小型垃圾清掃車的結構設計與分析

雷曉鈞 張 輝

(嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

隨著自動化設備的不斷發展，自動化清掃車完成了大部分城市公路的清掃工作，大大減少了環衛工人的數量[1]。清掃車主要在城市平坦的公路進行清掃，而環衛工人還使用傳統的掃帚進行清掃，所以環衛工人的工作強度并未減少[2]。根據目前垃圾清掃車的現狀，本文設計了一種適用于公園、小區、綠化帶及人行道等小路的小型垃圾清掃車，降低環衛工人的勞動強度，提高清掃效率。

1 工作原理

人力推動小型垃圾清掃車運動，清掃車的清掃輥刷在前輪帶動下轉動，把地面上的垃圾清掃到撮板上，垃圾順著撮板到達活動擋板，通過清掃輥刷的不斷轉動擠壓垃圾打開活動擋板進入垃圾箱，從而完成對所經過地面垃圾的收集。垃圾清掃車不工作時可以向下壓扶手，則清掃車的前輪離開地面可快速前進。工作時放下扶手，前輪重新開始轉動，則繼續帶動清掃刷輥進行清掃。傾倒垃圾時先壓下扶手再放開扶手可以關閉收集箱的活動擋板，垃圾箱被封閉起來，再打開活動擋板倒出垃圾[3]。

2 結構設計

本文根據環衛工人的工作需要，設計了一種新型的低成本、小體積、結構簡單、使用方便的小型垃圾清掃車。此垃圾清掃車主要由扶手、萬向輪、皮帶輪、撮板、清掃刷輥、刷輥護罩、刷輥軸承、皮帶、輪軸、垃圾箱等組成，主要分為清掃裝置、前進裝置、傳動裝置和收集裝置等部分[4]，其結構示意圖如圖1 所示。

清掃裝置由清掃刷輥、斜刷、撮板和護罩組成。清掃刷輥安裝在清掃車的前部，清掃刷輥水平放置旋轉收集地面的垃圾，清掃刷輥利用前輪的滾動對地面垃圾進行清掃，再驅使垃圾沿著撮板進入垃圾箱，清掃刷輥的直徑為20mm，刷苗高65mm，為高強尼龍絲做成，具有高強的彈性；斜刷位于前方呈外八字安裝，主要收集路牙、護欄下面和隔離帶死角的垃圾掃進入到清掃刷輥工作范圍內，大大減少了清掃盲區，擴大了清掃幅寬，使得垃圾車前面清掃無盲區；護罩位于清掃刷輥的上方，防止清掃后的垃圾亂飛及垃圾沿清掃刷輥再次回落到地面的現象。

前進裝置由兩個萬向輪和兩個傳動輪組成，使用者推動扶手給清掃車前進的動力。傳動輪承擔支撐清掃裝置重量，使用者推力轉化為清掃刷輥的轉動。后輪采用萬向輪，轉動靈活，適合清掃曲折道路。快速運動的時候可以壓下扶手使前輪離開地面，后面的萬向輪承受整車的重量，方便快速移動和轉動方向。

傳動裝置采用皮帶傳動,皮帶連接傳動輪和清掃滾刷，采用單邊傳動，防止清掃轉彎或彎曲道路打滑或卡死，有效的延長了清掃滾刷的使用壽命。可通過兩個前后皮帶輪直徑比調節清掃刷輥的轉速，方便日常維護。

收集裝置由垃圾箱和底板組成。為了方便倒垃圾和日常維護，垃圾箱可以拆卸。垃圾箱與底板緊密配合，底板與刷輥護罩、撮板連接。底板上布滿小孔，方便垃圾中的水流出，減輕垃圾清掃車的重量。工作時為了防止垃圾倒出，在垃圾箱內部設計了一個可轉動的活動擋板。當外部垃圾被清掃滾刷推到活動擋板前時，活動擋板被推開進入到垃圾收集箱；完成清掃工作時，活動擋板自動恢復關閉狀態，可以有效防止垃圾倒出。傾倒垃圾時活動擋板處于關閉狀態，垃圾箱才可方便拿出。

3 有限元分析

從小型垃圾清掃車的工作原理和結構分析可知，小型垃圾車主要受力零件是清掃刷輥，清掃刷輥的跨度最大，為柔性體易變形，其受力最大，其可靠性和穩定性如果滿足條件，其他部件自然滿足要求。清掃刷輥由鋁合金棒料加工而成，主要完成垃圾的清掃，屬于易損和磨損件，要求材料具有良好的剛度與韌性。為了保障清掃刷輥的剛度和強度符合設計要求，在Solidworks 軟件中建立了清掃刷輥實體模型并導入ANSYS workbench 軟件中進行有限元分析。清掃刷輥的材料為鋁合金，密度ρ 是2770 kg/m3，楊氏彈性模量E 是7.1*1010pa，泊松比μ 是0.33。清掃刷輥的橫截面是圓形，直徑是20mm，采用ANSYS workbench 軟件劃分網格，其精度選擇-85，因為其結構簡單，則節點有2037 個,單元格有370 個。

清掃刷輥的載荷主要指清掃刷輥自身重量和毛刷與地面的摩擦力，其極限摩擦力的2 倍是1000N，摩擦力沿清掃刷輥的切向。使用ANSYS workbench 軟件對清掃刷輥進行有限元分析，得到清掃刷輥在清掃過程的應變圖。清掃刷輥兩端通過簡化可認為是固定端約束,然后給清掃刷輥加載自身重量和摩擦力載荷，得到極限載荷下的應變圖，如圖2 所示。

圖2 橫梁受力應變圖

從圖2 清掃刷輥有限元分析的應變圖可知，清掃刷輥應變量的最大位置是處于清掃刷輥中心的位置，清掃刷輥的變形在極限載荷下的最大變形是0.1mm，且變形關于其中心對稱，遠超設計技術要求。

4 總結

使用Solidworks 軟件建立了小型垃圾清掃車的三維圖，并使用ANSYS workbench 軟件對小型垃圾清掃車的關鍵零件清掃刷輥進行了靜力學有限元分析，得到小型垃圾清掃車的關鍵零件應變圖。從以上分析可知，此小型垃圾清掃車的設計合理，結構簡單。制造出了樣機，通過樣機在人行道和廣場等以3km/小時進行清掃實驗，從實驗結果可以看出本小型垃圾車可以有效的完成清掃工作，可以把經過的地面上的樹葉和紙屑等垃圾清掃干凈，達到清掃要求。

［1］吳剛，張棉好，等.小型電動清掃機的研制[J].科技資訊，2011（15）：34-36.

［2］楊啟勇.純掃式街道垃圾清掃小車的設計[J].機械與電子，2010（10）：71-73.

［3］莊澤堂.掃路機垃圾提升轉運機理研究與機構改進[J].筑路機械與施工機械化，2004,21（9）：31-32.

［4］雷曉均，陳超，等.小型垃圾清掃機的設計[J].科技信息，2014(3)：66-67.