周著學(xué)（閩南理工學(xué)院，福建石獅　362700）

城市道路清掃機吸塵模塊的改進設(shè)計

周著學(xué)
（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

城市道路清掃機在我國越來越普遍，國產(chǎn)的清掃機普遍存在清掃過程效率低、清洗效果不佳、維修率高等問題，論文從清掃機結(jié)構(gòu)入手，以 “吸掃式”清掃機為研究對象，嘗試探究清掃機出現(xiàn)上述問題的原因所在。以城市道路遇到的垃圾塵粒為出發(fā)點，通過計算，得出改進前后清掃機關(guān)鍵性能參數(shù)的對比，以期提高清掃機的工作的效率，提高保潔效率。

清掃機；吸塵；電動機；吸嘴

0　引言

清掃作業(yè)是公路養(yǎng)護工程的重要內(nèi)容，為適應(yīng)我國快速城市化的發(fā)展需要，城市道路的清掃實現(xiàn)機械化是大勢所趨。道路清掃機是重要的路面養(yǎng)護專用環(huán)衛(wèi)車輛之一，具備灑水噴霧、清掃、吸入垃圾等功能。主要用于高等級路面和城市路面以及廣場的垃圾清掃。它的出現(xiàn)和使用，將極大減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度、節(jié)省工作時間。對道路清掃機性能的改進可以提高清掃機的工作的效率，減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，加速環(huán)衛(wèi)死角的清理，提高保潔效率。但是我國普遍投入使用的道路清掃機存在清潔路面不夠干凈的問題。本文以小型道路清掃機為研究對象，對其結(jié)構(gòu)原理做了詳細(xì)的調(diào)查研究，并針對清掃機的吸塵模塊做了改進設(shè)計，以期對我國的道路清掃機的設(shè)計與發(fā)展提供一定參考。

1　調(diào)查研究及改進方案的提出

我國的清掃機研制起步較晚，清掃機的機電一體化程度相對國外來說比較落后。20世紀(jì)60年代，我國研制出第一代掃路機，由于清掃效果差、勞動強度大，操作不方便、面世不久即被淘汰。70年代，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)、生產(chǎn)廠家加大了掃路機的研究開發(fā)力度，我國第二代掃路機由此誕生。北京和上海研制了大、中、小三種規(guī)格的純掃式掃路機，S31大型掃路機和S32中型掃路機、S15小型掃路機的技術(shù)水平比第一代有了較大的提高。但由于傳感器、液壓技術(shù)、真空技術(shù)、電液操作等技術(shù)原因，使該類道路清掃機的使用受到極大限制，直接制約和影響了我國清掃機裝備的發(fā)展。

這迫切需要針對國內(nèi)清掃機進行技術(shù)改造，對清掃機實行智能控制、針對不同的工作環(huán)境對清掃機進行相應(yīng)的設(shè)計和改造，使其更加適應(yīng)時代的發(fā)展和需求。這需要在之前的技術(shù)基礎(chǔ)之上進行改進，將清掃機機型變得簡單輕便，外觀更加美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時，降低清掃機的重量。提高清掃機的使用壽命，減少噪聲，降低成本，使清掃機更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，這些研究對于我國清掃機的發(fā)展具有重要意義。

本文以吸掃式清掃機為研究對象，該機器包括清掃裝置、風(fēng)機、減速器、柴油機、吸嘴及等部分。工作時，由汽車的主發(fā)動機使車輛行駛，副發(fā)動機帶動風(fēng)機使垃圾箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，盤刷將清掃范圍內(nèi)的垃圾掃至中間由吸嘴把垃圾帶入垃圾箱內(nèi)。道路清掃車裝有兩個掃盤，其作用是將路面上的垃圾掃至吸入（吸口）區(qū)范圍，再依靠吸入系統(tǒng)的強風(fēng)力風(fēng)機所產(chǎn)生的較大的負(fù)壓，將垃圾吸入垃圾箱內(nèi)，垃圾進入垃圾箱內(nèi)還需要經(jīng)過重力除塵和脈沖除塵。

我國廣泛使用的吸掃式清掃機普遍存在的問題是動力不足，吸塵口的負(fù)壓不足以吸入較大顆粒，吸嘴和吸塵罩的設(shè)計也比較落后，導(dǎo)致效率較低。本文提出的改進方案首先是解決動力不足的問題，采用雙發(fā)動機由主發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛，副發(fā)動機驅(qū)動風(fēng)機、電動機驅(qū)動盤刷，這個方案可以從根本上解決動力不足和單發(fā)動機的過載問題。

