电动清扫车清扫作业装置的设计与研究

ＴＥＣＨＮＩＣ　ＦＯＲＵＭ／技术论坛ｌ　２０１２／０７　

电动清扫车清扫作业装置的设计与研究　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏ　Ｃｌｅａｎｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｓｗｅｅｐｉｎｇ　Ｔｒｕｃｋ　

简洁张铁山　ＪｌＡＮ　Ｊｉｅ　ｅｔ　ａｌ　

南京理工大学机械工程学院　江苏南京　２１　００９４　

摘要：通过对当前路面清扫车清扫作业装置的分析研究，设计出了一款应用于电动清扫车上的纯　扫式滑扫作业装置，并通过建立模型，对其主要参数进行了计算和分析。　关键词：清扫装置　电动清扫车结构设计　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｏａｄ　ｓｗｅｅｐｅｒ　ｓｗｅｅｐｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａ　ｐｕｒｅ　ｓｗｅｅｐｉｎｇ　ｔｙｐｅ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｗｅｅｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｗｅｅｐｅｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　

中图分类号：Ｕ４６９．６　９１．０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—０２２６（２０１２）０７—００８５—０３　

１前言　

中小型电动清扫车具有广泛的市场应用前景，研究开发一款　

具有高效、节能、环保等优点的应用于中小型电动清扫车的清扫　作业装置具有实际意义。目前，纯扫式清扫作业装置工作时，由　

扫刷直接将垃圾尘土扫入垃圾箱内，由于垃圾箱簸箕口较低、容　量小，且操作麻烦，二次扬尘污染严重，故清扫率不高；小型纯　

吸式和吸扫式清扫作业装置的清扫作业可靠性不高，而大中型的　装置则需要增加大功率的燃油副发动机和风机等驱动设备，其造　

价高、能耗高、噪声高、排放污染严重，不仅不适合现代化城市　发展的需要，也不符合节能减排的要求。因此，本文以电动清扫　

车为研究对象，设计一种适合电动清扫车的清扫作业装置。　

２清扫作业装置总体布置设计　

本方案采用两个前盘刷作为前清扫刷，先将清扫车两侧的垃　圾收集聚拢于车体一侧，然后用一个中置滚筒刷为后清扫刷，将　

聚拢于车体一侧的垃圾扫人辅助垃圾收集系统的垃圾入口处，并　由垃圾收集系统内部的输送带不间断地传送至垃圾储运箱内。其　

结构布置形式如图１所示。　

由图１可见，前清扫刷可以对道路两侧和中央隔离带进行清　扫，加宽了清扫作业的宽度；中央导流板可以限定垃圾的运动方　

向，避免盘刷清扫时垃圾向另一侧过度飞散；后清扫刷和垃圾收　

集系统主要用于收集垃圾；采用湿式除尘系统作为主要的除尘方　

式，同时垃圾收集系统还具有一定的降尘作用，可对湿式除尘效　果进行有效弥补；垃圾储运箱为垃圾载运容器。　第一作者：简洁，男，１９７２年　生，硕士研究生，研究方向：汽　车ＣＡＥ及汽车节能与环保。　

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｜　｜　，Ｃ扫＼　

盘尉系统导流板垃圾收集系统凌捌系统　

图１清扫作业装置布置图　垃圾储运箱　

车架　

３垃圾收集装置的设计　

滚筒刷和垃圾收集系统主要用于垃圾收集，是清扫作业装置　的主要功能部件，本方案设计的垃圾收集装置如图２所示。在滚筒　

刷的前方设置一个竖直的垃圾收集箱，该箱的垃圾人口处正好能　

够接收滚筒刷扫起的垃圾。垃圾收集箱内部安装有垃圾传送带，　传送带上粘贴有刮板，能够将滚筒刷扫人的垃圾不问断地传送到　后方的垃圾储运箱中。垃圾收集箱设计为近似密封的垃圾通道，　

