一款適用于小區域范圍內進行清掃作業的節能環保、結構簡單、操作方便、輕量化的便攜式太陽能環保清掃車。

1 總體方案設計

便攜式太陽能環保清掃車主要由電動機、蓄電池、太陽能電池板、太陽能控制器、側盤刷、滾刷、集塵箱、車輪和機架等組成，如圖 1所示。便攜式太陽能環保清掃車進行清掃作業時，環衛工通過手推扶手推動清掃車前進，太陽能電池板將太陽能轉化為電能存儲在蓄電池中，蓄電池為電機提供電能，電機將動力通過V帶傳遞到帶輪上，帶動側盤刷和滾刷的轉動，左右兩側盤刷的旋轉方向相反，將兩側的垃圾掃到中間，后滾刷的轉動將垃圾掃到吸塵口，垃圾在負壓的作用下，被吸入集塵箱，采用CATIA軟件繪制的三維內部原理結構如圖2所示。

1.太陽能電池板；2.手推扶手；3.集塵箱；4.滾刷；5.車輪；6-吸塵口；7.機架；8-側盤刷；9.蓄電池；10.帶輪

便攜式太陽能環保清掃車不進行清掃作業時，可以將清掃車停放在太陽光線充足的地方，太陽能電池板將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池中，為清掃車的工作提供足夠能量，增加清掃車可持續工作時間[1]，其清掃車主要技術參數見表1。

圖2 便攜式太陽能環保清掃車內部結構

表1 便攜式太陽能環保清掃車的主要技術參數

2 關鍵零部件的設計計算

2.1 電機的選擇

清掃車作業時，因驅動滾刷和側盤刷轉動功率最大，所以總功率為驅動側盤刷功率與驅動滾刷功率之和，其中兩個側盤刷和滾刷主要受到地面的摩擦力，所以可近似看作克服刷毛與地面間摩擦力所需的功率P，則兩側盤刷刷毛與地面間摩擦力所需的功率P1為：

式中：1—刷毛作用在地面上的壓力，N；

1—摩擦因數，取值為0.4；

υ—清掃車的工作速度，m/s；

1—傳動效率，取值為0.9。

其中，刷毛作用在地面上的壓力1為：

式中：1—側盤刷刷毛直徑，1×10-3m；

1—人造纖維彈性模量，取值范圍為(0.8~1.15)× 1011Pa；

1—慣性矩，取值為0.78×10-12m4；

1—刷毛的自由長度，取值為0.15m；

1—刷毛的變形量，取值范圍為0.01~0.025m；

1—工作刷毛的數量，取100。

計算得：m1=9

驅動滾刷計算公式和側盤刷計算公式相同，得驅動滾刷所需功率m2=48.13。

所以總功率為：

考慮到清掃車作業速度較低，對加速性能要求不髙，故忽略其加速阻力[4]，此外，清掃車在作業的過程中，也許會碰到垃圾較多的路面，需要一定的后備功率，因此便攜式太陽能環保清掃車選用最高轉速為3000r/min的電機，電機型號為60BL8-230。

2.2 太陽能電池板的選用

太陽能電池板功率決定所發電量，進而影響清掃車的可持續工作時間。經查閱相關太陽能板的資料，標準日照條件下1m2面積上太陽直射的功率大概為1000W，太陽能板的光電轉換效率為20%，即1m2的太陽能板一小時能夠200W·h的能量[5]。假設有效光照時間為6h，則需要太陽能電池板的功率為64W，選用18V、80W，型號為CSW-SP80MP12，尺寸規格為1100mm×660mm×30mm。

2.3 滾刷的設計

圖3 滾刷主軸三維圖

1-主軸；2-掃絲；3-滾筒；4-鍵槽

滾刷由主軸、滾筒和掃絲等組成，主軸采用階梯軸形式，兩端留有鍵槽，通過帶傳動使之轉動，采用CATIA軟件繪制的三維結構如圖3所示。為了不讓垃圾向滾刷兩邊飛散，滾刷的掃絲需與主軸成一定的角度，掃絲在滾筒上呈對稱螺旋狀布置，螺旋升角為16°。滾刷的直徑為300mm，最大轉速為152r/min，滾刷的接地角β為18°，滾刷結構示意圖如圖4所示。

