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摘要 马路清扫车总体及关键部件设计研究 硕士研究生姓名：庞晓琛 导师姓名：汤文成( 教授) 学校名称：东南大学 摘要 清扫车是重要的环卫设备之一，主要用于高等级路面和城市路面以及广场的垃圾清扫。清扫车 的发展体现了一个国家或地区的现代化程度。 本文从理论和实验两方面对清扫车的清扫机构、举升机构和洒水机构进行了分析，确定了清扫 车速、链轮转速、盘刷转速与清扫效果之间的关系。在清扫机构的设计方面，创造性地提出了链传 动式清扫机构，改善了纯扫式清扫车的清扫效率，降低了能耗。对垃圾的收集提出了垃圾斗和收集 箱结合的方式，应用了铰链四杆机构的理论对垃圾举升机构进行设计，并用三维软件进行仿真验证， 同时利用m a t l a b 软件进行了运动和受力特性分析。对盘刷的转速、扫丝的速度和行进速度与清扫 效果之间的关系进行了分析，提出了综合考虑的方案。应用了高压细水雾喷水系统作为洒水机构， 通过激光粒度仪等测试设备，测量了多种喷头的喷雾特性。通过对比，确定了正确的喷头类型，并 进行了水力计算和水泵选型工作。 通过具体的道路实验，对以上工作进行验证，效果良好，为以后进一步研究打下良好基础。 关键词：清扫车清扫机构盘刷速度 r e s e a r c ho nt h eo v e r a l la n dk e yp a r t sd e s i g no fr o a d s w e e p e r c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：p a n gx i a o c h e n a d v i s e r ：p r o lt a n g w e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a bs t r a c t t h er o a ds w e e p e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc l e a n i n ge q u i p m e n t s ，w h i c hi sm a i n l yu s e dt or e m o v e r u b b i s hi nh i g hg r a d er o a d s ，c i t yr o a d sa n ds q u a r e s t h ep e r f o r m a n c eo fc l e a n i n gm e c h a n i s m ，h o l d i n gm a c h a n i s m a n dw a t e r i n gd e v i c ei sr e s e a r c h e d b ye x p e r i m e n t a n di nt h e o r y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns w e e p i n gs p e e d ，s p r o c k e tw h e e lr o t a t e ，b r o o m r o t a t es p e e da n dc l e a n i n ge f f i c i e n c yh a sb e e nq u a l i t a t i v e l ys t u d i e d t h ec h a i n - d r i v e nc l e a n i n gm a c h a n i s m h a sb e e np u tf o r w a r dp r e s e n t e dc r e a t i v e l y , w h i c hi n c r e a s e dt h ee f f i c i e n c yo fs w e e p e r t h eh o l d i n g 。u p m a c h a n i s mh a sb e e nd e s i g n e db yf o u r - b a rm e c h a n i s m ，w h i c hw a sa l s os i m u l a t e db y3 - ds o f t w a r e i t sk i n e t i c c h a c t e t i s t i ca n ds t r e s sh a v eb e e na n a l y s e db ym a t l a b t h eh i g hp r e s s u r ew a t e rm i s tn o z z l ew a su s e da s t h ew a t e r i n gd e v i c eo ft h es w e e p e r t h en o z z l e ss p r a yc h a r a c t e r i s t i cw e r em e a s u r e da n da n a l y z e db yl a s e r g r a n u l a r i t yi n s t r u