当垃圾被传送带输送走时，垃圾入口处会形成一定流速的气流，　

使垃圾入口附近细小的飞尘随着气流一起吸人垃圾通道中。　传送带刮板的尺寸与垃圾通道截面尺寸大小相等且结合紧　

密，同时为了增加垃圾通道的密封性，传送带两侧及刮板与箱体　ＴＥＣＨＮＩＣ　ＦｏＲＵＭ／技术论坛ｌ　２０１２／ｏ７　

图２垃圾收集装置设计图　

接触部位均有密封结构。传送带中央安装有皮带张紧机构，保证　传送带在传动时紧贴箱体，这样既能防止垃圾下滑，又能增强垃　

圾通道的密封性。为了防止垃圾出口处的垃圾倒流，垃圾收集箱　后方箱板上开有格栅式的纵向通风窗口与大气相通，以保证箱体　

内外压力平衡。　

由于垃圾收集装置采用竖直设计，因而摩擦力较小，在相同　的功率要求下，可以大大提高传送带的传送速度，从而提高垃圾　

入口处的气体流速，增加人口处的真空吸力，达到增强系统除尘　功能的目的。由于系统摩擦力小，所需功率少，因此系统仅使用　

蓄电池提供能源即可通过液压系统驱动作业。　

３．１滚刷系统的设计与转速计算　

滚刷结构由主轴、基体、扫丝、液压马达以及与垃圾收集箱　

传递动力的传动部件组成，其结构如图３所示。为了不让垃圾尘土　向滚刷两端飞散，滚刷的扫丝必须与滚刷主轴成一定角度，扫丝　

在滚刷圆柱上呈对称的螺旋状排列，螺旋升角为１５。左右。　

图３滚捌系统设计图　

图４滚尉运动学模型　滚筒刷是清扫装置清扫作业的主要部件，它通过滚刷扫丝的　变形和回弹力将垃圾飞尘抛射到垃圾收集箱垃圾人口内完成清扫　

作业。因此，滚刷的清扫作业过程即为刷丝的变形和回弹工作过　程，其计算模型如图４所示。　

滚筒刷在其系统自身重力及液压油缸弹簧压力的共同调节　

下，其扫刷圆周与地面成一定角度　接触，　也称滚刷的接地角。　

设滚刷转速为ｎ，半径为　，清扫车作业时行驶车速为ｖ　，垃圾飞　

＿ｑＰ＿Ｍｌ￣质量为ｍ，垃圾在　点脱离毛刷时的抛射速度为　。　

由计算模型可以看出，　在水平方向的分量为　ｃｏｓ（ｆｌ／２），方　

向与车速ｖｏ方向相同，　在竖直方向的分量为ｖ￣ｓｉｎ（ｆｌ／２），方向竖直　

向上。如果将垃圾飞尘　抛射到高度为ｈ的　处时，则有　

１／２ｍ【　ｓｉｎ（ｆｌ／２）】＝ｍｇｈ　（１）　

＝ｍＲ＝２ｎｎＲ　（２）　

将（２）式代人（１）式，得　

ｎ＝０．７０５　Ｊｈ／【Ｒ　ｓｉｎ（　／２）］　（３）　

从（３）式可以看出，滚刷转速ｎ与抛射高度ｈ的平方根成正比，　

与滚刷半径　与接地角　一半的正弦值之积成反比。在抛射高度ｈ值　

一定的情况下，增加滚刷半径　可以减小滚刷转速，增大接地角　

可以减小滚刷转速。若取Ｒ＝０．２　ｍ（滚刷直￣Ｄ＝４００　ｍｍ），　：２０。，　

ｈ＝０．１５　ｍ，计算得ｎ＝７．８　ｒ／ｓ，即滚刷转速ｎ＝４６８　ｒ／ｒａｉｎ。参考国内外　

清扫车滚刷转速值，一般滚刷转速不超过６００　ｒ／ｒａｉｎ，上述计算结　果与实际值相符。　

３．２垃圾收集箱的设计与传送带传动速度计算　

垃圾收集箱内部主要是传送带及刮板机构。传送带采用正时　皮带，连接在上下两个滚轮上。传送带上粘贴有携带垃圾的刮　

板，参照风机叶片的制作原理，将刮板做成螺旋状。垃圾传送带　转速设计时既要考虑垃圾出口处的垃圾能够被顺利地抛射出去，　

又要考虑入口处的细小飞尘能够随气流一起被吸人。　在垃圾出口处，取传送带最上方滚轮处为研究对象。垃圾在　

垃圾通道内运动到传送带最上方，即刮板位于垂直方向之前，在　滚轮的驱动下，随传送带刮板一起运动；当运动到刮板位于垂直　方向后，由于箱体顶部半径突然变大，垃圾飞尘失去约束，将以　

速度ｖ作平抛运动。其计算模型如图５所示。　

图５垃圾收集箱垃圾出口计算模型　

设滚轮半径为，，旋转角速度为∞，传送带传动线速度为ｖ　刮板宽度为ｋ，垃圾出口长度为，，垃圾飞尘作平抛运动下降距离　为ｒ时所需时间为ｔ，重力加速度为ｇ　在平抛运动过程中，刮板最　

