城市道路清掃機吸塵模塊的改進設計

周著學（閩南理工學院，福建石獅　362700）

城市道路清掃機吸塵模塊的改進設計

周著學
（閩南理工學院，福建石獅362700）

城市道路清掃機在我國越來越普遍，國產的清掃機普遍存在清掃過程效率低、清洗效果不佳、維修率高等問題，論文從清掃機結構入手，以 “吸掃式”清掃機為研究對象，嘗試探究清掃機出現上述問題的原因所在。以城市道路遇到的垃圾塵粒為出發點，通過計算，得出改進前后清掃機關鍵性能參數的對比，以期提高清掃機的工作的效率，提高保潔效率。

清掃機；吸塵；電動機；吸嘴

0　引言

清掃作業是公路養護工程的重要內容，為適應我國快速城市化的發展需要，城市道路的清掃實現機械化是大勢所趨。道路清掃機是重要的路面養護專用環衛車輛之一，具備灑水噴霧、清掃、吸入垃圾等功能。主要用于高等級路面和城市路面以及廣場的垃圾清掃。它的出現和使用，將極大減輕環衛工人的勞動強度、節省工作時間。對道路清掃機性能的改進可以提高清掃機的工作的效率，減輕環衛工人的勞動強度，加速環衛死角的清理，提高保潔效率。但是我國普遍投入使用的道路清掃機存在清潔路面不夠干凈的問題。本文以小型道路清掃機為研究對象，對其結構原理做了詳細的調查研究，并針對清掃機的吸塵模塊做了改進設計，以期對我國的道路清掃機的設計與發展提供一定參考。

1　調查研究及改進方案的提出

我國的清掃機研制起步較晚，清掃機的機電一體化程度相對國外來說比較落后。20世紀60年代，我國研制出第一代掃路機，由于清掃效果差、勞動強度大，操作不方便、面世不久即被淘汰。70年代，國內相關科研機構、生產廠家加大了掃路機的研究開發力度，我國第二代掃路機由此誕生。北京和上海研制了大、中、小三種規格的純掃式掃路機，S31大型掃路機和S32中型掃路機、S15小型掃路機的技術水平比第一代有了較大的提高。但由于傳感器、液壓技術、真空技術、電液操作等技術原因，使該類道路清掃機的使用受到極大限制，直接制約和影響了我國清掃機裝備的發展。

這迫切需要針對國內清掃機進行技術改造，對清掃機實行智能控制、針對不同的工作環境對清掃機進行相應的設計和改造，使其更加適應時代的發展和需求。這需要在之前的技術基礎之上進行改進，將清掃機機型變得簡單輕便，外觀更加美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時，降低清掃機的重量。提高清掃機的使用壽命，減少噪聲，降低成本，使清掃機更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，這些研究對于我國清掃機的發展具有重要意義。

本文以吸掃式清掃機為研究對象，該機器包括清掃裝置、風機、減速器、柴油機、吸嘴及等部分。工作時，由汽車的主發動機使車輛行駛，副發動機帶動風機使垃圾箱內產生負壓，盤刷將清掃范圍內的垃圾掃至中間由吸嘴把垃圾帶入垃圾箱內。道路清掃車裝有兩個掃盤，其作用是將路面上的垃圾掃至吸入（吸口）區范圍，再依靠吸入系統的強風力風機所產生的較大的負壓，將垃圾吸入垃圾箱內，垃圾進入垃圾箱內還需要經過重力除塵和脈沖除塵。

我國廣泛使用的吸掃式清掃機普遍存在的問題是動力不足，吸塵口的負壓不足以吸入較大顆粒，吸嘴和吸塵罩的設計也比較落后，導致效率較低。本文提出的改進方案首先是解決動力不足的問題，采用雙發動機由主發動機驅動車輛行駛，副發動機驅動風機、電動機驅動盤刷，這個方案可以從根本上解決動力不足和單發動機的過載問題。

