一種物料清理轉運裝置的設計開發*

高 波，李 寧

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

0 引 言

在工農業生產以及日常生活中，經常出現大量物料與生活垃圾堆積在廣場或路面的現象，尤其是當發生泥石流、洪水等自然災害后，大量泥沙封堵路面，這些泥沙清理起來費時費力，而且缺少專門機械。 若堆積物較多且條件允許的情況下，由鏟車等裝載機將堆積較厚的物料(泥沙)鏟掘在一起，通過卡車運送至指定位置后，再由人工或道路清掃車清理剩余的堆積物。 雖然鏟車或者道路清掃車清理堆積物效率較高，但因場地限制以及投入成本高等問題影響，泥濘道路的清理還存在很多挑戰。 國內外學者針對這一問題進行了多方面研究[1-4]，設計出泥沙清理和泥水分離的裝置，但是針對泥沙清理轉運和場地清掃功能一體化裝置的報道較少。 筆者結合現場生產實際需求，為方便工農業及日常生活物料的轉運，尤其是提高泥沙清理的效率，專門提出一種物料清理轉運裝置設計方案，并結合智能控制系統進行研究和設計，其目的是實現工農業生產物料和泥沙的轉運及清理功能。

1 物料清理轉運裝置的設計

1.1 結 構

物料清理轉運裝置主要由驅動模塊、滾筒切削裝置、固液分離裝置、傳送裝置、自動清掃裝置、收集箱、動力系統、控制系統和其他輔助裝置構成，主要結構原理如圖1 所示。 驅動模塊1 放置于機架7 上，滾筒切削裝置2 在最前端，滾筒切削裝置下方有固液分離裝置3，滾筒切削裝置緊連著傳送裝置4，自動清掃裝置5 位于機架下方緊貼地面，收集箱6 放在傳送裝置的末端。

圖1 物料清理轉運智能裝置

1.2 工作原理

此裝置可通過四輪驅動系統向前推進，并實現轉彎。 滾筒切削裝置上的鏟斗收集物料，經傳送裝置輸送至收集箱或者運輸車。 底部的自動清掃裝置可清除殘余物料，并配備有負壓收集裝置和灑水器，防止塵土飛揚。 鏟斗裝置高度、滾筒轉速及傳送帶速度等參數可通過分析傳感器的數據進行調整，在使用時可以智能控制。 以清理道路泥沙為例，該裝置對泥沙的清理轉運流程如圖2 所示。 道路上的泥沙屬于泥水混合物，主要被滾筒切削裝置清理，少部分需要自動清掃裝置清掃。 如果滾筒切削裝置中的泥沙含水量大，則需要進行泥水分離。 泥沙經過傳送裝置進入收集箱，收集箱中多余的水分也可通過泥水分離裝置收集至儲水器中。 儲水器中的水可用于噴灑除塵或者沖洗污漬。

圖2 泥沙清理轉運圖

2 關鍵結構與系統設計

2.1 切削裝置

滾筒切削裝置由鏟斗和滾筒構成，如圖3 所示，滾筒安裝在鏟斗上，為螺旋狀對稱結構，主要由電機帶動減速器，經皮帶傳動實現旋轉，目的是將泥沙卷進滾筒內，并在向前推進過程中能將泥沙收集并放置在傳送帶上，提高工作效率且減少勞動強度。 該裝置可根據泥沙的厚度調整鏟斗的高度。 滾筒旋轉的同時鏟斗可上下運動，實現不同厚度的泥沙清理。 前進速度和鏟斗高度決定了清理的體積，滾筒和傳送帶的轉速則決定了清理的泥沙能否及時全部收集。 滾筒和鏟斗之間有一定間隙，防止被小石子卡死。 滾筒傳動軸上安裝的傳感器可將數據實時傳送至控制系統，當檢測到受力過大導致滾筒卡死時，及時減少滾筒速度并反向旋轉，通過同時整體后退的方法及時退出被卡異物。

圖3 滾筒切削裝置示意圖

2.2 固液分離裝置

當清理含水較多的泥沙時，需要進行固液分離，方便收集和轉運。 滾筒最下方有排水孔，液體經過排水孔后被收集，滾筒的旋轉能防止收集孔堵塞。 經過濾后可為噴灑裝置提供水源，也可通過水泵直接噴射至花壇、草坪或其他合適位置。

2.3 傳送裝置

傳送裝置主要是將滾筒切削裝置收集的泥沙升高并轉移運至本裝置自帶的收集箱或隨行卡車中，收集箱下端有液壓裝置，可傾倒儲存的泥沙。 傳送裝置由電機經過減速后驅動大傾角輸送帶傳送，實現泥沙的提升，其電機轉速主要由輸送泥沙的體積決定。 同時，輸送帶末端有撥轉裝置，可改變泥沙的收集形式。如果道路被較多泥沙覆蓋，可直接將收集的泥沙拋灑至道路兩邊，以最快的速度疏通道路，為后續救援爭取時間。