m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nw i l lh a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c ed o m e s t i cr o a ds w e e p e r st e c h n o l o g y l e v e l k e yw o r d s ：r o a ds w e e p e r ，c l e a n i n gm a c h a n i s m ，b r o o mr o t a t es p e e d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：陋日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：函逵堡导师虢研究生签名：f 型丝垒兰垫 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究内容的来源及提出的背景 城市环卫水平的高低，是一个国家工业化程度和综合实力强弱的重要标志之一。以前，全国各 地的慢车道和辅道均为人工清扫，人工清扫的方式也有着种种不足。一是安全隐患问题，每年全国 各地环卫工人在清扫工作时，死伤数量惊人，二是扬尘污染问题，三是费时费力问题。 清扫车作为环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备， 它广泛应用于干线公路、市政以及机场路面、城市住宅区、公园等道路清扫。目前在国内利用清扫 车进行路面清扫、保洁己经成为一种趋势。 随着我国经济实力的增强和生活水平的提高，在2 0 世纪6 0 年代，我国研制了第一代清扫车， 但是，由于其清扫效果差，操作不方便，面世不久即被淘汰。 2 0 世纪7 0 年代，国内相关科研机构、生产厂家，加大了清扫车研究开发力度，我国第二代清 扫车诞生了。北京和上海研制了大、中、小三种规格的清扫车，$ 3 1 大型清扫车和$ 3 2 中型清扫车， s 1 5 小型清扫车相继投入使用。天津研制的干式纯吸式清扫车小批量投入使用。第二代清扫车的技 术水平比第一代有了较大的提高。但由于纯扫式的清扫效率( 扫净度) 不高问题、干式纯吸式的除 尘系统可靠性问题等原因，使该类清扫车的推广受到极大的限制。【1 】【2 】 2 0 世纪8 0 年代中期，根据国家计委和建设部下达的科研任务，建设部长沙建设机械研究院经 过多年的研究，开发出了我国第一代湿式吸扫结合的清扫车s h z 2 0 型清扫车，填补了国内空白，同 时标志着我国第三代清扫车的诞生。该清扫车采用了道路刷与真空气力输送相结合的清扫方式，使 清扫效率从纯扫式的8 0 提高到吸扫式的9 5 左右，并采用湿式除尘原理和方法，解决了清扫时盘 刷的二次扬尘污染及垃圾箱内垃圾尘土与空气的分离问题。 进入2 0 世纪9 0 年代。随着国民生活水平不断提高，基于生活质量的提高和改善投资环境的需 要，各级各地政府对环卫工作给予了越来越高的重视，环卫基础设施的投入力度不断加大，环卫工 作必须逐步实现机械化作业得到了普遍认同。同时，清扫车的市场需求日益扩大，清扫车的技术水 平迅速提高，尤其是1 9 9 3 1 9 9 4 年部分地区开始大量购入清扫车。为了满足市场的需求，各地纷纷 开发生产清扫车，短短几年时间清扫车完成了由单一品种到多品种的转化，形成了自行开发和引进 国外技术相结合的格局。 2 0 0 0 年之后，国内清扫车行业呈现快速发展的态势，各专业生产厂家均获得了较好的发展，更 多的企业加入到了研发和生产清扫车的行列，同时，各大中城市清扫车保有量在不断增加，我国路 面的清扫保洁工作己经开始向机械化时代迈进。【3 】【4 l 东南大学项学位论文 这时，清扫车的发展m 现了两个方向：个是向多功能、机电液一体化、智能化方向发展，以 美围公司生产的精扫车为例其功能动作设计包括了清扫t 作中遇到的各种问题垃圾箱液压倾倒、 馥刷的伸缩、提升和旋转、避障、记忆、警示、自保护及检测等。利用计算机、液j 卫、传感检剐、 信息处理、自动控制和接n 等技术选到机电液体化钾能控制的目的。清扫车上使州了温度、转述、 货重、物位、倾角、液忙、避障、压力、电量等多种传感器，由传感器采集清扫车控制所需的备种 信包。这些信息被送到中央控制计算机，进行存储、运算、娈挽、加j 二等处理，控制系统发出各种 命令，执行机构完成要求的功能。1 5 1 现在全国各人、中、小城市使州的清扫下多数是进口其结构复杂，体积比大蓝价高昂。 以某国航两台真空机 | 车价格就高达7 2 0 万元，就是中、小型机扫车，价格也在3 5 4 5 万元片右， 而且能源消耗人，每月还臻支付高昂的维修费和保养费。这些机 1 牟只适用于路而较为平坦宽j 的 道路，而无法清扫慢车道及辅道。( 如图1 - 1 ) 熙黪繁霹繁熟零弼嘲嘲 图1 - 1 大中型清扫1 。 另一个方向向低成本发展以电动清扫下和无驱动消扫车为代表 电动清扫车足一种由精扫滚筒、车箱段传动机构组成的滚筒式清 乍。清扫滚筒宜皱在下筘体 的前端。舟滚筒中心部位有传动轮。在 辞自体底部两侧安装有滚动轮。