便携式太阳能环保清扫车的设计研究

李彦晶，黄莉莉，张亚萍，罗钿



便携式太阳能环保清扫车的设计研究

李彦晶，黄莉莉，张亚萍，罗钿

（兰州工业学院，甘肃 兰州 730050）

针对学校、公园、小区、小街巷等小区域范围内清扫人力投入多、清扫效率低等现状，设计了一款便携式太阳能环保清扫车。该清扫车通过太阳能电池板，将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，为电机供电，驱动清扫机进行清扫作业。其具有节能环保、结构简单、操作方便、成本低且针对性强等特点，能有效快速的清扫落叶、纸张、塑料袋和残留食物等生活垃圾，保护环卫工人的健康。

便携；太阳能；清扫车；节能；设计

引言

随着现代化程度的提高，人们对生活环境的要求越来越高。相应地，对城市环卫清扫车的需求也越来越多样化。目前，常用的清扫车主要用于清扫平坦且面积较大的城市主干道，工作时只需沿马路直行即可。然而，这些车型较大、结构复杂，完全不适合在学校、公园、小区、小街巷这些小区域范围内进行清扫；同时，这些区域的垃圾主要以落叶、纸张、塑料袋和残留食物等生活垃圾为主，受人为影响因素较大，分布杂乱。在这些场所，常见环卫工人借助于扫帚等工具进行清扫，其存在劳动强度大、效率低，清扫不彻底、二次污染等问题，更为严重的是损害环卫工人的健康。针对上述问题，设计一款适用于小区域范围内进行清扫作业的节能环保、结构简单、操作方便、轻量化的便携式太阳能环保清扫车。

1 总体方案设计

便携式太阳能环保清扫车主要由电动机、蓄电池、太阳能电池板、太阳能控制器、侧盘刷、滚刷、集尘箱、车轮和机架等组成，如图 1所示。便携式太阳能环保清扫车进行清扫作业时，环卫工通过手推扶手推动清扫车前进，太阳能电池板将太阳能转化为电能存储在蓄电池中，蓄电池为电机提供电能，电机将动力通过V带传递到带轮上，带动侧盘刷和滚刷的转动，左右两侧盘刷的旋转方向相反，将两侧的垃圾扫到中间，后滚刷的转动将垃圾扫到吸尘口，垃圾在负压的作用下，被吸入集尘箱，采用CATIA软件绘制的三维内部原理结构如图2所示。

1.太阳能电池板；2.手推扶手；3.集尘箱；4.滚刷；5.车轮；6-吸尘口；7.机架；8-侧盘刷；9.蓄电池；10.带轮

便携式太阳能环保清扫车不进行清扫作业时，可以将清扫车停放在太阳光线充足的地方，太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，为清扫车的工作提供足够能量，增加清扫车可持续工作时间[1]，其清扫车主要技术参数见表1。

图2 便携式太阳能环保清扫车内部结构

表1 便携式太阳能环保清扫车的主要技术参数

2 关键零部件的设计计算

2.1 电机的选择

清扫车作业时，因驱动滚刷和侧盘刷转动功率最大，所以总功率为驱动侧盘刷功率与驱动滚刷功率之和，其中两个侧盘刷和滚刷主要受到地面的摩擦力，所以可近似看作克服刷毛与地面间摩擦力所需的功率P，则两侧盘刷刷毛与地面间摩擦力所需的功率P1为：

式中：1—刷毛作用在地面上的压力，N；

1—摩擦因数，取值为0.4；

υ—清扫车的工作速度，m/s；

1—传动效率，取值为0.9。

其中，刷毛作用在地面上的压力1为：

式中：1—侧盘刷刷毛直径，1×10-3m；

1—人造纤维弹性模量，取值范围为(0.8~1.15)× 1011Pa；

1—惯性矩，取值为0.78×10-12m4；

1—刷毛的自由长度，取值为0.15m；

1—刷毛的变形量，取值范围为0.01~0.025m；

1—工作刷毛的数量，取100。

计算得：m1=9

驱动滚刷计算公式和侧盘刷计算公式相同，得驱动滚刷所需功率m2=48.13。

所以总功率为：

考虑到清扫车作业速度较低，对加速性能要求不髙，故忽略其加速阻力[4]，此外，清扫车在作业的过程中，也许会碰到垃圾较多的路面，需要一定的后备功率，因此便携式太阳能环保清扫车选用最高转速为3000r/min的电机，电机型号为60BL8-230。

2.2 太阳能电池板的选用

太阳能电池板功率决定所发电量，进而影响清扫车的可持续工作时间。经查阅相关太阳能板的资料，标准日照条件下1m2面积上太阳直射的功率大概为1000W，太阳能板的光电转换效率为20%，即1m2的太阳能板一小时能够200W·h的能量[5]。假设有效光照时间为6h，则需要太阳能电池板的功率为64W，选用18V、80W，型号为CSW-SP80MP12，尺寸规格为1100mm×660mm×30mm。

2.3 滚刷的设计

图3 滚刷主轴三维图

1-主轴；2-扫丝；3-滚筒；4-键槽

滚刷由主轴、滚筒和扫丝等组成，主轴采用阶梯轴形式，两端留有键槽，通过带传动使之转动，采用CATIA软件绘制的三维结构如图3所示。为了不让垃圾向滚刷两边飞散，滚刷的扫丝需与主轴成一定的角度，扫丝在滚筒上呈对称螺旋状布置，螺旋升角为16°。滚刷的直径为300mm，最大转速为152r/min，滚刷的接地角β为18°，滚刷结构示意图如图4所示。

