一種集洗掃拖于一體的新型輕便垃圾清掃車＊

張爭艷 胡吉全 陳定方 李濤濤 陸寧洲

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 前 言

大學生集體宿舍、旅游景點（公園等）、居民小區、公共場所等大量人們聚集的地方，會產生大量的各色各樣的垃圾，垃圾清掃工作仍停留在人工清掃、使用傳統的掃把、拖把等人力工具的層面上，清掃工具沒有實現自動化，使得工作效率低，人力資源浪費，工作強度大，長期人力接觸大量的垃圾對清潔人員的精神也形成了巨大的挑戰.工具不能自動化、作業強度大、效率低，給人們的旅游、生活帶來嚴重的影響［1－2］.

目前市場上清掃機械的品種很多，但功能單一，不能夠清除所有垃圾雜物，有的甚至連基本垃圾都不能進行很好的清掃.部分抽氣型清掃機使所謂氣體在清掃機械內形成空氣對流，但實際上對渾濁空氣沒有進行廢氣處理，對環境形成了二次污染.

針對上述問題，設計出一種可進行自動掃地、拖地的清掃機.該道路清掃機采用創新機構，具有結構簡單、成本低廉、維修方便、持續工作能力強、清掃效率高、低噪聲作業等特點，是無污染的綠色環保機械.

1 整機機構設計

本清掃機主要由掃地機構、拖地機構、翻斗機構組成.其中掃地機構與翻斗機構由電機提供回轉動力輸入，協調運作，用機械模仿人工掃地時的動作過程，實現對垃圾的清掃與臨時存貯.拖地機構應用多滾筒帶傳動的方式對地面進行水拖，車前進時，依靠拖布與地面間的摩擦力被動傳動來實現清潔.整個車體既能依靠人力推動前進，也可以實現自動前進.圖1為清掃車的整體外觀各向視圖.

圖1 掃拖車整體外觀

1.1 掃地機構

該機構的組成部件見圖2a）.掃地機構的原理為演化的平面四連桿機構，見圖2b）.其中連桿上端點軌跡中一段為近似直線，此階段為掃把的清掃階段.原動件為大齒輪，由電機對其直接輸入動力.

圖2 掃地機構設計

1.2 翻斗機構

翻斗機構結構示意圖見圖3b），圓盤與導軌組成間歇機構，間歇行程占圓盤轉動的1／2周期，在另一T／2的工作周期內，該裝置可看作正弦機構與滑塊搖塊機構的串聯.其中圓盤軸線與轉動滑塊軸線位置與機架固定，半圓導軌由于收到機架的約束只能進行上下往復運動.

圖3 翻斗機構設計

1.3 拖地機構

組成部件為水箱、6個滾筒和拖布，見圖4.清洗面與地面接觸由摩擦力帶動進行傳動.水箱內可裝設濾網、清潔刷等對拖布進行清洗.

1.4 其他輔助裝置

1.4.1 垃圾箱 垃圾箱（見圖5）位于車體中部，可以橫向抽出，進行傾倒，轉置垃圾.

圖4 拖地機構外觀圖及平面原理圖

圖5 垃圾箱示意圖

1.4.2 斜坡，擋板 車頭有斜坡擋板裝置（見圖6），斜坡背面與翻斗前沿緊密接觸，保證能夠將垃圾順利地從斜坡掃入翻斗.斜坡的前面具有一定傾角，彈性貼地，在掃把清掃間期，能推動垃圾隨車前進，防止在翻斗上翻期間有垃圾遺漏的現象發生.斜坡兩側的擋板的距離可調，作用是適應不同寬度路面的清掃，實現對路面上的垃圾聚攏，提高清潔效率.另外，整車采用單側動力傳動，通過合理調節右擋板的位置，可使其貼墻作業，能夠實現對緊貼墻邊的垃圾的清掃.

圖6 斜坡，擋板示意圖

2 多機構協調運作的工作原理

2.1 整機多機構協調工作

圓盤與齒輪同軸，轉動比為1∶1.圖3a）所示位置為單周期周期的起點，0～T／2周期內，圓盤與半圓導軌無相互作用，翻斗靜止不動，掃把在此期間完成近似直線運動的掃地動作（掃地動作用時小于T／2）.T／2至3T／4時間內，圓盤滾子與半圓導軌作用，翻斗軸上升，在搖塊作用下翻轉，將垃圾傾倒入垃圾箱.3T／4至T內，翻斗的運動可看作T／2至3T／4時間內運動的逆運動.在周期末T時刻掃把復位至起始處.此后重復上述運動.整機工作流程圖見圖7.

