（机械工程专业论文）双重功能扫路车前刷装置的设计与研究.pdf

摘要 随着城市建设和高等级公路的迅速发展，环卫车辆的多功能化已经成为一种发展 趋势，将扫路车和护栏清洗车的功能结合起来，开发能一机两用的环卫车辆具有非常 现实的意义。 本文研究的对象是一种应用在大型扫路车上的新型前刷装置，该装置的设计出发 点就是要兼顾清扫路面和清洗护栏的双重功能。文中通过对两种工作状态下各自工作 特点和性能的分析研究，确定出总体设计方案。 为了保证前刷工作效率，必须重点解决两个问题：一是如何实现自动调节盘刷对 地面的压力，二是如何保证护栏清洗时滚刷对护栏的压力保持恒定。本文对现有的触 地压力调节方法进行了分析和计算，采用了一种角杠杆机构对盘刷的触地压力进行控 制，有效地解决了触地压力波动大的问题。在滚刷设计中，采用了避让弹簧装置来保 证工作中滚刷对护栏的压力基本保持恒定。在这两个问题的研究中，都采用了优化设 计方法，通过理论分析和建模，计算得出机构的优化参数。在此基础上应用三维软件 s o l i d w o r k s 建立盘刷机构的模型，并利用s o l i d w o r k s 内置的动态仿真软件 c o s m o s m o t i o n 对盘刷触地进行动态仿真，得出的结果证明了理论计算的正确性。 利用c o s m o s m o t i o n 对前刷进行了回转运动的仿真，并结合动力学分析了各机构参 数对回转运动特性的影响。运动仿真有效地提高了设计效率。 在机构分析基础上，设计了符合工作要求的液压系统，采用了接近开关来控制液 压系统中电磁阀的动作，从而保证在清洗护栏时，滚刷能自动调整位置始终处于正常 工作。 关键词 扫路车压力控制优化运动仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n a n d h i g h g r a d er o a d s ， m u l t i f u n c t i o no fe n v i r o n m e n t a la n ds a n i t a r yv e h i c l e sh a sb e c o m ead e v e l o p m e n td i r e c t i o n c o m b i n i n gt h e f u n c t i o n so f r o a ds w e e p e ra n dg u a r d r a i lc l e a n e r a n dd e v e l o p i n g m u l t i f u n c t i o n a le n v i r o n m e n t a la n ds a n i t a r yv e h i c l eh a v ev e r yp r a c t i c a lm e a n i n g 。t h er e s e a r c ho b je c to ft h ep a p e ri sak i n do fn e wf r o n tb r u s hu s e di nl a r g er o a d s w e e p e r t h es t a r t i n gp o i n ti nd e s i g no ft h ed e v i c ei st og i v ec o n s i d e r a t i o nt ot h ed o u b l e f u n c t i o n so fc l e a n i n gr o a d sa n dg u a r d r a i l t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eu n d e rt h et w ow o r k i n gs t a t e s ，t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m ei s d e t e r m i n e d t og u a r a n t e et h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h ef r o n tb r u s h ，t w op r o b l e m sm u s t b e p a r t i c u l a r l ys o l v e d ：o n ei sh o w t or e a l i z ea u t o m a t i cp r e s s u r ea d j u s t m e n to ft h et r a yb r u s ht o g r o u n d ；t h eo t h e ri sh o w t og u a r a n t e et h eu n i f o r mp r e s s u r eo ft h er o l l i n gb r u s ht og u a r d r a i l w h e nt h eg u a r d r a i li sc l e a n e d t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nf