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手推扫地机的设计研究
2014-09-13 来源:
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1 绪论

    随着我国经济的快速发展和城市对环境卫生质量要求的不断提高,各地环卫部门加快了提高城市道路清扫作业机械化程度的步伐。我国扫地机行业历经数十年的发展,产品从单一的纯扫式发展到目前的多种型式,产品性能和产品质量迅速提高,特别是在改革开放以后,通过进口关键外购件使扫路车产品性能和可靠性大大提高。但目前我国扫路车的水平与国外发达国家相比,还存在一定的差距,特别是在产品的可靠性方面。为尽快提高我国扫路车的水平,缩小与先进国家扫路车水平的差距,满足我国环卫部门对路面清扫作业的要求,扫路车生产企业应选择一个合适的扫路车研究方向。随着社会的发展、进步,不再满足于单纯意义上的吸尘车,将从多功能、环保、经济等方面提出更多的要求,市场呼唤能满足各种需求的吸尘车。为适应市场需求,近年来,国内众多环卫车辆研发机构、生产厂家在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,加快了扫路车的自主研发和生产,推出了一大批各具特色、性能优良、符合中国国情的扫路车。随着机电液一体化技术、数字化信息技术和自动控制技术的大量采用,我国扫路车的设计和制造水平与发达国家的差距在逐步缩小。

    1.1背景

    本项目的垃圾扫地机拟将意大利进口的DULEVO200QUATTRO车作为蓝本进行设计制造。如图1.1。

    意大利DULEVO道路宝扫地机工厂,系全球为数不多的专业生产扫地机之著名企业,特别在重工业型扫地机领域,其产品科技含量更是遥遥领先于其它工厂。其产品采用全液压驱动系统,防尘防水耐低温、高温,在极其恶劣的环境下,仍能正常工作。

    Dulevo在雅典政府的一项竞标中脱颖而出,向奥运会提供十三台扫路机。瑞士制造商Bucher也赢得了一项竞标,将另外提供九台设备。希腊的主要环境特点是多尘和缺水,而Dulevo的设备特别适用于此类环境。在中国,Dulevo产品在首都天安门广场、北海舰队、神华集团均有突出表现!

    1975年创立以来,在清扫设备及机械的设计、制造方面已经巩固了它的世界领导地位。获得国际组织DNV-DetNorskeVeritas的专业认证,它还是重要的清扫设备生产商协会Afidamp的成员及国际卫生提供协会ISSA的成员。所有的机型中均使用超细过滤系统(小到三微米)。

    国内相近扫地机调研:

    1.FJ5051TSL道路扫地机(SHZ22型单发动机全液压驱动扫路机)(2001年《专用汽车》)

    这款外观精巧漂亮的扫路车是由龙马专用车辆制造有限公司自主开发的精品这款车同来自德国的凯驰ICCI型垃圾扫地机驾驶室外形极为相似采用全景式驾驶室设计宽大的风挡和全景式车门可以让操作者获得开阔的视野对道路及作业情况一目了然驾驶室密封良好室内空间宽敞各种布置简洁明快操纵控制装置布置合理操作方便FJ5051TSL道路扫地机具有很强的清扫能力可随意清扫道路

    两侧和死角并有扫刷避障和调节地距功能清扫刷(盘刷)前置由液压系统驱动最大清扫宽度为2400mm同前种道路扫地机相比这款道路扫地机最大的特点是只有一个发动机没有专门用来驱动风机的副发动机发动机是道路扫地机的动力源启动后带动变量泵双联泵通过液压系统传递动力实现清扫作业系统风机工作系统行走系统转向系统及其他系统各项作业是名副其实的全液压驱动得益于只有1台发动机的优点使得该车结构更加紧凑并具有了低油耗低噪声低排放的良好的环保性能这款车的另一个亮点是采用微电脑控制自动化程度更高。这款车采用无级变速技术可以极低速稳定行驶平稳作业最小离地间隙170mm通过性能优于德国凯驰ICCI型垃圾扫地机(140mm)该车最高车速低于40km/h适于城市道路高架桥机场码头等路面的清扫保洁作业。