在车箱体前端的两个滚动轮 上有传动轮。当人工推动或机械牵动此清扫车时。由r 壤动轮的转动，通过传动皮带联接的传动轮 跟着转动进而带动滚筒转动。实现清的目的。( 如吲1 2 ) 目前的电动马路清车采阁直流电机驱动，滚筒清扫存在的土耍问题是：1 、i 作时间昶l 范嗣 小一般只能上作两小时左右，2 、壤筒清扫噪声大，振动剧烈，对操作j 二人的健康有很大影响。 第一章绪论 12 清扫车研究的实际意义 圈1 - 2 小型清扫设备 随着社会的进步一城市化进程的加快，城市人月的增多，城市道路在小断扩腱延伸，公用设施 不断新建垃圾产出茧迅速增加，田此人工清扫道路的方法已经远远不能满足形势的要求。由于路 面消扫车町以大大提高我国的环卫水平，减小清洁工的劳动强度，并且苹于工作效率和城市形氰的 考虑，各级各地政府对清扫车的发展也越来越重视。随着国内道路的不断扩展。机械化养护已经成 为一种必然。 国内巨大的清扫车市场，同时吸引若国内车国外清扫车企业的目光外资企业不断进入，国内 市场的竞争将越来越激烈。由于国内产品的技术水平相对较低尤其在控制系统和清扫效率等方面 与国外产品有相当人的蔗距，从而在竞争中，国内企业处于不利地位。田此研究和开发清扫车，提 高我国清扫机械的发展水平具有定的理论意义和重要的实用价值。1 5 13 本课题研究的主要内容 结台上m 】所述柏情况车谋题土要研究以f 两方面的问题 1 、对电动清扫车的清扫能力进行 曳进，对清f j 乍的清扫部件进行分析 【f 计算，提出台理的数据 用丁清扫车的改进。 提出了剧链传动清扫机构代替传统的滚轮清扫机构解决了二次扬尘一题使清扣作业更可靠、 能牦更低。 2 、垃圾斗芈爿的问题用四杆机构斛决垃圾斗的倾倒村题等关键。为e h 动清扫牟的低成本发艟提 出了新的思路。 本课题计的电动马路精扫车其优点在n 整车结构设计紧凑，布局台理，结构简单，重晕轻， 使用方便，故障率低，具有转弯r 径小，备项性能好，适合道路狭窄的城镇地区小阿物业，上矿 默 东南大学硕士学位论文 企业等部门使用。整车采用电瓶驱动，节约能源，密闭性好，对外界无污染，无噪声。不会二次扬 尘，不需专门技术人员维护。由于可充电，活动半径大，续航能力强。其零部件均为易购件，加工 方便。 4 第二章清扫部件的研究 2 1 国内外研究现状 第二章清扫部件的研究 目前，国内外清扫车的发展主要是两个方向：一是吸扫式，还有一个是纯扫式。 2 1 1 吸扫式清扫车 底 图2 - 1吸扫式清扫车结构 绝大多数开放吸扫式清扫车( 图2 1 ) 由自行底盘、副发动机、风机、垃圾箱、水箱、侧盘刷、 水平柱刷、吸口及排风口等组成。【6 l 副发动机、风机位于底盘驾驶室后方，一般通过液力耦合器或干式摩擦离合器连接。 体积最大的垃圾箱位于底盘中后部，其后部与车架铰接，前部或下部有翻倾液压缸，铰接在 垃圾箱和车架之间。水箱可与垃圾箱做成一体，位于垃圾箱下部，或作为一个独立部件固定于垃圾 箱下方或其它位置。侧盘刷固定在车架中部两侧。水平柱刷位于车架下方，可以向左或右偏转一定 角度，以配合左侧盘刷或右侧盘刷工作。吸口位于侧盘刷与水平柱刷的稍后位置。 开放吸扫式清扫车在工作时，首先选择左侧或右侧作业方式，将相应的侧盘刷和水平柱刷按作 业方式要求置于工作状态，侧盘刷和水平柱刷在清扫车行进过程中配合作业，将垃圾横向抛射至吸 口前方，形成一条垃圾带。当吸口经过垃圾带时，将垃圾尘粒吸入吸管， 输送到垃圾箱内。垃圾尘 粒在进入吸口经过垃圾箱的过程中，要经历几次除尘处理，将垃圾尘粒阻留在垃圾箱内，除尘后的 载体空气从出风口排出。吸扫式扫路车是世界上使用最普遍，品种最多的扫路车。吸扫式扫路车不 仅有干式和湿式，而且各种结构型式都有。 5 东南大学硕士学位论文 真空吸扫式是利用负压收集垃圾；刷式使用圆柱刷、盘刷将垃圾集中到皮带机上，然后送到垃 圾箱中，或直接抛入垃圾料斗里。 该型清扫车利用四只安装在扫帚前面的喷嘴将路面喷湿，四个盘式扫刷将路面垃圾扫至规定位 置，吸尘系统的高压风机产生高速运动的气流，在吸嘴处形成较强的负压，将垃圾吸入料箱，由于 料箱空间突然加大，经过吸嘴吸管的气流速度突然降低，经过再次与喷洒水分粘合的尘土、垃圾、 密度较大的颗粒在重力作用下沉至料箱底部，树叶、纸张等被钢丝网挡住，再经过料箱隔板使空气 进一步净化，最后经风机、排风罩排出。 根据垃圾排出的方法，清扫车还可分为料斗前翻式、料斗后翻式和举斗后翻式等。 目前，国内生产的扫路车扫刷和吸嘴布置形式主要有中置四扫刷后置吸嘴( 如图2 - 2 a ) 、中置四 扫刷+ 吸嘴内卧扫后置吸嘴( 如图2 - 2 b ) 、中置两侧左右立扫+ 中间可回转长卧扫、分置两侧不带反吹 短吸嘴( 如图2 - 2 c ) - - - 种形式。 图2 2扫刷和吸嘴布置形式 中置四扫刷+ 吸嘴内卧扫后置吸嘴的扫路车具有清扫直观、清扫效果较好、吸入粒度较大 ( 1 0 0 m m ) 、吸扫速度较高( 3 2 0 k m h ) 等特点，但因前置扫刷在灰尘较厚、压尘不理想时，所扬起的灰 6 第二章清扫部件的研究 尘会直接影响司机视线，前悬较长。【9 l 中置两侧左右立扫+ 中间可回转长卧扫、分置两侧不带反吹短吸嘴形式的扫路车是国内生产厂家 测绘英国j o h n s t o n 公司的产品消化吸收开发出的产品，基本保留了j o l l n s t o n 的特点。