（机械电子工程专业论文）清扫车工作装置的匹配性能研究.pdf

i n e s t i g a t i o n si n t ot h em a t c h i n gp e r f o r m a n c eo fs w e e p e r s w o r k i n g d e v i c e s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gc h e n g u a n g s u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e rx i el i y a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：步爪屋毛9 - 。届年岁月 论文知识产权权属声明 刁日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：多长庭充 导师签名：嘲寸主r 钙 日 曰 刁矽 月 月 箩 r 年 年 j 叩 卟 c - ，： 摘要 随着中小城市的快速发展，对市政道路、广场、居民小区、公园以及企事业单位等 公共设施的清扫和保洁任务量越来越大，所以针对不同的路面特点需要选择合适的清扫 车类型。为此，长安大学与沈阳天信联合开发了q s 5 0 2 0 小型清扫车，该吸扫式清扫车 采用双发动机模式，具有体型小，造价低，机动灵活的优势，主要面向市政街道、广场 小区等区域，进行垃圾清理和保洁作业，填补了市场空白。 本文针对所开发的小型清扫车技术要求，确定了整机的设计方案，并对其工作装置 进行了参数选择和计算；其次，通过分析风机、副发动机和液压泵的工况特性，得出了 风机与管路系统的合理匹配方式，副发动机与风机以及液压泵的联合工作点的设置，并 分析了在清扫车变工况条件下，副发动机恒功率匹配与变功率匹配相结合的调节方式， 提出了相应的控制策略。 此外，通过试验，得出了清扫车清扫效率的影响因素，并从理论上对盘刷转速、风 机风量及清扫车速这三者对清扫效率的影响作用进行了分析。研究认为盘刷转速的提 高，风机风量的增加，清扫车速的降低对提高清扫效率有较大的帮助。为定量找出这三 者的工作关系，本文利用e v i e w 3 1 软件得出了这三者与清扫效率的经验公式并结合使 用m a t l a b 优化设计工具箱，对清扫车的作业参数进行了优化，得到了其最佳的工作参 数组合。 本课题的研究结论对q s 5 0 2 0 小型清扫车的设计和优化有理论指导作用。 关键词：小型清扫车、设计计算、性能匹配、参数优化 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es m a l la n dm e d i u mc i t i e si n c r e a s e st h ev o l u m eo ft h e c l e a n i n gt a s k so fp u b l i cf a c i l i t i e ss u c ha sm u n i c i p a lr o a d s ，s q u a r e s ，r e s i d e n t i a la r e a s ，p a r k s a n de n t e r p r i s e s s ot h ea p p r o p r i a t et y p eo fs w e e p e r sn e e d st ob es e l e c t e df o rd i f f e r e n tr o a d s c h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h i s ，c h a n g a nu n i v e r s i t ya n dt i a n x i nc o m p a n yc o d e v e l o p e dt h e q s 5 0 2 0s m a l l s i z e ds w e e p e r t h i ss u c t i o ns w e e p e ra d o p t st h eb i m o t o r e dp a t t e r na n dh a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls h a p e ，l o wp r i c ea n df l e x i b i l i t y , w h i