新型沙灘清潔車的設計

武漢輕工大學 機械工程學院 武漢 430048

1 設計背景

風景秀麗的海灘是游客休閑旅游的理想場所,但雜物與游人遺棄的垃圾成為一道另類的“風景線”。為解決日益嚴峻的沙灘污染問題,相關部門每年都要投入大量人力、物力、財力,然而結果卻不盡如人意[1-5]。

近年來,市場上出現了款式各異的沙灘清潔車,兩款具有代表性的沙灘清潔車如圖1所示[6-7]。手扶式沙灘清潔車利用轉動的滾筒翻起沙與雜物,雜物經過振動篩網篩分至垃圾斗,振動篩網基于偏心連桿機構作往復運動。手扶式沙灘清潔車操作簡單便捷,但需要專門人員步行操作,翻沙量較小,適用于翻起體積較小的雜物。首尾可分離式沙灘清潔車由四輪驅動的拖拉機牽引,利用滾動耙齒翻起沙與雜物,通過萬向節傳動、多排鏈式梳齒旋轉,使沙灘上的垃圾經過振動篩網篩分,利用偏心連桿機構使振動篩網作往復運動,將垃圾收集到由液壓控制的舉升翻轉垃圾斗中。首尾分離式沙灘清潔車由于耙齒的翻沙量較小,因此清理效率較低。

▲圖1 沙灘清潔車

2 設計流程

基于上述分析,筆者創新設計了一款沙灘清潔車,其設計流程如圖2所示[8-11]。

▲圖2 新型沙灘清潔車設計流程

新型沙灘清潔車主要從以下方面解決原有產品存在的問題:

(1) 整車外觀全封閉,工作時對外界造成的噪聲影響較小;

(2) 采用履帶行走機構,能應對不同地形的沙灘清理;

(3) 可翻起體積較大的雜物及調節翻沙深度,便于清潔埋在沙中的垃圾;

(4) 基于行星齒輪連桿機構的運動特性,篩網每周期篩沙次數較多,篩分效率較高;

(5) 可壓縮垃圾,節省垃圾箱容積,增大垃圾收集量。

3 結構

新型沙灘清潔車外形如圖3所示，結構如圖4所示。

▲圖3 新型沙灘清潔車外形

▲圖4 新型沙灘清潔車結構

新型沙灘清潔車的工作步驟如下:由六葉弧形篩孔翻沙板旋轉產生離心力,將沙與雜物拋送至隔板式篩孔傳送帶,隔板式篩孔傳送帶將沙與雜物運送至百葉式篩箱；百葉式篩箱包含三層百葉篩網；垃圾箱底板翻轉，傾倒垃圾。

4 功能分析

4.1 翻沙和運輸

針對種類繁多的沙灘雜物,設計了六葉弧形篩孔翻沙板和隔板式篩孔傳送帶，分別如圖5、圖6所示。可以通過調節在支架上的位置,改變挖沙深度。采用六葉弧形設計，可以增大挖沙量,提高挖沙效率。翻沙板上的篩孔可以對翻起的沙與雜物進行初次過濾。隔板式篩孔傳送帶可以防止體積稍大的垃圾，如飲料瓶、易拉罐等滑落。隔板與傳送帶上均有篩孔,可以對沙與雜物進行二次過濾。

▲圖5 六葉弧形篩孔翻沙板▲圖6 隔板式篩孔傳送帶

4.2 篩分

百葉式篩箱分為三層，如圖7所示。為了保證沙灘清理工作的連續性,三層百葉篩板進行配合作業。沙和雜物先落到第一層百葉篩板,粗略篩分后第一層百葉篩板翻轉,由第二層百葉篩板承接雜物。第二層百葉篩板采用行星齒輪連桿機構驅動,往復振動進行篩沙。篩分后第二層百葉篩板翻轉,雜物落入第三層百葉篩板。第三層百葉篩板的齒輪齒條連桿機構將垃圾壓縮，并推送至垃圾箱。

▲圖7 百葉式篩箱

每層百葉篩板由四塊百葉片組成,百葉片上均布有篩孔。百葉片與轉動軸連接,控制電機通過傳動帶帶動安裝在傳動軸上的鏈輪轉動,使百葉片翻轉。

在普通曲柄滑塊機構振動篩結構的基礎上,基于行星齒輪連桿機構可實現較復雜運動規律和軌跡的特點,創新設計了行星齒輪連桿機構振動篩，如圖8所示。

▲圖8 行星齒輪連桿機構振動篩

行星齒輪連桿機構簡化后的模型如圖9所示，由單排內嚙合行星輪系、連桿、滑塊組成。在行星齒輪連桿機構中,連桿一端與滑塊連接,另一端與行星齒輪輪轂上C點鉸接。

▲圖9 行星齒輪連桿機構簡化模型

圖9中，r1為大齒輪節圓半徑,r2為行星齒輪節圓半徑,連桿與行星齒輪在C點鉸接,C點為大齒輪和行星齒輪的節點,B點為行星齒輪的圓心，B點、C點間的距離r3為行星齒輪的節圓半徑r2,C點的軌跡為內擺線。若r3≠r2,則C點的軌跡為變幅內擺線,根據不同的k=r1/r2和λ=r3/r2而有不同的曲線形狀，k、λ為相關因數。

