一種人力驅動垃圾箱清洗裝置設計

張更娥，丁 源，李美妝

(1.南寧學院，南寧 530200；2.上海海事大學，上海 201306)

0 引言

隨著國民經濟的發展，人們生活水平的提高，城市人口也在迅猛增長，隨之導致生活垃圾以及垃圾桶的數量也在不斷增加，環境質量問題也越來越嚴重。大中小型城市對環境清潔方面越來越重視，要求也越來越嚴格。垃圾桶清潔度是提高城市環境的標準之一，其設計需要滿足“高效率、節能、環保、低成本”等要求。要實現這些條件，使用傳統的清洗方式不僅費時、費力，也難以達到清洗的最優效果。本設計通過高壓水槍噴濕垃圾箱，隨之轉動手柄驅動齒輪，使其沿著齒條機構上下運動，人工通過推拉方式移動水平滑軌實現左右運動，從而帶動毛刷運動完成整個垃圾箱清洗任務，這不僅可大大降低勞動強度、節約水資源，還提高了勞動效率。本設計以齒輪齒條的設計為主要目標，討論了齒輪齒條在上下運動工作時伸臂與箱面的受力計算。

1-伸臂及刷架 2-車頭 3-80號槽鋼 4-滑軌裝置 5-齒條 6-齒輪 7-手柄 8-棘輪裝置 9-連接板

圖2 連接板局部圖

圖3 連接板整體圖

1 垃圾箱清洗裝置總體設計

根據垃圾箱清洗裝置的總體結構，垃圾箱清洗裝置主要分為傳動系統、噴水系統、清刷系統三大系統。垃圾箱清洗裝置的整體設計方案：以環衛車作為清洗裝置的載體，實現不同垃圾箱之間清洗的靈活性和便捷性，保證裝置的“自由移動”。水槍噴水的同時，毛刷能對垃圾箱進行清洗，能夠實現單向行駛、多側同時清洗的作業目的。整個裝置由四部分組成，分別是底盤、傳動裝置、清刷裝置與供水裝置。傳動裝置是前懸式結構，由齒輪齒條機構、槽鋼、滑軌及伸臂等組成。整個傳動裝置是將兩根滑軌平行固定于車頭，槽鋼凌駕于滑軌上且齒條焊接于鋼槽中。為避免由于齒條自身重力作用而使其產生橫向傾斜或側翻，齒條與槽鋼之間通過焊接的形式連接。齒輪與齒條在運動過程中可能會發生不嚙合現象，因此以連接板作為齒輪排的基架，將齒輪固定其上并與齒條嚙合(齒輪排基架由齒輪、齒輪軸及連接板組成)，雙排齒輪的間距為140 mm。基座由大小、規格一致，但長短不一致的鐵板焊接而成。在基座上安放長度為900 mm的方鋼作為伸臂，伸臂一端與毛刷架相連接。為使工作時毛刷架不產生晃動，則安裝長為1 000 mm方鋼作為固定桿。當作業人員轉動手柄驅動齒輪時，齒輪沿著齒條方向運動，并帶動毛刷實現清洗過程。當齒輪到達頂部位置時，為防止發生齒輪下滑，通過控制棘輪來鎖止齒輪。清洗裝置位于環衛車正前方，能夠保證清洗作業過程中不妨礙其他車輛運行，作業人員具有良好的視野，使清洗車能夠停靠在合適的位置。整個清洗裝置的結構穩定可靠。清刷裝置由刷毛、刷板和各種緊固件組成，刷板與毛刷架之間通過螺栓緊固于一體。供水裝置是提供清洗用的輔助裝置，它是由噴水機構、儲水箱及相應的管路設備組成。噴水機構是用于噴頭射水作業的機構，利用水槍通過壓力方式噴灑在垃圾箱面上，從而實現噴水過程。所用的儲水箱容量為200 L，能夠滿足半個工作日的工作要求。當作業人員操縱齒輪手柄時，進而帶動伸臂及毛刷上下刷洗，操作方便，同時能夠對清洗車實現不同高度位置的瞬間控制反應，提高作業效率和作業質量。