    经过调研,现在龙马专用车辆制造有限公司在产的产品没有这款扫地机,全部是双发动机形式的扫地机。

    2.扬州盛达特种车有限公司

    该车采用专用底盘,由单台发动机驱动整机的各个动力装置,协调了整车运行与清扫作业的匹配。选用静液压行走驱动系统,无级变速,适合扫路车低速工况的要求。驾驶室视野开阔,座椅前后位置可调、靠背角度可调。驾驶室有空调,可全天候进行清扫作业。采用不锈钢垃圾箱,垃圾箱举升五十度,自动卸料高度为1.3m,方便垃圾的倾卸的转运。风机具有噪音低、耗能少、体积小、静压高、自洁能力好等优点。对叶片、蜗壳等易损件进行加强处理,增加其耐磨寿命。清扫工作装置,电控调节扫丝与地面的压力,减少扫丝材料磨损,延长使用寿命,同时还能电控调节扫盘的清扫宽度,使扫盘起到机械手的作用,把外边的垃圾扫进吸口处。扫盘具有防撞、避让功能。吸口前端部位安装翻板机构,遇到大体积垃圾时,可通过控制杆手动把前端弹性胶皮翘起,吸入垃圾。液压系统:清扫部分采用三套液压回路,工作可靠,方便安装及维修。电器系统:采用现代电子集成电路,操作方便,易于布置,实现了机电液一体化。
经过调研该厂生产的扫地机整车需要定作,使用的是五十铃的发动机,价格大概在30万左右。底盘由自己设计、生产,驱动桥为液压驱动,由该厂自行设计制造。

   

    电动驾驶式扫地机MN-XS-1850新款

    统一报价:9.8万元

    产品特点:

    ●加大底盘设计,内置强力控尘系统,吸尘能力更强,扫地宽度可达1850mm。
    ●采用先进的高性能免维护电池,不漏液,不产生有害气体。
    ●拥有国际先进的清扫抛甩技术,尘箱利用率理论值可达100%。
    ●可靠的高品质零部件,有效降低维护和维修成本。
    ●加大实心轮胎(直径400mm),机场专用,坚固耐用。
    ●优质电控系统,过流、欠压保护,更安全。

    

序号
项目名称
单位
MN-XS-1850
1
清扫宽度
mm
1850
2
工作效率
m2/h
13000
3
爬坡能力
%
25
4
主刷长度
mm
800
5
动力源
v
48(8只电瓶)
6
连续工作时间
h
6-8
7
垃圾箱容量
L
180
8
边刷直径
mm
500
9
驱动功率(电机)
w
1800
10
转弯半径
mm
1150
11
  
mm
2000*1850*2040
12
最大工作速度
km/h
7
13
最大行驶速度
km/h
9.8
14
过滤面积
m2
5
15
  
kg
850

    1、采用大容量、高性能免维修蓄电池组。

    2、刷把自动控制升降,更智能。

    3、超大容量垃圾箱。

    目前,在一些大、小城市的街巷里垃圾成堆,如果使用人力来清扫,那将需要大量的人力资源。通常进口车体积庞大、结构复杂、造价高昂,从环保节能的角度,设计如下:

    01、扫地机概述

    随着经济的发展和社会进步,人们对生存质量的要求愈来愈高,交通便捷也越来越成为社会发展的迫切要求,高等级公路以空前的速度发展,道路的清扫和保洁也越来越受到有关部门的重视,多年来形成的人工清扫的格局显然已不适应我国高等级公路发展的客观要求,人工清扫粉尘飞扬,严重影响清洁工人的身体健康,也不可避免的造成环境的二次污染:公路车辆的高速行驶对清洁工人的生命安全造成潜在威胁,马路扫地机只能清扫主要街道,而人行道和非机动车道只能由保洁工来完成,这样既浪费物力也浪费人力,这就要求我们必须迅速发展一个既环保又节能的小型道路扫地机,使人们生活在洁净健康的环境中,这也是人类二十一世纪高品质生活的必然要求。因此研究适合于人行道和非机动车道的小型电动扫地机对我国扫地机概况和开发机型有着十分重要的意义!

