张 凡,杨秀芝,李 涛
(湖北理工学院机电工程学院,湖北黄石435003)
我国从20世纪60年代开始研制生产道路清扫保洁机械,经历了从功能单一、性能差到多元化和多功能化的发展历程,某些作业性能已达到发达国家的水平,但主要集中于大型路面清扫机的研制,而适用于小区、学校、食堂、小街、小巷、走廊等场所的中小型清扫机的研制开发才刚刚起步。虽然我国研制出的清扫机在品种规格和使用性能上已基本满足国内各种需求,但产品存在外形单调、功能单一、操作不方便、清扫效率低等问题。此外,我国对清洁车的研究主要集中在产品的多功能化、模块化和数字化上,对产品的环保化和人性化考虑较少。因此,设计一款集娱乐、运动、健身功能于一体的清洁工具具有重要的现实意义。
设计的清洁滑板车主要由滑板车本体、清扫结构、擦洗结构、传动系统、补给系统、回收系统、状态转换系统、调节控制系统等组成。其中回收系统包括垃圾回收单元和脏水回收单元。调节控制系统主要由清水补给流量调节和擦地压力控制2 部分组成。状态转换系统实现清洁与普通娱乐滑板车2 种工作状态的转换及转换后的自由转向。滑板车本体面板底部两侧有U型槽,它使传动系统与滑板车清洁执行元件隔开,避免垃圾及污水对传动系统产生影响,把手杆高度可调,且能折叠,便于存储。清洁滑板车主体系统结构如图1所示。
图1 清洁滑板车主体系统结构
清洁滑板车使用后轮驱动,通过齿轮传动与链条链轮传动来驱动扫地毛刷轮及拖地胶棉滚筒,并分别调节其转速及转向,使扫地毛刷滚筒与清洁滑板车后轮的转向相同,拖地滚筒与清洁滑板车后轮转向相反。清洁滑板车传动系统结构图如图2所示。
图2 清洁滑板车传动系统结构图
在扫地滚筒的高速转动作用下,地面垃圾沿斜板进入垃圾盒,掀开清洁滑板车面板上的盖板取出垃圾盒,便可对垃圾进行清理。拖地胶棉滚筒的转向与清洁滑板车前进方向相反,在螺栓的锁紧力作用下,与拖地滚筒轴过渡配合的轴承被夹紧在跑道型孔内,因此通过调节螺栓的栓紧位置及预紧力,可使拖地滚筒在垂直于地面方向上跑道型孔两半圆弧中心距范围内上下移动,实现针对不同地面清洁要求的调节。回收脏水的刮板一端与胶棉滚筒上圆弧压紧相切,擦洗过地面的胶棉滚筒圆弧面不断转向与刮板接触,通过与接触处的挤压和刮擦,表面污水沿刮板流入脏水回收盒,回收盒呈抽屉状,可从滑板车一侧抽出来处理脏水。与清水箱底部相接的一终端封闭,管壁开孔的导管导入刮板底部,开孔壁与滚筒相切,在水压的作用下,导管内清水喷溅在滚筒上对其进行清洗与湿润,导管上接有与拉簧和刹车钢丝线连接的阀门,通过旋转把手杆左转把拉动钢丝线,可调节导管内水流量。最后清洁工序为对地面的擦干,通过旋转把手杆右转把可调节擦地胶棉板与地面的压力。清洁滑板车剖面图如图3所示。
图3 清洁滑板车剖面图
清洁滑板车有2 种工作状态,即清洁小车和滑板小车。清洁小车主要完成对地面垃圾的清扫、地面的擦洗及最后的擦干;滑板小车只作为普通的娱乐工具,不完成任何清洁工作。图3 为清洁滑板车前后支架轮立起状态,清洁滑板车前后支架轮收起状态图如图4所示,利用拉簧的拉力及平面连杆机构的死点位置收起和发下卡死支架轮来实现2 种工作状态的转换。为解决放下支架轮后滑板车的转向问题,清洁滑板车前轮与把手杆固接并装有一个齿轮1,前支架轮支撑杆上装有一规格相同的齿轮3,支撑杆一端与轴承和卷簧相连,轴承和卷簧安装在另一开孔支撑杆内,当前支架轮未立起时,转动前支架可实现自行复位,当前支架轮立起且齿轮3 与齿轮2 啮合时,把手杆转动时带动齿轮1 转动,通过3 个齿轮的啮合,中间齿轮2可调节转向,使齿轮3 的转动状态与齿轮1 相同,从而实现前支架轮与把手杆的同步转向。
图4 清洁滑板车前后支架轮收起状态图
清洁滑板车通过毛刷转动来清扫地面垃圾(多为细小颗粒物),要使垃圾能够顺利通过斜板进入垃圾盒,对扫地毛刷的尺寸及转速、斜板的长度和仰角都有一定的要求,现对运动过程分析如下。