2 垃圾箱清洗裝置設計

2.1 傳動系統設計

2.1.1 滑軌結構及尺寸

該清洗裝置中，滑軌是整個清洗裝置的載體，也是連接環衛車和清洗裝置的中間體。滑軌的主要作用是使裝置不工作時將其水平移動到合適位置，即與車頭同寬，既滿足了在車道范圍內的行駛，還實現了從車頭到垃圾箱的水平距離的要求。該裝置能夠很好地承受整個垃圾箱清洗過程給予其各種力的作用。

滑軌的總長度不大于環衛車車頭的總寬度1 300 mm，以滿足安裝要求。滑軌安裝在環衛車的底盤車頭位置處，并與其成剛性連接，保證裝置在清洗過程的穩定性與安全性。滑軌分為上下兩條滑軌，兩滑軌成對稱狀且用螺栓固定在機車前端，其間保持300 mm的距離，便于其他裝置的安裝。

2.1.2 齒輪齒條設計及其計算

2.1.2.1 齒輪軸的設計

齒輪軸與搖動手柄是直接連接的，連接方式可采用平鍵連接或焊接，由于齒輪需要上下運動，因此采用平鍵連接。選定齒輪軸直徑為φ20。驅動力Ft=40 N。

2.1.2.2 齒輪齒條設計部分

齒輪所需驅動力Ft=40 N，齒輪上下移動速度為V=0.55 m/s(L=1100 m,t=2 s)，齒輪傳動要求均勻平穩工作。由于齒輪齒條傳動屬于硬齒面開式傳動，因此按齒根彎曲疲勞設計齒輪幾何參數，再根據相關參數校核齒輪強度。按所設計的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動，壓力角為標準值20°。垃圾箱清洗裝置為一般工作機械，參考《機械設計手冊》，選用7級精度。材料選擇:查閱《機械設計手冊》，選用齒輪材料為40Cr(調質)，齒面硬度為280HBS，齒條材料為45鋼(調質)，齒面硬度為240HBS。選齒輪齒數為z1=20，齒條齒數z2=117。

2.1.2.3 按齒根彎曲疲勞強度設計

第一，設計公式。

(1)

1)確定公式中的各參數值。

①初選KFt=1.3。

②計算齒輪傳遞的扭矩。

初定轉速n1=100 r/min，驅動力Ft=40 N，則扭矩為：

T1=F·L=40×150 N·mm=6×103N·mm

(2)

③查機械設計手冊表10-7，選取齒寬系數φd=1。

④計算彎曲疲勞強度重合度系數：

(3)

由10-18圖查得應力修正系數Ysa1=1.55,Ysa2=1.8。

由10-24圖查得齒輪和齒條的齒根彎曲疲勞極限分別為：σFlim1=500 MPa，σFlim2=380 MPa。

根據圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數KFN1=1.77，KFN2=2.5，

取彎曲疲勞安全系數s=1.4，則有：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2)試算模數。

(9)

第二，調整齒輪模數。

1)計算實際載荷系數前的數據準備。

①圓周速度v：

d1=mtz1=0.43×20 mm=8.6 mm

(10)

(11)

②齒寬b：

b=φdd1=1×8.6 mm=8.6 mm

(12)

(13)

(14)

2)計算實際載荷系數KF。

根據v=0.045 m/s，7級精度，由圖10-8查得動載系數Kv=1.03。

(15)

(16)

查《機械設計手冊》10-3表得齒間載荷分配系數KFα=1.1。

由表10-4用插值法查得KHβ=1.316，結合b/h=8.89，查圖10-13，得KFβ=1.25。

則載荷系數為：

KF=KAKvKFαKFβ=1×1.03×1.1×1.25=1.42

(17)

3)由式(10-13)可得按實際載荷系數算得的齒輪模數：

(18)