能清扫马路两 侧，但相同情况下清扫速度慢、清扫宽度窄( 2 2 m ) 、吸入粒度较小、二次污染较大，对灰砂路面清 扫效果欠佳。f 1 0 j 2 1 2 纯扫式清扫车 纯扫式清扫车上不安装风机，其清扫作业是通过边扫将路边的垃圾扫到扫路车下，再通过滚扫 或滚扫+ 抛料机构将垃圾扫入垃圾箱。早在二十世纪八十年代初期我国就开发了滚筒式扫路车，并 在一些大城市的环卫部门使用，后来，随着吸扫式扫路车的开发和发展，滚筒式扫路车逐渐地被吸 扫式扫路车所取代。【1 1 j 【驯 滚筒式扫路车只是通过机械清扫将垃圾扫( 抛) 入垃圾箱，所以无需进行湿式除尘或干式除尘。 为了使清扫作业时扫路车不扬灰，滚筒式扫路车的前面一般都设有喷水喷头。 车 垃圾箱 图2 - 3 滚筒式清扫车结构 滚筒式扫路车工作原理( 如图2 3 ) ：滚筒式扫路车前行，同时滚筒顺时针转动，把垃圾扫上并 抛入垃圾箱，由于滚筒是圆形，所以对垃圾要有一定的初速度才能使其进入垃圾箱。 该清扫车的优点是：结构简单，造价低廉，能够在狭小空间作业。 缺点是：振动和噪声较大，影响环境，对操作人员身体有较大损伤。同时，二次扬尘严重，需 7 东南大学硕士学位论文 要洒水配合。 2 1 3 链传动式清扫车 由于现在的纯扫式清扫车有振动和噪声较大的缺点，我们提出了改进方案，第一种方案是减振 消噪，由于成本较高，且对清扫效果没有明显改善，所以放弃。第二种方案是改变清扫部件的结构， 变滚筒式为链传动式。 。 她圾斗垃圾 陀集箱 图2 _ 4 链传动式清扫车结构 链传动式清扫车( 如图2 4 ) 由自行底盘、车身、垃圾斗、垃圾收集箱、直流电动机、盘刷、清 扫机构及垃圾斗举升机构等组成。 直流电动机位于底盘驾驶室后方，通过通过离合器和链轮连接，带动清扫机构工作。 体积最大的垃圾箱位于底盘中后部，其后部与车架铰接，前部或下部有一翻倾液压缸，铰接在 垃圾箱和车架之间。水箱可与垃圾箱做成一体，位于垃圾箱下部，或作为一个独立部件固定于垃圾 箱下方或其它位置。盘刷固定在车架前部两侧。 链传动式清扫车在工作时，盘刷按作业方式要求置于工作状态，盘刷在清扫车行进过程中配合 作业， 将垃圾横向抛射至车中央，形成一条垃圾带。当清扫机构经过垃圾带时，清扫机构工作，将 垃圾尘粒沿垃圾拖板扫入垃圾斗，当垃圾斗集满时，举升机构工作，将垃圾斗举升、翻转，把垃圾 送到垃圾收集箱内。 由于该清扫机构垃圾收集方式是垃圾由垃圾拖板扫入垃圾斗，所以没有垃圾抛射的过程，对链 轮的转速要求不高，减少了由于清扫机构高速运转带来的震动和噪声，减少了二次扬尘。 8 第二章清扫部件的研究 该清扫机构的特点： 1 、由于是纯扫式结构，不用专门的副发动机，能耗小，排放少； 2 、由于采用链传动装置，使垃圾进入垃圾斗不用抛射，大大降低了主动轮的转速，使整车的震 动和噪声很小。 2 2 清扫部件总体结构设计与研究分析 改进后的清扫部件结构如图2 5 ，其工作过程如下： 主动链轮转动，带动套筒滚子链和扫丝工作，扫动垃圾到垃圾拖板，最后把垃圾扫入垃圾斗， 其中链轮转速可调，可以视垃圾的情况不同和行进速度不同来调节，清扫部件整体可调节，当行进 时，可以把支架抬高，这样整个机构就离开地面，快速行进。 图2 5 清扫部件结构 扫丝 套霞缓予链 从动链轮 2 3 清扫速度的实验与研究 若清扫车的工作速度不变，提高清扫车链轮的清扫速度将会使扫丝接地点相对于路面的绝对速 度增大。清扫车应能根据作业路面的具体情况( 污染程度、垃圾尘粒的粒径和密度) 控制调节清扫 速度和刷毛的工作转速，使扫丝接地点的绝对速度( 大小和方向) 为最佳。此时，若单纯以清扫效 率计，即使采用较低的绝对速度亦可满足作业需要。当速度方向不佳，则必须以较大的绝对速度、 功率消耗和扫丝磨损量为代价，才能满足作业工况要求。 为研究清扫速度与清扫效果之间的关系，进行了道路清扫实验。 本次清扫车道路清扫实验是在以沙粒为主的公路路面上进行的，在路面上较均匀的分布着细小 9 东南大学硕士学位论文 的沙粒和粉尘垃圾。( 为了能更好的反映清扫结果，实验特意选择在垃圾较多的路面进行) 。清扫车 将在此路面上进行清扫作业，清扫车以不同车速和不同链轮转速组合通过此路面，观察清扫后路面 的干净程度和残留沙粒( 未清扫掉的沙粒) 的多少及其分布形态。 具体实验数据见表2 1 。 表2 - 1 清扫实验数据 清扫速度( k m h )链轮转速( r m i n )清扫效率( )清扫能力( m 2 h ) 51 57 93 9 0 0 0 53 08 33 9 0 0 0 5 6 0 8 83 9 0 0 0 1 01 56 56 5 0 0 0 1 03 07 46 5 0 0 0 1 0 6 08 0 6 5 0 0 0 1 51 53 51 1 7 0 0 0 1 53 04 71 1 7 0 0 0 1 5 6 06 2 1 1 7 0 0 0 注：清扫效率与清扫能力是两个有区别的概念。【1 5 j 清扫效率( s w e e p i n ge f f i e i e n e y ) 所谓清扫效率，是指清扫车作业清除的路面垃圾量与作业前的路面垃圾量之比，用百分率表示。 式( 2 1 ) 为清扫效率的计算公式。 