2.2 清掃垃圾工作工程

圖7 整機工作流程圖

如圖8所示，齒輪3在小功率電機的帶動下繞齒輪中心軸6做旋轉運動，齒輪3和電機中間連接有微型的減速機，以降低齒輪3的旋轉速度，旋轉的齒輪3通過端面的定位銷5將運動傳遞給清掃連桿7，清掃連桿7的運動迫使回轉支撐桿2繞鉸接點作擺動，如此，清掃連桿7會在回轉支撐桿2的配合下以一定的規律運動，通過合理的結構設計使其最前端安裝的掃把1的運動軌跡在某一時間段近乎直線，在該時間段，掃把1貼近地面進行垃圾的清掃工作，此過程，垃圾匯攏U形擋板8將掃把1清掃到的垃圾逐漸匯攏，防止垃圾的外溢.而在齒輪旋轉1周的其他時間內，掃把1的軌跡呈現弧線，完成離地抬升然后再前伸落地動作，此時間段，掃把1完成離地提升過程，與此同時，接收垃圾并翻車傾倒垃圾模塊恰好完成翻車傾倒垃圾作業，與上述過程的清掃作業完美的配合.

2.3 接收垃圾并翻車傾倒垃圾工作過程

如圖8所示，圓盤11和齒輪3并列靠近連接在同一根軸上，并做同步旋轉運動，圓盤定位銷9固定在圓盤11上，隨圓盤一起旋轉，當圓盤定位銷9旋轉到下半周時，此時其軌跡與半圓弧槽連桿12上的半圓弧吻合，半圓弧槽連桿12靜止不動，當旋轉到上半周時，帶動半圓弧槽連桿12在水平面滑桿10和垂直面滑桿13上運動，此時，翻斗15受到半圓弧槽連桿12向上的作用力，并在其頂部圓筒活動鉸鏈14的約束下進行翻車作業.

圖8 整機CAD總裝圖

3 基于Solidworks與3Dmax的工作過程仿真

3.1 整機模型的建立

產品的總體設計過程主要包含總體方案設計、性能優化與仿真、結構特征建模、分析評價四個部分［3］.因此，完成整機機構設計后有必要對其進行仿真分析，以便優化分析設計結果.

在三維建模軟件Solidworks中建立掃地機構、翻車機構、拖地機構等各個組成部分三維模型，并進行整機的虛擬裝配完成整機虛擬樣機.虛擬裝配前可以考慮2種方案：直接插入零件完成整個裝配過程、先完成需要的子裝配體，插入子裝配體完成整個裝配.選用方案時因人而異，裝配前考慮方案的優化對裝配完成后的后期工作有很好的幫助.

3.2 工作過程仿真結果

利用三維CAD軟件，不僅可以生成形體逼真的機械零部件造型，還可以利用其豐富的二次開發手段實現按照一定規律變化實體的參數化建模［4］.

將建立的虛擬樣機導入3Dmax中進行工作工程仿真；Solidworks軟件與3Dmax軟件有很好的數據傳送接口，Solidworks文件可以保存為IGES格式（不出現中文名和路徑）、STL格式、VRML格式等，其中，以VRML格式導入可以得到很好的結果.在3Dmax中設置部件之間的聯動關系、關鍵幀、仿真時間等，即可進行機構的運動仿真［5］.本作品在樓道環境下基于Solidworks與3Dmax的仿真結果如圖9所示.圖中展示了從發現垃圾到逐漸清掃直至完全清掃的全過程.

圖9 整機工作仿真結果

4 結束語

通過對整機的建模、仿真分析、樣機試制等工作，可以得出該新型掃拖推車具有以下優點：

1）機械化、自動化程度、工作效率高.針對四桿機構的混合驅動特點，結合機器控制技術和方法，實現機器在工作時的機械化、自動化.

2）操作簡單，應用范圍廣.按下電動機按扭，機器便可進行自動清掃，自動實現垃圾向大的垃圾箱轉移；拖地裝置全自動拖地、洗抹布，省時省事.此機器體積小，質量輕，運作靈巧，適用于小區、學校宿舍過道、廣場等人流較大、人工維持環境較難的公共場所.

3）成本低廉，使用壽命長.保證使用壽命的前提下，采用塑料材料制作，成本明顯降低，能滿足更為廣泛的消費人群.

［1］Editor.中國高校在校生人數超2700萬［EB／OL］.［2009－05－11］http：／／www.gg－px.com／n.aspx／id＝15684.

［2］梅州電臺.公共場所亂丟垃圾現象嚴重，呼吁市民養成文 明 習 慣 ［EB／OL］.［2009－07－23］http：／／www.gdmztv.com／radio／dtxw／2009－07－29／1248849717d－11220.html.

［3］張爭艷，陳定方，劉 李.基于特征建模技術的雙級減速箱的虛擬設計［J］.湖北工業大學學報，2008（3）：46－48.

［4］魏國前，陳定方，羅會信，等.基于三維CAD的轉爐傾動力矩計算與仿真［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（3）：537－540.

［5］騰龍視覺設計工作室.3Dmax7中文版動畫技術案例精解［M］.北京：科學出版社，2005.