一種多用途小型城市環衛清潔車的設計

陳 蘭 劉文星 鄭金松 胡 淼

（1.河南理工大學 鶴壁工程技術學院，鶴壁 458030；2.鶴壁汽車工程職業學院，鶴壁 458030）

城市化的快速發展，使得城市街道的面積越來越大，為環衛清潔車的行業發展空間提供了助益，也對環衛清潔車的高效快速工作提出了更高要求[1]。根據《中國統計年鑒2021》可知，環衛清潔車要完成道路清掃、沖洗、灑水、除雪以及垃圾糞便清運等工作。可見，環衛清潔車工作質量的好壞及效率的高低，將直接影響整個城市的精神面貌。

近年來，隨著環保機械的發展趨勢不斷加快，很多學者加大對環衛清潔車的研究力度。目前，清潔車主要可分為純掃式、純吸式以及吸掃混合式3種。白文娟提出建立一個“環衛工人-環衛保潔車-行人車輛-道路環境系統”的環境系統，由各個要素之間相互影響進行清潔車的設計[2]。朱少軍提出基于包括安全因素、功能因素及其操作因素的人性化理念，為技術人員提供了一定參考[3]。買迪娜從使用者和周圍相關者兩種角度出發，提出真正滿足環衛工人需求的清潔車設計方案[4]。王啟晨、高曉紅等人通過控制動力系統、清掃系統和傳輸系統實現清掃垃圾和傳輸垃圾的功能，通過灑水系統實現除塵，達到了節約人力資源的目的[5-6]。韓魯佳等人提出將收集的雜物進行預壓，在預壓縮裝置中利用高壓作用將落葉制作成圓柱形，并利用快刀切成塊狀，實現了高效完成落葉清掃[7]。夏明愛發明了一種新型拖掛式道路清潔車，將動力機器與拖掛鉤連接帶動設備移動，通過拖掛執行道路清潔功能，操作簡單且方便[8]。

本文解決了傳統清潔車清掃方式效率低下的問題，排除了天氣、路況等外界環境的影響，主要針對小區、學校、廣場及人為活動的場所，提高環衛工人的工作效率，改善環衛工人的工作環境，減少作業過程中揚塵給身體帶來的不利影響。

1 多用途小型城市環衛清潔車的工作原理

研究設計的城市環衛清潔車主要由輪子、2個圓盤刷、1個滾筒刷、傳動機構以及收集裝置等部分組成。機身結構使用的是手推式車身設計，采用配備了剎車功能的萬向輪作為車身的2個車輪，通過剎車功能可實現清潔裝置在斜坡路段的停放。小型城市環衛清潔車最大清掃半徑達到210 mm，清潔車總體高度為1 050 mm，總體長度為1 550 mm，總體寬度為860 mm。清潔車可根據所需要清潔的范圍調整作業高度。

圖1為多用途小型城市環衛清潔車簡圖。城市環衛清潔車運轉時，驅動清潔車前進。電動機將動力傳遞到小帶輪2，再由小帶輪將動力傳遞給大帶輪3，從而使在同軸上的帶輪7和錐齒輪4、錐齒輪9一起運轉。帶輪7將移動運動傳到帶輪8，再由帶輪8帶動主刷13作逆時針方向旋轉，同時錐齒輪4和錐齒輪9推動錐齒輪5和錐齒輪10轉動，利用帶傳動的運動傳給毛刷11作順時針轉動，同時側毛刷作逆時針轉動，把兩邊的廢棄物掃向中間，再傳給主刷13由主毛刷將清掃物掃進收集箱內。

圖1 多用途小型城市環衛清潔車簡圖

2 多用途小型環衛清潔車的結構設計

設計的多用途小型環衛清潔車主要由清掃機構、收集機構、傳動機構以及車輪車架等其他附件組成。

2.1 清掃機構的主要零件設計

滾筒毛刷和電機共同組成了整個清掃系統。充分利用電極為滾筒毛刷提供驅動力。在電極驅動輸出端配備1個連接V帶，與滾筒毛刷實現連接，并為2個機構的運行提供驅動力。清潔車的前進方向是主滾筒毛刷的轉動方向。設置在兩側的2個輔助盤刷旋轉方向相反，主要負責清潔設備周圍的雜物。