o rt h ee x i s t i n ga d j u s t m e n t m e t h o do fg r o u n d - t o u c hp r e s s u r ea r ep e r f o r m e di nt h ep a p e r ak i n do fa n g l el e v e r m e c h a n i s mi su s e dt oc o n t r o lt h eg r o u n d t o u c hp r e s s u r eo ft h et r a yb r u s h ，w h i c h e f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e mo fl a r g ef l u c t u a t i o ni ng r o u n d t o u c hp r e s s u r e i n t h e d e s i g no fr o l l i n gb r u s h ，s p r i n gp r e v e n t i o nd e v i c ei su s e dt og u a r a n t e et h a tt h ep r e s s u r eo f t h er o l l i n gb r u s ht og u a r d r a i li sb a s i c a l l yc o n s t a n td u r i n gw o r k i n gp r o c e s s o p t i m u m d e s i g nm e t h o di su s e di nt h er e s e a r c ho ft h et w op r o b l e m s t h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f t h em e c h a n i s mi sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm o d e l i n g 3 ds o f t w a r e s o l i d w o r k si su s e dt oe s t a b l i s ht h em o d e lo ft h et r a yb r u s hm e c h a n i s mo nt h eb a s i so f o p t i m u n lr e s u l t s ，a n ds o l i d w o r k sb u i l t i nd y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ec o s m o s m o t i o n i su s e dt op e r f o r md y n a m i cs i m u l a t i o nf o r t h et r a yb r u s h a n dt h eo b t a i n e dr e s u l tp r o v e s t h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n c o s m o s m o t i o ni su s e dt op e r f o r ms i m u l a t i o n o fg y r a t o r ym o t i o no ft h et r a yb r u s h ，a n dt h ei n f l u e n c eo fe a c hm e c h a n i s mp a r a m e t e ro n c h a r a c t e r i s t i c so fg y r a t o r ym o t i o ni sa n a l y z e db yc o m b i n i n gd y n a m i c s t h em o t i o n s i m u l a t i o ne f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ed e s i g ne f f i c i e n c y t h eh y d r a u l i cs y s t e mm e e t i n gw o r k i n gr e q u i r e m e n t si sd e s i g n e do nt h eb a s i so f s t r u c t u r ea n a l y s i s ，a n dp r o x i m i t ys w i t c hi su s e dt oc o n t r o lt h ea c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c v a l v eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw h i c hg u a r a n t e e st h a tt h er o l l i n gb r u s hc a na u t o m a t i c a l l y c o n t r o lt h ep o s i t i o na tn o r m a lw o r ks t a t ew h e ng u a r d r a i li sc l e a n e d k e y w o r d s r o a ds w e e p e r ；p r e s s u r ec o n t r o l ；o p t i m u m ；m o t i o ns i m u l a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 2 。夕年胆y j s e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 九 年，l 月留日 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 1 绪论 1 1 扫路车及其清扫装置概况 1 1 1 扫路车发展概况 一 扫路车是一种集路面清扫，垃圾回收和运输为一体的新型高效的清扫设备，可广 泛用于城市道路，高等级公路，大型厂矿，露天广场等道路的清扫。扫路车能快速有 效的清除路面的垃圾尘土，既能维护道路的整洁，延长道路的使用寿命，又能减少和 预防交通事故的发生。所以，在我国近年来扫路车的品种和数量逐渐增长，在大中城 市使用扫路车成为一种潮流。 从上个世纪6 0 年代起，我国出现第一代扫路车，至今已经有四十多年的发展历 史。进入上世纪9 0 年代，国家经济形势好转，国民生活水平不断提高，城市建设和 高速公路都迫切需要替代传统人工清扫的专用清扫结协，在这种条件下，我国的扫路 车真正进入快速发展阶段。尤其是1 9 9 3 和1 9 9 4 年，部分经济发达地区开始大量购入 扫路车，为了满足市场的需求，各地纷纷开发生产扫路车，短短几年时间扫路车完成 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。 目前，国内使用的扫路车有从国外进口的，但大多数是国内厂家利用二类底盘生 产的扫路车。进口的产品有英国的j o h n s t o n 和s c h m i d t ，美国的t a n n a n t ，意大利的 d u l e v o ，德国的c i t yc a t 和凯驰等。国产扫路车从品种规格和使用性能上己能基本满 足国内各种需求。国内开发的扫路车产品，既有采用成型的庆铃和东风底盘制造的中 型和大型扫路车，也有吸取国外先进技术采用专用底盘制造的小型扫路车。 经过数十年的发展，国产扫路车的技术水平有了长足进步，性能价格比大大由于 进口产品，尤其是采用中置四盘刷加后置吸嘴的扫路车是结合我国道路清扫的实际情 况研究开发的产品，受到了广大用户的中肯。但总体来说，国内扫路车的生产企业规 模都较小，研发力量不足，在一些关键技术上仍然落后进口产品的水平，有待于改进 和提高，开发新产品，满足市场的各种需求。今后我国扫路车的发展方向是： 1 ) 高可靠性 目前，国内的产品可靠性不如国外产品原因是多方面的，主要有三个方面的原因： 一是国产基础件质量不稳定；二是制造工艺问题；三是技术不完善造成先天不足。要 想提高可靠性首先需解决上面三个问题，只有在可靠性与进口产品可以相媲美时，才 能在市场竞争中利于不败之地。 2 ) 多功能 目前的国产扫路车基本上是单纯意义上的扫路车，只能扫路，不能它用。而从全 国许多用户的信息看，有的需要能清洗道路护栏，有的要求能铲雪等等。因此扫路车 多功能是其一个发展方向。 l l 绪论 工程硕士论文 3 ) 全天候 目前的扫路车一般都需要喷水压尘和除尘，在缺水地区和北方地区的冬季无法使 用，造成扫路车的使用率降低。要解决这一问题，必须要开发干式吸扫和湿式吸扫两 用车或称全天候扫路车，这样不仅可以解决上述难题，同时可以节约用水，降低使用 成本。 4 ) 环保型 目前的扫路车尾气污染和噪声污染相对来说都较大。随着国家对环保要求越来越 高，公众的环保仪式普遍增强，现有的扫路车就很难适应需要，因此开发环保型扫路 车势在必行，采用单发动机全液压驱动扫路车的应用也将有较好前景n 羽。 1 1 2 扫路车清扫装置及前刷装置概述 扫路车的清扫装置有盘刷和滚刷。清扫装置都有运动机构来实现盘刷或滚刷在清 扫工作时的定位。 盘刷用于将路缘、边角、护栏下的垃圾输送、集中到吸口前方，利用空气动力通 过吸口将垃圾捡拾和输送到垃圾箱中。图1 1 2 1 是扫路车中置四盘刷加后置吸嘴的 布置形式。这种形式的扫路车具有视线好、易操作，清扫效率高、清扫速度高、吸入 粒度大、二次污染小等特点，适合我国各种硬化路面、广场的清扫作业。 目前国内扫路车的盘刷都具有防撞避让功能，在清扫过程中如前方遇到较大障碍 时盘刷能自动收缩避让，当障碍过后又能自动恢复工作。在结构上还要保证能随时调 整盘刷的接地压力，用以消除盘刷磨损的影响。