一種搖臂路側停車位清掃設備與自動控制*

谷春山，徐利奇，孫晨陽，崔華勝

(北京市城市管理研究院，北京 100028)

1 系統概述

隨著北京市車輛保有量的增加，路側停車影響道路清掃保潔作業的現象逐漸增多，矛盾日益顯著。路側停車位[1]處污染嚴重，現有作業設備均無法有效清潔，當路側停車離開后，污染物暴露嚴重影響市容美觀，也可能造成揚塵污染。本文介紹了一種利用一根可伸縮的搖臂，伸入車輛下方，并做扇形搖擺，一邊搖擺一邊回縮，從而實現對停車位的清掃。其具體操作如下：可伸縮的搖臂帶動吸塵頭伸入到車輛下方，碰到路緣石或達到伸縮極限為止，隨后吸塵頭吸塵的同時搖臂左右擺動，完成一個扇形軌跡后，搖臂回縮一定距離，然后再次進行左右擺動，如此循環直至搖臂全部收回，完成一次停車位的清掃。通過實現搖臂的自動化控制，該路側停車位清掃保潔設備在基本保證覆蓋范圍及作業速度的基礎上，降低了整機成本及操作難度，更加具備使用價值，從而針對性地解決了路側停車位這一特定場景的清掃保潔問題。

2 設計思路與方案

我們使用一根專門設計的鏈排作為搖臂，該鏈排不進行清掃時卷在一個卷筒上，清掃作業時伸出，伸出后鏈排各節間通過彈簧銷軸自動鎖定，形成一個具有一定剛性的支臂，作業完成后鏈排回收，此時由擋塊將彈簧銷軸壓回，使鏈排恢復可彎曲狀態，并重新盤卷在卷筒上。鏈排前端安裝1個吸塵頭，該吸塵頭使用1臺電機驅動1個全向輪，伸出時全向輪不旋轉，被動滾動，到位后電機驅動全向輪[2]滾動，帶動鏈排搖擺完成清掃。

3 清掃設備結構及電控設計

根據鏈排結構方案對清掃設備進行了詳細設計，包括樣機機械結構設計和電控設計。

3.1 機械結構設計

根據初步技術方案，機械結構主要包括吸塵小車1、鏈排搖臂2、卷筒機構3、升降機構4,如圖1所示。

1-吸塵小車；2-鏈排搖臂；3-卷筒機構；4-升降機構

3.1.1 吸塵小車

吸塵小車如圖2所示，搖臂方案所用吸塵小車使用一個全向輪1，該輪由兩組小滾輪組成，每組小滾輪固定在一個輪盤之上，兩組輪盤交叉固定，確保在全向輪滾動時至少有一個小滾輪與地面接觸。當全向輪不滾動時，如果受到軸向推力，由于有至少一個小滾輪與地面接觸,全向輪可以依靠小滾輪的滾動而沿軸向順暢移動；在全向輪后安裝驅動電機，用于驅動全向輪主動轉動，并帶動鏈排搖臂2在地面上擺動。底板后方安裝1節過渡鏈排3，用于連接鏈排搖臂。

3.1.2 鏈排搖臂

鏈排搖臂是清掃設備的核心部分，它由多節鏈節組成，鏈節之間由銷軸連接，鏈排盤繞在卷筒機構上，一端固定在卷筒機構的側板上，另一端連接吸塵小車。鏈排結構設計為只能向一個方向彎曲，另一個方向有限位塊3，限位塊3上還設計有錐形彈簧銷孔1，如圖3所示。鏈排側面設計有錐形彈簧銷2，當鏈排伸出時，卷筒機構的導向筒使鏈排伸出部分達到水平狀態，此時彈簧銷滑入彈簧銷孔，在一定程度上限制鏈排彎曲，使鏈排保持為平直狀態架在卷筒機構導向筒與吸塵頭之間，避免拖地。鏈排中間穿有吸塵軟管、吸塵頭電機電源線以及吸塵頭上各碰撞開關線纜。

