張更娥 丁源 吳建霞

摘要：隨著城市化水平的不斷提高，我國(guó)城市垃圾箱數(shù)量不斷增長(zhǎng)，對(duì)城市美化的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，從而大大加劇了環(huán)衛(wèi)工人的工作量。針對(duì)城市中垃圾箱的清洗問(wèn)題，為了減少環(huán)衛(wèi)工人的作業(yè)量，提高其工作效率，因此設(shè)計(jì)了一種垃圾箱清洗裝置。本論文主要設(shè)計(jì)了一種電力驅(qū)動(dòng)城市垃圾清洗自行車(chē)裝置。該裝置安裝在環(huán)衛(wèi)車(chē)尾部上，主要進(jìn)行三個(gè)方面的設(shè)計(jì)。第一對(duì)齒輪齒條進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要是將垃圾箱在垂直方向上運(yùn)動(dòng)。第二對(duì)絲杠螺母進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使毛刷在刷洗時(shí)可以進(jìn)行前后左右的運(yùn)動(dòng)。第三對(duì)廢水集裝箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)使用過(guò)的污水進(jìn)行收集并加以使用。通過(guò)齒輪齒條、絲杠螺母以及廢水集裝箱的配合使用，從而實(shí)現(xiàn)快速清洗垃圾箱的功能。本設(shè)計(jì)既可降低城市環(huán)衛(wèi)工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還可以提高效率，節(jié)約用水，從而對(duì)美化城市具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：垃圾箱清洗裝置;齒輪齒條機(jī)構(gòu);絲杠螺母;廢水集裝箱

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的進(jìn)步，生活水平和國(guó)民消費(fèi)水平快速提高，我國(guó)城市垃圾箱數(shù)量不斷增長(zhǎng)，國(guó)民素質(zhì)不斷提高，對(duì)城市美化的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。由此引發(fā)了對(duì)城市固定式垃圾箱清洗的重視?？總鹘y(tǒng)的方法浪費(fèi)時(shí)間，浪費(fèi)人力，因此，設(shè)計(jì)一種電力驅(qū)動(dòng)城市垃圾清洗自行車(chē)裝置，該裝置可以降低城市環(huán)衛(wèi)工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率，節(jié)約用水，從而美化城市。為此本設(shè)計(jì)以垃圾箱的內(nèi)部清洗自行車(chē)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于三維CAD設(shè)計(jì)一種電力驅(qū)動(dòng)垃圾箱清洗自行車(chē)裝置[1]。

1 清洗系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案

清洗系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。清洗系統(tǒng)主要由垃圾箱夾持系統(tǒng)、刷洗系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)三大部分組成。系統(tǒng)安裝于臺(tái)架之上，系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合，達(dá)到清洗的目的。

2 垃圾箱夾持系統(tǒng)

2.1 垃圾箱夾持系統(tǒng)的作用與組成

夾緊機(jī)構(gòu)主要目的是為了固定住垃圾箱，以便清洗時(shí)，垃圾箱不會(huì)因?yàn)榛蝿?dòng)而沒(méi)有清洗到垃圾箱，其中夾緊機(jī)構(gòu)主要由承物臺(tái)、夾緊手柄、夾緊螺栓、夾緊板、夾緊螺栓支座、移動(dòng)板、滑軌、齒輪齒條機(jī)構(gòu)以及電機(jī)組成。

2.2 垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由角鋼、移動(dòng)板、滑軌、齒輪齒條、電動(dòng)機(jī)、蓄電池組成，其主要作用是對(duì)垃圾箱進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。垂直運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條式傳動(dòng)方式[3]。由齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)滑軌的移動(dòng)和自鎖。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條工作，電動(dòng)機(jī)底座與角鋼之間采用螺栓固定，電動(dòng)機(jī)輸出軸與齒輪軸采用普通平鍵相連接。

2.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算

齒輪齒條的傳動(dòng)方式采用圓柱直齒輪的傳動(dòng)形式，齒頂高系數(shù)h*a=1，頂隙系數(shù)c*=0.25。為保證齒輪齒條正確嚙合，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇模數(shù)m為2，標(biāo)準(zhǔn)壓力角α=20°的齒輪。齒輪齒條對(duì)稱(chēng)布置，圓柱齒輪齒寬系數(shù)φd取1。

2.3.1 齒輪的選用以及計(jì)算

齒輪的工作條件需要較好的耐磨性，齒輪材料選用40Cr調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為280HBS，齒數(shù)z1為20。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的公式求出齒輪的齒頂圓直徑、齒根圓直徑、齒槽寬、齒厚、分度圓直徑、齒寬。如下表1所示：

2.3.2 齒條的選用

齒條的工作條件需要較好的韌性及強(qiáng)度，故選擇其材料為45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為240HBS，齒條的有效長(zhǎng)度應(yīng)大于齒輪的分度圓直徑的周長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)，初步選定齒條的有效長(zhǎng)度為350mm，其齒數(shù)z2選擇為28，為了能與齒輪相互配合，因此其模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)、齒寬系數(shù)應(yīng)相等。