2　吸塵模塊的改進設計

吸塵模塊包括吸塵模塊的動力部分、風機、吸嘴、風機軸、鍵以及帶輪等。吸塵模塊的工作首先是由電機驅動清掃裝置將垃圾清掃至車輛中間，其次利用副發動機輸出的動力通過機械傳動系統，驅動高壓離心式除塵風機工作，為了使得風機能產生足夠大的負壓，需要選擇更大功率和轉速的風機，才能在除塵設備中產生高速負壓氣流，通過特殊設計的吸塵罩，吸入路面上的垃圾塵土，經各級除塵設備濾塵，使垃圾塵土與流動氣流分離，最后將干凈空氣排入大氣，完成一個工作循環。這樣的改進使得吸掃式清掃機能夠實現全區域化作業，適應各種各樣的復雜路況，效率大增。

根據調查研究，市面上相當一部分吸掃式清掃車還采用單發動機驅動，少部分采用雙發動機驅動，吸塵部分的發動機功率小，轉速僅為350-480r/min之間，達不到好的效果。本文嘗試從實踐入手，以對城市道路常見垃圾塵粒的分析入手，倒求風機的轉速和功率。

3　風機風量的設計

風機裝置是由風機、風機軸承座、風機支架、風機進出口接管等組成。風機裝置是主要工作機構之一，它的作用是使污水垃圾箱抽吸處于強負壓狀態，在吸嘴與地面的間隙處產生高速氣流，利用氣力輸送原理將污水和垃圾吸入污水垃圾箱內。本設計采用專用高壓離心風機，噪聲小、效率高。傳動部分則采用液壓傳動方式，提高了傳動效率，并使風機布置十分緊湊。如圖1所示。

圖1　風機Fig.1 Draught fan

4　常見垃圾塵粒分析

考慮到道理清掃車的工作對象（吸入的垃圾）分析，計算風機的功率。如表1所示。

表1　常見垃圾塵粒物性Tab.1 The physical properties of common waste dust particles

在各種垃圾類型中，選取清掃車較難吸送的粒徑為20mm的混凝土碎塊為例，計算其懸浮速度，混凝土球形顆粒自由懸浮速度：

式中：g—重力加數度，取9.8/s；ds—顆粒直徑，取20mm；ps—顆粒塊的密度，顆粒塊的密度，取2400kg/ m3；p—空氣的密度，取1.29kg/m3；C—阻力系數，由氣流雷諾數Re決定。通過對清掃車吸送塵粒時力的研究得出，慣性力在被傳送垃圾塵粒的受力中影響最大，屬于湍流運動，Re＞4000，取C=0.44。由以上參數求得：Vh=34.5m/s。

以上的計算模型是基于單個球形顆粒在空曠的空氣場中運動的條件下，實際上對于吸掃式清掃車來說，垃圾塵粒的形狀很少是完美的球形，而且往往也是數量龐大的個粒在同一時間相互作用，塵粒與塵粒之間還會相互碰撞，塵粒進入吸氣口之后，也是出于一個相對密閉狹窄的而不是在空曠的空氣場中運動。塵粒的形狀、數量以及流場的大小都對懸浮速度有著不同程度的影響，因此，有必要上述公式的計算結果加以修正，使得理論計算與實際情況更相符。

通過查閱手冊，得出速度修正公式。修正后，混凝土顆粒被吸入時，顆粒實際懸浮速度：

式中：Ke—形狀系數，取1.5；D—圓形風管的直徑，取200。由以上參數求得：Vu=27.9m/s。

5　吸嘴參數的計算

吸嘴是一個封閉的直徑不一的吸氣罩，吸嘴兩側共有2個橡膠滾輪，用以保證吸嘴底部與路面的一定間隙，該間隙對吸力影響很大。滾輪使用后出現磨損，應做相應的調整，以保證吸嘴底沿離地間隙保持在8mm～12mm之間。吸嘴通過升降機構及氣壓操縱的提升裝置與車架相連，吸嘴放下工作時通過滾輪接地并可隨路面的起伏上下左右浮動，確保吸嘴底沿離地間隙保持均勻。

