一種電力驅動城市垃圾箱清洗裝置設計

張更娥 丁源 吳建霞

摘要：隨著城市化水平的不斷提高，我國城市垃圾箱數量不斷增長，對城市美化的要求也越來越嚴格，從而大大加劇了環衛工人的工作量。針對城市中垃圾箱的清洗問題，為了減少環衛工人的作業量，提高其工作效率，因此設計了一種垃圾箱清洗裝置。本論文主要設計了一種電力驅動城市垃圾清洗自行車裝置。該裝置安裝在環衛車尾部上，主要進行三個方面的設計。第一對齒輪齒條進行設計，其主要是將垃圾箱在垂直方向上運動。第二對絲杠螺母進行設計，從而使毛刷在刷洗時可以進行前后左右的運動。第三對廢水集裝箱進行設計，對使用過的污水進行收集并加以使用。通過齒輪齒條、絲杠螺母以及廢水集裝箱的配合使用，從而實現快速清洗垃圾箱的功能。本設計既可降低城市環衛工作者的勞動強度，而且還可以提高效率，節約用水，從而對美化城市具有重要的意義。

關鍵詞：垃圾箱清洗裝置;齒輪齒條機構;絲杠螺母;廢水集裝箱

隨著社會現代化的進步，生活水平和國民消費水平快速提高，我國城市垃圾箱數量不斷增長，國民素質不斷提高，對城市美化的要求也越來越嚴格。由此引發了對城市固定式垃圾箱清洗的重視。靠傳統的方法浪費時間，浪費人力，因此，設計一種電力驅動城市垃圾清洗自行車裝置，該裝置可以降低城市環衛工作者的勞動強度和提高工作效率，節約用水，從而美化城市。為此本設計以垃圾箱的內部清洗自行車為設計目標，基于三維CAD設計一種電力驅動垃圾箱清洗自行車裝置[1]。

1 清洗系統的總設計方案

清洗系統的整體設計方案。清洗系統主要由垃圾箱夾持系統、刷洗系統和水循環系統三大部分組成。系統安裝于臺架之上，系統之間協調配合，達到清洗的目的。

2 垃圾箱夾持系統

2.1 垃圾箱夾持系統的作用與組成

夾緊機構主要目的是為了固定住垃圾箱，以便清洗時，垃圾箱不會因為晃動而沒有清洗到垃圾箱，其中夾緊機構主要由承物臺、夾緊手柄、夾緊螺栓、夾緊板、夾緊螺栓支座、移動板、滑軌、齒輪齒條機構以及電機組成。

2.2 垂直運動機構

垂直運動機構主要由角鋼、移動板、滑軌、齒輪齒條、電動機、蓄電池組成，其主要作用是對垃圾箱進行垂直運動。垂直運動采用齒輪齒條式傳動方式[3]。由齒輪齒條傳動帶動滑軌的移動和自鎖。電動機驅動齒輪齒條工作，電動機底座與角鋼之間采用螺栓固定，電動機輸出軸與齒輪軸采用普通平鍵相連接。

2.3 齒輪齒條的設計計算

齒輪齒條的傳動方式采用圓柱直齒輪的傳動形式，齒頂高系數h*a=1，頂隙系數c*=0.25。為保證齒輪齒條正確嚙合，根據《機械設計手冊》，選擇模數m為2，標準壓力角α=20°的齒輪。齒輪齒條對稱布置，圓柱齒輪齒寬系數φd取1。

2.3.1 齒輪的選用以及計算

齒輪的工作條件需要較好的耐磨性，齒輪材料選用40Cr調質處理，齒面硬度為280HBS，齒數z1為20。根據《機械設計手冊》中的公式求出齒輪的齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒槽寬、齒厚、分度圓直徑、齒寬。如下表1所示：

2.3.2 齒條的選用

齒條的工作條件需要較好的韌性及強度，故選擇其材料為45號鋼調質處理，齒面硬度為240HBS，齒條的有效長度應大于齒輪的分度圓直徑的周長，設計時，初步選定齒條的有效長度為350mm，其齒數z2選擇為28，為了能與齒輪相互配合，因此其模數、壓力角、齒頂高系數、頂隙系數、齒寬系數應相等。

2.3.3 齒輪軸與導向平鍵選用

齒輪軸與電動機輸出軸采用導向平鍵的方式連接。初步選擇齒輪的材料為45號鋼，經調質處理，齒輪軸的直徑采用45號鋼，其中其許用扭轉切應力取為30MPa。選定軸的直徑為8mm。根據齒輪軸和電動機輸出軸的直徑選定鍵為b×h=3×3，采用圓頭平鍵，鍵的長度選用L=10，則其許用壓力為40MPa。