c hi sm a i n l yu s e dt ot h ec l e a n i n gj o b o fm u n i c i p a lr o a d s ，s q u a r e sa n dh o u s i n ge s t a t e s i tf i l l st h eb l a n ks p a c eo ft h em a r k e t p l a c e a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s o ft h es m a l l - s i z e d s w e e p e r , t h i sp a p e r d e t e r m i n e st h ed e s i g np a t t e r n sa n dm a k e st h ep a r a m e t e rs e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no ft h e w o r k i n gd e v i c e t h e n ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ej o i n tw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ef a na n dt h e p i p e l i n es y s t e ma n dp r o p o s e st h eb e s tm a t c h i n gp o i n t so ft h ev i c e e n g i n e ，t h ef a na n dt h e h y d r a u l i cp u m pw h i c hi sb a s e do nt h eo p e r a t i n gf e a t u r e so ft h ev i c e e n g i n e ，t h ef a na n dt h e h y d r a u l i cp u m po ft h es w e e p e r t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h ej o i n ta d j u s t m e n tm e t h o do ft h e c o n s t a n tp o w e rm a t c h i n ga n dt h ev a r i a b l ep o w e rm a t c h i n go ft h ev i c e e n g i n eu n d e rt h e c h a n g e dw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es w e e p e ra n dp r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls t r a t e g y i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ro b t i o n st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es w e e p e r sc l e a n i n ge f f i c i e n c y 目录 第一章绪论1 1 1 路面清扫车概述l 1 2 国内外清扫车研究动态4 1 3 课题研究的背景及主要工作6 1 3 1 课题研究的背景6 1 3 2 课题研究的意义和主要工作6 1 4 本章小结7 第二章0 s 5 0 2 0 小型清扫车工作装置的设计计算8 2 1q s 5 0 2 0 小型清扫车的功能特点8 2 2q s 5 0 2 0 小型清扫车工作装置的参数选择与计算1 2 2 2 1 盘刷的参数选择与计算1 2 2 2 2 湿式除尘系统的参数选择与计算1 3 2 2 3 风量及吸嘴尺寸的设计与计算1 4 2 2 4 管路系统压力损失的计算1 7 2 2 5 驱动风机所需功率的计算2 1 2 3q s 5 0 2 0 小型清扫车液压系统的设计与计算2 1 2 3 1 液压系统方案设计2 1 2 3 2 液压系统参数选择与计算。