一種清掃裝置試驗平臺設計

崔華勝

（北京市環境衛生設計科學研究所，北京 100028）

北京市環境衛生設計科學研究所自2006年開始進行掃路機專業性能檢測工作，由于掃路機檢測主要在露天進行，受溫度、濕度、風力等環境因素影響較大，不利于檢測結果的準確再現，也影響檢測日程的安排。目前絕大多數的掃路機在作業時都會用到盤刷、吸盤等清掃裝置，這些清掃裝置的設計普遍使用經驗法，存在一定的盲目性，缺乏可行的試驗方法和準確的試驗數據。為解決這一問題，北京市環境衛生設計科學研究所設計建造了一套清掃裝置試驗平臺，旨在為掃路機性能檢測提供一個全天候的、具有良好再現性的試驗平臺，完善掃路機性能檢測體系、提高檢測數據可信度。

1 總體方案選擇

1.1 功能設計

為了在室內模擬實際道路清掃條件，清掃裝置試驗臺應具備如下功能：①有一套能夠實現清掃裝置-模擬路面連續相對運動且相對運動速度可調的系統，相對速度0～10 km/h，模擬路面寬度≥1.5 m，長度≥3 m；②模擬路面應具有實際瀝青路面的洞隙率；③具有布料量可調的布料機構，可以均勻布撒標準物料，模擬路面污染程度；④配備大功率吸塵系統，收集模擬路面上布撒的標準物料，用于計算布料量及掃凈率；⑤配套大風量排塵系統，將試驗中激起的塵土迅速排出；⑥配套相應的控制系統。

清掃裝置-模擬路面系統是整套試驗臺核心，直接決定了其他功能、結構方案。而模擬實際瀝青路面的洞隙率則是研究清掃裝置的基本條件。

1.2 方案比選

1） 第1種方案：建造1條平直的實際瀝青路面，并且使清掃裝置在其上往復運動。

2） 第2種方案：建造1條環形的實際瀝青路面，并且使清掃裝置在其上循環運動。

3） 第3種方案：制造1套類似履帶結構的滾動平臺，使用金屬或橡膠板塊模擬路面，清掃裝置固定。

4） 第4種方案：制造1套類似履帶結構的滾動平臺，使用與實際路面相同的瀝青板塊模擬路面，清掃裝置固定，見圖1。

方案1由于采用平直瀝青路面，所以最接近真實路面情況。但是，考慮到場地條件，試驗臺總長度必須小于15 m。因此，清掃裝置只能進行往復運動才能保證運行足夠長的距離，無法真正實現清掃裝置-模擬路面連續相對運動，因此放棄此方案。

方案2采用環型瀝青路面，既接近真實路面情況，又可以實現清掃裝置-模擬路面連續相對運動，但布料機構、吸塵系統也必須在路面上進行循環運動，整體結構將很復雜，因此放棄此方案。

方案3采用履帶式結構可以實現連續運動，而且清掃裝置、布料機構、吸塵系統等均可固定布置，結構相對簡單。同時，使用金屬或橡膠板模擬路面制作難度低，但很難準確模擬真實路面，而使用橡膠板很難承受掃刷刷絲的長期磨損，尤其是對于采用金屬刷絲的掃刷。因此最終放棄此方案。

方案4使用瀝青板塊可以較準確地模擬實際路面，耐磨，實現連續運動且清掃裝置、布料機構、吸塵系統等均可固定布置，結構相對簡單。經過研究，最終選擇了此方案。

2 履帶式滾動臺面設計

2.1 瀝青板塊設計

采用履帶式滾動臺面配合瀝青板塊模擬實際路面，其技術關鍵在于瀝青板塊的設計。其基本要求是：①由于瀝青本身較脆，直接制成板塊安裝于履帶結構上很容易在鏈輪部位因離心力過大而碎裂，所以一定要將瀝青裝在其他基底上，這種基底應保證能與瀝青緊密連接不易脫離，并且方便安裝；②瀝青板塊應盡量輕，以減少回轉時的離心力，防止整體結構出現振動；③瀝青板有效寬度為1.5 m。為了達到上述3點要求，采用了在金屬盒內填裝瀝青的方法。