l j ：w o - w , x 1 0 0 ( 2 1 ) 式中 u 一清扫效率，： w 0 _ 作业前的路面垃圾量，g m 2 ； w 1 一作业后的路面垃圾残存量，g m 2 。 清扫能力( s w e e p i n gc a p a c i t y ) 清扫能力是指清扫车进行作业时，在达到规定的清扫效率的前提下，单位时间内完成的最大作 业面积，其值等于最大清扫速度与清扫宽度的乘积。式( 2 2 ) 为清扫能力的计算公式，用于性能试 验。式( 2 3 ) 为一般意义下的清扫能力的计算公式。 f m 。= 3 6 0 0 亍l 曰 ( 2 - 2 ) f = 1 0 0 0 v o b ( 2 3 ) 式中 f m 。、f 一清扫能力，m 2 h 一； l 一清扫距离，m ： b 一清扫宽度，m ； 第二章清扫部件的研究 t 一清扫时间，s ： v 0 一清扫速度，k i n h 一。 实验结果分析： 当清扫车以5 k m h 的速度行驶，链轮转速分别选择低档、中档和高档进行清扫作业，清扫后的 效果由表可以看出，不管在哪种链轮转速下，其清扫效果都比较好。由此可知，清扫车在低速行驶 情况下，低链轮转速已经可以很好的清扫路面了，过度提高链轮转速没有实际意义。但同时，由于 此时清扫车车速较低，清扫车的清扫i 作业效率也较低。 当清扫车以l o k m h 的速度行驶，链轮转速分别选择低档、中档、高档进行清扫作业，清扫后的 效果表可以看出，链轮转速在低档时，清扫效果较差；在中档时，清扫的路面较干净；当高档时， 路面清扫的相当干净。 采用中档行驶速度和中档链轮转速的组合方式进行清扫作业，清扫车的作业效率一般，清扫率 已经能基本满足要求；采用中档行驶速度和高档链轮转速的组合方式进行清扫作业，则清扫车的作 业效率一般但清扫率较高。 当清扫车以1 5 k m h 的速度行驶，链轮转速分别选择低档、中档和高档进行清扫作业，清扫后的 效果由表可以看出，链轮转速在低档时，清扫车清扫能力较差；在中档时和高档时，路面都有较多 的沙粒残留。可以看出清扫后的路面上，残留沙粒开始呈现倾斜的带状分布，即发生了“拖带”现 象，这是由于在较高清扫车速状态下，链轮转速较低引起的。因此，如果要提高清扫后路面的干净 程度，需进一步链轮转速，否则虽然清扫车的作业效率较高，但清扫车的清扫率较差。 同时，还要根据不同的垃圾性质确定不同的清扫策略，如对颗粒较大的垃圾，应该采用低链轮 转速配中低速行驶速度的方案，对树叶等较轻的垃圾可以采用中高速行驶速度以提高工作效率。如 果垃圾较多，尽量减慢车速以达到良好的清扫效果。 2 4 本章小结 本章通过对以前纯扫式清扫车清扫机构的分析和研究，提出了全新的清扫机构设计方案一一链 传动式清扫机构，改进了垃圾清扫和收集方式，降低了能耗，减少了噪音，提高了清扫效果。研究 了清扫速度、链轮转速与清扫效果之间的关系，提出了合理的速度匹配方案，并应用该方案进行清 扫实验，得出了较为满意的实验结果，证明了新方案的合理性。 东南大学硕士学位论文 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 3 1 垃圾斗举升部件的方案设计 吸扫式清扫车的垃圾收集方式是把垃圾直接吸入垃圾箱，在本清扫车上，为了使机构设置更合 理，我们采用“两步走”的方式，先把垃圾扫入垃圾斗，然后举升垃圾斗，使垃圾倒入垃圾收集箱， 最后倾倒垃圾收集箱。 这就需要设计垃圾斗的举升机构，具体方案有多种，主要是以下两种。 图3 1 举升机构方案一 方案一：如图3 - - 1 所示，举升机构由液压缸、轨道和若干机构组成，工作时，液压缸举升，推 动垃圾斗在轨道上提升，到达垃圾收集箱的高度时，轨道倾斜，使垃圾斗侧翻，倾倒垃圾。完成一 个工作循环。 该方案的优点：工作可靠，举升重量大，基本可以满足工作要求。 缺点：结构比较复杂，特别是轨道的倾斜角度需要计算，加工有一定难度，同时由于结构复杂， 整体自重较大，对负载有一定影响。 方案二：如图3 2 所示，利用铰链四杆机构的运动特性，用四杆机构举升垃圾斗，完成举升、 倾倒的动作。 1 2 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 该方案的优点：结构简单，运动合理，设计n - r 成本低。 缺点：需要对机构进行设计计算，找出最优的设计方案。 3 2 举升机构的数学分析 为了提高举升机构的工作效率，举升机构必须满足工作要求。因此，分析、研究举升机构的工 作状况是很有必要的。 3 2 1 建立数学模型并求解 对于该举升机构的四杆机构模型如图3 3 所示。该机构为双曲柄机构。 1 、确定目标函数：1 2 的尺寸 当举升高度达到h 时，1 2 的角度为水平。 2 、约束条件描述 ： 1 3 s i n0 2 一h z 3 c o s 0 1 一z ls i n 0 4 l ls i n ( 0 3 9 0 。) + l o h l lc o s ( 0 3 9 0 。) ；z 3c o s 0 2 + ，2 图3 2 举升机构方案二 3 、方程求解 j 。 h 、? 弋、 k 二= = = 二二：瓮 根据清扫车的具体尺寸 把h = 1 2 4 0 ，1 1 = 1 3 = 1 5 2 0 ，1 0 = 1 3 0 代入以上方程解得 1 2 = 9 8 7 从而确定1 2 的尺寸为9 8 7 m m 即可达到使用要求。 