图1 1 2 2 是z l j 5 1 5 0 t s l 扫路车的 前扫刷结构“1 ，当清扫工作时，油缸4 的缸杆伸出，推动球铰安装座5 ，使盘刷的四 连杆刷架同时向外和向下运动，盘刷伸到清扫的预定位置并触地。扫刷的触地压力靠 调节弹簧调节筒3 的弹簧拉力实现。 2 图1 i 2 1中置四盘刷加后置吸嘴 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 9 图1 1 2 2z i a 5 1 5 0 t s l 扫路车的前扫刷结构 1 一支座；2 一销轴座；3 弹簧调节筒：4 油缸；5 一球铰安装座； 6 前刷调节杆7 螺栓：8 液压马达；9 盘刷 滚刷一般用在大型的吸扫式扫路车或采用机械输送垃圾的扫路车上。滚刷既可以 清扫路面，还可以用来堵截因离心力作用被盘刷抛出吸入区内的垃圾。图1 1 2 3 是 英国j o h n s t o n 扫路车盘刷和滚刷组合的布置形式，滚刷的轴线和扫路车纵向平面呈一 定角度，清扫时将中间垃圾扫到吸嘴前。 图1 1 2 4 是意大利d u l e v 0 2 0 0 扫路车的滚刷和盘刷的组合形式1 ，盘刷在前方 将垃圾尘粒等聚拢收集到车体宽度以内，滚刷贴地转动，将垃圾尘粒抛射到链条输送 器的入口，使垃圾尘粒随链条输送带的运动进入垃圾箱。滚刷的清扫能力比盘刷强， 其刷丝材料一般采用耐磨性能较好的尼龙丝，或采用钢丝和聚丙烯丝混合制造。 图1 1 2 3 英国j o h n s t o n 扫路车滚刷布置 3 1 绪论 工程硕士论文 图1 1 2 4 意大利d u l e v o 扫路车滚刷布置 在扫路车上，前刷装置实际上就是装在驾驶室前方的盘刷机构。对于采用专用底 盘制造的扫路车来说，一般只在车头前安装前刷装置，在前后桥之间不再安装扫刷； 而在采用二类底盘改装的扫路车上，由于在前桥和后桥之间已经配备了盘刷或滚刷， 所以前刷是作为一种选配件，其作用是扩大清扫面积，使扫路车更好地清除路牙边的 垃圾和和颗粒，一般在大型扫路车上使用。国外很多大型扫路车都有选装的前刷装置， 如德国的f a u n ，英国的j o h n s t o n ，奥地利的a u g l 等扫路车。 图1 1 2 5 是意大利d u l e v 0 2 0 0 扫路车的前刷装置口1 。在固定横梁2 内部有一个水 平油缸6 ，油缸的固定支点连接在横梁上，另一端油缸杆的支点和刷架7 相连。油缸 6 运动时带动刷架沿着固定横梁2 水平移动。升降油缸4 驱动四杆机构3 作上下升降 运动。刷架放在车的右侧，盘刷1 只能在车的右侧方向清扫。刷架后安装有一个避让 弹簧5 ，当扫刷遇到外力受阻时，四杆机构3 能向车内部避让，避免刚性体损坏。 4 234567 图1 1 2 5 意大利d u l e v 0 2 0 0 扫路车的前刷 工程硕论文m 莺珈能扫路车前刷装置设计与研究 1 盘刷：2 - 固定横粱；3 - 四杆机构：年升降油缸i5 一避让弹簧；6 - 水平油缸；7 - 刷架 图l1 2 6 是美国t a r m 锄t 公司一款新型扫路车的前刷机构。该机构采用了两个转 动关节，每个关节都是油马达驱动，能实现在左右任意一例清扫，不工作时将前刷机 构折叠收回，有效地节省了占用空间，提高了车辆的通过性。 图l12 7 瑞士渡雄( b o s c h u n g ) 扫路车的前s l i n g 1 2 护栏清洗车及其清洗装置概况 1 2 1 护栏清洗车概述 1 绪论 工程硕士论文 随着城市道路的不断扩展，城市道路的钢制隔离护栏也越来越多。由于道路上污 染较重，护栏需要定期清洗擦拭，因为人工清洗工作量很大，而且在马路上清洗时会 影响交通，人身安全得不到保证，所以大多数护栏很难得到维护和清理。在高速公路 上，防护栏也存在需要及时清洗的问题。利用专门的护栏清洗车，能方便、快捷、干 净地清洗护栏，使用灵活、安全可靠，能很好地满足道路护栏的保洁要求。 护栏清洗车的工作过程是：让高速旋转的滚刷贴靠护栏，刷毛对护栏产生一定的 压力，然后驱动车辆匀速前进，利用刷毛的强摩擦和附带的高压喷水冲洗双重作用， 使附着在护栏上的污垢和灰尘被彻底清洗掉。 护栏清洗车在我国出现的时间不长，运用还不普及，有待于进一步开发和推广。 1 2 2 护栏清洗车清洗装置概述 护栏清洗车的清洗装置是旋转的滚刷。滚刷的数量，有采用两只滚刷同时工作的， 也有只采用单个滚刷的。单滚刷和双滚刷工作时的旋转方向见图1 2 2 1 和图1 2 2 2 。 护栏 ( a ) 清洗左侧护栏( b ) 清洗右侧护栏 图1 2 2 1 单滚刷的旋向 车辆行驶方向一 。 车辆行驶方向一 厂7 太协 、 小 厂 v 、 、t ， ( a ) 清洗左侧护栏 ( b ) 清洗右侧护栏 图1 2 2 2 双滚刷的旋向 图1 2 2 3 是一种安装在车前端的护栏清洗装置，采用了双滚刷，由一个伸缩 油缸和一个举升油缸来控制滚筒刷的位置。滚刷左侧和右侧都能工作，交换方位时需 6 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 要进行手工调整完成转换。其优点是操作视野好，清洗可靠，缺点是体积庞大，影响 了车辆的通过性能。 图1 2 2 4 是一种安装在驾驶室后面的护栏清洗装置“1 。