2.4 自動清掃裝置

為了進一步清掃滾筒切削裝置未能清理的泥沙，可使用自動清掃裝置輔助清掃道路。 自動清掃裝置由清掃刷、噴淋裝置和負壓吸塵器構成，可清理泥沙也可強力沖洗泥污。 清掃刷旋轉時將殘余泥沙清掃至儲存倉，負壓吸塵器則吸取細小泥沙及灰塵。 噴淋裝置可噴灑收集到的分離水，用于除塵。

2.5 動力系統設計

該裝置分為油動和電動兩個版本，動力可由動力電池或發動機提供。 裝置能兼容新能源車的動力電池，也可將其動力電池階梯利用，使電池的全生命周期得到充分利用。

2.6 控制系統設計

該裝置的前進速度、鏟斗高度、滾筒轉速及傳送帶速度等參數可根據實際工況及時調整，以便智能控制，控制系統整體思路如圖4 所示。 當系統啟動后會進入初始化狀態，讀取相關設置信息。 根據清理的工況選擇相關設置，可以選擇清理泥沙、清掃路面、清理泥沙的同時清掃路面、自動操作和手動控制等模式。

圖4 控制系統原理圖

2.6.1 清理泥沙

使用清理泥沙功能時，先啟動傳動裝置，讓傳送帶開始旋轉；然后啟動切削裝置，讓滾筒開始旋轉并調整鏟斗高度；設置泥沙堆放的形式，可將泥沙倒入隨車收集箱、運輸卡車或者直接拋灑至路邊。 通過驅動系統移動位置，即可實現連續泥沙清理。

2.6.2 清掃路面

當使用清掃路面功能時，啟動噴淋裝置減少揚塵；轉動清掃滾刷，將泥沙掃入收集箱；開啟負壓吸塵器，進一步收集泥沙和細小灰塵。 清掃路面功能啟用后，在清掃較厚泥沙的同時，一次性將路面清掃干凈，免去了人工二次清掃的麻煩。

2.6.3 數據處理

為了實時獲取各個部位的工作狀態，在滾筒、傳送帶和固液分離裝置上均安裝有傳感器。 傳感器數據傳送至控制器后，可判斷是否出現卡死、輸送不及時、功率不足等問題，經過數據分析后調整轉速、功率、噴灑等參數，通過單片機控制器實現各個部件的聯動控制。 分析數據可以反饋至各個執行機構中，也可以為人機互動控制提供準確指導。

3 性能特點

該裝置可有效地提高泥沙清理的效率，并減少人工勞動強度。 其主要特點是:①通過帶螺旋滾筒的鏟斗收集不同狀態的物料，能自動調整參數且收集效率高；②結合運輸機構和負壓收集裝置，通過隨車運送、他車運輸和就近拋灑等方式處置反應物或泥沙，適合多種工作場合；③滾筒、傳動裝置、清掃裝置等均有傳感器，其數據由控制器分析后進行優化，最大可能地提高泥沙清理的效率。

4 模擬應用

根據此設計思路，以清理洪水過后路面堆積的泥沙為案例進行研究，并進行可行性驗證。 加工的演示模型如圖5 所示。 模型主體結構由木板和3D 打印構件加工而成，通過數字電機及舵機完成執行機構，由鋰電池提供動力，通過單片機實現智能控制。

圖5 演示模型

實驗時，分別利用干沙子(模擬沙漠風暴后埋沒道路)、濕沙子(模擬雨后沙子堆積道路)、半干泥土(模擬災后道路搶修不及時導致板結)和沙子中摻有小石子等工況進行研究，各工況如表1 所列，讓演示模型在行進中清理泥沙。

表1 模擬工況匯總表

通過實驗，得出如下結論。

(1) 文中提出的智能泥沙清理裝置設計可行，濕沙子清理效果最好，基本上能完成清理。

(2) 干沙子可以清理，但是道路清掃時灰塵較大，演示模型的過濾裝置需進一步完善，以避免實際應用中出現此問題。

(3) 可以完成半干泥土的清理，但是由于演示動力不足，導致切削裝置無法切削堅硬的土塊，此問題實際應用中也能避免。

(4) 摻有小石子后偶爾發生了卡頓，主要原因是石子卡在滾筒縫隙中，滾筒與鏟斗之間的間隙和結構還需要進一步改進，本裝置適合在石頭較少的工況下使用。

5 結 語

針對工農業及日常生活物料清理和轉運中存在的問題，尤其是泥沙清理的問題，通過對一種物料清理轉運裝置設計方案的分析應用，基本實現物料(泥沙)收集、固液分離、裝載轉運和道路清掃等一體化功能。 但模擬應用試驗中該裝置也存在需要改進的地方，例如在泥沙中混有石頭時有可能發生卡死現象。 因此，針對后續的設計改進方面，可通過圖像識別技術分析周圍環境數據，判斷清理物料中是否有較大石頭或其它堅硬物體，防止滾筒被卡死甚至破壞。當判斷異物無法通過滾筒時，滾筒前端可設置叉子將其直接鏟至傳送帶。 此外，還需要增加路徑規劃系統，通過圖像識別系統自動規劃清理區域，以便進一步提升清理效率。 本裝置可有效地提高工農業生產物料的清理和轉運效率，減少工人勞動強度，具有一定的推廣應用價值。