2 4 2 4 本章小结2 7 第三章清扫车副发动机、风机及液压泵的性能匹配2 8 3 1 风机工作特性研究2 8 3 1 1 风机工况特性2 8 3 1 2 风机负载特性3 l 3 1 3 风机与管路系统的参数匹配3 2 3 2 副发动机及液压泵的工作特性研究3 3 3 2 1 副发动机最佳j ：作点的分析3 3 3 2 2 液压泵的丁作特性分析3 4 3 3 副发动机与风机及液压泵的参数匹配3 5 3 3 1 副发动机与风机及液压泵的联合工作曲线的绘制3 5 3 3 2 副发动机与风机及液压泵的参数匹配原则3 6 3 3 3 变工况情况f i ：作装置的参数匹配3 7 3 4 本章小结4 l 第四章清扫车清扫效率的影响因素分析4 2 4 1 清扫效率的影响因素4 2 4 2 清扫效率试验4 3 4 3 清扫车盘刷转速对清扫效率的影响分析4 5 4 4 清扫车风机风量对清扫效率的影响分析4 9 4 5 清扫车清扫车速对清扫效率的影响分析5 l 4 6 本章小结5 3 第五章基于m a t l a b 的清扫车工作参数优化设计5 4 5 1 基于m a t l a b 的优化设计方法简述5 4 5 1 1 最优化理论5 4 5 1 2m a t l a b 优化工具箱简介5 5 5 2 优化设计数学模型的建立5 6 5 2 1 选取设计变量5 6 5 2 2 确定目标函数5 7 5 2 3 约束条件的确定5 9 5 3 优化设计的m a t l a b 实现6 l 5 3 1 设计变量初值的确定6 l 5 3 2 优化算法的选取6 l 5 3 3m a t l a b 优化设计流程图6 l 5 3 4 程序编写6 2 5 3 5 运行结果6 3 5 4 优化设计的结果分析6 3 5 5 本章小结“ 第六章结论与展望6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 致谢7 1 i v 长安大学硕i 二学位论文 第一章绪论 随着我国经济的快速发展和城市对环境卫生质量要求的不断提高，过去那种依靠人 力清扫大街的落后方式已不能适应城市现代化环卫工作发展的要求，阻碍了环卫工作向 深层次方向发展，影响了城市的形象，因此，各地环卫部门加快了提高城市道路清扫作 业机械化程度的步伐。按城建部的要求，城市机械化清扫率要达到4 0 以上，而在2 1 世 纪，街道清扫作业量占城市道路清扫作业量的6 0 以上。因此，经济发展的需要、人 类健康生活的需求推动了清扫车行业的迅猛发展，并使其获得了持续发展的动力，这就 迫切需求对现有清扫车进行不断的科学研究和技术创新，本课题的研究对象小型清 扫车的总体设计与匹配性能研究正是代表了其中一种具有实际意义的前进方向，其适合 我国城市道路的特点，适应现代化环卫发展的要求，对有效地改善环卫工人劳动条件， 保持城市环境卫生，树立我国城市良好的卫生形象，推动城市环卫工作迈上一个新台阶 具有重大的社会意义，其未来的市场空间定是十分可观的。 1 1 路面清扫车概述 路面清扫车是用于清除硬性路面上的杂质，包括高等级公路、机场跑道等，清扫市 政道路和广场，收集和运输垃圾的专用路面养护机械乜1 。路面清扫机械形式多样，分类 方式各不相同。通常按以下几种方式对清扫车进行分类： 。 ( 1 ) 按工作原理分类 路面清扫车按工作原理可以分为吸扫式清扫车、纯扫式清扫车和真空吸尘车三大 类。 吸扫式清扫车通常具有可以伸出到基础车体以外的盘刷或柱刷以及吸嘴。其中，盘 刷利用自身的旋转将路缘、边角、护栏下的垃圾进行扰动并横向抛射至吸嘴前方，形成 一条垃圾带，当吸嘴经过垃圾带时，利用空气动力将垃圾尘粒捡拾和输送到垃圾箱中。 垃圾尘粒在进入吸嘴经过垃圾箱的过程中，要经过几次除尘处理，将垃圾尘粒阻留在垃 圾箱内，最后将除尘后的载体气流排出阳3 。根据气流排出方式的不同，吸扫式清扫车又 可以分为开放吸扫式清扫车和循环吸扫式清扫车。开放吸扫式清扫车工作时，作为载体 的空气进入垃圾箱后，经除尘直接由出风口排向大气；循环吸扫式清扫车工作时，气流 进入垃圾箱经除尘后重新送回吸口，再一次作为载体参与清扫作业。对于前者，若除尘 系统的除尘效果不佳，排向大气的气流仍残留很多垃圾尘粒，尤其是微细尘粒，将会造 第一章绪论 成二次污染；对于后者，虽然不直接向大气排放空气，但如果循环空气在吸口内的导向 不良，封闭不严，将吹起路面上的垃圾尘粒，同样会造成二次污染。但总体而言，吸扫 式清扫车相比于其它类型的清扫车具有清扫范围宽，适应性好，对微细垃圾尘粒的捡拾、 输送效果好等优点。图1 1 为中联重科中标事业部设计生产的一款具有代表性的吸扫式清 扫车。 