鼓风铲斗式树叶清扫车的设计与应用

李青芬 黄晓云

摘要：针对现有道路清洁车、树叶清扫车清扫装置占用空间大，机构复杂，功能单一，价格昂贵，不好安装，实用性差，提出了铲斗式树叶清扫车设计方案。整体设计包括盘刷机构，铲斗机构，鼓风机构等;此机构以液压系统和电机为动力来源，对清扫车辆所行驶经过道路上的树叶进行清扫，结构简单、体积小、成本低、维护难度小。采用Solidworks三维建模，确保了设计的可行性。

关键词：铲斗式树叶收集车;设计;应用;鼓风铲斗;可伸缩

0  引言

随着城市的快速发展，生态文明建设的推进，城市道路的清洁显得尤为重要，市区树叶的清扫需要耗费大量的人力物力，为减轻环卫工人的劳动强度，树叶清扫车的设计与使用应运而生。目前，纯扫式树叶清扫车的清扫机构，容量小、操作麻烦、二次扬尘污染严重、故清扫效率不高。小型纯吸式和吸扫式清扫作业装置可靠性有待提高，而大中型的清扫装置造价高、能耗高、噪声高、排放污染严重[1]。为此，本文提出了一款机构简单，成本低廉的扫铲吸相结合的清扫装置，以满足社会对道路清洁车的需要。

1  鼓风铲斗式树叶清扫车的总体设计

1.1 总体方案设计

针对目前树叶清扫装置占用空间大、功能单一、价格昂贵、操作复杂等一系列问题，本文基于《机械原理》[2]、《机械设计》[3]，参考张安康的《新型多功能道路清扫车设计》[4]，提出了一种更加经济实用的树叶清扫装置设计方案：采用可调节盘刷、自动压缩铲斗和鼓风机构配合使用的设计，既满足了不同车型的需求，同时又实现了清扫、铲除、吸等功能于一体清扫装置的合理配置。本文主要对清扫装置机械部分进行设计，经过调查研究，确定最终的设计方案如图1所示。

本设备主要包括盘刷机构、铲斗机构和鼓风机构三大装置，通过自动压缩铲斗，在不用时将清扫装置快速便捷的恢复到不易发生碰撞的位置，提高车辆的通过性。

盘刷机构主要由盘刷、升降机构和电机组成。机构采用1个盘刷、1个盘刷底座、1个盘刷电机，2个液压升降杆和1个液压升降杆固定板，在升降杆的作用下能实现自动调整盘刷的高度和角度，使树叶清扫车辆在清扫时能适应各种路面，达到最好的清扫效果。

铲斗机构包括铲斗机构和调节装置组成。铲斗机构采用1个铲斗、1个压缩铲、1个铲斗机构盖组成，调节机构包括1个压缩铲压力调节系统、1个压缩铲角度调节系统。结构简单，维护成本低，通过压力调节系统和角度调节系统，增加了清扫装置的清扫范围。

鼓风机构主要由鼓风机和管道组成。其功能是将清扫进铲斗的树叶吸入车厢，增加储存树叶的容量，提高树叶清扫车使用空间。

1.2 基本工作原理

将盘刷调整到适合的角度和高度，把车辆行驶中清扫的树叶扫到铲斗旁边，通过压缩铲将树叶铲进铲斗内，并进行一定程度的压缩，压缩铲到达行程极限位置时，铲斗内部形成一个密闭的空间，鼓风机通过管道将铲斗树叶吸入车厢内部，完成树叶的清扫工作。

2  盘刷机构设计

盘刷机构有液压杆、液压底座、电机、盘刷及盘刷底座等组成，其三维模型如图2所示。

为增大清扫面积，在清扫车辆的前方布置了2个盘刷。用电机4带动盘刷7实现旋转，用液压杆2的伸缩控制盘刷的高度和角度，进而控制盘刷的清扫位置和面积。电机4、盘刷7通过液压杆固定座1固定在液压杆上，液压杆2带动电机、盘刷、法兰通过液压底座3固定在车架上。盘刷是道路清扫车的关键零件，盘刷的选取直接影响到路面的清扫效果，所以进行清扫装置的设计首先选取了适合的盘刷，盘刷的设计结构必须能实现向外伸展、保持和收缩的动作。盘刷结构如图3所示。

盘刷的具体尺寸参数如表1所示。

其中，刷毛接地点的方向、盘刷接地点的速度是影响盘刷性能的重要因素。许蓓、余大平和邢兵经过研究发现：在大多数路段把车速、刷盘接地点的速度、内倾角分别设定在8～10km·h-1、12 m·s-1、30°时可以取得最好的清扫效果[5]。所以，本设计为了让盘刷的工作效果更佳，盘刷的角度布置为30°。而且由于液压系统的设计，盘刷的角度并不是一成不变的，而是可以调节的，这样就可以适应不同路面、不同车速的需求。