2　吸塵模塊的改進設(shè)計

吸塵模塊包括吸塵模塊的動力部分、風(fēng)機、吸嘴、風(fēng)機軸、鍵以及帶輪等。吸塵模塊的工作首先是由電機驅(qū)動清掃裝置將垃圾清掃至車輛中間，其次利用副發(fā)動機輸出的動力通過機械傳動系統(tǒng)，驅(qū)動高壓離心式除塵風(fēng)機工作，為了使得風(fēng)機能產(chǎn)生足夠大的負(fù)壓，需要選擇更大功率和轉(zhuǎn)速的風(fēng)機，才能在除塵設(shè)備中產(chǎn)生高速負(fù)壓氣流，通過特殊設(shè)計的吸塵罩，吸入路面上的垃圾塵土，經(jīng)各級除塵設(shè)備濾塵，使垃圾塵土與流動氣流分離，最后將干凈空氣排入大氣，完成一個工作循環(huán)。這樣的改進使得吸掃式清掃機能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域化作業(yè)，適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜路況，效率大增。

根據(jù)調(diào)查研究，市面上相當(dāng)一部分吸掃式清掃車還采用單發(fā)動機驅(qū)動，少部分采用雙發(fā)動機驅(qū)動，吸塵部分的發(fā)動機功率小，轉(zhuǎn)速僅為350-480r/min之間，達(dá)不到好的效果。本文嘗試從實踐入手，以對城市道路常見垃圾塵粒的分析入手，倒求風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和功率。

3　風(fēng)機風(fēng)量的設(shè)計

風(fēng)機裝置是由風(fēng)機、風(fēng)機軸承座、風(fēng)機支架、風(fēng)機進出口接管等組成。風(fēng)機裝置是主要工作機構(gòu)之一，它的作用是使污水垃圾箱抽吸處于強負(fù)壓狀態(tài)，在吸嘴與地面的間隙處產(chǎn)生高速氣流，利用氣力輸送原理將污水和垃圾吸入污水垃圾箱內(nèi)。本設(shè)計采用專用高壓離心風(fēng)機，噪聲小、效率高。傳動部分則采用液壓傳動方式，提高了傳動效率，并使風(fēng)機布置十分緊湊。如圖1所示。

圖1　風(fēng)機Fig.1 Draught fan

4　常見垃圾塵粒分析

考慮到道理清掃車的工作對象（吸入的垃圾）分析，計算風(fēng)機的功率。如表1所示。

表1　常見垃圾塵粒物性Tab.1 The physical properties of common waste dust particles

在各種垃圾類型中，選取清掃車較難吸送的粒徑為20mm的混凝土碎塊為例，計算其懸浮速度，混凝土球形顆粒自由懸浮速度：

式中：g—重力加數(shù)度，取9.8/s；ds—顆粒直徑，取20mm；ps—顆粒塊的密度，顆粒塊的密度，取2400kg/ m3；p—空氣的密度，取1.29kg/m3；C—阻力系數(shù)，由氣流雷諾數(shù)Re決定。通過對清掃車吸送塵粒時力的研究得出，慣性力在被傳送垃圾塵粒的受力中影響最大，屬于湍流運動，Re＞4000，取C=0.44。由以上參數(shù)求得：Vh=34.5m/s。

以上的計算模型是基于單個球形顆粒在空曠的空氣場中運動的條件下，實際上對于吸掃式清掃車來說，垃圾塵粒的形狀很少是完美的球形，而且往往也是數(shù)量龐大的個粒在同一時間相互作用，塵粒與塵粒之間還會相互碰撞，塵粒進入吸氣口之后，也是出于一個相對密閉狹窄的而不是在空曠的空氣場中運動。塵粒的形狀、數(shù)量以及流場的大小都對懸浮速度有著不同程度的影響，因此，有必要上述公式的計算結(jié)果加以修正，使得理論計算與實際情況更相符。

通過查閱手冊，得出速度修正公式。修正后，混凝土顆粒被吸入時，顆粒實際懸浮速度：

式中：Ke—形狀系數(shù)，取1.5；D—圓形風(fēng)管的直徑，取200。由以上參數(shù)求得：Vu=27.9m/s。

5　吸嘴參數(shù)的計算

吸嘴是一個封閉的直徑不一的吸氣罩，吸嘴兩側(cè)共有2個橡膠滾輪，用以保證吸嘴底部與路面的一定間隙，該間隙對吸力影響很大。滾輪使用后出現(xiàn)磨損，應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整，以保證吸嘴底沿離地間隙保持在8mm～12mm之間。吸嘴通過升降機構(gòu)及氣壓操縱的提升裝置與車架相連，吸嘴放下工作時通過滾輪接地并可隨路面的起伏上下左右浮動，確保吸嘴底沿離地間隙保持均勻。

