扫路车扫刷清扫运动装置系统设计

罗炳莲 郑毅锋 吴登伟

（闽西职业技术学院 智能制造学院，龙岩 364021）

随着城市道路交通的快速发展，市容市貌的要求不断提高，对道路的养护成为提升市容市貌的一个重要因素。环卫工人清扫和养护道路，需要耗费大量人力和物力。扫路车在市场需求中应运而生，逐渐发展成集清扫、运输、回收垃圾等功能于一体的装置。扫路车的出现大大减少了环卫工人的工作量，提高了安全性。随着社会的进步，使用扫路车已经成为养护道路的趋势。我国市场上大部分扫路车的清扫运动装置类似，与发达国家相比，虽然作业效率、清扫能力相差不多，但是扫路车的舒适度、减噪性以及智能调节能力等相对较弱。针对这种情况，本设计在清扫运动装置结构上进行创新设计[1]。

1 扫路车扫刷清扫运动装置概况及分析

1.1 扫刷清扫运动装置的常用结构

目前，吸扫式扫路车多数扫刷运动装置结构如图1 所示[2]。该装置存在一些问题：第一，每次扫刷磨损后扫刷的触地角度会变化，影响作业质量；第二，该装置的触地压力由作业人员凭感觉调节弹簧的拉力，存在很大误差，从而加快扫刷磨损；第三，该装置采用一个弹簧和螺纹调节杆来调节扫刷触地压力，若扫刷的自重全部加压于地面，必然会导致扫刷触地压力过大，加速扫刷磨损，需要人工调节弹簧拉力以获得合理的扫刷触地压力；第四，人工调节扫刷触地压力和角度耗时耗力。因此，需要从结构上进行创新，采用先进的液压伺服系统进行自动化控制。

图1 扫刷运动装置结构图

1.2 扫路车吸扫过程分析

图2 为吸扫式扫路车扫刷及吸嘴位置分布图，采用中布四盘刷+尾布吸嘴的方式。清扫时，扫刷必须保证与地面接触并保持一定角度，以便扫刷在旋转作业时把尘土往里扫。设计挡板的目的是防止尘土从另一侧被抛出。可吸区域和可扫区域必须有吸扫重叠区，以保证在待吸扫区域内不会漏吸扫，最后完成吸扫作业。扫路车吸扫过程分析如图3 所示。

图2 吸扫式扫路车扫刷、吸嘴及滚刷位置分布

图3 扫路车吸扫过程

2 扫刷运动装置系统设计

2.1 扫刷升降和摆出设计

扫刷机构的主要动作是升降和摆出运动。现在的扫路车扫刷的升降摆出通过液压缸和固定在车身上的平行机构配合完成，相当于扫刷连接在液压缸上，液压缸与车身形成一定角度伸出，存在一定的弊端。文章设计T 形杆沿着螺旋凸轮槽运动，可以实现升降和摆出的效果。扫刷升降和摆出结构原理如图4 所示。

图4 扫刷升降和摆出结构原理

导杆装在推杆上形成T 形杆，当液压缸推动T 形杆向下运动时，T 形杆沿着螺旋凸轮槽运动可以产生向下运动和摆出运动。T 形杆摆出动作会产生旋转，为了避免带动液压缸的活塞杆一起旋转，设计如图4（b）所示的结构。扫刷磨损可调范围H1为7 cm，为了减少摩擦阻力，螺旋高度H2应尽可能大，使得螺旋角度远大于自锁角度，确保不会出现卡住现象。

2.2 避让机构的设计及弹簧的选用

2.2.1 避让机构的设计

扫路车扫刷在清扫作业时难免会碰到障碍物。例如，当扫刷遇到护栏、墙体等硬性障碍物时，会产生硬性碰撞，损坏扫刷。为了避免这种情况的发生，设计相关弹性回避机构，如图5 所示，主要由铰链、弹簧、防撞圈和调节螺栓组成。设计防撞圈的目的是把碰撞产生的形变力转移到防撞圈上，避免扫盘发生形变，同时为弹簧的形变提供缓冲。当扫刷遇到硬性障碍物时，弹性回避机构使扫刷回避到车里，弹簧储能拉伸，越过障碍物后，在弹簧的回缩拉力下重新回到工作位置。另外，弹簧回避机构需要对弹簧进行计算选型。

图5 弹性回避机构设计

2.2.2 弹簧的选用

扫刷杆受力分析如图6 所示。扫刷在没有遇到障碍物时，保持作业正常伸直状态的最小作用力Fb为50 N，此时需要一定的拉力F1保持杆伸直状态。当扫刷遇到障碍物时，受到的作用力FB大于150 N，扫刷将达到最大回避状态，此时弹簧的伸出量f由UG软件模拟测量为171 mm，设计高度H为85 mm。