2.4 集尘装置的设计

清扫车清扫的垃圾容易堆积在垃圾进料口处，既影响垃圾的继续收集，也影响到收集效率[6]。因此利用吸扫式的集尘装置，即依靠风机产生的负压将垃圾通过风道吸入到垃圾箱内，但这种方式需要较大功率的风机才能完成，因此在垃圾箱中设计一个风扇，使得产生一定的负压，避免垃圾在进料口的堆积及向外喷洒，造成二次污染。采用CATIA软件绘制的三维结构如图5所示。

图5 集尘装置三维图

2.4.1 吸尘口的设计

清扫车采用单式吸风口，作业时靠风机的吸力将垃圾经此口吸进垃圾箱，由风管、吸风口、橡胶或尼龙板组成。当清扫车向前行走时，吸风口借助风机的吸力将垃圾吸进吸管内而进入垃圾箱[7]。垃圾是在吸嘴处通过负压收集，垃圾箱内的负压使得吸风口产生高速气流，带动吸嘴下方的垃圾，吸入垃圾箱。要使垃圾被吸入，水平方向气流速度υ必须大于悬浮速度υ[8]。

2.4.2 风机的设计

风机的性能影响着吸尘效率，所以在设计时要考虑风机的效率、流量、风压等参数。合理的位置、叶轮布置形式、蜗壳以及入口结构的参数有利于提高风机的性能，从风叶片形状、叶片材料、进出风口的形状和位置、加工工艺等方面考虑，设计出体积小、风量大、噪声低、耐磨的风机[9]。

（1）风机的流量

风机的流量为单位时间离心通风机输送的气体体积，则：

式中：—风管的截面积，D2/4=0.0051m2；

υ0—风口内的气流速度，取值为22m/s；

η—管道密封效率，取值为90%。

得：=448.8m3/h，所以选取风量为500m3/h的风机。

（2）全风压P

如果在风机进出口列伯努力方程（位压头忽略不计）[10]，则有：

式中：—风机进出口处的气流速度，m/s。

静风压P和动风压P之和为全风压P，即：

通常动风压P指气流离开风机时的压力，则为：

由上式可知：静风压P和风机的进、出风压及吸尘口的气流速度有关系，且进出口风压差越大，则静风压越大；吸尘口的气流速度越大，则静风压越小。

（3）风机的轴功率和效率

风机的轴功率和效率可按下式计算[10]：

式中：—风机的流量，m3/s；

P—全风压，Pa。

由上式可知：风机效率不同，风机轴功率也不同，当风机启动工作时，其效率最低，则轴功率最大；当在额定工况工作时，轴功率最小，则效率最大。

3 结论

本文在CATIA绘图软件的辅助作用下，对便携式太阳能环保清扫机的关键零部件进行了设计。该清扫机适用于小区域范围内进行的清扫作业，具有节能环保、结构简单、操作方便、成本低且针对性强等特点，能有效快速的清扫落叶、纸张、塑料袋和残留食物等生活垃圾，保护环卫工人的健康，并为其提供了一种简单便捷的清扫用具。

[1] 寇杰.手推式太阳能环保清扫车的研制[J].节能,2015(06).

[2] 朱伏龙.基于吸尘性能的吸尘口结构研究与流场分析[D].上海交通大学,2008:31-32.

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[4] 徐慧超,吕钊钦. 新型洗扫车设计与仿真[J]. 山东农业大学学报(自然科学版). 2016(01).

[5] 孟宝.汽车可折叠式太阳能板追光系统的设计与研究[D].吉林大学,2017.

[6] 李志红,林又红等.特种微型路面清扫车[J].工程机械. 2009(01).

[7] 李之立.吸扫式清扫车的除尘装置简介[J].商用汽车,2012(20): 80-81.

[8] 李传峰.滚轮式楼道清扫小车的设计[J].河南科技大学学报(自然科学版),2015,36(06):10-13.

[9] 宋永刚.真空清扫机负压吸尘机理及系统设计方法初探[J].筑路机械与施工机械化,1992,9(40) : 3-10.

[10] 徐敏.空气与气体动力学基础[M].西安:西北工业大学出版社, 2015:19-193.

Design and Research of Portable Solar Environmental Sweeper

Li Yanjing, Huang Lili, Zhang Yaping, Luo Tian

（Lanzhou Institute of Technology, Gansu Lanzhou 730050）

To solve the cleaning problem of schools,parks, communities and side streets,such as more manpower and low working efficiency,a kind of portable solar environmental sweeper was designed. The sweeper of solar panel changes solar energy into electricity which is saved in battery,the battery supplies power to motor,so that the motor car was drived to the cleaning work. It has the characteristics of environmental conservation and energy saving, simple structure,conveni -ent operation,low cost,stronger pertinence and so on. It can clean quickly and effectively to domestic garbage such as fallen leaves,papers, plastic bags,food remains and so on,so that it protects dustmen health.

portable;solar;sweeper;energy conservation;design

A

1671-7988(2018)18-17-03

U469

A

1671-7988(2018)18-17-03

CLC NO.: U469

李彦晶（1984），女，甘肃甘谷，硕士，讲师，主要研究方向为车辆工程。基金项目：2016年甘肃省高等学校科研项目（2016A-100）；2017年兰州工业学院青年科技创新计划项目（17K- 013）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.006