图1 1 - 中联重科z l j 5 0 6 2 t s l e 3 型吸扫式清扫车 纯扫式清扫车清扫范围宽，适应性好，但对于微细尘粒的除净率较低，一般用于人 口稠密的市区、街道以及以大颗粒块状垃圾为主的场合使用。这种清扫车的副发动机直 接驱动液压泵，使动力驱动非常简便，并且还具有消耗功率小、工作噪声小等特点。其 工作原理为：盘刷位于车辆的中部、车架的两侧，主要用于将垃圾集中、输送到柱刷前 方，柱刷在翻滚的过程中，刷毛将垃圾尘粒抛射到输送带或链板上，随输送带落入位于 中部的垃圾箱内。垃圾箱不能向后倾斜，而是借助举升机构向某一侧或前方倾斜，清扫 系统的发动机和工作装置都布置在整机的后面h 1 。图1 2 为河南路太道路养护机械制造有 限公司生产的l t c s l 4 0 0 型纯扫式清扫车。 餐萋鹭 m h 图1 2 - 河南路太l t c s l 4 0 0 型吸扫式清扫车 真空吸尘车作为近年来逐渐兴起的一种清扫车类型，以其固有的性能优势，逐渐增 加市场份额。真空吸尘车不安装盘刷等清扫机构并采用干式除尘方式，吸嘴宽度即为清 2 长安人学硕上学位论文 扫宽度，按照气流排出方式的不同可以分为纯吸式和吹吸式两类。纯吸式真空吸尘车完 全利用风机负压来收集垃圾尘粒，而吹吸式则综合利用负压和空气吹压来实现清扫作 业。真空吸尘车主要适用于介质粉尘量大、密度高、抑扬困难以及不方便洒水除尘的地 区，清扫对象包括：水泥、煤粉、金属矿粉等粉尘状垃圾聆1 。图1 3 为上海交大神舟汽车 设计开发有限公司研制生产的j d s 系列高效真空吸尘车。 图1 3 ：交大神舟j d s 系列真空吸尘车 ( 2 ) 按除尘方式分类 清扫机械按照清扫车作业时的除尘方式分为湿式清扫车和干式清扫车两种类别盯8 1 。 干式清扫车在进行清扫作业时，由于没有喷水装置，因此必须在垃圾箱或管路系统 中设置过滤器。干式清扫车作业时，对于比重较大的垃圾尘粒，其由吸嘴进入垃圾箱后， 由于垃圾箱中风速的急剧下降，垃圾尘粒将会在重力的作用下沉降，而比重较小的粉尘 状垃圾则随气流一起经过过滤器，通过过滤器将其阻拦下来。按照干式清扫车过滤器型 式的不同，有些清扫车可以选择在盘刷处采取喷水压尘的方式，而另外一些清扫车则不 能采用喷水压尘，主要目的是防止在除尘的过程中过滤器堵塞。由于干式清扫车除尘时 摆脱了对清扫用水的依赖，不会存在寒冷地区使用时，由于气候温度太低而引起结冰的 现象，因此干式清扫车特别适用于干旱少水或低温气候较长的地区。 湿式清扫车采用湿式除尘方式，即清扫车在清扫作业过程中，除在盘刷处采用喷水 压尘外，在吸嘴和垃圾箱处同时采用喷水除尘。由于盘刷处采用了喷水压尘，因此避免 了清扫车在作业时盘刷处的扬尘现象；在吸嘴和垃圾箱处采用喷雾的形式，截获捕捉由 吸嘴吸入的细小垃圾尘粒，使其在水雾中湿润、聚结成更大体积的颗粒，以增大其比重， 方便在垃圾箱中沉降。由于采用了湿式除尘方式，垃圾尘粒无须采用其它措施便能在垃 圾箱中依靠重力的作用沉降，所以其管路系统相对简单，通常不会再重复设置过滤器。 第一章绪论 1 2 国内外清扫车研究动态 国外发达国家从2 0 世纪4 0 年代就开始批量生产清扫车，像英国j o h n s t o n 、美 国e l g i n 、日本k a t o 、德国f a u n k u k a 等公司，目前不管在销量规模、还是技术 档次都处于世界的前列国1 。国外清扫车在技术上比较成熟，产品性能较为完善。目前， 国外针对清扫车进行的学术研究方向主要是面向清扫车性能优化、环保节能、安全舒适 性和集成控制等课题。对于清扫车作业参数的匹配方面，l i b a r d ov v a n e g a su s e c h e 等 人n 町通过盘刷台架试验，对f 1 2 8 和c u t t i n g 两种类型盘刷的作业性能进行了对比分析， 分别试验统计了两类盘刷在不同的作业参数下对细小粒径垃圾，中等粒径垃圾以及薄片 状垃圾的清扫状况，确定了针对每种路面状况，两类盘刷最佳的位置参数( 包括接地距 离，倾斜角度等) 、旋转速度和清扫速度。作为总结，作者还提出了对于混合型垃圾， 清扫车在保证高清扫效率下的作业参数：盘刷侧倾角为1 5 。