这种装置平时收放在驾驶 室和水罐之间，工作时依靠水平伸缩机构和垂直举升机构将滚刷伸到工作区域。其优 点是清洗装置紧凑布置在驾驶室后面，车辆的通过性能好。但滚刷工作时为保证安全， 操作者需时刻通过后视镜或经常回头观察清洗情况，容易疲劳。 图1 2 23 安装在驾驶室前的护栏清洗装置图1 22 4 安装在驾驶室后的护栏清洗装置 1 3 环卫车辆机多用的意义和现状 扫路车作为一种机械化清扫工具，具有清扫效率高，安全性好的特点，在城市 的道路清洁和高等级公路的养护等方面发挥着巨大的作用。在大型扫路车中，因底盘 功率高，承载能力大，给一车多用提供了可能，如铲雪、高压水冲洗路面等。这样可 以有效地利用现有设各，节约了另外购置专门车辆的资金。 在国外，扫路车的多功能应用是很普遍的。如德国f a u n 公司的a k 4 6 1 扫路车， 前端除了可以装前扫刷装置外，还可以装雪铲或除草装置。意大利d u l e v o 扫路车可 以选装高压喷水装置和水箱，在很短时间内能将扫路车原来的垃圾箱卸下换成水箱， 在车前部装上喷水装置，这样扫路车变成了清洗路面的高压清洗车。为了防止机场跑 道的金属多余物对飞机造成的损坏，机场配各了专门清除地面金属物的车辆，这种车 辆一般都是在大型扫路车的前端加装磁性吸盘，利用磁铁的强磁性能将地面微小的金 属颗粒吸附上来，如英国的j o h n s t o n 和s c h m i d t 等扫路车都有这种功能。 在我国，扫路车的多功能应用主要是在冬季的除雪。如福建新龙马专用车有限公 司、长沙中联重科等生产的东风底盘扫路车都可以加装雪铲，这对冬季雪后的道路清 理是非常有用的，尤其适用于北方冬季多雪的地区。 长沙中联中科新近开发出一款集清洗路面和收集污水功能为一体的专用车辆，它 将扫路车和高压清洗车的功能很好地结合在一起，在车头利用高压水和四个盘刷清洗 路面，然后利用风机吸力将地面污水抽进垃圾箱内。 7 1 绪论 工程硕士论文 1 4 本论文主要研究内容 从上述例子可以看出，扫路车的多功能应用是很有发展前途的。顺应市场需求， 开发多功能的扫路车产品是扫路车的一个重要发展发向，对扫路车的生产企业来说能 丰富产品的品种，满足用户的现实需求。 通常扫路车的前端装置功能都是单一的，例如雪铲，只有除雪功能，在无雪的季 节一般都要拆下来以降低载荷和提高车辆通过性；磁性吸盘是专门提供给机场来清除 地面金属多余物的，在城市道路清扫中几乎没有需求。目前国内扫路车的多功能应用 有加装雪铲、加装磁铁吸盘、和高压清洗车结合的扫路车等，但还没有出现扫路车用 于护栏清洗的应用实例，本文将在这一方面做一些研究。 本文所研究的对象是大型扫路车前端的前刷装置，该装置正是扫路车的多功能应 用的体现。该装置能实现清洗道路护扫和清扫路面的双重功能。和其它扫路车的多功 能应用不同的是，在功能转换时，并不需要更换全部新的装置，而只要更换部分部件 即可，因为大部分部件是两种功能通用的。因此该装置从总体设计到操作控制上要综 合考虑两种功能。 双重功能扫路车的前刷结构较为复杂，涉及到机构设计、运动学和动力学分析、 电液控制等方面。本文将就以下几个关键技术问题进行重点研究： 1 ) 解决盘刷和滚刷工作时的接触压力控制问题。盘刷工作时的触地压力是影响 清扫效果的重要因素，而滚刷和护栏的接触压力不仅直接影响清洗护栏效果，也关系 到车辆的安全，本论文将讨论用优化设计的方法分别设计盘刷和滚刷的有关机构参 数，使盘刷触地压力和滚刷接触护栏压力都满足工作要求。 2 ) 前刷装置的三维运动仿真和分析。运用s o l i d w o r k s 内置的仿真软件模块 c o s m o s m o t i o n 对前刷装置的盘刷的触地、盘刷刷架的回转及滚刷的接触护栏进行 运动仿真。结合动力学基本原理分析盘刷刷架的回转运动规律，从而为运动的控制方 案提供依据。 3 ) 制定出满足两种使用功能的液压系统。液压系统要满足双重功能的运动要 求，尤其在滚刷的压力控制上，系统应具有一定的自动调节能力，避免操作者频繁调 整，减轻劳动强度。 8 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 2 双重功能扫路车前刷装置的总体设计 2 1 扫路车前刷装置功能要求 扫路车和护栏清洗车都可以将其工作装置安装在驾驶室前端，它们的工作装置分 别为盘刷和滚筒刷，它们有各自的工作特点，也有相近的功能要求。本文所研究的是 一种安装在驾驶室前端的能实现盘刷和滚刷互换的机构，称作双重功能扫路车前刷装 置。 为了满足使用盘刷和使用滚刷双重功能，需要总结两种装置的基本要求。 清扫路面的前刷装置需满足以下基本要求： 1 ) 为了有效清扫路牙的垃圾颗粒，盘刷结构的刷丝采用聚丙烯丝和钢片混合制 成。盘刷接地后其形成的清扫区域要和扫路车中部盘刷的清扫区域有一定的重合，否 则会造成路面漏扫。 、 2 ) 盘刷的转速能调整，以适应各种路面的清扫需要和车辆行走速度的要求。 3 ) 要有效地调整和控制盘刷的接地压力。接地压力过高，盘刷会过度磨损，缩 短使用寿命，接地压力过低，会导致清扫不干净。 4 ) 盘刷要有避让装置，防止伸出车体外的盘刷刚性结构被外部作用力挤压造成 破坏。 5 ) 为了最大限度地提高扫路车清扫区域，在扫路车的左侧或右侧要都能实现清 扫，利于扫路车在各种路面场合使用。