3.1.3 卷筒機構

卷筒機構如圖4所示，它由旋轉板、側板3、襯板、桶芯、電機1、電機2、滾軸4等組成。側板3及桶芯形成特定空間，限制鏈排中彈簧銷伸出，使得鏈排的各個鏈節可以轉動。當鏈排離開卷筒機構時，滾軸將鏈排壓平，鏈排中彈簧銷對準彈簧銷孔，當鏈節離開卷筒機構后，彈簧銷不再被側板限制而彈出，插入彈簧銷孔實現鎖定。減速電機1與內置桶芯連接，可帶動桶芯旋轉使鏈排盤卷在桶芯上，實現鏈排回收，減速電機2與鏈排滾軸連接，電機帶動滾軸旋轉，滾軸推動鏈排向外運動實現外放，鏈排的收放帶動吸塵小車實現前后移動。

3.1.4 升降機構

升降機構如圖5所示，由升降導柱1、升降滑塊2、卷筒機構安裝板3、升降電推桿4、升降框架5、平移安裝板6、平移滑塊7、平移導軌8、主體框架9、平移電推桿10及掃路機連接板11組成。卷筒機構主體支架安裝在卷筒機構安裝板上，通過升降電推桿帶動，可實現卷筒機構(含鏈排搖臂及吸塵小車)沿升降導柱及滑塊上下運動。升降框架與平移安裝板連接，通過平移電推桿帶動，可實現卷筒機構(含鏈排搖臂、吸塵小車及升降部分零部件)沿平移導軌及滑塊水平運動，完成作業部件水平收放。

1-升降導柱；2-升降滑塊；3-卷筒機構安裝板；4-升降電推桿；5-升降框架；6-平移安裝板；7-平移滑塊；8-平移導軌；9-主體框架；10-平移電推桿；11-掃路機連接板

3.2 電氣系統框架

根據鏈排搖臂機構結構特點，選擇一臺PLC(三菱FX3GA-60MT)[3]作為控制核心，需實現的動作包括：手動伸出鏈排搖臂、手動收回鏈排搖臂、手動向左擺動鏈排搖臂、手動向右擺動鏈排搖臂、手動升起卷筒機構、手動降下卷筒機構、自動運行擺動循環。

3.2.1 電氣元件

電氣元件主要包括1臺PLC、2個鏈排步進驅動器[4](包括伸出和收回)、小車步進驅動器、220 V轉48 V直流電源、220 V轉24 V直流電源、220 V轉5 V直流電源、接觸器及按鈕等。

3.2.2 自動化編程

通過對電氣元器件進行接線，制作了一個簡易的控制板，如圖6所示。

圖6 電氣控制板

組裝完電氣元器件后，通過三菱PLC軟件GX Works2編寫程序[5]，下載到三菱FX3GA-60MT里，點動按鈕實現手動動作后，點擊自動啟動實現自動動作。PLC程序如圖7所示。

圖7 PLC程序

3.2.3 樣機及功能測試

為驗證樣機是否能夠完成所需的搖臂伸出、擺動、吸塵的動作，項目組對其進行了功能性測試，包括作業時間、作業面積及塵土吸凈率，測試情況如圖8所示。

圖8 樣機性能測試情況

性能測試結果表明：搖臂方案樣機平均單次作業面積7.96 m2，而單個車位總面積約為13.25 m2，因此單次作業車位面積覆蓋率為60.1%，大于60%，達到了項目指標要求；單車位平均作業時間約3′25″，小于4 min，達到了項目指標要求；平均塵土去除率88.7%，大于70%，達到了項目指標要求。

項目組還對改進后樣機進行了車下實際作業測試，結果表明，改進后樣機可以很好地完成車下清掃任務，基本達到預期設計需求。

4 結語

本文介紹了一種搖臂式路側停車位清掃設備，設計了控制系統，實現了吸塵小車、鏈排搖臂、卷筒機構、升降機構等的自動控制[6]，并對其進行了功能性測試。結果表明：搖臂方案可以實現車下區域的清掃，吸塵小車伸出與回收比較順暢，鏈排伸出后可以依靠彈簧銷較好地鎖止，形成具有一定剛性的擺臂，控制系統可以較好地控制樣機各部分動作，自動運行較為平穩順暢。通過本次研究可有效地解決路側停車位這一特定場景的清掃保潔問題，提高了作業效率、降低了作業強度，在路側停車位區域初步實現機械化作業，對于提升北京市道路清掃保潔水平、降低工人勞動強度、促進城市精細化管理具有重要意義。