图6 扫刷杆受力分析

最小拉力F1为

式中：L取581 mm。将相关数据代入式（1），可得最小拉力F1为341.7 N。

最大拉力F2为

将相关数据代入式（2），可得最大拉力F2为1 025.3 N。

弹簧刚度F′为

式中：f为弹簧伸出量，取171 mm。将相关数据代入式（3），可得F′为4 N·mm-1。

要求所选弹簧拉力要大于F2，即大于1 025.3 N，查表选择弹簧，规格为LI A 6×45×30.25 GB/T 2088[3]。其中，工作负荷Fa=1 070 N，工作负荷下的变形量fa=198 mm，初拉力F0=148 N，弹簧刚度F′=4.64 N·mm-1。

F1=341.7 N 时，f1=41.7 mm；F2=1 025.3 N 时，f2=189.2 mm；由fa=f2+F0/F′ 可得fa为221 mm，大于198 mm，且Fa=1 070 N ＞1 025.3 N，符合设计要求。

2.3 扫刷触地机构设计

2.3.1 扫刷触地角度的机构设计

现在的扫路车扫刷由于结构本身的限制，每次扫刷磨损变短都需要人工来调节触地角度。设计此结构后，扫刷的磨损变短量由液压伺服系统控制液压缸的伸长来补偿，而扫刷触地角度在一次安装调节后不需要反复调节，使得扫刷触底角度在长时间作业时处于一个比较稳定的状态。扫刷触地角度的机构设计如图7所示。

图7 扫刷触地角度的机构设计图

2.3.2 扫刷触地压力控制系统设计

当扫刷在固定高度作业时，扫刷长时间作业会使扫刷磨损变短，导致接触压力变小，需要一个能调节该变化的机构。传统的解决方法是弹簧配合调节螺栓进行人工调节，即人工通过目测感知扫刷的变短来调节螺栓，存在很大的调节误差，不能合理调节触地压力。为了解决这个问题，在扫刷调节触底角度的机构上安装一个拉力传感器，拉力传感器所安装的位置在正常作业时会受到一个拉力。扫刷触地压力的变化引起拉力传感器的变化，这个信号被放大后传至控制中心，由控制中心发送指令驱动液压伺服阀控制液压缸的伸缩量，从而控制扫刷的触地压力。扫刷的触地压力在作业时是恒定的，即扫刷的磨损量可以通过控制触地压力进行补偿。扫刷触地压力控制系统设计如图8 所示[4-7]。伸出缸的液压传动系统原理如图9 所示。

图8 扫刷触地压力控制原理

图9 液压传动系统

把扫刷运动装置安装在车体上，在地面放置压力测试仪，然后用单片机控制液压缸缓慢放下扫刷与地面接触。当压力测试仪显示的数值等于合理值时，用单片机记录此时拉力传感器传来的数值，为后续的编程控制提供对比值。

3 扫刷运动装置建模仿真与分析

3.1 扫刷运动装置三维建模及装配

通过理论分析计算扫刷运动装置系统涉及的一些运动参数和内容，同时计算该装置的一些主要尺寸参数，然后对扫刷运动装置进行三维建模和装配。用UG 画出扫刷运动装置的每个零件，然后在装配环境中依次通过装配约束把零件组装起来。扫刷运动装置的三维建模及装配如图10 所示。

图10 扫刷运动装置的三维建模及装配图

3.2 扫刷运动装置三维运动仿真与分析

对扫刷运动装置进行运动仿真，扫刷机构升降摆动前后的两种状态如图11 所示。通过三维仿真，可以直观判断设计的扫刷机构在尺寸上基本符合实际情况，升降和摆出过程也能达到预期，结构设计可行。

为了优化结构，在运动仿真的基础上对扫刷装置各个结构进行应力应变分析，外伸扫刷杆的应变图如图12 所示。不难看出，扫刷杆在弹簧的连接处出现的应变位移最明显，是结构设计时应重点关注和提高强度的位置，可以适当作局部尺寸加大处理等，提高优化效率[8-9]。

图12 外伸扫刷杆的应变图

4 结语

设计螺旋凸轮槽式的扫路车扫刷运动及避让机构，通过软件仿真对设计和计算结果进行分析和验证，提供相应的设计和优化依据，最后配以液压伺服控制方案，解决扫刷的触地压力恒定问题和因磨损时常需要人工调节触地角度的问题，实现扫路车扫刷的智能控制，为扫路车扫刷清扫运动装置系统提供有效的设计方案，同时为扫路车实际机构的研发、生产提供重要参考。