1 3 图3 3 举升机构的四杆机构模型 1 东南大学学位论i 32 2 仿真确认 为了验证计搏的正确性，使用c a d 软件对该系统进行仿真 1 、用c a x a 实体设计完成零什的三维建模，如图3 - 4 所示 垃圾斗 闰3 4举升机构三维模型 c a x a 实体发训是通过联盟方式开发、具有领先水平的新一代刨新三维c a d 系统。它所代表 的创新设计体系，是近2 0 年柬c a d 挫术发艘的重大突破。 c a x a 实体设计为产品创新设计提供丁强大的三维环境与方法，包括丰富的三维图亲、三维标 准件库、开放的三维幽库扩展功能以及灵活的三维图库调j ；f j 机制为从三维开始的产品创新设计建 立了基础：鼠标拖放式摊作、智能驱动手柄、智能捕捉= 维球和属性采等强大、灵7 的三维空问 的操作工贝- 使设计构彤如同“搭积木”一样直观、简单、易行：自由殴计与精确设计两种创新设 计方法为在产品设计的不同阶段提供了极大的灵活性与 【由性，埘于自由设计与精确设的任意 部分或任意阶段均口r 进i t 超越参数化的灵活编辑与修改同时可以保留参数化的约柬关系：提供了 集产品概念设计、零什设计、驻i ：i 己设计，j 一程罔生成、渲染、动面仿真咀及设计协同与数据交换等 功能于一体的完备三维创新癸汁环境，实现了产品三维创新设计的完警应用流程。 c a x a 实体设计是通过国际台作开发具有我国自主版权的一款c a d 软什。c a x a 实体设计 将传统的j 二程设计和蓬勃兴起的 业世计完美的站合起来，将可视化的自由设计与精确化设l r 结合 在起，使产品泣训跨越了传统参数化c a d 软件的复杂性限制，支持产品从概念设计的详细醴计 最终生成符合曾家标准的二维i 程斟样的全过程。该软件具有强大的全功能i 维设计环境，它能够 在同一设汁环境下全面解挑产品的概念计，零件设计、装配设计、领金设计、外观渲染、动画仿 真并，整个设计过程自然流畅，排除了田使用多个应坩软件而降低娥率的问题。 3 3 1 1 ” 2 、对该凹杆机构进行约束装配 通过约束装配确定各零件问的运动戈系。b 是丰动件其本身不存庄约束只有一个运动，是 第= 章垃敷斗举升部什的设计与研究 转动；垃圾斗足从动件，麻保证其能随b 运动。为此给定其上面的孔与l 0 左面的孔共轴约束， 避后再将垃圾斗和k 浓加一个面贴合的约柬。( 注意这一约柬必不可少，而且先后顺序不能政变， 田为后面还要加一个点到点的尺寸约求。在三维空间里，符合点到点的尺寸是一个球面加一个面 贴旨约束可以过滤掉其他”，能性，从而只产生当前面的结粜。) 由于四轩机构的运动特性，需要给垃圾斗的b 孔到k 的d 孔定义一个距离，该距离是点到点 的距离，也就姓同平而内的两个孔的圆心距离它可以确定垃圾斗的运动。h 将左右两孔与l 0 和垃圾斗的对应孔共轴约束约束添加结果如图3 - 5 所示。 幽3 - 5举引机构i 耋动约束幽3 - 6 举升机构极限位最 3 、对该机构进行动画仿真 选定k ，将其定位锚穆至右面孔中心，舔加一个回转运动，然后察看其动画，其极限位置如图 3 - 6 所示。在逃到要求高度时，垃圾斗能够倾倒确认计算是正确的。 3 3 举升机构的运动特性分析 为了保证举升机构jr i g 远行，分析其运动状态足很有必要的 331 举升机构的运动分析 如翻3 7 所示的平面铰链四杆机尚。我w 用拉格朗日方程来描述本机构的数学模型如下【“j 【”】 一d j a t d t 一署0 0 + 鲁。 a ；， ，帕 ” 东南大学硕士学位论文 式中：t 表示本系统的动能，p 。表示重力势能，m i 。表示系统的输入力矩。 平面铰链四连杆机构系统的动能可表示为下式： z = 1 所t 昨+ 嘭k 1 埘 图3 7四杆机构运动特性 ( 3 2 ) 图3 8 举升机构运动示意图 式中：v l , 和v i y 分别表示对应于杆件质心的x 轴向速度和y 轴向速度，0i 表示对应杆件的角速度。 由于平面铰链四杆机构是一个单自由度机构，所以v k 、v i y 和0i 可以用oi 的函数表示，经推导 我们可得到如下形式的表达式： | x ie 1 一k 岛 = q 幺 经运动学分析，可得到如下表达示： 1 6 ( 3 3 ) 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 一忡l - l 1s i n b 0 1 + x - x 2 s i n 0 2 - y 2 c o s 0 2 卜 0 2 b 厶s i n ( 0 3 0 1 + 万) l 2s i n ( 0 2 0 3 一玎) 三ls i n ( 0 2一岛) l 2s i n ( o s 一0 2 + 石) ( 3 _ 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 式中x 。，y l 表示曲柄质心在固结于曲柄的直角坐标系中的直角坐标；x 2 、y 2 表示连杆质心在固结 于连杆的直角坐标系中的坐标；x 3 、y s 表示摆杆质心在固结于摆杆的直角坐标系中的坐标。 如此可以将式( 3 - 2 ) 写成一种较易理解与分析的形式。