左侧和右侧的清扫区域对称分布。 清洗护栏的前刷装置需满足以下要求： 1 ) 为防止滚刷对护栏的磨损过大，滚刷的刷丝采用弹性较好的聚丙烯丝或尼龙 丝制成。 2 ) 滚刷的高度要保证可清洗距路面高在1 0 0 0 m m 以下的护栏。 3 ) 在护栏清洗时，在车辆和护栏之间距离产生波动的情况下，滚刷对护栏的接 触压力应始终保持比较稳定的状态，不能波动太大。接触压力的恒定是保证清洗效果 的关键条件。 4 ) 和盘刷一样，滚刷的转速也要能实现调整。 5 ) 护栏清洗装置也要在车的左右两侧都能清洗。 另外，前刷装置的设计还应考虑以下问题： 1 ) 满足行车通过性的要求。安装前刷装置后，车的通过性有所降低。设计中应 充分考虑，在满足功能条件下尽可能减少前刷装置的体积和重量。 2 ) 在盘刷和滚刷的功能操作上要尽量通用，简便易行，降低生产成本。 因为清洗护栏工作需要一直喷水，中小型扫路车的底盘承载能力小，储水箱容积 9 2 双重功能扫路车前刷装置的总体设计 工程硕士论文 较小，不足以满足长时间清洗护栏的需要，而大型扫路车的储水箱一般在2 0 0 0 升以 上，连续喷水工作时间能达9 0 - - 1 2 0 分钟，所以本文研究的双重功能前刷装置安装在 大型扫路车上，该扫路车的基本清扫装置采用图1 1 2 3 的形式。 2 2 扫路车前刷装置的总体方案设计 按上述两种功能的特点，从以下方面分析前刷装置应采用的基本机构。 1 ) 前置装置的左右位置问题。两种功能都要求在两侧都能工作，工作宽度较大， 前刷装置在机构上要实现左右工作区域的大范围转移。转移方法有两种，第一是只依 靠刷架本身向工作区域一侧偏转，第二是除了刷架本身的偏转外，还增加了刷架的左 右移动机构。图1 2 2 1 的护栏清洗装置是第一种方法，没有左右移动机构，为了实 现左右工作，杆件做的较长，体积较庞大。为了减少杆件的长度，缩小刷架的体积， 提高车辆通过性，适宜采用第二种方法，设置左右移动机构使前刷装置能在一定宽 度内左右移动。左右移动的行程要考虑前刷装置的杆件长度，保证整体机构的协调。 左右移动机构的实现可以按照图1 1 2 5 通过油缸直接推动，但因受油缸行程限制， 很难实现大范围的移动而达不到工作区域要求，另外可采用齿轮齿条机构，或链轮链 条结构使刷架实现水平移动，本文将采用链轮链条结构实现左右移动前刷装置的左右 移动。 2 ) 前刷装置中盘刷和滚刷的升降问题。在清扫中随着盘刷刷丝的磨损，盘刷要 逐渐下落，所以前刷装置必须要有升降机构。滚刷在清洗护栏时不需要升降，只是在 工作结束后靠升降机构抬高滚刷位置，提高车辆通过性能。升降机构要考虑盘刷的升 降行程，也要考虑滚刷的安装位置。本文采用的是油缸推动的四连杆升降机构，这是 扫路车最常用的升降机构。 3 ) 刷架的回转问题。由于前刷装置要在左右两侧都能工作，从- - n 转到另一侧 时刷架的偏转角度较大，约在1 3 0 。 - 1 5 0 ”。在i 副 1 - 的扫路车上，一般有两种方法 来实现前置盘刷的转动：一种是采用图1 1 2 6 所示的直接用低速液压马达驱动刷架 的转动轴，另一种方法是利用盘刷落地后的自身旋转使刷架实现回转旧3 ，第一种方法 可使盘刷和滚刷都能回转，第二种方法只能实现盘刷的回转。但第二种方法简单易行， 成本低，考虑到滚刷在实际使用中左右互换的机会比盘刷少得多，本文将使用第二种 方法实现盘刷的回转，滚刷的回转采用手工调整完成。 从以上分析得出，前刷装置的基本运动机构应由水平移动机构、上下升降机构、 和杆架回转机构等三个机构组成。三个机构的运动都依靠液压传动来驱动相应的执行 器来完成。在驾驶室内操作电控操作台的相应开关，完成对各个机构运动的操纵。 图2 2 1 和图2 2 2 分别为前刷装置安装两种装置后的结构组成。 工程硕士论文 双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 67 图2 2 1 安装盘刷的前刷装置 1 盘剧避让弹簧；2 - 升降油缸；3 盘刷支架；4 _ 盘刷马达；5 盘刷：6 一尼龙滑块； 7 一四连杆机构：8 链条：9 水平移动刷架；1 0 - 链轮；1 1 水平移动马达：1 2 水平固定支架 3 4 图2 2 2 安装滚刷的前刷装置 1 一滚刷支架；2 喷水管；3 滚刷马达；4 滚刷：5 限位钩；6 - 滚刷避让弹簧 2 2 1 前刷装置的水平移动机构 水平移动机构的作用是把水平刷架从左侧移动到右侧或左侧移动到右侧，使盘刷 或滚刷伸到清扫或清洗的目标。如图2 2 1 ，水平移动刷架9 内安装有尼龙滑块6 ，能 在水平固定支架1 2 的滑槽内左右滑动，水平移动刷架9 和水平固定支架1 2 之间形成 一个移动副关系。当固定在水平移动刷架9 上的水平移动马达1 1 旋转时，马达轴端 连接的链论1 0 沿着水平固定支架上1 2 的链条8 滚动，在滑块7 的引导下，整个刷架 沿着水平固定支架1 2 向左或向右移动，使盘刷到达预定的清扫位置。 2 2 2 前刷装置的上下升降机构、 盘刷清扫时，需要盘刷触地，清扫结束后为不影响车辆的行驶通过性，需要将盘 2 双重功能扫路车前刷装置的总体设计 工程硕士论文 刷升起。