垃圾在斜板上的运动示意图如图5所示。静止物体在斜板上的运动状态有如下2 种:①物体静止在板面上;②物体沿板面滑下。考虑扫地功能的可靠性,以状态①来设计:
公式(3)为垃圾可顺利进入垃圾盒时,斜板高度与长度应满足的关系。综合考虑清洁滑板车与地面高度及机构结构的紧凑性,取θ=30°,l =60 mm,则h =35 mm,求得物体临界速度v = 0.62 m/s。根据毛刷实际生产工艺条件,毛刷材质采用尼龙材料,取毛刷滚筒刷芯直径为38 mm,毛刷直径d 为96 mm,毛长为28 mm,单根直径为1 mm,接地长度为3 mm。垃圾能扫入垃圾盒内,毛刷滚筒最低转速为:
图5 垃圾在斜板上的运动示意图
清洁滑板车后轮驱动扫地毛刷滚筒的传动比设计为1 ∶2,要使小车能正常扫地,则后轮转速n0=2n =2 ×123.3 =246.6 r/min,小车后轮直径D 为100 mm,小车前进速度为:
查相关手册得橡胶与固体的静摩擦系数为1.0~4.0[1-2],清洁滑板车工作场所多为地板砖路面且有水润滑,取摩擦系数为1.2,小车通过胶棉滚筒的反转拖地与地面产生静摩擦力,是小车前进阻力的最大来源,为便于计算,其他滚动摩擦力忽略不计。小车面板材料为1.7 mm 的厚不锈钢板,把手杆、齿轮、支撑杆等为球墨铸铁,链条、轴等为45#钢,其他材料密度取近似值,通过Pro/Engineer 三维造型与质量分析测得小车质量约为15 kg,则小车在前进过程中阻力f ≈μmg=1.2 ×9.8 ×15 =176.4 N,设驱动力为F,小车从静止开始在距离s 处达到清扫速度,则F 与s 应满足如下关系:,将f、m、v0代入上式,可得:。假设小车在0.5 m 距离内达到清扫速度,则驱动力F 至少应为201.4 N,可见较大孩子才能提供足够动力,也就是说优化此车结构设计、减小摩擦是今后小车完善的方向。
清洁滑板车的清洁作业实验是测试该清洁滑板车最终是否成功的关键步骤。实验时,在走廊地面撒上灰尘、米粒、瓜子壳、花生壳、树叶、纸屑、硬币来模拟实际生活中可能遇到的情况。实验之前清空垃圾盒、脏水盒,并将水箱加满清水,放下前后支架轮将小车滑到实验地点,发现小车能顺利转向,到达实验地点后收起前后支架轮,试清洁过程中观察地面清洁情况,并旋转左右把手杆转把将水阀和擦地胶棉板调节到合适状态,开始实验,保持一定的蹬力滑动清洁滑板车,使之朝放有垃圾的地面驶去。实验结束后,小车经过的地面被清扫干净,取出垃圾盒和脏水盒,发现里面有垃圾和脏水,说明清洁滑板车清洁功能达到了研制要求。
实验过程中影响实验结果的主要因素有[3-9]:①小车扫地毛刷滚筒的植毛密度;②小车阀门的开启程度和擦地胶棉板与地面压力大小;③拖地胶棉滚筒与地面接触程度;④小车前进过程中滑动小车的蹬力大小。清洁滑板车实物图如图6所示。
图6 清洁滑板车实物图
1)状态转换与转向装置能正常运作,实现了清洁与娱乐相结合、一车多用的目的。
2)扫地、拖地、擦地、废物回收、清水自动补给、拖地滚筒自我清洗等工序的集合,不仅提高了清洁效果,还提高了工作效率。
3)清洁滑板车左右把手杆转把对水流量和擦地压力的可控调节不仅使小车人性化,还提高了适应性。
4)在清洁滑板车进行实验时,对有灰尘、纸屑、花生壳和瓜子壳等垃圾的地面能够有效地完成清洁作业,表明清洁滑板车系统结构的研究和分析方法是可行的。
通过对清洁滑板车的研制和实验,结果表明,虽然在总体指标上达到了研制要求,但是还存在需要改进的地方,如由清洁滑板车的体积而引起的局限性、清洁滑板车制作工艺的精细程度对清洁效果的影响、清洁滑板车改用电机驱动等将是今后研究的主要内容。
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