為了減輕每塊瀝青板的質量，在有效長度選定的條件下，應盡量減小其厚度與寬度。在厚度方面，瀝青路面需要使用豆石，其大小有標準規定，常用的10號路面，其豆石直徑在10 mm左右，且至少要鋪設2.5倍于豆石直徑的厚度才能保證路面的緊實，因此，最終確定金屬盒深度為25 mm。在寬度方面，瀝青板過寬其質量增大，瀝青板過窄會增加縫隙數量，不利于模擬路面，綜合考慮后確定瀝青板寬度為300 mm左右。按照上述設計尺寸，每塊板質量為40 kg左右。

由于金屬盒既薄且窄，為了保證其強度及剛度，選擇使用3 mm冷軋鋼板制作。兩側沿使用折彎機直接彎制，兩端焊接封邊，并各加4個加強筋，確保安裝位置強度。盒體內加2道縱向加強筋，提高盒體剛度。

為保證瀝青與盒體連接緊密不脫落，在盒體內還需設置若干倒鉤，提高瀝青與盒體的結合力。

實際制作的瀝青板如圖2所示。經過試驗其強度、剛度、結合度均滿足使用要求。

2.2 滾動臺面主體結構設計

滾動臺面總體采用履帶式結構，通過鏈輪鏈條機構帶動瀝青板運動，其基本設計要求為：①臺面運動平穩順暢，其速度應在0～10 km/h范圍內可調；②臺面上表面必須平直，有效長度為3 m；③驅動電機具有足夠的功率；④鏈條設置有張緊措施；⑤預留清掃裝置安裝位置。

2.2.1 鏈條鏈輪選擇

本試驗臺使用鏈輪鏈條驅動的履帶式結構。為使臺面上表面平直，瀝青板下應加支撐。為使臺面運動能平穩順暢，支撐面最好為滾動摩擦。經過考察，選擇了雙節距輸送鏈作為驅動鏈條。此種鏈條的優點是可以加裝大滾子作為承重支撐，適于大負載條件。此外，這種雙節距輸送鏈有多種附件可供選擇，可加裝側彎板，方便瀝青板與鏈條的連接。為了避免鏈條上安裝瀝青板后出現側翻，同時也為了使瀝青板與鏈條連接緊密，選擇了兩側都帶有彎板且每側彎板上具有2個安裝孔的輸送鏈。

雙節距輸送鏈最主要的參數是節距，節距大則承載能力強，但是相應的質量會增加。同時，為了使回轉過程平穩，鏈輪齒數應盡量多，但是同等齒數條件下節距越大鏈輪直徑越大。鏈輪直徑增大，在同等線速度下其轉速降低，可以減少回轉過程的離心力，降低整體結構振動。另外，鏈輪直徑過大將使整個結構高度增加，不利于清掃裝置試驗臺其他配套機構、裝置的操作，實驗室建筑條件也不允許。因此，最終確定鏈條節距為50.8 mm，鏈輪齒數為32，鏈輪節圓直徑為518.3 mm。每6節鏈節安裝1塊瀝青板，瀝青板間留一定間隙，保證瀝青板可以順暢回轉，使用較軟的密封條封閉這些間隙。最終確定瀝青板寬度為302 mm。使用2根鏈條及導軌支撐瀝青板。

為了支撐鏈條，其下部應設置導軌。選擇標準輕軌作為鏈條支撐，為提高瀝青板中間部分剛度，在其下添加1條聚四氟乙烯支撐軌。

鏈條應進行張緊，考慮到瀝青板質量較大，其自重即可起到一定的張緊作用。同時，還在鏈輪軸支撐處設置張緊力調整裝置，見圖3。

2.2.2 減速機選取

瀝青板線速度為0～10 km/h，其線速度v最高為10 km/h，即2.8 m/s，鏈輪節圓直徑d為518.3 mm，則鏈輪輸入轉速為：

每塊瀝青板質量約為40 kg，取其質量為50 kg，鋼-鋼滾動摩擦因數u約為0.21，瀝青板有效距離為3 m，即同時有10塊瀝青板在支撐導軌上運動，則總摩擦力F1為：

