吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化設(shè)計(jì)

劉嬌嬌 徐海枝

摘要：以南寧南機(jī)環(huán)保科技有限公司NJ-D1800款掃地車(chē)為原型，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化設(shè)計(jì)，使其具有自卸、GPS定位、視頻監(jiān)控、故障報(bào)警等功能，并能通過(guò)智能交通平臺(tái)傳送數(shù)據(jù)到各區(qū)環(huán)衛(wèi)網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)掃地車(chē)的智能化運(yùn)行與監(jiān)控。

Abstract： Based on the prototype of NJ-D1800 sweeper of Nanning Nanji Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， it is optimized and intelligent in structure design， so that it has the functions of unloading， GPS positioning， video monitoring， and fault warning， and can transfer data to the district sanitation website through the intelligent transportation platform to realize the intelligent operation and monitoring of the sweeping car.

關(guān)鍵詞：掃地機(jī);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;智能化設(shè)計(jì)

Key words： sweeper;structural optimization;intelligent design

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0185-03

0? 引言

小型掃地機(jī)是用于城市道路、公園、大型廠區(qū)等的主要清掃機(jī)械。可以實(shí)現(xiàn)道路的清掃、吸塵、噴水、垃圾收集等功能。隨著“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的深入發(fā)展，對(duì)掃地機(jī)的智能化要求逐漸增大，將傳統(tǒng)小型掃地機(jī)與現(xiàn)代數(shù)字信息處理通訊相結(jié)合，在功能上賦予它更便捷、更高效的使用已漸成新趨勢(shì)。而且，目前與南機(jī)環(huán)保科技公司NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)同類(lèi)、同級(jí)別的掃地機(jī)中，基本都采用人工清倒式集塵箱。現(xiàn)在已不能滿足各地環(huán)衛(wèi)部門(mén)的要求，由此，人工清倒式集塵箱也成為NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)亟待解決的痛點(diǎn)問(wèn)題。

目前，有關(guān)智能型小型掃地機(jī)的研究主要集中在對(duì)車(chē)身各部件功能的改進(jìn)，趙麗等[1]通過(guò)設(shè)置邊刷揚(yáng)塵抽吸裝置減少作業(yè)揚(yáng)塵，增設(shè)掃刷磨損補(bǔ)償裝置降低邊刷磨損速度。陳貴益等[2]在原有道路清掃功能基礎(chǔ)上增加清除小雪功能，增加清掃車(chē)的適用性能。趙丕玉等[3]在掃地機(jī)中增加拖地、擦干以及遙控開(kāi)關(guān)等功能，使掃地車(chē)功能更加多元化。從研究結(jié)果顯示，這些研究并不能緊跟現(xiàn)“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展，不能和現(xiàn)代交通大數(shù)據(jù)緊密相連，因此有必要針對(duì)一款掃地車(chē)，使其能夠?qū)Φ缆非闆r、車(chē)身行走路線、周邊環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)控，來(lái)適應(yīng)智慧城市的發(fā)展需求。

1? NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 集塵箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)原人工清倒式集塵箱采用Q235鋼板焊接制成，在箱體后側(cè)焊接有用鋼管彎折成型的把手和標(biāo)準(zhǔn)件鎖扣，最下部加工有銷(xiāo)孔，外購(gòu)的一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件輪子即通過(guò)銷(xiāo)孔安裝在集塵箱箱體上，如圖1（a）所示。整個(gè)零部件的制作不需要模具，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)須考慮模具改造費(fèi)用。集塵箱總成安裝位置位于掃地機(jī)的后部，如圖1（b）、（c）所示，集塵箱箱口支承于掃地機(jī)底盤(pán)橫梁上，是集塵箱的主要支承部位，集塵箱后部則依靠二個(gè)鎖扣，掛在吸掃總成主體后部。從圖1（d）中可以直觀地看出，安裝在掃地機(jī)上的集塵箱總成，因?yàn)槭芪鼟邫C(jī)構(gòu)的寬度限制，集塵箱兩側(cè)與底盤(pán)輪子支承機(jī)構(gòu)有比較大的間距。

項(xiàng)目組通過(guò)UG設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出多種不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的自卸式集塵箱，采用三維模型仿真模擬，對(duì)幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較，最終，確定了自卸式集塵箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方案，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