，盘刷转速为1 2 0 r m i n ，行 驶车速为2 k m h ，盘刷接地距离f 1 2 8 型为1 5 m m ，c u t t i n g 型为5 m m ； w a l l k e rt a 和 w o n gt 1 对清扫车的清扫时机、清扫频率以及暴风雨污水中的污染物类型等因素进行 分析，认为污水中的污染物以粒径小于1 2 5 1 a m 的泥沙为主，约占到总量的7 0 ，但清 扫车对该污染物的清扫效率仅为5 0 ，因此，清扫车对暴风雨污水的整体清扫效果不理 想，但如果根据气候，天气等因素合理调整清扫车清扫频率和清扫时机可以有效减少混 入污水中的污染物数量，提高清扫效率；w ub f 等人n 2 1 通过对真空吸尘车样机的试验， 着重分析了吸嘴负压与清扫效率的关系以及清扫车速、空气流量与清扫效率的相互关 系，最后在保证9 2 的清扫效率下确定了最佳的吸嘴负压2 4 0 0 p a 和清扫车速1 2 k m h ； p e e lg m 和p a r k e rg a n 3 1 采用离散元素模型的方法，理论分析了清扫车盘刷在作业时 与路面间的相互作用关系，并通过试验加以论证，得出了如下结论：随着盘刷转速的提 高，盘刷与路面间的摩擦系数会减小，并且盘刷的接地压力也会减小，这样盘刷的驱动 扭矩会相应下降。但是因扭矩下降而引起的功率降低会因为盘刷转速的提高而得到抵 消，因此，加大盘刷转速会使盘刷总的消耗功率近似保持不变。此外，文献 1 4 中还提 出了一种新型的路面清扫方式，即清扫车和洒水车联合作业模式，经过试验验证：这种 作业方式可以有效减少空气中的粉尘含量，解决了普通路面清扫车的二次扬尘问题，以 及对片状、絮状或粉尘状等轻质物体清扫效率低的缺点。 相对于国外清扫车的发展历史，国内对清扫车的开发和研究起步较晚。2 0 世纪6 0 年 代，我国研制出第一台纯扫式清扫车，但受限于自身的缺陷和当时的体制，并没有得到 4 长安人学硕j ：学位论文 社会的认可。直n 8 0 年代，四川泸州机器厂才制造出我国第l 台吸扫式清扫车，型号为 s h z 2 0 口5 1 ，填补了我国吸扫式清扫车的市场空白，清扫效率从纯扫式清扫车的8 0 提高 到9 0 以上，同时由于采用了湿式除尘方式，解决了清扫作业时盘刷的二次扬尘污染以 及垃圾箱内的垃圾尘粒与输送气流的分离问题。其以纯扫式清扫车无可比拼的优势迅速 进入我国的大中城市。2 0 世纪末期，市场需求的迅速膨胀促使各种类型和各种规格的吸 扫式清扫车不断涌现。清扫车的使用也从大中城市逐渐扩展到小城市、高速公路，而且 不少企事业单位、居民小区也开始采用清扫车进行路面清扫。2 0 0 0 年之后，国内清扫车 市场继续呈现蓬勃发展的态势。清扫车生产企业n 司有数十家之多，从技术实力和产品销 售量来看，中联重科中标事业部( 原长沙中标实业有限公司) ，天津扫地王专用汽车有 限公司，扬州盛达特种车有限公司( 原江苏省江扬集团特种车辆厂) 和北京爱清清扫车 制造有限公司等厂家处于行业的领先位置。随之而来，常林股份有限公司、福建龙马专 用车辆制造有限公司等企业也开始进入清扫车的研发和生产，并取得了较好的发展。 近年来国内各清扫车企业已经开始意识到产品自主研发的重要性，逐渐加大对科研 工作的投资力度，其中也不乏较为先进的研究成果。但目前，国内针对清扫车工作装置 匹配性能研究仍然较少，已经取得的一些科技成果有：文献 1 7 中，作者通过多年的路 面养护作业实践经验，提出了提高清扫车使用效能的各种方案，主要观点包括：在清扫 市政道路时，清扫车速一般应控制在( 5 6 ) k m h ；对于高等级公路路面，特别是高 速路面，其清扫车速应提高到( 5 2 0 ) k m h ，保洁行驶速度则可高达( 5 1 0 ) k m h ，盘刷的前倾角应调整为( 4 0 _ 5 0 ) ，侧倾角应设定为4 0 ，这样最有利于垃圾的吸扫， 吸嘴前沿离地间隙应为( 3 5 叫o ) r e a l ，后沿离地间隙为( 6 _ 1 0 ) m m ；风机风道应采 用圆形截面，这样可以有效减小风阻等。宋永刚等n 鲫对清扫车盘刷在适应高速作业条件 下的性能要求进行了详细的研究，得出了一些重要结论：盘刷转速和清扫车速对盘刷接 地点的速度大小和角度有较大影响，为使清扫车获得较好的作业性能，应该合理选择清 扫车速与盘刷转速的大小，一般接地点的绝对速度大小为( 5 一1 2 ) r n s ，内倾角为3 0 0 左右，盘刷接地角约为1 2 0 0 ，并且盘刷刷毛应具有合适的接地压力以及良好的弹性和适 中的刚度。谢立扬在文献 1 9 中根据吸扫式和纯扫式清扫车两种车型不同清扫机理，从 实践和试验两方面说明了清扫速度对清扫率的影响关系，得出了如下结论：无论是吸扫 式还是纯扫式清扫车，当清扫速度增加时，清扫效率总的呈下降趋势；对一些形状较大、 容重较小的物体，在一定清扫速度范围内，清扫速度与清扫率无关；对于纯扫式清扫车， 当作业对象主要是尘土时，清扫率与清扫速度变化较为复杂，不遵循清扫率随清扫速度 第一章绪论 增加而下降的规律。 