2.3.3 齒輪軸與導(dǎo)向平鍵選用

齒輪軸與電動(dòng)機(jī)輸出軸采用導(dǎo)向平鍵的方式連接。初步選擇齒輪的材料為45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，齒輪軸的直徑采用45號(hào)鋼，其中其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力取為30MPa。選定軸的直徑為8mm。根據(jù)齒輪軸和電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑選定鍵為b×h=3×3，采用圓頭平鍵，鍵的長(zhǎng)度選用L=10，則其許用壓力為40MPa。

2.4 齒輪齒條設(shè)計(jì)整體圖

如下圖1所示：

3 刷洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 刷洗系統(tǒng)的作用與組成

刷洗機(jī)構(gòu)主要是由型號(hào)為AM57BL180L4的普通微型無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、定向輪、滑軌、載物鐵板、滾筒毛刷以及絲杠螺母副等組成，它的主要作用是擦拭垃圾箱，將殘留在垃圾箱上的污漬擦拭掉。

3.2 定向輪與滑軌

為了保持絲杠螺母副在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)脫離其本移動(dòng)方向，因此設(shè)計(jì)定向輪與滑軌，使其相互配合達(dá)到預(yù)期定向不偏離方向效果。定向輪采用4寸尼龍腳輪，它可以支撐125kg，其輪體寬度為27mm，滑軌的軌寬為28mm，定向輪可以采用螺栓連接。

3.3 滾筒毛刷

為了更好地清洗垃圾箱上的殘留物，因此采用尼龍工業(yè)毛刷輥滾筒毛刷，其耐磨性好且清洗方便。滾筒毛的驅(qū)動(dòng)力可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)滾筒毛刷，電機(jī)軸與滾筒毛刷軸采用聯(lián)軸器連接。

3.4 絲杠螺母副

設(shè)計(jì)時(shí)，初步選擇電機(jī)為普通微型無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為AM57BL180L4，額定功率為180W，額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，其扭矩為429.75N·m。

絲杠選用調(diào)質(zhì)處理后的45號(hào)鋼，螺母采用具有耐磨性的錫青銅ZQSn101，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力主要是考慮由載物鐵板的自重以及承載物的最大總重力，總計(jì)為F=15000N，最大推力為15000N。絲杠采用梯形單頭螺紋，螺距p=6mm，移動(dòng)速度約在0.2m/s左右，取其速度可為0.2m/s，許用壓力[P]取15MPa，由于螺母為整體式并且磨損后間隙不能調(diào)整，為使其受力均勻，因此取Ψ=2，選取d2=29mm。

根據(jù)國(guó)家相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，選取T32×67的螺桿，其主要參數(shù)如下表2：

3.5 絲杠螺母副設(shè)計(jì)整體圖

如下圖2所示：

4 水循環(huán)系統(tǒng)

水循環(huán)系統(tǒng)的作用與組成。水循環(huán)系統(tǒng)主要是由噴水系統(tǒng)和廢水循環(huán)兩大系統(tǒng)組成，噴水系統(tǒng)主要是由水泵、電機(jī)、導(dǎo)水管、噴頭、以及開(kāi)關(guān)組成，而廢水循環(huán)系統(tǒng)則是由廢水集裝箱、過(guò)濾網(wǎng)、水泵以及導(dǎo)流分管組成，其主要的功能是提供水資源以及廢水循環(huán)利用，清洗垃圾箱時(shí)需要水將垃圾箱打濕，便于沖洗。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本設(shè)計(jì)將變量柱塞泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)、噴頭、廢水集裝箱等的配合使用，合理利用裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)水資源進(jìn)行充分考慮，同時(shí)確保了水資源得到有效的利用，達(dá)到了節(jié)能的效果。

（2）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)城市垃圾箱清洗自行車(chē)裝置采用人機(jī)電配合使用的方式，通過(guò)人工對(duì)電動(dòng)進(jìn)行控制，從而帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—電一體化的功能，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）垃圾箱清洗自行車(chē)裝置將在現(xiàn)有的環(huán)衛(wèi)車(chē)車(chē)尾進(jìn)行加裝，并將安裝在環(huán)衛(wèi)車(chē)車(chē)尾后。節(jié)省了生產(chǎn)成本，合理并有效地利用現(xiàn)有資源，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的最大化，有效避免資源浪費(fèi)以及資源濫用的現(xiàn)象發(fā)生。

（4）電力驅(qū)動(dòng)城市垃圾箱清洗自行車(chē)裝置與人工清洗方式相比，該裝置大大節(jié)省了水資源，清洗速度快、效率高，而且清潔凈化程度高。

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基金項(xiàng)目：本文南寧學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目（智能設(shè)計(jì)及制作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)2017XJJXTD02），南寧學(xué)院示范課程項(xiàng)目（汽車(chē)電器2017BKSFKC04）

作者簡(jiǎn)介：張更娥（1978—），女，漢族，山東青島人，碩士研究生，畢業(yè)于廣西大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)任南寧學(xué)院交通學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程;丁源（2000—），女，漢族，山東青島人，現(xiàn)就讀于上海海事大學(xué)電器自動(dòng)化專(zhuān)業(yè);吳建霞（1996—），女，漢族，廣西賀州人，現(xiàn)就讀于南寧學(xué)院交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)。