多功能手動清潔車的設(shè)計及應(yīng)用

目前現(xiàn)有的環(huán)衛(wèi)機械，大多功能比較單一，且需要動力消耗，不利于節(jié)能環(huán)保。其中除雪機械分為兩種，一種為大型除雪車，通常是在卡車底盤上安裝除雪鏟、清掃盤等，適用于大型公路及高速公路的除雪作業(yè)；另一種為小型除雪機械，如利用高壓氣流將積雪吹向一側(cè)的吹雪設(shè)備，包括動力設(shè)備、風(fēng)機、導(dǎo)雪管等。但是這兩類設(shè)備在一些道路的清雪中使用不方便，比如路面較窄，大型除雪車無法作業(yè)；而小型除雪機械由于采用拋雪清除，除雪質(zhì)量不夠理想。并且這類機械消耗燃料或電能，作業(yè)時噪音較大。為了克服現(xiàn)有除雪機械在較窄道路作業(yè)中的不足，本文設(shè)計了多功能手動清潔車，其特點是手工操作，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，節(jié)約能源，綠色環(huán)保，能夠為環(huán)衛(wèi)工人減輕大量體力勞動，帶給環(huán)衛(wèi)工人全新的作業(yè)感受。該清潔車不僅能夠清除路面的積雪，也可以清掃和擦拭地面。適合于工廠、公園、廣場、居民小區(qū)等的清雪、清掃以及大型建筑內(nèi)部的清潔作業(yè)。
1基本結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1基本結(jié)構(gòu)
多功能手動清潔車主要由行走系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、離合系統(tǒng)和機架等組成。
(1)行走系統(tǒng)：包括后端的驅(qū)動輪及前端的轉(zhuǎn)向輪。
(2)傳動系統(tǒng)：由鏈傳動及齒輪傳動組成，具有增速、換向的功能。
(3)工作系統(tǒng)：包括前端的可拆卸推雪板及下端的掃盤、圓筒滾子、垃圾收集箱等，從而實現(xiàn)多種功能的清潔作業(yè)。
(4)離合系統(tǒng)：由離合器把手、推塊和彈簧組成，以實現(xiàn)掃盤的正、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。
(5)機架總成：采用鋼板成型后組裝而成，精度好，能夠保證作業(yè)運行的平穩(wěn)性。
1.2工作原理
該車傳動部分由驅(qū)動后輪帶動鏈傳動得到加速，再經(jīng)錐齒輪改變運動方向和加速，使旋轉(zhuǎn)立軸帶動掃盤旋轉(zhuǎn)，從而完成清掃工作。傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
操作者通過把手推動后輪，為清潔車工作提供動力。通過調(diào)節(jié)離合器把手得到正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和斷開傳動鏈三種狀態(tài)，分別相應(yīng)于掃雪、清潔地面和非工作狀態(tài)。在掃雪功能中，先通過前排的推雪板將大部分積雪推向兩邊，推動離合器使兩掃盤正轉(zhuǎn)，將剩余地面的雪掃向兩邊，達(dá)到較好的掃雪質(zhì)量；在清掃地面功能中，將前端推雪板卸下，推動離合器使兩掃盤反轉(zhuǎn)，將地面塵土掃向中間，收入收集箱；在擦拭地面功能中，將推雪板及掃盤卸下，換裝上拖布盤，即可以擦拭地面。同時離合器斷開傳動鏈時，該車也可以運送垃圾和作為日常生活載重工具。
2主要工作部件及設(shè)計依據(jù)
2.1主要部件
(1)工作系統(tǒng)部件：按照三個主要功能進(jìn)行說明。如圖1所示。
掃雪功能部分：雪比較厚時，可先通過推雪板1把雪推向兩邊；剩下的雪由掃盤13、27清除。工作時驅(qū)動后輪8使其同軸的大鏈輪11轉(zhuǎn)動，將動力傳至小鏈輪24，使得與其同軸的錐齒輪18轉(zhuǎn)動，帶動錐齒輪28，然后經(jīng)大齒輪16與小齒輪15及惰輪25，惰輪25與小齒輪26嚙合，將旋轉(zhuǎn)運動傳至兩個掃盤13、27，兩掃盤旋轉(zhuǎn)方向相反，向外轉(zhuǎn)動，將雪掃向兩邊。
清掃功能部分：將推雪板1卸下，大錐齒輪23與小錐齒輪28嚙合，最后經(jīng)大齒輪16與小齒輪15及惰輪25的嚙合，惰輪25與小齒輪26嚙合，將旋轉(zhuǎn)運動傳至兩個掃盤13、27，兩掃盤旋轉(zhuǎn)方向相反，向內(nèi)轉(zhuǎn)動，達(dá)到將垃圾掃向中間的目的。在鏈傳動中，小鏈輪12在鏈條6的作用下轉(zhuǎn)動，帶動與之連接的圓筒滾子10轉(zhuǎn)動，將集中的垃圾掃入垃圾收集箱9，在機架3前端固定托盤4，用于盛放工具雜物(或垃圾箱)等，也可盛水，使地面濕潤再清掃，免得產(chǎn)生灰塵。
擦拭地面功能部分：將掃盤13、27換作拖布盤，與凸緣14連接，推動小車帶動拖布盤旋轉(zhuǎn)，便可擦拭地面；同樣托盤4用于盛放工具雜物和水，方便清潔工作。
(2)傳動系統(tǒng)部分：后輪轉(zhuǎn)動后，經(jīng)過鏈傳動、錐齒輪傳動、齒輪傳動到達(dá)工作機構(gòu)。
(3)離合部件：錐齒輪18和錐齒輪23可在有導(dǎo)向平鍵的錐齒輪軸17上移動。除雪時，右推離合器把手5，使離合器21右進(jìn)，推塊20壓縮螺旋彈簧22，在彈簧22的作用下，使大錐齒輪18與小錐齒輪28嚙合。清掃時，左推離合器把手5使離合器21左進(jìn)，推塊20壓縮螺旋彈簧19，在彈簧19的作用下使大錐齒輪23與小錐齒輪28嚙合，從而實現(xiàn)掃盤反轉(zhuǎn)。
(4)行走部分：清潔車前端設(shè)計有工業(yè)腳輪2，規(guī)格為WP13C-125×50，用于轉(zhuǎn)向；后端設(shè)計有直徑350mm的驅(qū)動后輪8，選用手推車用輪，配有低壓充氣輪胎；把手7的高度與傾斜角度基于操作人員推動的靈活性與方便性選取，符合人體工程學(xué)要求。
2.2主要部件設(shè)計依據(jù)
設(shè)計依據(jù)主要從以下幾個方面考慮：除雪阻力、小車行進(jìn)速度、地面摩擦力大小、整車質(zhì)量、掃盤要求最低速度、工作效率及工作環(huán)境等。