如图2 2 1 所示，盘刷5 的下落和升起依靠上下升降机构完成。升降油缸2 是一个单作用油缸，盘刷工作时，刷架重力拉动油缸杆伸长，四连杆机构7 向下摆动， 盘刷下落触地；盘刷提升时，液压油进入升降油缸2 的有杆腔，油缸杆缩回，四连杆 机构7 向上摆动，盘刷上升。四连杆机构7 的上杆是可调整长度的，安装盘刷时，上 连杆架比下连杆架稍长，这样盘刷落地后盘刷面和地面有2 。到5 。的倾角，这样利 于盘刷将垃圾收集抛向扫路车内部。 在安装滚刷时，四连杆机构的上下两个连杆是等长的，这样滚刷的旋转轴线和护 栏平面平行，保证整个滚刷和护栏面能均匀接触，否则会造成护栏清洗效果差。滚刷 工作时，滚刷是不能落地的，那么就需要控制四杆机构下落的行程。如图2 1 2 2 ，在 下连杆上装有一个限位钩5 ，工作前将限位钩取下，把带钩一段放入固定环内，当四 连杆下落到一定高度，限位钩被拉紧，四连杆被限位，无法继续下落，避免滚刷和地 面相碰。 2 2 3 前刷装置的避让机构和刷架回转机构 如图2 2 1 所示，盘刷工作时，刷架的上杆和水平移动刷架9 之间安装有一个盘 刷避让弹簧1 ，该弹簧的作用是在盘刷不工作时给予刷架一定的回复力矩，让刷架靠 在限定的位置，而在盘刷清扫工作时该弹簧起避让保护作用，即当盘刷因过分贴近路 牙而受到较大的挤压力时，挤压力对刷架转轴产生的力矩克服弹簧的阻力矩，使整个 杆架向车内偏转，偏转后挤压力减小，从而避免了刚性体的损坏，当外力消失或减少 后，杆架在避让弹簧的力矩作用下又复位到原来的位置继续工作，这就是盘刷的避让 机构。 盘刷需要交换左右位置清扫时，直接利用盘刷落地后的转动将整个刷架从左侧回 转到右侧( 或从右侧回转到左侧) ，这就是盘刷的刷架回转机构。这个运动的实现是 通过盘刷落地旋转后，地面对盘刷的摩擦力对刷架转轴产生了一个转动力矩，该力矩 克服盘刷避让弹簧的阻力矩作用，使刷架回转到另一侧。有关刷架的回转原理将在本 文5 3 中论述。 在滚刷进行护栏清洗作业时，左右调换位置的频率不大，故采用人工转动办法实 现左右位置调换工作。滚刷装置也有一个避让机构，如图2 2 2 ，在上杆和水平移动 刷架之间安装有一个滚刷避让弹簧6 ，该弹簧的设置能保证刷架在一定的摆角范围 内，滚刷对护栏工作面有相对恒定的接触压力，从而保证良好的清洗效果。有关滚刷 避让机构的设计见本文第四章。 2 3 扫路车前刷装置机构总体参数的确定 如图2 3 1 所示，刷架回转中心到四杆机构中杆0 1 0 2 的距离为l 1 ，0 2 0 3 长度为 1 2 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 k ，盘刷中心到杆0 3 0 4 的距离为l 8 ，0 2 点距地面高度h 2 ，0 1 0 2 长度h l ，盘刷工作 时0 2 0 3 与地面的夹角为ol ，四连杆平面与车的横向平面之间夹角q1 ，盘刷触地后 直径为d 1 ，水平导轨滑道的实际行程为l 4 。扫路车中置盘刷的清扫宽度为w l ，则安 装前刷装置的盘刷后清扫宽度为： ：堕+ 每+ sb + 厶+ 厶) + 粤 ( 2 1 ) 9 ( - 2 c o c o so 1 3 为了保证不造成漏扫，前盘刷和中置盘刷在地面的投影面在车宽方向必须重叠的 部分，设此重合宽度为w 3 ，则 w 3 = w 一+ 4 、( 2 3 2 ) e1 的大小根据h 2 和盘刷及其支架在垂直方向的结构尺寸确定。盘刷使用磨损 后，造成w l 、d 1 都减小，ol 增大，实际清扫宽度w 2 减小，重合宽度w 3 也逐渐减 小。w 3 的大小要根据前盘刷和中置盘刷和地面的实际接触面来确定。按前盘刷直径 d l 为8 2 0 m m 和q1 为2 0 。，取w 3 不小于5 0 0 m m 。 图2 3 1安装盘刷时的总体机构参数 当换成滚刷清洗护栏时，如图2 3 2 所示，杆0 2 0 3 与地面平行，滚刷中心到杆 0 3 0 4 的距离为b ，滚刷直径d 2 ，滚刷体高度h 4 ，滚刷下端面距地面高度h 3 ，四连 杆平面与车的纵向平面夹角为q2 ，清洗护栏时滚刷压缩量为s ，车身宽度为w 4 ，则 护栏到车身最外边的距离距离w ，为 睢：每+ ( 厶+ 厶+ ) c o s ( 2 - i - 了d 2 一导一s ( 2 3 3 ) s 的大小和接触压力大小以及滚刷的材质有关，一般根据试验确定。清洗护栏时 滚刷要对护栏产生一定的的接触压力，刷架要向车体中心摆动，所以q2 ql 。为保 证行车安全，取w 5 5 0 0 r a m 。 1 3 2 双重功能扫路车前刷装置的总体设计工程硕士论文 根据清洗护栏的高度要求，有 日，+ h 4 1 1 0 0 0 ( 2 3 4 ) 为保证滚刷工作时的行车安全，避免滚刷支架和护栏的立柱相碰，滚刷距地面高 度h 3 不能过小。取h 4 = 8 5 0 m m ，h 3 = 2 0 0 m m 。 滚刷的水平对称平面经过0 3 0 4 的中点，则 凰+ 旦l ：凰+ 里 ( 2 3 5 ) 1 4 图2 3 2 安装滚刷时的总体机构参数 h 2 的大小要综合考虑前刷装置安装后整车的通过性能。 根据上述各参数关系，结合实际情况，确定前刷装置的总体结构参数见表2 3 1 。 