2.4 集塵裝置的設計

清掃車清掃的垃圾容易堆積在垃圾進料口處，既影響垃圾的繼續收集，也影響到收集效率[6]。因此利用吸掃式的集塵裝置，即依靠風機產生的負壓將垃圾通過風道吸入到垃圾箱內，但這種方式需要較大功率的風機才能完成，因此在垃圾箱中設計一個風扇，使得產生一定的負壓，避免垃圾在進料口的堆積及向外噴灑，造成二次污染。采用CATIA軟件繪制的三維結構如圖5所示。

圖5 集塵裝置三維圖

2.4.1 吸塵口的設計

清掃車采用單式吸風口，作業時靠風機的吸力將垃圾經此口吸進垃圾箱，由風管、吸風口、橡膠或尼龍板組成。當清掃車向前行走時，吸風口借助風機的吸力將垃圾吸進吸管內而進入垃圾箱[7]。垃圾是在吸嘴處通過負壓收集，垃圾箱內的負壓使得吸風口產生高速氣流，帶動吸嘴下方的垃圾，吸入垃圾箱。要使垃圾被吸入，水平方向氣流速度υ必須大于懸浮速度υ[8]。

2.4.2 風機的設計

風機的性能影響著吸塵效率，所以在設計時要考慮風機的效率、流量、風壓等參數。合理的位置、葉輪布置形式、蝸殼以及入口結構的參數有利于提高風機的性能，從風葉片形狀、葉片材料、進出風口的形狀和位置、加工工藝等方面考慮，設計出體積小、風量大、噪聲低、耐磨的風機[9]。

（1）風機的流量

風機的流量為單位時間離心通風機輸送的氣體體積，則：

式中：—風管的截面積，D2/4=0.0051m2；

υ0—風口內的氣流速度，取值為22m/s；

η—管道密封效率，取值為90%。

得：=448.8m3/h，所以選取風量為500m3/h的風機。

（2）全風壓P

如果在風機進出口列伯努力方程（位壓頭忽略不計）[10]，則有：

式中：—風機進出口處的氣流速度，m/s。

靜風壓P和動風壓P之和為全風壓P，即：

通常動風壓P指氣流離開風機時的壓力，則為：

由上式可知：靜風壓P和風機的進、出風壓及吸塵口的氣流速度有關系，且進出口風壓差越大，則靜風壓越大；吸塵口的氣流速度越大，則靜風壓越小。

（3）風機的軸功率和效率

風機的軸功率和效率可按下式計算[10]：

式中：—風機的流量，m3/s；

P—全風壓，Pa。

由上式可知：風機效率不同，風機軸功率也不同，當風機啟動工作時，其效率最低，則軸功率最大；當在額定工況工作時，軸功率最小，則效率最大。

3 結論

本文在CATIA繪圖軟件的輔助作用下，對便攜式太陽能環保清掃機的關鍵零部件進行了設計。該清掃機適用于小區域范圍內進行的清掃作業，具有節能環保、結構簡單、操作方便、成本低且針對性強等特點，能有效快速的清掃落葉、紙張、塑料袋和殘留食物等生活垃圾，保護環衛工人的健康，并為其提供了一種簡單便捷的清掃用具。

[1] 寇杰.手推式太陽能環保清掃車的研制[J].節能,2015(06).

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Design and Research of Portable Solar Environmental Sweeper

Li Yanjing, Huang Lili, Zhang Yaping, Luo Tian

（Lanzhou Institute of Technology, Gansu Lanzhou 730050）

To solve the cleaning problem of schools,parks, communities and side streets,such as more manpower and low working efficiency,a kind of portable solar environmental sweeper was designed. The sweeper of solar panel changes solar energy into electricity which is saved in battery,the battery supplies power to motor,so that the motor car was drived to the cleaning work. It has the characteristics of environmental conservation and energy saving, simple structure,conveni -ent operation,low cost,stronger pertinence and so on. It can clean quickly and effectively to domestic garbage such as fallen leaves,papers, plastic bags,food remains and so on,so that it protects dustmen health.

portable;solar;sweeper;energy conservation;design

A

1671-7988(2018)18-17-03

U469

A

1671-7988(2018)18-17-03

CLC NO.: U469

李彥晶（1984），女，甘肅甘谷，碩士，講師，主要研究方向為車輛工程。基金項目：2016年甘肅省高等學校科研項目（2016A-100）；2017年蘭州工業學院青年科技創新計劃項目（17K- 013）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.006