電機選擇是否合適對整臺機器影響較大。選擇的電機容量過小，會影響電機的正常工作。選擇的電機容量過大，則可能造成電動機造價過高，且不能充分利用其能量。查閱資料可知，當清潔車的工作速度為60 r·min-1的較低轉速時，推薦選擇電壓12 V、額定功率為250 W的齒輪減速電機。該電機的輸出轉速為600 r·min-1。

在毛刷的設計過程中，主要使用如圖2所示的兩種刷子，分別為滾動刷和圓盤刷。一個主刷放在清潔車的前部，兩個輔助毛刷設置在輔助機的兩側。尼龍絲、不銹鋼絲以及合成纖維等是最常見的毛刷材料。通過清掃實驗對比選擇尼龍絲作為毛刷刷體。尼龍絲本身具有良好的彈性，使用壽命較長，使用成本較低，可以很好地進入狹窄的縫隙中，且在使用過程中對障礙物產生的損害也較低。

圖2 毛刷

從圖2（a）可以看出，傳動軸主要以籠統的中心進行連接，滾筒整體直徑為201 mm，滾筒中心軸與地面的距離為201 mm，刷子長度為155 mm。如圖2（b）所示，工作軸與地面之間的距離固定，圓盤毛刷的高度為260 mm。連排毛刷本身存在一定的角度，因此底座的直徑為100 mm。在實際作業過程中，兩側設置的圓盤刷最大的清掃距離為210 mm，能夠實現對道路兩邊邊角的清掃，提高清潔效果。

2.2 收集機構主要部件設計

設計的多用途小型城市環衛清潔車主要設置了一個箱體作為收集機構，如圖3所示。布袋式、塑料桶式以及金屬式是當前最常見的幾種收集箱材料。其中，金屬式使用壽命較長，因此本文選擇金屬材料的收集箱。在收集箱底部設置了一個出渣口，經過收集通過拉開底部擋板進行出渣。

圖3 收集箱結構

2.3 傳動機構設計

清潔車傳動機構的主要功能是連接電機和滾筒毛刷。整個傳統機構主要由V帶、工作軸以及錐齒輪等部分組成。

齒輪選型時，在充分結合傳動系統整體示意圖和實際的工況條件后，整個結構涉及兩處齒輪聯合，主要是電機輸出和垂直軸、工作軸與兩側輔助毛刷旋轉軸剛配合。本文選擇圓錐齒輪傳動，如圖4所示。考慮小型城市環衛車工作速度相對較低，選用了八級高精度齒輪。查閱資料后，設計選擇42SiMn（調質處理）作為齒輪材質。

圖4 圓錐齒輪傳動（單位：mm）

設計工作軸時，它對毛刷的正常生產運動影響很大。工作中軸同時受到扭矩和彎矩的作用，并承受一定的強度和剛度。選取45號鋼為材料，實際硬度能夠達到55～61 HRC，保證屈服強度為355 MPa，抗拉強度達到600 MPa。

在工作軸兩端設置的錐形齒輪，在實際運行過程中會受到周向力FV1和徑向力FH1的共同作用，受力狀況如圖5所示。工作軸主要設置在清掃車的內部，因此尺寸設計會受到一定限制。由于清掃車本身的寬度為650 mm，而圓盤毛刷實際的中心距達到330 mm，因此工作軸長度設置在350～600 mm。

圖5 工作軸受力分析圖

此外，需要選擇合適的車輪和設計相應的車架。對于整個行走系統來說，車輪是其主要的運動機構，承載機器整體的垂直載荷，也受路面反應的影響。選擇車輪時，與單向輪、球形輪及其他類型相比，萬向輪結構更加復雜，靈活性和控制精度更高。在本次進行清潔設計時，面對的實際路面情況多樣且需要實現行走功能，對車輪的方向性和靈活性要求較高，因此最終選擇萬向輪。萬向輪的尺寸直徑設置為25 mm，實際高度設置為30 mm，車輪厚度設置為10 mm。

設計車架時，要求車架具備強度高、重量輕、耐腐蝕以及使用壽命長等特點。車架的規格、材質、構造決定了清掃機的總體運轉穩定。車架的上下支柱均選用Q235冷拔無縫矩形鋼或25×20無縫矩形鋼。

3 結語

本文設計了一種多用途小型城市環衛清潔車，主要由傳動機構、清掃機構以及收集機構等部件組成。這種機器的設計具有較高的運行可靠性、較強的合理性及其性價比，能夠最大限度地緩解清潔人員的勞動強度，具有一定的應用價值和現實意義。