路面自適應掃地機盤刷觸地壓力調整裝置的研制

韓雪松，李錫慶，陸美文

（1.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.南寧南機環保科技有限公司，廣西 南寧 530003）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展以及城鎮化進程的不斷加快，城市和城鎮面積數倍增加，人力成本也在不斷地提高，依靠人力完成龐大的城鎮道路和集市的清掃工作已不大現實，城鎮的環衛工作也從人力清掃為主轉變為以掃路車、掃地機等機械化清掃為主[1]。

對于集路面清掃、垃圾收集和運輸為一體的掃路車來說，盤刷是影響其清潔性能的關鍵部件，也是掃路車作業時易耗損的部件，它通常在連續工作十余個工作日后就需要更換[2]。影響盤刷清掃效果及磨損速度的因素很多，其中盤刷的觸地壓力是一個重要因素。傳統掃地機的盤刷與車身之間通常采用剛性連接，工人可通過絲桿調節機構調整盤刷與路面的間距，實現觸地壓力調整。在清掃作業過程中，剛性連接方式不能讓盤刷跟隨路面起伏進行自由上下浮動，因此盤刷的觸地壓力會受到工作地形的影響。當遇到凸起路面時，盤刷觸地壓力增大，引起盤刷過度磨損；在遇到凹陷路面時，盤刷觸地壓力減小，造成垃圾遺漏。

1 常見的盤刷觸地壓力自動調整方案

為了解決盤刷剛性連接帶來的弊端，眾多工程技術人員進行了大量的研究。長沙中聯重科環境產業有限公司的劉如意等[1]提出了盤刷自適應、提升及鎖緊的氣動方案，利用氣動減壓溢流閥、誘導止回閥和抱緊氣缸等氣動元件，通過氣動系統的3 個回路能夠有效實現盤刷的自適應、提升和鎖緊功能。中國重汽集團青島重工有限公司的任浩[2]提出的盤刷自適應調節觸地壓力系統包括氣缸、盤刷支撐結構、連桿機構，利用括梭閥、鎖止閥、電磁換向閥、減壓閥組成的盤刷觸地壓力控制系統自動調節盤刷與路面的間距，使盤刷觸地壓力保持恒定。陜西汽車控股集團有限公司技術中心的郭佳鵬等[3]把常規結構的盤刷離地高度調節叉以電動執行器進行替換，配以盤刷觸地壓力檢測傳感器反饋出盤刷離地高度，通過程序來自動控制帶有電動推桿的調節裝置的伸縮量，使盤刷的離地高度始終處于優良狀態。長沙福田汽車科技有限公司的程小建等[4]在分析清掃機構重力、提升油缸推力及盤刷觸地壓力的基礎上，從力平衡角度，提出一種盤刷升降控制系統，通過控制提升油缸推力，間接實現盤刷觸地壓力的恒定和觸地深度自適應調節。以上學者使用壓力傳感器直接或間接測量盤刷觸地壓力，壓力控制系統通過氣缸、液壓缸或電動推桿驅動盤刷升降，使盤刷觸地壓力保持恒定。

2 盤刷觸地壓力自適應調整裝置設計方案

上述盤刷觸地壓力調節系統包含眾多的液壓、氣動控制元件，結構復雜且制造成本較高。路面狀況通常不是理想的水平狀態，總會一定程度高低不平，從而導致地面作用在油缸或氣缸軸向上的力的角度或大小或有很大變化，進一步的導致原本設定好的油缸或氣缸內腔壓力不具有準確參考價值，最終無法準確適時調整掃盤刷與地面有合理的接地壓力[5]。為此，筆者設計了一套純機械式的盤刷觸地壓力自適應調整裝置，通過在盤刷底部設置萬向輪，讓盤刷與路面的間距保持不變，從而使盤刷與地面的壓力保持恒定。

2.1 總體設計方案

盤刷觸地壓力自適應調整裝置的總體設計方案如圖1 所示。將萬向輪安裝在盤刷底部，且萬向輪的縱向旋轉軸線與盤刷旋轉軸線同軸布置。刷臂的一端連接盤刷驅動裝置，另一端與車身鉸接；液壓缸活塞桿通過鏈條連接刷臂。當需要抬起盤刷時，液壓缸活塞桿縮回缸體，驅動刷臂抬起，從而帶動盤刷離開路面；需要放下盤刷時，液壓缸活塞伸出，刷臂下降，直到萬向輪與路面接觸。在掃地機清掃作業過程中，萬向輪始終緊密接觸路面；鏈條的作用是讓刷臂與車身進行浮動連接，在遇到起伏不平的路況時盤刷能跟隨地形上下移動，使盤刷與路面的接觸壓力保持恒定。