下端处的垃圾飞尘将最先到达滚轮中心高度位置，所以在研究平　抛过程计算时，只需取刮板最下端处的垃圾尘粒为对象即可。根　

据运动物体平抛运动方程，则有　

ｒ＝１／２ｇｔ　（４）　

Ｖｔ＞，＋ｋ＋／　（５）　另外，传送带线速度ｖ与滚轮旋转角速度ｇＯ的关系为　

ｖ＝∞ｒ　ｆ６１　

将（４）式和（６）式代人（５）式，得　

∞＞２－２ｌ３６　（７）　ｒ√　

将设计尺寸，＝０．０８　ｍ，ｋ＝０．０９５　ｍ，，＝０．１０　ｍ，代入（７）式，　

得∞＞２６．９　ｒ／ｓ，所以传送带传动线速度ｖ＝∞ｒ＞２．２　ｍ／ｓ。　在垃圾入口处，由于传送带和刮板的转动使人口附近的气体　

产生一定的流速，所以在垃圾和飞尘被滚刷抛射进垃圾人口的同　时，人口附近的细小飞尘也会随气流一起被吸人垃圾收集箱。现　

取垃圾收集箱最下端垃圾人口处为研究对象，其计算模型如图６所　

示。　

垃　圾　入　口　

图６垃圾收集箱垃圾入口计算模型　

设垃圾通道封口处外部压力为　，垃圾通道内部压力为尸１，　

外围大气压力为ＪＤｆ１。当第一个刮板从通道封口开始以角速度∞旋转　

时，通道内气体体积逐渐变大，此时外部气体不断地向通道内填　

充，从而导致封口处外部压力ＪＰ　减小；当第一个刮板继续旋转到　

第二个刮板即将封闭通道口时，两个刮板之间的气体体积达到最　

大值，此时外部气体停止向两个刮板之间填充，两个刮板之间的　压力与外围大气压力相等；当第二个刮板封闭通道口后，两个刮　

板之间的气体体积和质量保持不变，即垃圾通道内部的压力尸　保　

持不变。　

设垃圾通道截面积为Ｓ，传送带传动线速度为ｖ（其中ｖ等于滚　

轮旋转角速度０９与滚轮半径ｒ的乘积）；从垃圾入口处流八垃圾通道　

内气体的质量为ｍ，位移为ｘ，时间为ｔ（则有ｄｘ／ｄｔ＝ｖ）；吸人飞尘的　

最大当量直径为Ｄ，密度为Ｐ　；假设空气密度为Ｐ。，且不可压缩。　

根据流体力学动量守恒定律，微元体中流体的动量对时间的变化　率等于外界作用在该微元体上的外力之和。则有：　ＴＥＣＨＮＩＣ　ＦＯＲＵＭ，技术论坛１　２０１２／０７　

ｄ　ｖ１　ｄｍ　（８）　－ｐ，　

ｄ　。ｖ）　ｖｐｏｓ　

＝ｐ　ｖ２　

即：Ｐ：－ｐ。　。ｖ２　（９）　

由于垃圾通道内部的压力　是在两个刮板之间的气体体积达　

到最大时，外部气体停止向垃圾通道内填充时的值，所以可近似　看成与外围大气压力ＪＤ【１相等。而飞尘受到的吸力Ｆ等于气体压力差　

与飞尘的最大截面积之积。即有　Ｖ＝Ｃｏ。－ｐ　）ⅡＤ。／４＝（ｐ２－Ｐ　）　Ｄ　／４＝　。ｖ　Ｄ　／４　（１Ｏ）　

若垃圾收集箱能将垃圾人口附近细小的飞尘顺利吸人垃圾通　道，则飞尘所受的吸力应能够克服其自身的重力，ＲｐＦ＞ｍｇ。考虑　

本计算过程为近似计算，并且系统并非绝对密封系统，因此引人　

工况系数　（Ｋ＞１）来修正。则有　

ｏＶ２Ｄ２＞Ｋｍｇ＝Ｋｐ　Ｖｇ：詈　（１　

即：　Ｖ＞√２ｋｐ：￣ｇＤ／３ｐ。　（１２）　

若要求吸人飞尘的最大当量直径为０．５　ｍｍ，将Ｄ＝０．０００　５　

ＩＴＩ，空气密度Ｐ。＝１．２　ｋｇ／ｍ　（２０℃，标准大气压下），砂石密度Ｐ　

＝２．０×１０　ｋｇ／ｍ　，ｇ＝９．８Ｎ／ｋｇ，Ｋ＝２．０，代人（１２）式，得到ｖ＞３－３　

ｒｎ／ｓ。综合考虑垃圾出口和人口处计算的结果，因为出口处为Ｊｌ，＞　

２．２　ｒｎ／ｓ，人口为ｖ＞３－３　ｍ／ｓ，所以取ｖ＞３＿３　ｍ／ｓ。即当传送带传动　线速度ｖ＞３－３　ｍ／ｓ时，垃圾收集箱能够将滚筒刷抛射进来的垃圾连　

续不断地传送至后方的垃圾储运箱内，同时在垃圾人口处形成一　定流速的气流，人口附近的细小飞尘能够随气流一起流入垃圾收　

集箱；当提高传送带的传动速度时，垃圾人口处的气流流速增　

加，飞尘流向人口的速度也相应增加。　

４结语　

本文设计了一款电动清扫车的清扫作业装置，并对其主要零　部件滚筒刷和垃圾收集系统进行了分析和研究，然后建立滚筒刷