从国内研究现状可以看出，国内对清扫车工作参数的匹配研究还停留在理论分析加 经验总结之上，缺乏对清扫车专用元件工作性能的系统分析，缺少准确的研究型试验以 及量化的数据理论作为支撑，对清扫车综合工作性能的优化指导作用有限。 1 3 课题研究的背景及主要工作 1 3 1 课题研究的背景 随着国家不断加大城市化的进程，许多新兴的中小城市正在崛起，城市化规模不断 扩大。在城镇发展建设中，对市政道路、广场、居民小区、公园以及企事业单位等公共 设施的清扫和保洁任务量越来越大。针对于大中型清扫车运行成本高，日常维护繁琐， 清扫面积大，作业时间长等特点，如果用于城镇保洁，显然有些不太适合；另外，一些 国产的专用底盘全液压式小型清扫车普遍价格偏高，且清扫效果不理想。着眼于现有状 况，长安大学与沈阳天信高速公路工程有限公司合作开发的q s 5 0 2 0 d 、型清扫车具有体型 小，造价低，机动灵活的优势，主要针对城镇街道、广场小区等作业面积小，工作时间 短，任务量轻的地方进行垃圾清理和保洁作业。因此，该款小型清扫车的开发填补了市 场空白，顺应时代发展的趋势，具有良好的市场前景。 1 3 2 课题研究的意义和主要工作 课题研究的主要意义在于借助和总结以往研究人员的研究成果，建立一套小型吸扫 式清扫车工作装置的总体设计方案，并对清扫车工作装置的性能匹配方式进行研究，进 一步改善产品的作业质量与工作效率，提高整车的综合作业性能，为清扫车产品设计与 性能优化提供相应的理论支持。为此，本文主要完成了以下的几个方面的工作： ( 1 ) 分析小型吸扫式清扫车的技术特点，提出合理的设计方案； ( 2 ) 参考国内比较成熟的清扫车设计体系，并结合本课题的研究对象，对工作装置的 性能参数进行重新选择与初步匹配，完成相应的设计计算； ( 3 ) 分析副发动机、风机以及液压泵的工况特性，实现三者合理的性能匹配，令风机 工作性能得以充分发挥，使发动机功率得到更加合理地分配与利用，同时可以降低清扫 车的作业噪声和能耗； ( 4 ) 综合分析清扫车各工作参数对清扫效率的影响作用，并依据机械行业标准( j b t 7 3 0 3 - - 2 0 0 7 路面清扫车中规定的相关试验方法对清扫车样机进行清扫效率试验，通过 6 长安人学硕上学位论文 对试验数据的分析来验证结论； ( 5 ) 提出清扫车最大工作能力的理论，综合评价清扫效率、清扫能力和作业噪声以及 能耗对清扫车综合工作性能的影响作用，并建立相应的数学模型； ( 6 ) 利用m a t l a b 优化设计工具箱以清扫车最大工作能力为目标，对清扫车的工作参数 进行优化，得到清扫车最佳的工作参数组合。 1 4 本章小结 本章简要介绍了清扫车的用途和分类、国内外清扫车的研究动态；阐述了课题研 究的背景与现实意义，总结了课题研究的主要内容。 7 第二章q s 5 0 2 0 小型清扫车工作装置的设计计算 课题背景中提到：本课题所开发的小型清扫车具有体型小，造价低，能耗低，机动 灵活的优势，主要用于市政道路、广场、居民小区、公园、企事业单位等公共设施的清 扫和保洁。本章将针对该款小型清扫车的技术特点，建立一套工作装置的总体设计方案。 主要内容包括：工作装置传动方式的确定，各部件如盘刷，吸嘴，垃圾箱，水箱等的参 数选择，风机一管路系统的压损计算，液压系统的设计计算等。在各部分的选型和计算 的过程中，会参照以往的一些清扫车的设计经验，“取长补短 ，将其合理地应用于该款 小型清扫车的设计计算当中，并针对该车功能的独特性提出相关的一些创新设计，在控 制造价，降低能耗的情况下，使小型清扫车的性能得到更完善的发挥。 2 1q s 5 0 2 0 小型清扫车的功能特点 小型清扫车的整车外型结构如下图2 1 所示： 图2 1 小型清扫车总装图 1 清扫车底盘：2 副发动机；3 风机；4 盘刷；5 垃圾箱；6 水箱；7 吸嘴。 长安大学硕士学位论文 表2 1 小型清扫车技术参数 1 副发动机小功率柴油发动机 2 清扫宽度i 啪 1 7 0 0 3 清扫速度 k m h3 1 5 4 水箱容积 l4 0 0 6 0 0 5 垃圾箱容积 m 31 5 6 垃圾倾斜角 o 5 0 盘刷( 数量2 ，直径6 5 0 m m ) + 7 清扫方式 吸嘴( 7 0 0 m m 5 0 0 m m ) 8 盘刷转速 r m i n 伊一1 2 0 9 水泵流量 l m i n1 0 1 0 水泵压力 b a r3 驴一5 0 噪声低、静压高、有自洁功能、 1 1 风机 带消音器 ( 1 ) 吸扫式 该款小型清扫车采用“中置两盘刷+ 后置吸嘴 相结合的吸扫式作业方式。