3主要技術(shù)措施
3.1掃盤的直徑及推雪板設(shè)計
考慮小型道路的除雪及操作者的力量，兩掃盤及推雪板的作業(yè)寬度設(shè)為600mm，掃雪的厚度為10mm，推雪的最大厚度為100mm，總體的最大除雪厚度為110mm。由雪的密度ρ=200kg/m3、抗切強度τ=200Pa，通過計算得到掃盤的最低轉(zhuǎn)速為[n]=764r/min。
設(shè)計推雪寬度為L=600mm、切削角θc=25°、前鏟行進(jìn)角θc=55°、推雪阻力Fp=Ff+Fc+Fa，其中Ff為摩擦阻力，F(xiàn)c為分離積雪的切削阻力，F(xiàn)a為拋出雪的作用力。考慮到除雪的工作方式，可以把Ff和Fa近似取為0，因此

式中τ——雪的平均抗切應(yīng)力，取τ=2000Pa；
S——除雪斷面積，取S=54000mm2；
K——鏟刃口形狀系數(shù)，前鏟取1；
θc——切削角，取θc=25°。
則Fc=109.95N
3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計
人正常行走的速度v=0.8m/s，車后輪直徑d=350mm，所以后輪轉(zhuǎn)速n=43.7r/min，取直齒圓柱齒輪傳動比i1=2.65，半開式錐齒輪單級傳動比i2=2.5，鏈傳動的傳動比i3=3，圓盤輥子的轉(zhuǎn)速n′=n×i1×i2×i3=868.5r/min，工作轉(zhuǎn)速合適。

1-推雪板；2-工業(yè)腳輪；3-機架；4-托盤；5-離合器把手；6-鏈條；7-把手；8-后輪；9-垃圾收集箱；10-圓筒滾子；11-大鏈輪；12-小鏈輪；13-掃盤；14-凸緣；15-小齒輪；16-大齒輪；17-錐齒輪軸；18-大錐齒輪；19-螺旋彈簧；20-推頭；21-離合器；22-彈簧；23-大錐齒輪；24-小鏈輪；25-惰輪；26-小齒輪；27-掃盤；28-小錐齒輪
圖1多功能手動清潔車結(jié)構(gòu)
3.3后輪防滑校核
推雪板推雪過程中，取雪厚為110mm，則所受最大阻力為Fc=109.9N，取后輪與冰雪地面的附著系數(shù)為0.25，正常干燥瀝青路面的摩擦系數(shù)為0.6，雨天路面摩擦系數(shù)降為0.4，雪天則為0.28，因為后輪經(jīng)過的路面為已清掃過的，所以取f=0.35，由fmg>Fc得，m>30kg，實際小車的整體重量，按圖紙進(jìn)行理論計算得，小車總重量為31.91kg(其中Q235密度取7.81g/cm3)，符合防滑要求。
3.4整車載重校核
清潔車后輪選用手推車用低壓充氣輪胎，載重量大于100kg，前端轉(zhuǎn)向輪選用工業(yè)腳輪，承重量為2000N。所以，清潔車的載重量大于100kg，除去本身重量，至少可以運送68kg重的物品(或垃圾)，可以基本滿足地面清潔作業(yè)運輸要求。
4使用檢驗
作為首都高校第四屆機械創(chuàng)新設(shè)計大賽參賽作品(獲二等獎)，多功能手動清潔車已制作出樣機，在實際使用中對清雪、清掃及擦拭地面等功能進(jìn)行檢驗，得到非常好的效果。由于制作完成時值初夏，因此，就清雪功能的檢驗選用沙土進(jìn)行模擬，清除效果良好，如圖2所示；對清掃地面功能的檢驗選用碎紙片等(尺寸為40～50mm×40～50mm)，如圖3所示，效果良好；擦拭效果檢驗同樣良好。以人的正常行走速度作為清潔車行走速度，根據(jù)清潔寬度，可得道路的清潔長度為2880m/h，清潔效率為1728m2/h。

5結(jié)束語
在當(dāng)今能源日益緊張、環(huán)境問題亟待解決的形勢下，該清潔機的問世提供了行之有效的節(jié)能環(huán)保辦法。并以其自身具有的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、作業(yè)效果良好、成本低、適用范圍廣、全新作業(yè)感受的獨特優(yōu)勢，彰顯綠色環(huán)保的設(shè)計理念，值得推廣。
參考文獻(xiàn)
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