扭矩M1為：

瀝青板最大運動速度v為2.8 m/s，則所需電機功率P1為：

聚四氟乙烯-鋼的滑動摩擦因數為0.05，按照最極端條件即所有質量全部壓在該支撐上計算，其摩擦力F2為：

扭矩M2為：

此外，由于要安裝清掃裝置，以盤刷為例，根據以往掃路機設計經驗，盤刷直徑最大為600 mm，轉速為300 r/min時，消耗功率P3不大于250 W，則盤刷摩擦力扭矩M3為：

其他清掃裝置產生的摩擦力均不會大于盤刷。

綜合上述3項，電機所需總功率P’為：

鏈傳動效率約為0.92，所以減速機須提供的最小功率P為：

選用標準K系列減速機，為保證減速機能夠提供足夠的功率及扭矩，同時也為了能有必要的儲備功率，便于未來實現對多種清掃裝置協作作業的性能研究與檢測，選擇7.5 kW減速機，減速比13.52，輸出轉速106 r/min，輸出扭矩675 N·m，臥式安裝形式，配套變頻器實現調速。

2.2.3 鏈輪軸設計

根據減速機選擇計算可知，鏈輪傳遞扭矩為455.5 N·m，則鏈輪軸最小直徑D為：

本設計中所有軸頸最小直徑為56 mm，滿足條件。

鏈輪安裝于鏈輪軸兩端，為了盡量減輕鏈輪軸質量，也為了加工方便，鏈輪軸采用組合焊接形式，即中間段使用無縫鋼管，兩端焊接軸頭。

2.2.4 框架結構設計

框架結構用于安裝導軌、鏈條、鏈輪軸、鏈輪以及減速機，支撐瀝青板質量，同時還需預留清掃裝置安裝位置，并且便于操作人員上下。同時，框架結構還需有足夠的質量，以減輕試驗臺運轉時產生的振動。框架使用140 mm方管制做。

2.3 履帶式滾動臺面最終總體結構

最終履帶式滾動臺面總體結構見圖4。

3 掃刷安裝部分設計

掃刷安裝部分是本清掃裝置試驗臺重要組成部分，所安裝掃刷主要為盤刷，需要實現的功能：①可帶動盤刷轉動，且轉速可調，根據掃路機設計經驗，盤刷轉速不高于100 r/min，即其調速范圍是0～100 r/min。②可測量盤刷工作時的扭矩、轉速、功率。③盤刷工作角度可調，下壓量可調。

由上述計算可知，盤刷驅動電機功率應大于250 W，扭矩大于7.96 N·m。為了節約空間，減小掃刷驅動部分體積，選擇擺線針輪減速機。為保證減速機能夠提供足夠的功率及扭矩，同時也為了能有必要的儲備功率，便于未來安裝其他清掃裝置，選擇減速機功率為550 W，輸出轉速155 r/min，立式安裝，配套變頻器實現調速。

為了測量盤刷工作時的扭矩、轉速、功率，必須在減速電機與盤刷之間接入動態扭矩傳感器，實現動態扭矩、轉速、功率測量。

盤刷工作時有2個可調角度，分別為平行于地面運動方向的俯仰角和垂直于地面運動方向的擺動角。為實現這2個角度可調，采用了如圖5所示的機構，這種機構簡單、鎖緊可靠，經過驗證效果良好。

為實現下壓量可調，同時為了減少加工量，使用了已有的臺鉆立柱及其高度調整機構。

4 試運行結果與結論

清掃裝置試驗臺最終實物如圖6所示。

經過試驗，清掃裝置試驗臺滾動臺面運行平穩，無振動，噪音小，速度調節方便，能承受較大載荷，模擬路面效果良好。掃刷安裝部分安裝掃刷方便，運轉穩定有力，工作角度及下壓力調節方便，能夠較準確測量盤刷工作扭矩、轉速、功率。

試驗證明，清掃裝置試驗臺滾動臺面及掃刷安裝部分設計合理，運轉可靠，滿足清掃裝置作業性能研究與檢測的要求。