鼓風鏟斗式樹葉清掃車的設計與應用

李青芬 黃曉云

摘要：針對現有道路清潔車、樹葉清掃車清掃裝置占用空間大，機構復雜，功能單一，價格昂貴，不好安裝，實用性差，提出了鏟斗式樹葉清掃車設計方案。整體設計包括盤刷機構，鏟斗機構，鼓風機構等;此機構以液壓系統和電機為動力來源，對清掃車輛所行駛經過道路上的樹葉進行清掃，結構簡單、體積小、成本低、維護難度小。采用Solidworks三維建模，確保了設計的可行性。

關鍵詞：鏟斗式樹葉收集車;設計;應用;鼓風鏟斗;可伸縮

0 ?引言

隨著城市的快速發展，生態文明建設的推進，城市道路的清潔顯得尤為重要，市區樹葉的清掃需要耗費大量的人力物力，為減輕環衛工人的勞動強度，樹葉清掃車的設計與使用應運而生。目前，純掃式樹葉清掃車的清掃機構，容量小、操作麻煩、二次揚塵污染嚴重、故清掃效率不高。小型純吸式和吸掃式清掃作業裝置可靠性有待提高，而大中型的清掃裝置造價高、能耗高、噪聲高、排放污染嚴重[1]。為此，本文提出了一款機構簡單，成本低廉的掃鏟吸相結合的清掃裝置，以滿足社會對道路清潔車的需要。

1 ?鼓風鏟斗式樹葉清掃車的總體設計

1.1 總體方案設計

針對目前樹葉清掃裝置占用空間大、功能單一、價格昂貴、操作復雜等一系列問題，本文基于《機械原理》[2]、《機械設計》[3]，參考張安康的《新型多功能道路清掃車設計》[4]，提出了一種更加經濟實用的樹葉清掃裝置設計方案：采用可調節盤刷、自動壓縮鏟斗和鼓風機構配合使用的設計，既滿足了不同車型的需求，同時又實現了清掃、鏟除、吸等功能于一體清掃裝置的合理配置。本文主要對清掃裝置機械部分進行設計，經過調查研究，確定最終的設計方案如圖1所示。

本設備主要包括盤刷機構、鏟斗機構和鼓風機構三大裝置，通過自動壓縮鏟斗，在不用時將清掃裝置快速便捷的恢復到不易發生碰撞的位置，提高車輛的通過性。

盤刷機構主要由盤刷、升降機構和電機組成。機構采用1個盤刷、1個盤刷底座、1個盤刷電機，2個液壓升降桿和1個液壓升降桿固定板，在升降桿的作用下能實現自動調整盤刷的高度和角度，使樹葉清掃車輛在清掃時能適應各種路面，達到最好的清掃效果。

鏟斗機構包括鏟斗機構和調節裝置組成。鏟斗機構采用1個鏟斗、1個壓縮鏟、1個鏟斗機構蓋組成，調節機構包括1個壓縮鏟壓力調節系統、1個壓縮鏟角度調節系統。結構簡單，維護成本低，通過壓力調節系統和角度調節系統，增加了清掃裝置的清掃范圍。

鼓風機構主要由鼓風機和管道組成。其功能是將清掃進鏟斗的樹葉吸入車廂，增加儲存樹葉的容量，提高樹葉清掃車使用空間。

1.2 基本工作原理

將盤刷調整到適合的角度和高度，把車輛行駛中清掃的樹葉掃到鏟斗旁邊，通過壓縮鏟將樹葉鏟進鏟斗內，并進行一定程度的壓縮，壓縮鏟到達行程極限位置時，鏟斗內部形成一個密閉的空間，鼓風機通過管道將鏟斗樹葉吸入車廂內部，完成樹葉的清掃工作。

2 ?盤刷機構設計

盤刷機構有液壓桿、液壓底座、電機、盤刷及盤刷底座等組成，其三維模型如圖2所示。

為增大清掃面積，在清掃車輛的前方布置了2個盤刷。用電機4帶動盤刷7實現旋轉，用液壓桿2的伸縮控制盤刷的高度和角度，進而控制盤刷的清掃位置和面積。電機4、盤刷7通過液壓桿固定座1固定在液壓桿上，液壓桿2帶動電機、盤刷、法蘭通過液壓底座3固定在車架上。盤刷是道路清掃車的關鍵零件，盤刷的選取直接影響到路面的清掃效果，所以進行清掃裝置的設計首先選取了適合的盤刷，盤刷的設計結構必須能實現向外伸展、保持和收縮的動作。盤刷結構如圖3所示。

盤刷的具體尺寸參數如表1所示。

其中，刷毛接地點的方向、盤刷接地點的速度是影響盤刷性能的重要因素。許蓓、余大平和邢兵經過研究發現：在大多數路段把車速、刷盤接地點的速度、內傾角分別設定在8～10km·h-1、12 m·s-1、30°時可以取得最好的清掃效果[5]。所以，本設計為了讓盤刷的工作效果更佳，盤刷的角度布置為30°。而且由于液壓系統的設計，盤刷的角度并不是一成不變的，而是可以調節的，這樣就可以適應不同路面、不同車速的需求。