    目前,在一些大、小城市的街巷里垃圾成堆,如果使用人力来清扫,那将需要大量的人力资源。通常进口车体积庞大、结构复杂、造价高昂。例如,国产中小型扫地机通常每部价格在40万元左右,一些进口真空机每部价格高达700万元以上,而且每月还要支付高昂的维修费和保养费。这些进口机只适用于路面较为平坦宽广的道路,而无法清扫小巷。当今全国各地的小巷中均为人工清扫没,人工清扫的方式也有着种种不足。例如,安全隐患问题、杨晨污染问题、费时费力等。所以,综合以上的利弊,我们决定利用电瓶作为驱动力源,设计出完整的既对环境无污染又可以节省劳动力的小型自动扫地机。电瓶(蓄电池)驱动的车就是我们常说的“电动车”,顾名思义,以蓄电池能源,电动机为牵引,根据蓄电池容量可大可小。电动车可用可控硅调速,比传统的机械调速运行更稳定且没有噪音等优点。

    作品内容简介

    针对目前环卫、保洁人员劳动强度大,效率低下,工作时间长等问题,而目前市场上没有出现比较成熟、实用的适合环卫工人使用的产品,我们设计了一种实用、简便的XX扫地机。该扫地机可以对路面,广场等较平坦的场地进行快速,高效的清扫,而且不需要其它动力,具有较强的适应性。我们在车上设计一个多排吸孔的滚筒配合一个大半个圆的弧形铲子可以将垃圾迅速扫起,只需扫地机前进这一个动作即可实现对地面垃圾的收集清扫工作。垃圾车上还设计有连杆机构可实现调节前面万向轮的高度同时控制离合器离合滚筒两个动作,可以使扫地机在不清扫时使滚筒离地的同时和链轮离合,这样方便使用者在不用的时候轻松移动扫地机。车轮上还有棘轮配合上万向轮的调高,可随意的后退而不带到垃圾,实现多次清扫。而在垃圾特别多的时候,车上的压缩装置可以增加扫地机的装载量,进行更持久的清扫。

    研制背景及意义

    在对城市环卫工人的调查中我们了解到,他们工作的效率低、时间长、劳动强度大,他们一般每人负责5000米左右的街道,5点开始清扫,一直到8点,完成第一次清扫,上午和下午分别留半数负责日常维护,城市的美丽和清洁是建立在他们每天辛勤劳动的基础上的。而现在的工人还在使用着最基本的工具——扫帚和簸箕,使得工作效率不高,因而每天要工作很长时间,长时间的高强度工作是环卫工人易患腰椎间盘突出,关节炎等职业病。

    当然国家也开始引进一些国外的清洁设备来提高环卫工人的工作效率,市场上已有的进口设备,大多采用的是内燃机带动的真空泵来“吸取”垃圾,这种方法效率虽然很高,但是设备较大,需要额外的牵引力,并且化石燃料的使用,既提高了成本,又污染环境,不符合当前社会的发展趋势。

所以,开发出一种高效,简单,廉价的清扫机械以降低“城市美容师”的劳动强度,就是一件十分必要的事。由于市场上的相关产品不完善,而城市清洁中也确实需求此类产品,可以预见其市场前景广阔。

2 设计任务书

    2.1设计简介及原理

    本作品是针对环卫工人及保洁人员设计的一种高效,实用的垃圾清扫工具,使用者推动小车就可以将地面上的垃圾收集到车中。具体功能模块如下。

    动力模块:扫地机中部靠近重心位置有2个主轮,其中装有链轮的右轮,作为动力输出带动滚筒。

    清扫模块:车底装有带吸孔的滚筒,配合一段圆弧形挡板将垃圾卷进垃圾箱内,在挡板与地面接触的地方装有硬吸孔,以保证清扫效果。

    升降模块:扫地机的万向轮装在平行四边形杆组上,以保证在调节万向轮高度时万向轮始终水平,通过调节万向轮的高度使滚筒和地面脱离接触。

    离合模块:采用齿式离合器,取较大的齿数,齿端面倒成尖角,这样结合起来非常容易。

    压缩模块:采用曲柄摇杆机构实现垃圾的压缩。

   

    2.2 设计要求

    1、运行速度:人平均行走的速度ν=0.8m/s,主轮的直径是d=0.2m,主轮的转速为n=ν/(πd)=    1.27转/s就是76.4转每分钟,滚筒在200转每分钟时可以取得较好的效果,则需要传动比为i=76.4:200=1

    2、车体尺寸:0.8×0.75×0.5米,整车的容积有90L,既可以满足实际需要又使得整车比较紧凑。

    3、处理垃圾:树叶:厚度纸张:平均厚度0.2mm;包装袋:厚度0.2—2mm;烟头:直径8mm,长度30mm;水果皮:厚度1—20mm;一些小的杂物:体积约为1cm³;一般的路边垃圾重量不会超过100g;