圖1 總體設計方案

2.2 受力分析

盤刷在工作時，垂直方向上受到3 個力影響，它的受力情況如下：

（1）盤刷受到的路面支撐力F1，方向朝上；

（2）萬向輪受到的路面支撐力F2，方向朝上；

（3）盤刷裝置的自重G，方向朝下；

（4）盤刷工作時，3 個力達到平衡狀態，F1+F2=G

由于在工作時，盤刷裝置自重G始終大于盤刷受到的路面支撐力F1，因此萬向輪將始終與路面接觸，使盤刷裝置與路面的間距保持不變，從而盤刷與路面的接觸壓力將保持恒定。

3 盤刷驅動裝置結構設計

3.1 設計技術要求

盤刷驅動裝置要解決兩個主要問題：（1）萬向輪縱向旋轉軸與盤刷旋轉軸同軸，但萬向輪不能跟隨盤刷旋轉；（2）萬向輪可以沿其縱向軸線進行上下調節，用于調整盤刷觸地壓力。針對這兩個問題對盤刷驅動裝置進行創新設計。圖2 為盤刷驅動裝置的裝配圖，圖3 為盤刷驅動裝置的局部放大圖。

圖2 盤刷驅動裝置裝配圖

圖3 盤刷驅動裝置局部放大圖

3.2 盤刷旋轉驅動機構設計

軸承座的上端連接電機安裝板，下端連接刷臂連接件，三者共同構成盤刷驅動裝置的機架。軸承座內安裝有兩個滾動軸承，盤刷驅動軸與軸承內圈配合，因此盤刷驅動軸能相對軸承座轉動。如圖4 所示，盤刷驅動軸為管狀結構，該結構能讓萬向輪安裝軸從其中心穿過，實現兩者同軸設置且不產生運動干涉。盤刷驅動軸外壁設有上下兩個鍵槽，下端設有螺紋。從動同步帶輪套在盤刷驅動軸上，上下設有隔套進行限位，同步帶輪和盤刷驅動軸通過平鍵連接的方式傳遞轉矩。盤刷安裝法蘭套在盤刷驅動軸的下端，上方設有隔套進行限位，盤刷安裝法蘭和盤刷驅動軸通過平鍵連接的方式傳遞轉矩。盤刷安裝在盤刷安裝法蘭上，用螺釘緊固鎖。緊螺母設置在盤刷驅動軸的下端，用于預緊各個套在盤刷驅動軸上的零件。

圖4 盤刷驅動軸

3.3 萬向輪安裝軸調節機構設計

減速電機安裝在電機安裝板上，主動同步帶輪與電機軸通過平鍵連接的方式傳遞轉矩，同時用螺釘鎖緊防止帶輪松脫；主動同步帶輪與從動同步帶輪用同步皮帶連接。螺紋套安裝在電機安裝板的上方，用螺釘緊固；上蓋安裝在螺紋套的上端面，用螺釘緊固。萬向輪安裝軸的上端旋入螺紋套內部的螺紋孔中；防松螺釘穿過上蓋中部的通孔，旋入萬向輪安裝軸上端的螺紋孔中，起到預緊萬向輪安裝軸，防止其轉動的作用。萬向輪安裝軸和盤刷驅動軸的內孔間設置有滾動軸承，起到輔助支撐作用，增強萬向輪安裝軸的結構穩定性。萬向輪上部的安裝螺釘與萬向輪安裝軸下端的螺紋孔連接，并用螺母鎖緊。

3.4 盤刷驅動裝置工作過程

盤刷驅動裝置工作過程如下：減速電機通過同步皮帶傳動帶動盤刷驅動軸旋轉，從而帶動盤刷旋轉，實現刷掃功能。萬向輪安裝軸從中心穿過盤刷驅動軸的中孔，其上端受到螺紋套固定，因此使萬向輪安裝軸不隨盤刷驅動軸旋轉。通過手動旋轉萬向輪安裝軸，使其相對螺紋套做軸向移動，可以調節萬向輪的安裝高度，從而調整盤刷的觸地壓力。

3.5 運動仿真

來自SiemensPLM 的UG 軟件具有強大的產品設計應用模塊，具有高性能的機械設計和制圖功能，為機械產品的設計提供了高效率的設計工具，滿足設計復雜產品的需要。UG 以數字化的方式仿真、在產品研制中運用數字化仿真確認和優化產品結構，能減少或消除昂貴耗時的物理樣機制造和驗證。

在本裝置設計過程中，首先使用UG NX10.0 軟件進行零件三維實體建模和裝配，如圖5 所示，然后在UG 的運動仿真模塊中設置個零部件的運動屬性并進行仿真運動，分析各部件運動軌跡，及時糾正設計過程中出現的干涉問題并優化設計方案。

圖5 三維模型

4 樣機制造與測試

根據設計的零件圖，加工出盤刷驅動裝置的各個零件，然后根據裝配圖進行整機組裝和調試，樣機實物如圖6 所示。本裝置已經在南寧南機環保科技有限公司生產NJ-D3GS1700 型純電動掃地機上進行清掃試驗，確認了盤刷觸地壓力自適應調整裝置的可行性，實現了設計方案預期的所有功能。

圖6 樣機實物

5 結論

盤刷觸地壓力自適應調整裝置的結構簡潔、可靠性高，用純機械的方式使盤刷在工作時能跟隨路面的起伏自動上下移動，讓盤刷的觸地壓力保持恒定。盤刷驅動裝置將萬向輪的縱向旋轉軸線設置在盤刷中心位置，使盤刷能及時對路面的起伏做出反應，保持最優的清掃效果。本裝置既能應用于純電動掃地機，也能適用于大型環衛掃路車，對提高清掃率及減緩盤刷磨損具有實用價值。