以下對行星齒輪連桿機構進行設計計算。由內擺線與變幅內擺線方程式,行星齒輪上C點的軌跡為：

(1)

式中：φ為連桿與X軸的夾角。

滑塊上D點的位置xD為：

(2)

式中：l為連桿長度。

滑塊上D點的位移s為：

s=r1+xC+l(cosγ-1)

(3)

γ=arcsin(yC/l)

(4)

xD=s-r1

(5)

應用VB.NET程序對行星齒輪連桿機構進行運動仿真,當k為3、5、10、15時，速度與加速度圖像如圖10所示，圖10中左側為速度曲線，右側為加速度曲線。

根據上述公式,改變k和λ的數值,即可得到不同形式的變幅內擺線。設振動篩循環工作一次的時間為T。在T內,k固定時，λ取值越接近于0,鉸接點C的運動軌跡越近似于圓;λ取值越接近于1,鉸接點C的運動軌跡越近似于正k邊形。在T內,λ固定，當k為3時,鉸接點C的軌跡為正三角形,速度曲線和加速度曲線的峰谷有兩組;當k為5時,鉸接點C的軌跡為正五邊形,速度曲線的峰谷有兩組,加速度曲線的峰谷有四組;當k為10時,鉸接點C的軌跡為正十邊形,速度曲線的峰谷有兩組,加速度曲線的峰谷有九組。依次類推發現,當k為自然數時,速度曲線的峰谷有兩組,加速度曲線的峰谷有k-1組。

由此得出結論，在一個周期T內,速度曲線的峰谷組數是定值；k取值越大,加速度曲線的峰谷數量越多,加速度變化使速度大小、方向的變化頻率越快,傳遞到滑塊上的運動狀態越復雜,即振動篩在一個行程內的往復運動次數越多,振動頻率越快,行星齒輪連桿機構的篩分效率越高。

根據不同的篩分強度要求,通過改變連桿與行星齒輪鉸接點C的位置,來改變k與λ的取值。行星齒輪具有多個位置不同的孔洞,調節連桿連接到行星齒輪相應孔洞,即可設置篩分強度。

普通篩分機構的篩箱壁多為平面,雜物在篩分機構內篩分的過程中,易碰撞篩箱壁,進而被甩出,影響清潔效率。對此，將平面篩箱壁改為曲面篩箱壁,雜物碰撞曲面箱壁后可折回篩板中,避免從篩箱中掉落,從而提高篩分效率。

4.3 垃圾處理

垃圾箱如圖11所示，用于推送垃圾的齒輪齒條機構如圖12所示。

根據沙灘清潔車垃圾收集量亟待擴增的需求,為提高每次工作的清潔效率,設計了集可壓縮、收集、傾倒功能于一體的垃圾箱。垃圾箱工作原理如下：百葉篩板上的推板與齒條固定連接,第三層百葉篩板和垃圾箱之間的擋板與齒輪連接；初始狀態下,擋板立起；

▲圖11 垃圾箱▲圖12 齒輪齒條機構

當推板推動將垃圾壓縮到一定程度時,擋板翻下,推板繼續運動將垃圾推至垃圾箱；當垃圾箱裝滿垃圾后,底板沿一邊提升并向下翻轉,實現垃圾的完全傾倒。

5 結束語

針對沙灘上的垃圾清理問題,筆者設計了新型沙灘清潔車,采用寄居蟹外觀,整車全封閉，噪聲小。

在新型沙灘清潔車中，六葉弧形篩孔翻沙板可調節翻沙深度,增大翻沙量。翻沙板和百葉篩板上的篩孔可以對沙與雜物進行兩次過濾。采用齒輪齒條連桿機構,實現壓縮推送垃圾的功能,提高垃圾箱空間利用率。垃圾箱底板轉動，可自行卸下雜物。

百葉式篩箱采用行星齒輪連桿機構，能夠提高篩分效率。對行星齒輪連桿機構進行了運動學分析,驗證了設計的合理性,確認與同類產品相比，具有更優的篩分動力性能參數。