盘刷驱动电机经计算后如表2所示。

3  铲斗机构设计

铲斗机构主要是接收盘刷清扫过来的树叶，并在允许的范围内对盘刷扫过来的树叶进行压缩。铲斗机构原理图如图4所示。

铲斗机构采用铲斗加液压压缩铲的设计，布置1个在清扫车辆的中后方。在使用时，铲斗接受盘刷清扫过来的树叶，当树叶充满铲斗时，由于树叶之间的间隙较大，仍有一定的压缩空间，这时压缩铲在液压系统的作用下将铲斗入口处的树叶压进铲斗内部，并对整个铲斗内部的树叶进行压缩，最后被鼓风机构吸入车厢内。

铲斗机构接收树叶主要是靠车辆的运动，最后辅以压缩铲的压缩进行工作。铲斗机构设计了两个液压系统，一个是负责压缩铲的升降，一个是负责整个铲斗机构的升降。两个液压系统的参数如表3所示。压缩铲的升降虽然有压缩作用，但它的主要作用还是让压缩铲封闭铲斗的内部空间，使鼓风机的风力充分作用在铲斗的内部，节省一些不必要的浪费。另一个液压系统是由两个液压主缸组成，增加一个液压主缸虽然增加了成本，但可以使铲斗机构的升降更加稳定，不会发生偏转现象，它主要是负责铲斗机构的升降。出于性能和成本方面的考虑，铲斗机构并没有加入避让轮，而是让铲斗的前端使用耐磨材料接地，这样可以直接铲入路面上的树叶，还使铲斗机构不会产生太大的损伤。而且前端的耐磨材料十分便宜，发生严重磨损和碰撞之后可以快速更换，不影响接下来的工作。

4  鼓風机构设计

鼓风机构主要是由鼓风机和鼓风管道构成，是用来将铲斗内的树叶吸入车厢内的机构。其中鼓风机是标准件，可以自行根据铲斗内管道的大小和预计要吸入树叶的质量安装适合的鼓风机。以下为鼓风机配置下的管道口设计。为了将铲斗内的树叶吸到车厢内，考虑到铲斗的尺寸和鼓风机产生吸力的大小，需要在铲斗机构上开两个直径为150mm的孔接通管道。管道口布置图如图5所示。

管道在清扫车工作过程中起极大的作用。一方面因为清扫车辆底盘下的空间比较狭小，难以放置体积较大的铲斗，另一方面，铲斗过大也可能导致鼓风机的吸力不足，难以产生良好的清扫效果。所以，在有限的空间内储存更多的东西变成了设计的难点。本设计正是结合了纯吸式和纯扫式两种清扫车的优点，通过连接铲斗和车厢的方式变相增加垃圾的容量，而管道是铲斗和车厢间的纽带。合理的管道布置，将使清扫车的效率大大提升。

5  设计装配实现

为验证盘刷、盘刷升降装置、风机、风机驱动电机各个零部件的装配尺寸，实现收集树叶功能，对其进行总体结构装配的验证，运用三维软件Solidworks进行装配之后的效果图如图6所示。

本设计创新点如下：

①对盘刷系统进行了优化设计，采用了双液压系统控制盘刷的起降与倾斜，增大了清洁车的清扫面积及效率。

②设计了可压缩、伸缩式铲斗，维护方便，成本低廉，增加了树叶容纳量，同时使吸纳过程更加顺利。

③采用鼓风机构进行最终的收纳，节省了车厢的占用量，同时相较于其他系统操作更加简单可靠。

本设计采用Solidworks软件对鼓风铲斗式树叶清扫车进行三维建模，并最终完成了整体的装配设计。由于本人水平有限，只进行了三维装配，模拟，没有进行功能上的运动学、静力学、动力学分析，设计细节之处也有待提高，比如对于收集进入车厢树叶的处理及自动卸车装置。今后将进一步深入研究，使设计更为合理。

参考文献：

[1]简洁.电动清扫车清扫作业装置的设计与研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.

[4]张安康，张攀，王选，等.新型多功能道路清扫车设计[J].科技创新导报，2019，16（13）：87-88.

[5]许蓓，余大平，邢兵.路面清扫车的选型及常见问题探析[J]. 设备管理与维修，2015，32（1）：95-98.

作者簡介：李青芬（1983-），女，讲师，主要从事汽车电子控制技术、新能源汽车的教学与研究。