其工作 原理为利用车底装置的两个左右正反方向旋转的盘刷将路缘、边角、护栏下的垃圾输送、 集中于车底吸入区范围，再依靠吸入系统的强风力风机在管路系统中形成的真空度，由1 贴近地面的吸嘴经吸管将垃圾捡拾和输送到垃圾箱内，从而完成对路面垃圾的清扫和保 洁。吸扫式清扫车具有清扫范围宽，适应性好，对微细垃圾尘粒的捡拾，输送效果好等 特点。据有关资料统计，目前在我国的清扫车市场中，吸扫式清扫大约占有9 5 以上的 市场份额。 ( 2 ) 除尘方式 由于底盘空间的限制，清扫车除尘路线和空间都不可能很长很大，因此，一般是在 允许的最长路线和最大空间中，合理地组合多种除尘方式，并设法在输送过程中采取有 效措施，促使微细尘粒的凝并与加密，尽量缩小垃圾尘粒的粒径和密度分布范围。该款 小型吸扫式清扫车的除尘方式即采用重力除尘和惯性除尘相结合的方案，并采用湿式喷 雾作为辅助手段。 重力除尘的原理为垃圾箱的截面积远大于吸管截面积，因此当含尘气流从吸管进入 9 第二章q s 5 0 2 0 小型清扣车t 作装置的设计计算 垃圾箱后，便会迅速降低流动速度，尘粒便在重力的作用下降落，从而达到收集垃圾的 目的。另外，在垃圾箱中设置隔板，因为垃圾尘粒的惯性要比空气的惯性大得多，这样 当尘粒与挡板发生碰撞后，便会使其改变速度大小和运动方向，从而与输送气流分离开 来，达到除尘的目的。另外，该清扫车除尘系统中还会以湿式除尘方式作为辅助，即： 除在盘刷处采用喷水压尘外，在吸嘴和垃圾箱处同时采用喷水除尘。由于盘刷处采用了 喷水压尘，因此避免了清扫车在作业时盘刷处的扬尘现象：在吸嘴和垃圾箱处采用喷雾 的形式，截获捕捉由吸嘴吸入的细小垃圾尘粒，使其在水雾中湿润、聚结成更大体积的 颗粒，以增大其比重，利于在垃圾箱中沉降，提高除尘效率啪1 。 ( 3 ) 底盘 目前国内采用专用底盘的清扫车还较少，大多利用汽车二类底盘改制而成。该款小 型清扫车选用柴油发动机动力通用底盘，没有行走部分的设计制造需求，确保了行走部 分的独立性、可靠性，并且该底盘保证清扫车有较高的最高行驶速度，对于作业区，距 车库较远或需远距离转场的地区，使清扫车有转场速度快的优点。同时，再设置一辅助 柴油副发动机，由它来完成工作装置的驱动。采用双发动机驱动形式的优点：克服了单 发动机传动方式的不足，能够确保清扫车使用性能的需要，另外，行走系统和工作装置 在动力上各自独立，行走速度和行走操作不会对工作装置的作业效果产生影响，从而可 以使操作人员根据地面的污染状况选择最合适的清扫速度，进行最有效的清扫。 ( 4 ) 传动形式 由于给清扫车工作装置配备一台副发动机，则行走部分的动力传动和工作装置的动 力传动相互分开，其中工作装置的传动系统主要包括副发动机、风机及液压系统三大核 心部分，其传动形式原理图如下图2 2 所示乜： 巨匦 - 叫固一( 圃 图2 2 小型清扫车传动系统原理图 l o 长安人学硕上学位论文 如图所示：底盘发动机的主要作用为完成车辆的行驶驱动，并不参与工作装置的驱 动；而风机和液压系统通常由副发动机通过离合器和变速装置来驱动。在传动路线中， 变速装置有皮带和齿轮两种形式，但在空间位置和功率允许的情况下，尽可能地采用皮 带传动。风机布置在垃圾箱的风道出口，是整个工作装置中的“心脏”，它采用三角皮 带式传动，并在主动轮处安装离合器，以防止副发动机熄火时风机的惯性旋转反驱动发 动机。盘刷的旋转和摆动、吸口的摆动、尾门的开闭以及垃圾箱的倾倒动作都是通过液 压系统来完成的，其中，盘刷的旋转是靠液压泵带动液压马达来驱动的，而盘刷和吸嘴 的摆动以及尾门开启、垃圾箱的倾倒则是由液压油缸来驱动。考虑到该款小型清扫车喷 水量较小，水泵选用直流电动隔膜泵由底盘电瓶直接带动，该泵具有高压力低流量的特 点，最高压力可达n o 5 m p a ，能够实现喷雾的效果，另外，该泵体积小，重量轻，方便 在清扫车底盘上布置。 ( 5 ) 清扫装置 在清扫车底盘前后轮的中间位置装置两个盘刷，刷毛的材质选用合成塑料，虽然这? 种材料的耐磨性不如钢丝，但在清扫的过程中，塑料盘刷对地面的伤害较小，且具有良 好的弹性和合适的刚度，可以加快垃圾尘粒的抛射速度和距离，提高盘刷的工作能力。 盘刷处于工作状态时，应该外伸而且下落，与路面保持浮动接触，但在运输状态时，为 了减小车辆宽度和刷毛的磨损，盘刷必须回收并且提升离地至一定高度，因此，盘刷的 动作机构必须能实现外伸、下放、浮动和回收提升锁紧的复合动作。盘刷的升降和伸缩 由液压缸+ 连杆机构控制，另外还可以机械式控制刷毛的接地压力，使清扫车保持最佳 清扫效果的同时尽量使刷毛的磨损程度最小。 