将式( 3 3 ) 代入式( 3 2 ) 口- i 得： z = 三弘k ? 蚓“砰k j 1 酬卉 其中爿( 臼，) = 善3 k 。伍? + 2 ) + j ，州，称为等效转动惯量。 通过分析可知重力势能可以表示为： 0 = 如l ，1s i n ( o l + 6 1 ) + m 2 ( ls i n 0 1 + r 2s i n ( 0 2 + 6 2 ) ) + 肌3 ( 。s i n o 。+ r 3s i n ( 0 3 + 6 3 ) ) k 1 7 ( 3 1 0 ) 、【rj 伊 瞄咀 m 一 一 y咀” 删哪 ，一。f 埘掣嚣儿声融 1 曩 b 一吼 暑 q i 岛一吼 i 东南大学硕士学位论文 ( 3 1 1 ) 式中各参数我们可以在图3 7 中找到，g 在这是表示引力常数，6 1 、6 2 、6 3 杆件质心向径同杆件 两端铰接点连线的夹角。 将式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 1 ) 代入式( 3 1 ) 可以得到此平面铰链四杆机构的数学模型： 觚，哇等 式中： 幽( 臼，) d 0 1 + g ( b ) 一m i ，l ( 3 1 2 ) 一2 c - z d 口e u 2 + 2 c 2 0 ) 3d 以w - - z + c ，d e u 2c o s ( 吼一b + 6 z ) - t 0 2 s i n ( a z 一岛+ 6 z x z 一1 ) 】 c 1 一j 2+ m 2 弓 c 2 一j 3 + 聊3 孑 c 3 2 m 2 厂2 三1 d o j 2 d 0 1 工l ( q + d 2 ) 工2s i i l 2 ( 8 2 d l 一( 3 - 1 ) s i n ( 0 2 0 3 ) c o s ( 0 3 一吼) ， d 2 一s i n ( o a o , ) c o s ( 0 2 0 3 ) ( 屿一2 ) d 3 一( 缈2 1 ) s i n ( 0 2 0 3 ) c o s ( 0 2 一日1 ) d 4 一s i n ( 0 2 一o x ) c o s ( 0 2 一岛) ( 3 一缈2 ) g ( b ) 一【m l r lc o s ( o l + 6 1 ) + 历2 1c o s o l + m 2 r 2c o s ( 0 2 + 6 2 ) 2 + m 3 r 3c o s ( 0 3 + 6 3 ) 鸭k 对于当前系统，运动示意图如图3 8 所示，当0o = 0 时， lc o s o l l 2c o s 0 2 - l 3c o s 0 3 - l o 一0 ls i n o l4 - 2s i n 0 2 - l 3s i n 0 3 ；0 d w 2 d 0 1 。( d 1+ d 2 ) 工2s i n 2 ( 臼2 d w 3l 1 ( d 3 + d 4 ) d 幺3s i l l2 ( a 2 一岛) 0 3 0 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 从上述两个方程消去02 ，便可化成一个只包括01 和03 的方程，给定01 可求出满足此方程的 s i n 0 2 0 3s i n 0 3 - l ls i n 0 1 ) l 2 1 8 ( 3 1 5 ) 一、_ 、一吼 j 一岛 d 一一 + 一吼 3 一( 堡舻 厶一声 一 昌 堕崛 、，吼 一 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 将3 1 4 式中的c 。so ：代以、j 面，得出 ，( 吼，0 3 ) = l 1c o s 0 1 一l 2 一l 3c o s 岛- l o = 0 ( 3 1 6 ) 在01 给定时，求能使“e3 ) 的03 值，然后，02 就可由( 3 1 5 ) 式求得。 为了求能使f = 0 的03 的值，可调用m a t l a b 中的f z e r o 函数。为此，要把f _ - f ( 03 ) 单独定义为 一个m a t l a b 函数t h a t a 3 m ，在主程序中要调用它。为了把长度参数传给子程序，在主程序和子程 序中都加了全局变量语句( g l o b a l ) ，但全局变量容易造成程序的混乱，使用时要小心。 2 8 1 1 3 0 1 程序如下： 1 、主程序 g l o b a ll ol 1l 2 l 3t h l l 0 = 1 3 0 ；l 1 = 1 5 2 0 ；l 2 = 9 8 7 ；l 3 = 1 5 2 0 ； w l = i n p u t ( w l = ) ； t h e t a l = l i n s p a c e ( o ，2 + p i ，1 8 1 ) ； t h e t a 3 = i n p u t ( t h e t a 3 = 。) ； d t = 2 + p i 1 8 0 w l ； t h l = t h e t a l ( 1 ) ；t h e t a 3 ( 1 ) = f z e r o ( t h e t a 3 ，t h e t a 3 ) ； f