表2 3 1前劂装置的总体机构参数 w l = 3 5 0 0 m m l= 1 5 8 0 m l t l w 2 - - - - - 3 8 0 01 t i m ( 最大)b = 3 8 0m i l l w 5 = 7 4 0r a i n ( 最大)h 1 = 1 7 0 r a i n d l = = 8 2 0 m m h 2 = = 5 4 0 m i l l d 2 = 5 5 0 m m h 3 = 2 0 0m m l 1 = 1 8 0m m i - 1 4 = 8 5 0 m i l l k= 5 6 6m m q1 = 2 0 。 l 3 = 1 9 0m m q2 = 2 5 。( 最小) 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 3 双重功能扫路车前刷装置盘刷触地压力的设计研究 3 1 扫路车盘刷触地压力调整的概况 前刷机构装上盘刷后，可以配合清扫系统完成路面清扫工作。盘刷落地后对地面 形成一定压力，只有刷丝变形适当即有合适的触地压力时，才能有效地进行清扫。触 地压力太小，刷丝变形不足，会造成清扫不干净；触地压力太大，刷丝过度变形，容 易造成刷丝磨损加快，加大清扫作业成本。所以控制盘刷的触地压力是很重要的。 不同的刷丝材料对触地压力的要求是不同的。硬度高的刷丝触地压力要高一些， 硬度低的刷丝触地压力则要低些。目前国内外使用的刷丝材料有聚丙烯丝，钢片，尼 龙等。聚丙烯丝刚性较低，对压力很敏感，盘刷落地后，刷丝容易产生折弯变形，随 着刷丝使用磨损，刷丝逐渐变短，刚性也逐渐变大，所以在同样的触地压力情况下， 旧刷丝的变形量比新刷丝的要小。而用纯钢片做成的刷丝因刚性较大，触地后刷丝变 形也小。纯钢片的刷丝虽然清扫能力强，但对地面的磨损较大。为了增强清扫能力， 又不至于对路面产生太大损坏，可采用钢片和聚丙烯丝混合型的盘刷。在国外大型扫 路车产品中，普遍采用钢片和聚丙烯丝的混合型刷丝。 目前扫路车基本采用手动操作的办法来调整盘刷的触地压力，图3 3 1 ( a ) 是采 用一根吊拉链条拉住连杆，来限制四杆机构的下降行程，图3 3 1 ( b ) 是在升降油缸 的缸杆上安装限位螺母，通过限制油缸的行程来达到限制四杆机构的下落行程。这两 种控制办法在结构上易于实现，但缺点在于刷丝磨损变短后，盘刷呈悬浮状态，触地 压力降低，影响清扫效果，需要不断的手工调整链条的长度或限位螺母的位置，才能 维持原来需要的触地压力。对操作者来说，一来要经常观察刷丝的磨损情况，调整比 较频繁；二来每次调整都完全凭操作者的经验来定，调整的误差会较大。 c a ) 采用吊拉链条调整触地压力( b ) 采用限位螺母调整触地压力 图3 1 1 盘刷触地压力的控制 1 5 3 冠重功能扫路车前刷装置盘刷触地力的设计研究i 程硕论文 为了克服上述缺陷在一些扫路车上利用其它的动力源来调整和控制触地压力。 其中常见的方法就是利用液压回路来调整盘刷触地压力，它的原理是在液压回路中设 置一定的背压作用一直作用在扫刷的单作用提升油缸上，液压力抵消了一部分原来过 大的触地压力，在一定范围内能连续调节设定不同的触地压力。在扫刷磨损的情况 下，一般不需再作调整，触地压力能基本保持不变。这种调节方法需要消耗一定的液 压功率，适合在盘刷机构较轻的情况下应用，例如英国的s c h m i d t 扫路车的扫刷就 采用了此种调整方式( 圈3 12 ) 。 另外一种快捷的触地压力调整方式是在连杆上安装一个气缸，利用气缸的提升作 用力来减轻盘刷的触地压力，这种调节方式必须要有气源，h 在具有气瓶的大型底盘 的扫路车上使用( 图3 i3 ) 。 国3 13 采用气缸调整触地压力的扫路车 工程硕士论文双重功能扫路车前刷装置的设计与研究 3 2 扫路车盘剧触地压力控制方法的研究综合 3 2 1 盘刷触地压力的模型建立基础 本次研究中，刷丝材料采用钢片和聚丙烯丝的混合型刷丝。为了掌握该盘刷触地 压力和变形程度之间的关系，对该盘刷做如下的加压试验：将一个9 k g 的盘刷放在 平整地面上，盘刷上平面距离地面高度为1 7 0 r a m ，在盘刷上加5 k g 重物，则触地压 力为1 4 k g ，测得上平面距地面为1 6 9m m 到1 7 0 r a m ；如加上1 0k g 重物，则触地压 力为1 9 k g ，上平面距地面为1 6 8 m m 。如果把整个刷丝看成是一个压缩弹簧，那么该 弹簧的钢度不小于5 k g f m m 。另外用刷丝磨损了约1 2 的盘刷进行加压试验，结果表 明，在触地压力分别为1 4 k g 和1 9 k g 情况下，磨损后的刷丝和未磨损的刷丝在变形 程度上相差不大，既可以认为刚度基本不变。 实际清扫时盘刷面与地面并不平行，而是有2 5 。的倾角( 图3 2 1 1 ) 。四连杆机 构的上杆b c 长度比下杆o a 长度稍长。工作的每一时刻，只有约一半的刷丝与地面 摩擦接触，靠外的刷丝变形最大，越靠近内侧刷丝变形越小。刷丝是间歇工作的，这 样既能有效地将垃圾收集，又能减少刷丝的磨损，延长刷丝的使用寿命。 因盘刷的倾角很小，在研究中建立模型时简化成：盘刷面仍平行于地面，四杆机 构仍