采用后置式吸嘴，其位于盘刷稍后、底盘车架两纵梁之间。吸嘴的主要功能是借助 于高速气流有效地拾取垃圾尘粒。如图2 1 ，这种结构吸管短且直，垃圾很容易被吸入垃 圾箱内，且清扫宽度大、前悬短，吸管更换和吸嘴调整方便，转场运输时整车通过性较 好。另外，吸嘴相对于路面的距离对拾取垃圾的效果影响很大，因此，吸嘴在正常作业 状态下，应能自动保持最佳离地间隙，离地问隙的调整由可调整的拖轮保证，并使吸口 可随路面的高低而起伏。 为了使吸嘴下的垃圾更容易地吸入吸管，并同时减少风机的排放量，该清扫车采用 吹吸式吸嘴。这种吸嘴的工作原理是：风机排风口分两条通路，利用正风压一路是通向 大气，大约占( 3 0 - 4 0 ) 的空气量；另一路通向吸嘴，这样，从清扫车排风口排出的 风一部份排入大气中，另一部分则从反吹风风口吹出，再一次作为载体参与清扫作业。 吸嘴采用反吹风的目的主要是将吸嘴下的紧贴地下的垃圾扰动并推向吸风道风口，以提 高吸嘴清洁垃圾的能力，同时可以压制吸尘过程中的扬尘飞起。 2 2q s 5 0 2 0 小型清扫车工作装置的参数选择与计算 2 2 1 盘刷的参数选择与计算 ( 1 ) 盘刷接地压力可用以下经验公式计算昭羽： 脚以埘d ( 铷；z 1 + o 1 8 ( v m - 2 ) a r e c o s 睦h ) 泣t ， 式中： d 刷毛直径，取2 5 m m ，材料为合成塑料； r 广盘刷半径，取0 3 2 5 m ； i 广一刷毛的自由长度，取0 2 5 m ； e 一一刷毛的弹性模量，取0 8x1 0 p a ； 卜_ 刷毛断面的惯性矩，取j = n d 4 6 4 = 1 9 1 0 j 2 m 4 5 h 刷毛的最大变形量，当刷毛的最大变形量h o 1 5 l 的时候，刷毛或以侧面开 始沿路面滑动，减小其自由长度，因此，取0 0 3 m ； v _ 清扫车工作时的行走速度，取( 3 1 5 ) k m h ； n 盘刷的转速，取最高转速1 2 0 r m i n ； v h 广一盘刷的圆周线速度，取v m - - 2 n r m n 6 0 = 4 1 m s ； 卜盘刷旋转平面上刷毛与路面的接触中心角，取r d 2 ( r a d ) ： r 工作刷毛的数量，根据刷毛痕迹在路面上的重叠条件，取z = 1 3 v n d n = 3 0 0 ； 由以上参数，求得： p = 0 2 7 2 k n 。 ( 2 ) 克服刷毛和路面间摩擦力所需的功率： 只划帮 式中： k 功率储备系数，取1 1 ； n - 一盘刷数量，取2 ； 下一机械传动效率，取o 9 ； 1 2 ( 2 2 ) 长安大学硕一l 学位论文 i i 刷毛和路面的摩擦因数，取o 4 ； 由以上参数，求得： p 。= 4 6 9 k w 。 ( 3 ) 消耗在刷毛变形上的功率船2 1 ： 聊6 川缶刑譬压詈1 ( r m - h 附) x 3 k ( 2 r 2 m ，h - h 2 ) 利用以上参数，求得： p b = 0 6 6 k w 。 ( 4 ) 盘刷旋转时空气阻力所消耗的功率： p c = 0 0 1p = 0 0 5 k w ( 5 ) 驱动盘刷所需的功率： e = p a + p b + p c = 5 4 k w 2 2 2 湿式除尘系统的参数选择与计算 ( 1 ) 一箱水的持续不问断工作时间： 仁v p b k r l b o v q o 式中： v 水箱的容量，取5 0 0 l ； p b 水的密度，取1 0 0 0 k g m 3 k h 水箱的充满系数，取o 9 _ - 0 9 5 ； b 清扫宽度，取1 7 m ； b o _ 除尘地带的宽度，取b o = 1 1 b = i 8 5 m ； q 厂单位水耗量，取0 0 3 k g m 2 ； 由以上参数，求得： ( 2 ) 驱动水泵所需功率： p ： q 堡 2 1 0 0 0 h p h h 式中： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) q p 水泵的流量，取q p = b o q o v = 1 0 l m i n p 。水泵的压力，取( 3 5 ) b a r ； t 1 厂传动效率，取0 9 ； t 1 广水泵的容积效率，取0 7 ； 由以上参数，求得： p 2 = o 1 3 k w 。 2 2 3 风量及吸嘴尺寸的设计与计算 ( 1 ) 悬浮速度 吸扫式清扫车负压吸送系统的作用对象种类繁杂，要保证尘粒能被可靠的吸入垃圾 箱，必须研究尘粒的几何性质( 包