    2.3设计内容

   (1)根据任务要求,进行扫地机的总体机构设计,确定各个功能的实现机构。确定多功能模块的接口。

   (2)根据相关参数和和设计要求,进行各部分的设计,使得扫地机的清扫效果能达到要求,整体操作人性化。

   (3)进行传动机构的工作能力的设计计算,进行工作部件的强度校核,确定传动部件以及各个零件的尺寸与材料。

   (4)对扫地机整体进行结构设计,绘制装配图及关键零件的工作图。

   (5)绘制扫地机的实体三维模型,实现动画动作

3 方案设计

    3.1 清扫的方案设计

    我们采用滚筒来实现我们的功能主体,主要原因是滚筒的清扫效果好、效率高、结构相对简单,安装也十分方便,再配合链轮的动力传输,所以运行稳定可靠。

   

    人推车前进,车轮带动滚筒转动,同时空气压缩机将垃圾吸住,由滚筒卷入垃圾箱,如图。

   

    在吸孔高度的选择上,应为考虑到垃圾的相关参数,我们选择吸孔高度为5cm,与地面干涉是2.5个cm这样会有较大的压力,产生较大的吸附力确保能将垃圾扫起。

    在滚筒圆周上均分这10排吸孔,在滚筒转动时这些吸孔将交替的进行清扫保证清扫质量。10排吸孔是分别安装的,吸孔基底为梯形长条,装在圆筒的梯形槽内,保证不会在工作中出现松动现象,这样的安装也给吸孔的更换带来很大的方便。

    3.2 动力的方案设计

    考虑到节能环保及简便性,选择推动车前进时转动的车轮作为动力源;考虑到传输的可靠性和安装的方便性,我们使用链轮传动。由于扫地机后退时滚筒是不工作的,所以在车轮中心装有棘轮,使它只能单向传动,这样更加符合实际需求。

    向前推车,转动的车轮通过链轮及链条带动滚筒转桶。车向后运动时,由于棘轮的单向传动特性,车轮链轮不转动,因而滚筒不转动。

   

    3.3 压缩的方案设计

    由于垃圾车的容量是有限的,考虑到有些情况下垃圾较多,而垃圾又是很松散的,这就需要压缩,使扫地机可以连续清扫更大的范围。并且该装置能防止垃圾在入口处堆积。
我们设计了一个曲柄摇杆机构来实现压缩功能。将压垃圾的挡板与连杆相连。这样可以使压缩时挡板按下面的轨迹运动,将下部的垃圾推走。当需要压缩时就只需将手柄转动一圈,垃圾压缩的过程就实现了。

  

    3.4 升降的方案设计

    当扫地机不清扫而又需要将扫地机移动时,就要求使滚筒与地面脱离。很自然的,我们首先想到是让滚筒相对于车体向上运动,但这样会大大增加链传动及滚筒自身机构的复杂程度,且整体的稳定性也将大打折扣。
使滚筒升高还可选择变化轮子的位置,由于滚筒和万向轮相距较近,而且移动主轮会使动力的稳定性降低,所以我们选择万向轮的升降来调节滚筒的高度。

    抬升方法可以选择万向轮与有一个有固定轴的杆相连,转动杆就可以将万向轮抬高,但是这样的话不能保证万向轮总是水平的,在转过一定角度后,万向轮与水平线成一个角度,影响其工作。

    于是我们采用平行四边形四杆机构,在调整万向轮高度的过程中可保持其水平。

   

    3.5 离合的方案设计

    在扫地机不清扫时,为了让使用者能够轻松推动它,除了让滚筒离地外,还应该让其停止转动,于是考虑到用离合装置。

    (1)牙嵌式离合器

    牙嵌式离合器结构简单,安装方便,承载力较大,从功能上讲基本上可以满足使用要求。离合器的活动端与固定端自然对正的几率非常小,操纵时需要反复调整,很不方便。而且牙嵌式离合器工作行程长,使得链轮与轴承的距离较远,所以会产生较大的弯矩。

    (2)电磁离合器

    由于考虑到实用性,用电磁式还要求有电源,蓄电池需要经常充电很不方便,电磁离合器安装精度要求很高,尤其是活动端和固定端同轴度要求非常高,对加工和装配都提出了很高的要求。

    (3)齿式离合器

    齿式离合器与牙签式离合器比较相似,不同的是齿式离合器的齿数可以根据情况自己设计,可以取较多齿数。齿式离合器承载能力很大,根据我们的使用要求,可以取较小的模数和较多的齿数,齿端面倒成尖角,这样以来结合起来非常容易,操纵时不需要太多的调整。

