小型垃圾清扫车的结构设计与分析

雷晓钧 张 辉

(嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001)

0 引言

随着自动化设备的不断发展，自动化清扫车完成了大部分城市公路的清扫工作，大大减少了环卫工人的数量[1]。清扫车主要在城市平坦的公路进行清扫，而环卫工人还使用传统的扫帚进行清扫，所以环卫工人的工作强度并未减少[2]。根据目前垃圾清扫车的现状，本文设计了一种适用于公园、小区、绿化带及人行道等小路的小型垃圾清扫车，降低环卫工人的劳动强度，提高清扫效率。

1 工作原理

人力推动小型垃圾清扫车运动，清扫车的清扫辊刷在前轮带动下转动，把地面上的垃圾清扫到撮板上，垃圾顺着撮板到达活动挡板，通过清扫辊刷的不断转动挤压垃圾打开活动挡板进入垃圾箱，从而完成对所经过地面垃圾的收集。垃圾清扫车不工作时可以向下压扶手，则清扫车的前轮离开地面可快速前进。工作时放下扶手，前轮重新开始转动，则继续带动清扫刷辊进行清扫。倾倒垃圾时先压下扶手再放开扶手可以关闭收集箱的活动挡板，垃圾箱被封闭起来，再打开活动挡板倒出垃圾[3]。

2 结构设计

本文根据环卫工人的工作需要，设计了一种新型的低成本、小体积、结构简单、使用方便的小型垃圾清扫车。此垃圾清扫车主要由扶手、万向轮、皮带轮、撮板、清扫刷辊、刷辊护罩、刷辊轴承、皮带、轮轴、垃圾箱等组成，主要分为清扫装置、前进装置、传动装置和收集装置等部分[4]，其结构示意图如图1 所示。

清扫装置由清扫刷辊、斜刷、撮板和护罩组成。清扫刷辊安装在清扫车的前部，清扫刷辊水平放置旋转收集地面的垃圾，清扫刷辊利用前轮的滚动对地面垃圾进行清扫，再驱使垃圾沿着撮板进入垃圾箱，清扫刷辊的直径为20mm，刷苗高65mm，为高强尼龙丝做成，具有高强的弹性；斜刷位于前方呈外八字安装，主要收集路牙、护栏下面和隔离带死角的垃圾扫进入到清扫刷辊工作范围内，大大减少了清扫盲区，扩大了清扫幅宽，使得垃圾车前面清扫无盲区；护罩位于清扫刷辊的上方，防止清扫后的垃圾乱飞及垃圾沿清扫刷辊再次回落到地面的现象。

前进装置由两个万向轮和两个传动轮组成，使用者推动扶手给清扫车前进的动力。传动轮承担支撑清扫装置重量，使用者推力转化为清扫刷辊的转动。后轮采用万向轮，转动灵活，适合清扫曲折道路。快速运动的时候可以压下扶手使前轮离开地面，后面的万向轮承受整车的重量，方便快速移动和转动方向。

传动装置采用皮带传动,皮带连接传动轮和清扫滚刷，采用单边传动，防止清扫转弯或弯曲道路打滑或卡死，有效的延长了清扫滚刷的使用寿命。可通过两个前后皮带轮直径比调节清扫刷辊的转速，方便日常维护。

收集装置由垃圾箱和底板组成。为了方便倒垃圾和日常维护，垃圾箱可以拆卸。垃圾箱与底板紧密配合，底板与刷辊护罩、撮板连接。底板上布满小孔，方便垃圾中的水流出，减轻垃圾清扫车的重量。工作时为了防止垃圾倒出，在垃圾箱内部设计了一个可转动的活动挡板。当外部垃圾被清扫滚刷推到活动挡板前时，活动挡板被推开进入到垃圾收集箱；完成清扫工作时，活动挡板自动恢复关闭状态，可以有效防止垃圾倒出。倾倒垃圾时活动挡板处于关闭状态，垃圾箱才可方便拿出。

3 有限元分析

从小型垃圾清扫车的工作原理和结构分析可知，小型垃圾车主要受力零件是清扫刷辊，清扫刷辊的跨度最大，为柔性体易变形，其受力最大，其可靠性和稳定性如果满足条件，其他部件自然满足要求。清扫刷辊由铝合金棒料加工而成，主要完成垃圾的清扫，属于易损和磨损件，要求材料具有良好的刚度与韧性。为了保障清扫刷辊的刚度和强度符合设计要求，在Solidworks 软件中建立了清扫刷辊实体模型并导入ANSYS workbench 软件中进行有限元分析。清扫刷辊的材料为铝合金，密度ρ 是2770 kg/m3，杨氏弹性模量E 是7.1*1010pa，泊松比μ 是0.33。清扫刷辊的横截面是圆形，直径是20mm，采用ANSYS workbench 软件划分网格，其精度选择-85，因为其结构简单，则节点有2037 个,单元格有370 个。

清扫刷辊的载荷主要指清扫刷辊自身重量和毛刷与地面的摩擦力，其极限摩擦力的2 倍是1000N，摩擦力沿清扫刷辊的切向。使用ANSYS workbench 软件对清扫刷辊进行有限元分析，得到清扫刷辊在清扫过程的应变图。清扫刷辊两端通过简化可认为是固定端约束,然后给清扫刷辊加载自身重量和摩擦力载荷，得到极限载荷下的应变图，如图2 所示。

图2 横梁受力应变图

从图2 清扫刷辊有限元分析的应变图可知，清扫刷辊应变量的最大位置是处于清扫刷辊中心的位置，清扫刷辊的变形在极限载荷下的最大变形是0.1mm，且变形关于其中心对称，远超设计技术要求。

4 总结

使用Solidworks 软件建立了小型垃圾清扫车的三维图，并使用ANSYS workbench 软件对小型垃圾清扫车的关键零件清扫刷辊进行了静力学有限元分析，得到小型垃圾清扫车的关键零件应变图。从以上分析可知，此小型垃圾清扫车的设计合理，结构简单。制造出了样机，通过样机在人行道和广场等以3km/小时进行清扫实验，从实验结果可以看出本小型垃圾车可以有效的完成清扫工作，可以把经过的地面上的树叶和纸屑等垃圾清扫干净，达到清扫要求。

［1］吴刚，张棉好，等.小型电动清扫机的研制[J].科技资讯，2011（15）：34-36.

［2］杨启勇.纯扫式街道垃圾清扫小车的设计[J].机械与电子，2010（10）：71-73.

［3］庄泽堂.扫路机垃圾提升转运机理研究与机构改进[J].筑路机械与施工机械化，2004,21（9）：31-32.

［4］雷晓均，陈超，等.小型垃圾清扫机的设计[J].科技信息，2014(3)：66-67.