城市道路清扫机吸尘模块的改进设计

周著学（闽南理工学院，福建石狮　362700）

城市道路清扫机吸尘模块的改进设计

周著学
（闽南理工学院，福建石狮362700）

城市道路清扫机在我国越来越普遍，国产的清扫机普遍存在清扫过程效率低、清洗效果不佳、维修率高等问题，论文从清扫机结构入手，以 “吸扫式”清扫机为研究对象，尝试探究清扫机出现上述问题的原因所在。以城市道路遇到的垃圾尘粒为出发点，通过计算，得出改进前后清扫机关键性能参数的对比，以期提高清扫机的工作的效率，提高保洁效率。

清扫机；吸尘；电动机；吸嘴

0　引言

清扫作业是公路养护工程的重要内容，为适应我国快速城市化的发展需要，城市道路的清扫实现机械化是大势所趋。道路清扫机是重要的路面养护专用环卫车辆之一，具备洒水喷雾、清扫、吸入垃圾等功能。主要用于高等级路面和城市路面以及广场的垃圾清扫。它的出现和使用，将极大减轻环卫工人的劳动强度、节省工作时间。对道路清扫机性能的改进可以提高清扫机的工作的效率，减轻环卫工人的劳动强度，加速环卫死角的清理，提高保洁效率。但是我国普遍投入使用的道路清扫机存在清洁路面不够干净的问题。本文以小型道路清扫机为研究对象，对其结构原理做了详细的调查研究，并针对清扫机的吸尘模块做了改进设计，以期对我国的道路清扫机的设计与发展提供一定参考。

1　调查研究及改进方案的提出

我国的清扫机研制起步较晚，清扫机的机电一体化程度相对国外来说比较落后。20世纪60年代，我国研制出第一代扫路机，由于清扫效果差、劳动强度大，操作不方便、面世不久即被淘汰。70年代，国内相关科研机构、生产厂家加大了扫路机的研究开发力度，我国第二代扫路机由此诞生。北京和上海研制了大、中、小三种规格的纯扫式扫路机，S31大型扫路机和S32中型扫路机、S15小型扫路机的技术水平比第一代有了较大的提高。但由于传感器、液压技术、真空技术、电液操作等技术原因，使该类道路清扫机的使用受到极大限制，直接制约和影响了我国清扫机装备的发展。

这迫切需要针对国内清扫机进行技术改造，对清扫机实行智能控制、针对不同的工作环境对清扫机进行相应的设计和改造，使其更加适应时代的发展和需求。这需要在之前的技术基础之上进行改进，将清扫机机型变得简单轻便，外观更加美观，在增大承载容积和载荷能力的同时，降低清扫机的重量。提高清扫机的使用寿命，减少噪声，降低成本，使清扫机更加的人性化智能化，更加方便人们的使用，这些研究对于我国清扫机的发展具有重要意义。

本文以吸扫式清扫机为研究对象，该机器包括清扫装置、风机、减速器、柴油机、吸嘴及等部分。工作时，由汽车的主发动机使车辆行驶，副发动机带动风机使垃圾箱内产生负压，盘刷将清扫范围内的垃圾扫至中间由吸嘴把垃圾带入垃圾箱内。道路清扫车装有两个扫盘，其作用是将路面上的垃圾扫至吸入（吸口）区范围，再依靠吸入系统的强风力风机所产生的较大的负压，将垃圾吸入垃圾箱内，垃圾进入垃圾箱内还需要经过重力除尘和脉冲除尘。

我国广泛使用的吸扫式清扫机普遍存在的问题是动力不足，吸尘口的负压不足以吸入较大颗粒，吸嘴和吸尘罩的设计也比较落后，导致效率较低。本文提出的改进方案首先是解决动力不足的问题，采用双发动机由主发动机驱动车辆行驶，副发动机驱动风机、电动机驱动盘刷，这个方案可以从根本上解决动力不足和单发动机的过载问题。

2　吸尘模块的改进设计

吸尘模块包括吸尘模块的动力部分、风机、吸嘴、风机轴、键以及带轮等。吸尘模块的工作首先是由电机驱动清扫装置将垃圾清扫至车辆中间，其次利用副发动机输出的动力通过机械传动系统，驱动高压离心式除尘风机工作，为了使得风机能产生足够大的负压，需要选择更大功率和转速的风机，才能在除尘设备中产生高速负压气流，通过特殊设计的吸尘罩，吸入路面上的垃圾尘土，经各级除尘设备滤尘，使垃圾尘土与流动气流分离，最后将干净空气排入大气，完成一个工作循环。这样的改进使得吸扫式清扫机能够实现全区域化作业，适应各种各样的复杂路况，效率大增。

根据调查研究，市面上相当一部分吸扫式清扫车还采用单发动机驱动，少部分采用双发动机驱动，吸尘部分的发动机功率小，转速仅为350-480r/min之间，达不到好的效果。本文尝试从实践入手，以对城市道路常见垃圾尘粒的分析入手，倒求风机的转速和功率。

3　风机风量的设计

风机装置是由风机、风机轴承座、风机支架、风机进出口接管等组成。风机装置是主要工作机构之一，它的作用是使污水垃圾箱抽吸处于强负压状态，在吸嘴与地面的间隙处产生高速气流，利用气力输送原理将污水和垃圾吸入污水垃圾箱内。本设计采用专用高压离心风机，噪声小、效率高。传动部分则采用液压传动方式，提高了传动效率，并使风机布置十分紧凑。如图1所示。