    综合分析比较,我们最终选择了齿式离合器,其结构紧凑,体积小,重量轻,操纵方便,安全可靠。

    因为我们控制离合的距离较远,就需要用钢丝绳来控制,而钢丝绳只能够提供拉力,所以我们用一根弹簧提供离合器的回复力。如图,滚筒需要工作时,离合器受弹簧压力而啮合,车轮的转动传给链轮,继而使滚筒转动。滚筒不需要工作时,掰动手柄,则钢丝绳使离合器分离,只需将手柄卡在此位置,则车运动时能保持滚筒不转动。

   

    如图掰动手柄,万向轮相对车体向下运动,即车体被抬升,滚筒离地。同时钢丝绳使离合器分离,滚筒停止转动。

    3.6 空气压缩机与车轮之间动力传输

    空气压缩机与滚筒之间由耐磨橡胶密封,空气压缩机内部有单向阀和安全压力阀构成,以提供足够的吸力和保护气缸内的压强不至于过高。

    气体压缩机的动力来源依靠与滚筒齿轮的啮合来提供:

    3.7 操作的方案设计

    3.7.1清扫

    小车的主要功能就是清扫垃圾,如图,小车在工作时将控制手柄置入工作档,此时滚筒与地面接触,人推小车前进主轮带动滚筒做快速旋转将垃圾扫入车内,达到清扫的目的。

    考虑到一些特殊的情况,有些地方难以完全清扫干净,我们在车的后面设置有一工具箱,可以处理一些特殊的情况。这样使小车的适应性也更广,方便操作者。

    3.7.2 移动

    当小车需要移动时,这时不需要清扫,需要将滚筒离地并且使它停止旋转,这样使小车能够轻松的移动,如图所示,当操作者将控制手柄置离合档时,离合器离合时滚筒不再旋转,而且万向轮也立起使滚筒离地,这样操作者就能十分轻松的移动小车了。

   

    4 各部分参数设计

    4.1 整车尺寸

    整车的尺寸我们参照了相关的垃圾小车,并且考虑到清扫的实际需要,车体我们设置为,长×宽×高:0.8×0.75×0.5米,这样整车的容积有90L既可以满足实际需要又使得整车比较紧凑。车前部设计成有倾角,方便垃圾的倾倒,而且还使小车更加美观。

    因车的重心在车的中部,我们将主轮放在此位置,使的车主要的重力落在主轮上,一方面可以增加车轮的摩擦力,防止车轮打滑。另一方面可以使万向轮上的受力很小,这样万向轮的升降就容易得多。万向轮升降使得滚筒离地有5cm,保证车行走的一般的路面上不会碰到地面。

    4.2 动力部分的参数

    人平均行走的速度是ν=0.8m/s

   主轮的直径是d=0.2m

   这样主轮的转速为n=ν/(πd)= 1.27转/s就是76.4转每分钟

    滚筒在200转每分钟时可以取得较好的效果

    则需要传动比为i=76.4:200=1:2.6

    4.3 主要部件(主轴)强度校核:

   

   

        弯矩最大值M,和扭矩最大值T都出现在链轮所在截面,此截面为危险截面,取此截面直径d=20mm.链轮半径R=100mm,所收拉力F2不大于100N,现取F2=100,据此有M<100x0.3=30Nm,T=F2xR=10Nm

   

    得σ=39.528Mpa,小于45号钢的许用应力[σ]=60Mpa.

5 创新点及其应用前景

    通过我们的调查,国内还没有厂家生产同类产品,而与国外的类似的产品的比较,我们的作品有如下独特之处:

    (1)扫地机的独特滚筒设计能够快速、高效得将地面上的垃圾扫起。

    (2)利用车轮带动滚筒转动实现清扫功能,从而摆脱了电池,发动机等装备的限制,能更好的适应国内市场的需求。

    (3)利用平行四边形四杆机构来调节万向轮的位置,从而达到滚筒离地的目的,简单、实用、巧妙。

    (4)一个动作实现滚筒离地及停转的目的,从而轻松实现扫地机正常清扫和小阻尼运动两种状态的切换。

    (5)曲柄摇杆四杆机构实现的压缩功能能够很好的解决垃圾的压缩问题,让垃圾车能够更有效的利用有限的容积。
 

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