2.4 齒輪齒條設計整體圖

如下圖1所示：

3 刷洗系統的設計

3.1 刷洗系統的作用與組成

刷洗機構主要是由型號為AM57BL180L4的普通微型無刷電動機、定向輪、滑軌、載物鐵板、滾筒毛刷以及絲杠螺母副等組成，它的主要作用是擦拭垃圾箱，將殘留在垃圾箱上的污漬擦拭掉。

3.2 定向輪與滑軌

為了保持絲杠螺母副在運動時不會脫離其本移動方向，因此設計定向輪與滑軌，使其相互配合達到預期定向不偏離方向效果。定向輪采用4寸尼龍腳輪，它可以支撐125kg，其輪體寬度為27mm，滑軌的軌寬為28mm，定向輪可以采用螺栓連接。

3.3 滾筒毛刷

為了更好地清洗垃圾箱上的殘留物，因此采用尼龍工業毛刷輥滾筒毛刷，其耐磨性好且清洗方便。滾筒毛的驅動力可以通過電動機的轉動，從而驅動滾筒毛刷，電機軸與滾筒毛刷軸采用聯軸器連接。

3.4 絲杠螺母副

設計時，初步選擇電機為普通微型無刷電動機，其型號為AM57BL180L4，額定功率為180W，額定轉速為4000rpm，其扭矩為429.75N·m。

絲杠選用調質處理后的45號鋼，螺母采用具有耐磨性的錫青銅ZQSn101，設計驅動力主要是考慮由載物鐵板的自重以及承載物的最大總重力，總計為F=15000N，最大推力為15000N。絲杠采用梯形單頭螺紋，螺距p=6mm，移動速度約在0.2m/s左右，取其速度可為0.2m/s，許用壓力[P]取15MPa，由于螺母為整體式并且磨損后間隙不能調整，為使其受力均勻，因此取Ψ=2，選取d2=29mm。

根據國家相對應的參數，選取T32×67的螺桿，其主要參數如下表2：

3.5 絲杠螺母副設計整體圖

如下圖2所示：

4 水循環系統

水循環系統的作用與組成。水循環系統主要是由噴水系統和廢水循環兩大系統組成，噴水系統主要是由水泵、電機、導水管、噴頭、以及開關組成，而廢水循環系統則是由廢水集裝箱、過濾網、水泵以及導流分管組成，其主要的功能是提供水資源以及廢水循環利用，清洗垃圾箱時需要水將垃圾箱打濕，便于沖洗。

5 結語

（1）本設計將變量柱塞泵、開關閥門、噴頭、廢水集裝箱等的配合使用，合理利用裝置的設計，對水資源進行充分考慮，同時確保了水資源得到有效的利用，達到了節能的效果。

（2）電動驅動城市垃圾箱清洗自行車裝置采用人機電配合使用的方式，通過人工對電動進行控制，從而帶動機械傳動，實現人—機—電一體化的功能，從而實現環境保護的標準。

（3）垃圾箱清洗自行車裝置將在現有的環衛車車尾進行加裝，并將安裝在環衛車車尾后。節省了生產成本，合理并有效地利用現有資源，從而實現經濟的最大化，有效避免資源浪費以及資源濫用的現象發生。

（4）電力驅動城市垃圾箱清洗自行車裝置與人工清洗方式相比，該裝置大大節省了水資源，清洗速度快、效率高，而且清潔凈化程度高。

參考文獻：

[1]張云杰，等.AutoCAD2014中文版機械設計教程[M].北京：清華大學出版社，2014.

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[5]陳燁妍.精密滾珠絲杠副可靠性試驗方法研究及試驗裝置設計[D].南京理工大學，2014.

[6]周全，史田星，王景石，等.節水型城市垃圾桶自動清洗裝置設計[J].綠色科技，2016（6）：199201.

基金項目：本文南寧學院教學團隊基金項目（智能設計及制作創新創業教學團隊2017XJJXTD02），南寧學院示范課程項目（汽車電器2017BKSFKC04）

作者簡介：張更娥（1978—），女，漢族，山東青島人，碩士研究生，畢業于廣西大學農業機械化工程專業，現任南寧學院交通學院副教授，主要研究方向為機械工程;丁源（2000—），女，漢族，山東青島人，現就讀于上海海事大學電器自動化專業;吳建霞（1996—），女，漢族，廣西賀州人，現就讀于南寧學院交通運輸專業。