o ri - 2 ：1 8 1 t h l = t h e t a l ( i ) ； t h e t a 3 ( i ) = f z e r o ( e x 7 1 4 f ，t h e t a 3 ( i - 1 ) ) ； e n d s u b p l o t ( 1 ，2 ，1 ) ，p l o t ( t h e t a l ，t h e t a 3 ) ，y l a b e l ( t h e t a 3 ) ，g r i d w 3 = d i f f ( t h e t a 3 ) d t ； s u b p l o t ( 1 ，2 ，2 ) ，p l o t ( t h e t a l ( 2 ：l e n g t h ( t h e t a l ) ) ，w 3 ) ，g r i d 2 、子程序 f u n c t i o ny = t h e t a 3 f ( x ) g l o b a ll ol 1l 21 3t h l y = l 1 * c o s ( t h l ) + l 2 幸s q r t ( 1 ( l 3 + s i n ( x ) 一l 1 事s i n ( t h l ) ) 2 l 2 l 2 ) 一l 3 c o s ( x ) - l o 1 9 东南大学硕士学位论文 运行结果分析 运行结果如图3 - 9 所示 图3 - 9 03 、w 3 和el 的关系曲线 根据图形可以分析出以下结论： 1 、03 和e1 的关系基本线性，主要原因是l 1 和b 远大于k 和k ，而且l l 和k 大致相等。 2 、u ，随着0t 的增大逐渐减小，但减小幅度不大，基本也是线性关系。无速度突变，运行状态比 较平稳。 可以看出，本机构运动特性基本平稳，没有速度的突变，可以满足工作要求。 3 3 2 举升机构的受力特性分析 为了举升垃圾斗，需要运用液压缸，为了确定液压缸的型号，需要对举升机构的受力情况进一 步分析。 2 0 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 g 图3 1 0举升机构的受力分析 由于1 3 是主动杆( 图3 8 ) ，所以取杆3 为研究对象。 建立力学模型： 由于杆3 的转动角度不大，不是整周回转，并且其长度较长，受力较大，因此采用液压缸对其 驱动。 一 由于液压缸运动时角度0 变化从而影响f 的大小，所以应该对主动杆l 3 进行受力分析。 如图3 1 0 ，其中a ，c ，b ，l ，g 2 是常量，b ，0 ，q 是变量。 对a b c 三角形有 b 。i 五忑万了万 由正弦定理志=而bslll s m a l + ) d na ；一c s i s i n ( 口+ ) 一一。i + l b 、7 对杆l 进行受力分析，y 聊；0 ， 一 得f 口s i n 口：旦c o s 口 2 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 所以，；旦里；glcoso、a2+c2_2accos(0+,b) ( 3 1 9 ) 2a s i na 2 a c s i n ( o + 卢) _ 东南大学硕士学位论文 本例取 g = 2 0 0 l = 1 5 2 0 a = 1 5 0 c = 1 0 0 用m a t l a b 作出o f 曲线， 运行结果分析 1 6 0 0 0 1 柏0 0 1 2 0 0 0 1 咖0 kb 0 0 0 咖0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 f ； _ 、k _ 1 00 10 20 30 40 50 60 70 80 9 t h e t a 运行结果如图3 1 1 所示 根据图形可以分析出以下结论： 图3 1 1o f 曲线图 1 、对同一载荷，力f 随着0 的增大而减小，特别是开始时候，减小得特别快。 2 、对于初始角，取大一点有利于减小液压缸的功率，如果初始角过小，开始的举升力会比较大。 3 、对于本系统初始角e 取1 5 度，举升力取1 5 0 0 n ，比较合适。 第三章垃圾斗举升部件的设计与研究 3 4 本章小结 本章研究了清扫车垃圾收集的方式，确定了先扫到垃圾斗再到收集箱的方案，选择了双曲柄机 构为举升机构，应用c a d 软件和m a t l a b 对垃圾斗举升机构的运动和受力特性进行分析，确定了 垃圾斗举升装置的设计方案，提出了合理的结构形式，并进行了验证。理论和仿真分析结果显示其 结构是合理的，系统运行平稳，无冲击，受力情况良好，可以满足使用要求。 东南大学硕士学位论文 第四章盘刷速度的分析 为了提高清扫车的综合作业效率适应能力，盘刷转速必须能根据清扫速度的变化自动作出相应 调节，以保证盘刷接地点部分相对于路面有最佳运动速度( 大小和方向) 因此，分析、研究盘刷工作 转速( 亦即液压马达的工作转速) 与清扫速度之间的匹配关系以及它们对清扫性能的影响作用，是有 必要的。 本清扫车的清扫集尘装置采用两把立式盘刷( 皆由液压马达驱动) ，用于前清扫，结构简单且统 。这也是该清扫车的一大特色。因此，本章将以盘刷为对象进行分析研究 4 i 盘刷集尘机理分析啪3 清扫车利用盘刷