根據標準模數，最終取模數m=2 mm。

第三，對齒輪齒條進行幾何尺寸計算，如表1所示。

表1 齒輪齒條基本參數

2.1.2.4 按齒根彎曲疲勞強度校核

由上述可知：

KF=1.42,T1=6×103N·mm,YFa1=2.83,YFa2=2.15,Ysa1=1.55,Ysa2=1.8,φd=1,Ys=0.29,m=2 mm,z1=20帶入下式得

(19)

(20)

齒根彎曲疲勞強度滿足要求，并且齒輪抵抗彎曲疲勞破壞強度的能力大于齒條。

2.1.2.5 主要設計結論

齒數z1=20,z2=117，模數m=2 mm，壓力角α=20°，齒寬b1=30 mm,b2=40 mm。齒輪選用40Cr(調質)、齒條選用45號調質鋼。齒輪按7級精度設計，如圖4。

圖4 齒輪齒條傳動圖

2.2 清刷系統的設計

2.2.1 毛刷結構

毛刷的材料選擇：選用尼龍絲作為毛刷材料，既滿足了要求，又能提供良好的柔韌度。毛刷的形狀及其尺寸：刷毛的結構設計為長條直線式毛刷。

根據垃圾箱的尺寸，設計該裝置刷條的相應尺寸。其中，刷條的總長度分別為1 100 mm和530 mm，刷條厚度為20 mm，刷條與刷架之間通過螺栓連接，即整個裝置呈1 100×530的矩形樣式。由于垃圾箱最底部向內凹85 mm左右，為防止長度不夠而給清洗作業帶來困擾，因此將毛刷長度設計為120 mm為宜。

2.2.2 毛刷板的結構

毛刷板的材料：選擇毛刷板的材料為硬塑料。

毛刷板的尺寸：由于垃圾箱呈矩形式，因此整個毛刷裝置也需設計成矩形式，即由四根刷條組合成矩形框，方便清洗。四塊毛刷板組成刷架，分別是兩塊尺寸為1 100 mm的水平刷板作為矩形長和兩塊尺寸為530 mm的刷板作矩形寬。

伸臂(刷桿)結構：由于毛刷裝置自身重量較輕，考慮到承載車的承載質量問題，因此采用厚度為30 mm的方鋼作伸臂。根據普遍車停靠路邊的距離，測量出車與垃圾箱的距離為600～700 mm。為了預留一定的誤差間距，所選伸臂長度為900 mm。伸臂為了能更好與毛刷架貼合，并滿足因刷毛產生的重力而不造成傾斜或裂縫，將伸臂放置于連接板之間。在不工作時可以通過滑軌將其沿車頭水平方向滑動至原始位置。

對垃圾箱箱面受到的摩擦力進行分析，即：

f=μmg=0.3×42×10 N=126 N

(21)

F—清洗過程中箱面受到的摩擦力；μ—摩擦因數選0.3；m—整個毛刷架及運動部件總質量為42 kg。要驅動齒輪，使毛刷架能上下運動所需要的驅動力為：

F驅·l=(mg+f)·L=2.4×103N

(22)

l—驅動手柄力臂為0.2 m；L—伸臂長。

2.3 噴水系統部分

噴水系統主要由水泵、水管、水槍組成。水通過水泵吸入經壓縮后流經水管，最后經水槍噴射出。水槍通過控制出水嘴的流量來控制水的分散大小，從而實現水噴射過程。由于對垃圾箱噴水不需要太大壓力，選擇在2～5 MPa即可，因此選擇微型水泵(12 V高壓水泵)即可滿足噴水。

3 結語

人力驅動城市垃圾箱清洗裝置將高壓水泵、開關閥門、細口噴頭配合使用，采用的是人機配合控制的方式。機械傳動通過人工控制，實現人機一體化的功能，整個清洗過程中用的是人機結合。將現有的環衛車進行改裝、優化，合理利用資源，充分考慮了節約水資源的重要性，確保了資源的有效利用。與人工手持水槍清洗方式相比，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。