吸嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計如果不合理，一方面會造成部分區(qū)域的垃圾不能完全清除，另一方面會造成在吸盤正前方的部分垃圾被吹出吸盤，造成二次污染。吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性對掃路車的性能和清掃效率有著十分重要的影響。如果風(fēng)機的設(shè)計或選型與吸塵盤、垃圾箱相匹配，則吸塵盤的結(jié)構(gòu)型式與安裝將對吸塵效率的提高起著至關(guān)重要的作用。如圖2所示。

圖2　清掃車吸嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of suction nozzle in dust cleaning machine

式中：x—距極點的豎直距離；Vx—距極點x處的氣流速度，取27.9m/ s；V0—管路系統(tǒng)內(nèi)的氣流速度，取45m/s；a—吸嘴的長度，取0.5m；b—吸嘴的寬度，取0.7m；F—吸嘴的面積，取F=ab= 0.35m2。

由上一節(jié)計算得知，要保證Vx≥27.9m/s，則x＜0.2m。

對于所需風(fēng)量的計算：

式中：A—風(fēng)管的截面積，取 A=πD2/4=0.0314m2；ηm—管道的密封效率，一般取93%；由以上參數(shù)，求得：

由以上計算可知，選取風(fēng)量為5500m3/h的風(fēng)機較為合適。

（3）風(fēng)機所需功率的計算：

式中：ηb—風(fēng)機的流體效率，取0.7；△P—管路系統(tǒng)消耗的總壓力，取6300Pa

由以上參數(shù)，求得：P=13.8kW/h?？梢娫诔鞘械缆飞?，風(fēng)機能夠吸入常見垃圾塵粒所需的功率是13.8kw/ h，它能夠產(chǎn)生Q=5470m3/h的風(fēng)量，而圓形風(fēng)管的直徑為200mm，比普通吸掃式道路清掃機要小，保證了道路清掃機的吸風(fēng)口 “小而有力”。如表2所示。

表2　普通吸掃式道路清掃機改進前后主要參數(shù)對比Tab.2 Comparison of main parameters before and after improvement of the common dust cleaning machine

從以上分析和計算可知，電機功率的增大是非常有必要的，雙電機的改進方案確保了清掃車和吸塵模塊都能互不干擾的工作，保證了風(fēng)量的供應(yīng)，極大的改善了清掃機的清掃效果。

有了如上參數(shù)，還要進行軸的設(shè)計，包括軸的校核、關(guān)鍵零件的選擇、定位和校核、鍵聯(lián)接的選擇與校核、聯(lián)軸器的選擇，以及帶傳動的設(shè)計計算等等工作需要完成。

6　結(jié)論

本文通過調(diào)查研究，以實際道路上遇到的常見垃圾塵粒為切入點，通過計算的方法算出了風(fēng)量、功率等清掃機的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過改進后的吸掃式清掃機與普通吸掃式道路清掃機的對比，科學(xué)的揭示了普通道路清掃機清掃效果不佳的內(nèi)在原因，并以此為出發(fā)點，提出了可行的解決方案，并通過計算進行了驗證。

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The Design and Improvements of Dust Collection Module in the Urban Road Dust Cleaning Machine

ZHOU Zhu-Xue
（Minnan University of Science and Technology，Shishi Fujian 362700，China）

Urban road cleaning machine is becoming more and more common in our country，domestic cleaning machine have some problem in such as cleaning process，low efficiency，poor cleaning effect，high maintenance rate，this article obtains from the cleaning machine structure，in order to"suction cleaning"absorption cleaning machine as the research object，try to explore the cause of the cleaning machine appear afore-mentioned problems.As a starting point of garbage in urban road encountered dust particles，through calculation，improve the key performance parameters before and after cleaning the machine，in order to improve the efficiency of the cleaning machine work，improve the efficiency of cleaning.

cleaning machine；dust collection；electric motor；suction nozzle

TP27

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.022

1002-6673（2015）05-059-03

2015-08-25

周著學(xué)（1985-），男，華僑大學(xué)機械工程專業(yè)工程碩士在讀。主要研究方向：機械設(shè)計。