吸嘴的結構設計如果不合理，一方面會造成部分區域的垃圾不能完全清除，另一方面會造成在吸盤正前方的部分垃圾被吹出吸盤，造成二次污染。吸嘴結構設計的合理性對掃路車的性能和清掃效率有著十分重要的影響。如果風機的設計或選型與吸塵盤、垃圾箱相匹配，則吸塵盤的結構型式與安裝將對吸塵效率的提高起著至關重要的作用。如圖2所示。

圖2　清掃車吸嘴結構Fig.2 The structure of suction nozzle in dust cleaning machine

式中：x—距極點的豎直距離；Vx—距極點x處的氣流速度，取27.9m/ s；V0—管路系統內的氣流速度，取45m/s；a—吸嘴的長度，取0.5m；b—吸嘴的寬度，取0.7m；F—吸嘴的面積，取F=ab= 0.35m2。

由上一節計算得知，要保證Vx≥27.9m/s，則x＜0.2m。

對于所需風量的計算：

式中：A—風管的截面積，取 A=πD2/4=0.0314m2；ηm—管道的密封效率，一般取93%；由以上參數，求得：

由以上計算可知，選取風量為5500m3/h的風機較為合適。

（3）風機所需功率的計算：

式中：ηb—風機的流體效率，取0.7；△P—管路系統消耗的總壓力，取6300Pa

由以上參數，求得：P=13.8kW/h。可見在城市道路上，風機能夠吸入常見垃圾塵粒所需的功率是13.8kw/ h，它能夠產生Q=5470m3/h的風量，而圓形風管的直徑為200mm，比普通吸掃式道路清掃機要小，保證了道路清掃機的吸風口 “小而有力”。如表2所示。

表2　普通吸掃式道路清掃機改進前后主要參數對比Tab.2 Comparison of main parameters before and after improvement of the common dust cleaning machine

從以上分析和計算可知，電機功率的增大是非常有必要的，雙電機的改進方案確保了清掃車和吸塵模塊都能互不干擾的工作，保證了風量的供應，極大的改善了清掃機的清掃效果。

有了如上參數，還要進行軸的設計，包括軸的校核、關鍵零件的選擇、定位和校核、鍵聯接的選擇與校核、聯軸器的選擇，以及帶傳動的設計計算等等工作需要完成。

6　結論

本文通過調查研究，以實際道路上遇到的常見垃圾塵粒為切入點，通過計算的方法算出了風量、功率等清掃機的關鍵數據，通過改進后的吸掃式清掃機與普通吸掃式道路清掃機的對比，科學的揭示了普通道路清掃機清掃效果不佳的內在原因，并以此為出發點，提出了可行的解決方案，并通過計算進行了驗證。

［1］徐寧，吳三達.吸掃式掃路車的總體設計與研究［J］.商用汽車，2006，6.

［2］馬文星，鄧洪超.筑路與養護路機械［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］張啟明.路面清掃車的發展［J］.筑路機械與施工機械化，2008，8.

［4］李力，廖湘輝，任曉莉.碾壓混凝土倉面清潔機具吸拾系統設計［J］.技術施工，2005，2.

［5］許禮鴻.吸掃式路面清掃車使用效能影響因素分析［J］.公路與汽運，2005，2.

The Design and Improvements of Dust Collection Module in the Urban Road Dust Cleaning Machine

ZHOU Zhu-Xue
（Minnan University of Science and Technology，Shishi Fujian 362700，China）

Urban road cleaning machine is becoming more and more common in our country，domestic cleaning machine have some problem in such as cleaning process，low efficiency，poor cleaning effect，high maintenance rate，this article obtains from the cleaning machine structure，in order to"suction cleaning"absorption cleaning machine as the research object，try to explore the cause of the cleaning machine appear afore-mentioned problems.As a starting point of garbage in urban road encountered dust particles，through calculation，improve the key performance parameters before and after cleaning the machine，in order to improve the efficiency of the cleaning machine work，improve the efficiency of cleaning.

cleaning machine；dust collection；electric motor；suction nozzle

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.022

1002-6673（2015）05-059-03

2015-08-25

周著學（1985-），男，華僑大學機械工程專業工程碩士在讀。主要研究方向：機械設計。