自卸式集塵箱箱體形狀和尺寸與原人工清倒式集塵箱基本相同，集塵箱箱口底板仍支承于掃地機(jī)底盤(pán)橫梁上。不同的是箱體由箱底板、后擋板與兩側(cè)板焊接而成（原集塵箱底板由一塊整板彎折而成），集塵箱自卸門(mén)則通過(guò)合頁(yè)安裝在箱體上，可繞著合頁(yè)轉(zhuǎn)軸向后翻轉(zhuǎn)。箱體兩側(cè)安裝有24V、行程為300mm的直線電動(dòng)推桿，直線電動(dòng)推桿前端通過(guò)銷(xiāo)軸與自卸門(mén)弧形孔相連接，通過(guò)控制直線電動(dòng)推桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)自卸門(mén)的啟閉。集塵箱垃圾清倒作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，電動(dòng)推桿向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)自卸門(mén)繞著合頁(yè)轉(zhuǎn)軸向車(chē)后方翻轉(zhuǎn)，打開(kāi)集塵箱自卸門(mén)。由于集塵箱底部為傾斜結(jié)構(gòu)，當(dāng)自卸門(mén)開(kāi)啟時(shí)，垃圾在自身重力的作用下，沿著箱底板自行滑落，實(shí)現(xiàn)垃圾自卸的功能。為確保集塵箱內(nèi)的垃圾能夠在自身重力的作用下，全部沿著箱底板自行滑落，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了箱底板結(jié)構(gòu)。

1.2 充電插座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，充電插座的設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有考慮內(nèi)側(cè)二顆螺母的安裝問(wèn)題。根據(jù)南機(jī)環(huán)保科技公司提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，項(xiàng)目組針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析研究。座椅制作材料為塑料，采用大型模具制造而成。如果座椅結(jié)構(gòu)改變，就必須修改座椅的制造模具，需支出高昂的模具修造費(fèi)。如若優(yōu)化設(shè)計(jì)充電插座組件的結(jié)構(gòu)，則所需的改造費(fèi)用則低得多。

如圖3（a）所示為原充電插座組件設(shè)計(jì)圖。從圖3（a）中可以直觀地看出，原充電插座組件的安裝孔設(shè)計(jì)為圓形光孔，從圖2中可以看出，原安裝螺母采用標(biāo)準(zhǔn)的六角螺母圖。經(jīng)分析研究，將充電插座組件的安裝孔改良優(yōu)化設(shè)計(jì)為方形光孔，如圖3（b）所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的安裝螺母采用帶凸緣的特制方形螺母，如圖4所示。螺母的方形體安裝在充電插座的方形安裝孔內(nèi)，見(jiàn)圖3（b）中“螺釘安裝放大圖”，擰緊或松開(kāi)螺釘時(shí)，帶凸緣的方形螺母無(wú)法隨著螺釘?shù)男D(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。由于螺母帶有凸緣，擰緊螺釘時(shí)，凸緣將充電插座組件安裝板夾緊在座椅板上。這樣，安裝人員只需用手將帶凸緣的方形螺母裝入充電插座安裝方形孔中，并向外頂著螺母，另一只手從正面裝入螺釘，完成4個(gè)螺釘?shù)某醢惭b后，即可釋放頂著螺母的手，然后雙手用螺絲批在正面上緊螺釘，此時(shí)，無(wú)需將扳手伸入座椅內(nèi)腔固定螺母。

2 NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)智能化設(shè)計(jì)

2.1 GPS車(chē)輛定位與監(jiān)控系統(tǒng)

目前，我國(guó)大部分道路清掃作業(yè)仍然是作業(yè)人員操控掃地機(jī)，按照管理部門(mén)的規(guī)定進(jìn)行某幾條道路的清掃工作，監(jiān)控調(diào)度部門(mén)無(wú)法及時(shí)了解和掌握掃地機(jī)的工作情況，更無(wú)法進(jìn)行合理調(diào)度。

在清掃車(chē)上安裝GPS車(chē)輛定位監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可與街道、社區(qū)、小區(qū)監(jiān)控連接。調(diào)度人員就能在監(jiān)控調(diào)度室根據(jù)就近原則進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度掃地車(chē)，做到隨時(shí)了解和監(jiān)控清掃車(chē)位置，以及向清掃車(chē)操作人員發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)在后方遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度每臺(tái)清掃車(chē)，確保清掃作業(yè)合理及時(shí)安排，同時(shí)針對(duì)道路突發(fā)污染也可調(diào)度離事發(fā)地最近的掃地車(chē)過(guò)去進(jìn)行處置。實(shí)現(xiàn)清掃車(chē)的數(shù)字化管理，大大提高管理效率。

GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成，即：車(chē)載主機(jī)、服務(wù)器和客戶端。車(chē)載主機(jī)主要通過(guò)美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）來(lái)確定移動(dòng)目標(biāo)的位置，并通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和全球互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳，服務(wù)器接收定位數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，客戶端通過(guò)全球互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器提取地圖和車(chē)輛定位信息為用戶提供完善的服務(wù)。

安裝在掃地機(jī)上的GPS接收機(jī)根據(jù)收到的衛(wèi)星信息計(jì)算出車(chē)輛的當(dāng)前位置，通信控制器從GPS接收機(jī)輸出的信號(hào)中提取所需要的位置、速度和時(shí)間信息，結(jié)合車(chē)輛身份等信息形成數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)往監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的服務(wù)器接收車(chē)載機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并從中提取出定位信息，根據(jù)各車(chē)輛的車(chē)號(hào)和組號(hào)等，在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來(lái)。同時(shí)，控制中心的系統(tǒng)管理員可以查詢各車(chē)輛的運(yùn)行狀況，根據(jù)車(chē)流量合理調(diào)度車(chē)輛。

2.2 定速行駛系統(tǒng)

為NJ-D1800吸掃式電動(dòng)清掃機(jī)增設(shè)了定速行駛系統(tǒng)。定速行駛系統(tǒng)的作用是按作業(yè)人員所要求的速度閉合開(kāi)關(guān)之后，無(wú)需腳踩電門(mén)踏板，即可自動(dòng)地保持一定的車(chē)速，使清掃車(chē)以固定的速度行駛。

由于掃地機(jī)在街道上行駛的速度比較慢，行駛時(shí)掃地機(jī)變換車(chē)速的頻率及范圍都較少，正常情況下，都是以穩(wěn)定的車(chē)速行駛。環(huán)衛(wèi)工人每天操控掃地機(jī)清掃街道至少6小時(shí)，其右腳需長(zhǎng)時(shí)控制（踩）電門(mén)，腳很容易感到疲勞。為此，在NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)增設(shè)了定速行駛系統(tǒng)。掃地機(jī)定速行駛系統(tǒng)的作用是按作業(yè)人員所要求的速度閉合開(kāi)關(guān)之后，無(wú)需腳踩電門(mén)踏板，即可自動(dòng)地保持一定的車(chē)速，使掃地機(jī)以固定的速度行駛。

電動(dòng)掃地機(jī)控制器是用來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停止等核心控制器件。NJ-D1800吸掃式電動(dòng)掃地機(jī)如需增高定速行駛系統(tǒng)，只需將原控制器更換為支持定速功能的控制器即可。其控制原理是：根據(jù)掃地機(jī)輪軸的轉(zhuǎn)速，捕捉轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)提供給控制器，控制器根據(jù)脈沖信號(hào)的變化，控制掃地機(jī)行駛的速度。進(jìn)入定速行駛狀態(tài)后，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的變化，發(fā)出不定電壓給電機(jī)，以維持輪軸的轉(zhuǎn)速不變，使掃地機(jī)保持勻速行駛。目前，控制器已經(jīng)是市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品，支持定速功能的控制器，其價(jià)格約比普通控制器高100多元，企業(yè)可以根據(jù)用戶對(duì)掃地機(jī)定速行駛的要求，在生產(chǎn)時(shí)靈活生產(chǎn)，安裝不同的控制器。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在清掃車(chē)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、了解區(qū)域環(huán)境，讓清掃車(chē)從以前的巡邏式清掃向有目標(biāo)的清掃轉(zhuǎn)變，有效的提高了清掃車(chē)的工作效率和減少了掃地機(jī)能源的消耗以及減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。

3? 結(jié)語(yǔ)

①改良優(yōu)化設(shè)計(jì)了自卸式集塵箱，通過(guò)安裝于集塵箱兩側(cè)的直線電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)控制自卸門(mén)的啟閉，不僅解決了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，而且有效解決作業(yè)人員在清倒垃圾時(shí)揚(yáng)塵，影響作業(yè)人員的身體健康等問(wèn)題，提升了產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。

②改良優(yōu)化設(shè)計(jì)了充電插座組件安裝結(jié)構(gòu)，在提高制造成本0.28元的情況下，為企業(yè)解決了大的裝配生產(chǎn)問(wèn)題，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了裝配工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

③在掃地機(jī)上增加設(shè)計(jì)了GPS車(chē)輛定位監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的數(shù)字化管理，大大提高環(huán)衛(wèi)工作的管理效率。

④為掃地機(jī)設(shè)計(jì)了定速行駛系統(tǒng)，極大減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了不必要的車(chē)速變化，節(jié)省電能。

參考文獻(xiàn)：

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