图1　风机Fig.1 Draught fan

4　常见垃圾尘粒分析

考虑到道理清扫车的工作对象（吸入的垃圾）分析，计算风机的功率。如表1所示。

表1　常见垃圾尘粒物性Tab.1 The physical properties of common waste dust particles

在各种垃圾类型中，选取清扫车较难吸送的粒径为20mm的混凝土碎块为例，计算其悬浮速度，混凝土球形颗粒自由悬浮速度：

式中：g—重力加数度，取9.8/s；ds—颗粒直径，取20mm；ps—颗粒块的密度，颗粒块的密度，取2400kg/ m3；p—空气的密度，取1.29kg/m3；C—阻力系数，由气流雷诺数Re决定。通过对清扫车吸送尘粒时力的研究得出，惯性力在被传送垃圾尘粒的受力中影响最大，属于湍流运动，Re＞4000，取C=0.44。由以上参数求得：Vh=34.5m/s。

以上的计算模型是基于单个球形颗粒在空旷的空气场中运动的条件下，实际上对于吸扫式清扫车来说，垃圾尘粒的形状很少是完美的球形，而且往往也是数量庞大的个粒在同一时间相互作用，尘粒与尘粒之间还会相互碰撞，尘粒进入吸气口之后，也是出于一个相对密闭狭窄的而不是在空旷的空气场中运动。尘粒的形状、数量以及流场的大小都对悬浮速度有着不同程度的影响，因此，有必要上述公式的计算结果加以修正，使得理论计算与实际情况更相符。

通过查阅手册，得出速度修正公式。修正后，混凝土颗粒被吸入时，颗粒实际悬浮速度：

式中：Ke—形状系数，取1.5；D—圆形风管的直径，取200。由以上参数求得：Vu=27.9m/s。

5　吸嘴参数的计算

吸嘴是一个封闭的直径不一的吸气罩，吸嘴两侧共有2个橡胶滚轮，用以保证吸嘴底部与路面的一定间隙，该间隙对吸力影响很大。滚轮使用后出现磨损，应做相应的调整，以保证吸嘴底沿离地间隙保持在8mm～12mm之间。吸嘴通过升降机构及气压操纵的提升装置与车架相连，吸嘴放下工作时通过滚轮接地并可随路面的起伏上下左右浮动，确保吸嘴底沿离地间隙保持均匀。

吸嘴的结构设计如果不合理，一方面会造成部分区域的垃圾不能完全清除，另一方面会造成在吸盘正前方的部分垃圾被吹出吸盘，造成二次污染。吸嘴结构设计的合理性对扫路车的性能和清扫效率有着十分重要的影响。如果风机的设计或选型与吸尘盘、垃圾箱相匹配，则吸尘盘的结构型式与安装将对吸尘效率的提高起着至关重要的作用。如图2所示。

图2　清扫车吸嘴结构Fig.2 The structure of suction nozzle in dust cleaning machine

式中：x—距极点的竖直距离；Vx—距极点x处的气流速度，取27.9m/ s；V0—管路系统内的气流速度，取45m/s；a—吸嘴的长度，取0.5m；b—吸嘴的宽度，取0.7m；F—吸嘴的面积，取F=ab= 0.35m2。

由上一节计算得知，要保证Vx≥27.9m/s，则x＜0.2m。

对于所需风量的计算：

式中：A—风管的截面积，取 A=πD2/4=0.0314m2；ηm—管道的密封效率，一般取93%；由以上参数，求得：

由以上计算可知，选取风量为5500m3/h的风机较为合适。

（3）风机所需功率的计算：

式中：ηb—风机的流体效率，取0.7；△P—管路系统消耗的总压力，取6300Pa

由以上参数，求得：P=13.8kW/h。可见在城市道路上，风机能够吸入常见垃圾尘粒所需的功率是13.8kw/ h，它能够产生Q=5470m3/h的风量，而圆形风管的直径为200mm，比普通吸扫式道路清扫机要小，保证了道路清扫机的吸风口 “小而有力”。如表2所示。

表2　普通吸扫式道路清扫机改进前后主要参数对比Tab.2 Comparison of main parameters before and after improvement of the common dust cleaning machine

从以上分析和计算可知，电机功率的增大是非常有必要的，双电机的改进方案确保了清扫车和吸尘模块都能互不干扰的工作，保证了风量的供应，极大的改善了清扫机的清扫效果。

有了如上参数，还要进行轴的设计，包括轴的校核、关键零件的选择、定位和校核、键联接的选择与校核、联轴器的选择，以及带传动的设计计算等等工作需要完成。

6　结论

本文通过调查研究，以实际道路上遇到的常见垃圾尘粒为切入点，通过计算的方法算出了风量、功率等清扫机的关键数据，通过改进后的吸扫式清扫机与普通吸扫式道路清扫机的对比，科学的揭示了普通道路清扫机清扫效果不佳的内在原因，并以此为出发点，提出了可行的解决方案，并通过计算进行了验证。

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The Design and Improvements of Dust Collection Module in the Urban Road Dust Cleaning Machine

ZHOU Zhu-Xue
（Minnan University of Science and Technology，Shishi Fujian 362700，China）

Urban road cleaning machine is becoming more and more common in our country，domestic cleaning machine have some problem in such as cleaning process，low efficiency，poor cleaning effect，high maintenance rate，this article obtains from the cleaning machine structure，in order to"suction cleaning"absorption cleaning machine as the research object，try to explore the cause of the cleaning machine appear afore-mentioned problems.As a starting point of garbage in urban road encountered dust particles，through calculation，improve the key performance parameters before and after cleaning the machine，in order to improve the efficiency of the cleaning machine work，improve the efficiency of cleaning.

cleaning machine；dust collection；electric motor；suction nozzle

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.022

1002-6673（2015）05-059-03

2015-08-25

周著学（1985-），男，华侨大学机械工程专业工程硕士在读。主要研究方向：机械设计。