盤刷驅動電機經計算后如表2所示。

3 ?鏟斗機構設計

鏟斗機構主要是接收盤刷清掃過來的樹葉，并在允許的范圍內對盤刷掃過來的樹葉進行壓縮。鏟斗機構原理圖如圖4所示。

鏟斗機構采用鏟斗加液壓壓縮鏟的設計，布置1個在清掃車輛的中后方。在使用時，鏟斗接受盤刷清掃過來的樹葉，當樹葉充滿鏟斗時，由于樹葉之間的間隙較大，仍有一定的壓縮空間，這時壓縮鏟在液壓系統的作用下將鏟斗入口處的樹葉壓進鏟斗內部，并對整個鏟斗內部的樹葉進行壓縮，最后被鼓風機構吸入車廂內。

鏟斗機構接收樹葉主要是靠車輛的運動，最后輔以壓縮鏟的壓縮進行工作。鏟斗機構設計了兩個液壓系統，一個是負責壓縮鏟的升降，一個是負責整個鏟斗機構的升降。兩個液壓系統的參數如表3所示。壓縮鏟的升降雖然有壓縮作用，但它的主要作用還是讓壓縮鏟封閉鏟斗的內部空間，使鼓風機的風力充分作用在鏟斗的內部，節省一些不必要的浪費。另一個液壓系統是由兩個液壓主缸組成，增加一個液壓主缸雖然增加了成本，但可以使鏟斗機構的升降更加穩定，不會發生偏轉現象，它主要是負責鏟斗機構的升降。出于性能和成本方面的考慮，鏟斗機構并沒有加入避讓輪，而是讓鏟斗的前端使用耐磨材料接地，這樣可以直接鏟入路面上的樹葉，還使鏟斗機構不會產生太大的損傷。而且前端的耐磨材料十分便宜，發生嚴重磨損和碰撞之后可以快速更換，不影響接下來的工作。

4 ?鼓風機構設計

鼓風機構主要是由鼓風機和鼓風管道構成，是用來將鏟斗內的樹葉吸入車廂內的機構。其中鼓風機是標準件，可以自行根據鏟斗內管道的大小和預計要吸入樹葉的質量安裝適合的鼓風機。以下為鼓風機配置下的管道口設計。為了將鏟斗內的樹葉吸到車廂內，考慮到鏟斗的尺寸和鼓風機產生吸力的大小，需要在鏟斗機構上開兩個直徑為150mm的孔接通管道。管道口布置圖如圖5所示。

管道在清掃車工作過程中起極大的作用。一方面因為清掃車輛底盤下的空間比較狹小，難以放置體積較大的鏟斗，另一方面，鏟斗過大也可能導致鼓風機的吸力不足，難以產生良好的清掃效果。所以，在有限的空間內儲存更多的東西變成了設計的難點。本設計正是結合了純吸式和純掃式兩種清掃車的優點，通過連接鏟斗和車廂的方式變相增加垃圾的容量，而管道是鏟斗和車廂間的紐帶。合理的管道布置，將使清掃車的效率大大提升。

5 ?設計裝配實現

為驗證盤刷、盤刷升降裝置、風機、風機驅動電機各個零部件的裝配尺寸，實現收集樹葉功能，對其進行總體結構裝配的驗證，運用三維軟件Solidworks進行裝配之后的效果圖如圖6所示。

本設計創新點如下：

①對盤刷系統進行了優化設計，采用了雙液壓系統控制盤刷的起降與傾斜，增大了清潔車的清掃面積及效率。

②設計了可壓縮、伸縮式鏟斗，維護方便，成本低廉，增加了樹葉容納量，同時使吸納過程更加順利。

③采用鼓風機構進行最終的收納，節省了車廂的占用量，同時相較于其他系統操作更加簡單可靠。

本設計采用Solidworks軟件對鼓風鏟斗式樹葉清掃車進行三維建模，并最終完成了整體的裝配設計。由于本人水平有限，只進行了三維裝配，模擬，沒有進行功能上的運動學、靜力學、動力學分析，設計細節之處也有待提高，比如對于收集進入車廂樹葉的處理及自動卸車裝置。今后將進一步深入研究，使設計更為合理。

參考文獻：

[1]簡潔.電動清掃車清掃作業裝置的設計與研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]張安康，張攀，王選，等.新型多功能道路清掃車設計[J].科技創新導報，2019，16（13）：87-88.

[5]許蓓，余大平，邢兵.路面清掃車的選型及常見問題探析[J]. 設備管理與維修，2015，32（1）：95-98.

作者簡介：李青芬（1983-），女，講師，主要從事汽車電子控制技術、新能源汽車的教學與研究。