小型道路清扫机虚拟设计

小型道路清扫机虚拟设计

机制13 张佳超指导教师崔坚

摘要：路面清扫车是近几年发展起来的路面养护专用车辆，主要用于高等级路面和城市路面以及广场的垃圾清扫。目前，随着我国经济的迅速发展、人们对健康生活环境的需求，大大地推动了道路清扫机械领域上的发展，并且使它获得了持续发展的动力。为了使我国的道路清扫车水平在较短的时间内得到提高，缩小和一些发达国家道路清扫车性能水平上的差距，满足我国环卫部门对城市街道清扫作业的要求，扫路车制造企业应该加大对道路车性能方面的研究。本文介绍了目前国内路面清扫车的现状，分析了除尘装置的基本结构，介绍了除尘装置结构的最新成果及其改进。整车共分为七大系统：底盘系统、副发动机系统、气路系统、液压系统、盘刷总成、副车架总成、车箱结构总成。本设计主要以吸扫式道路清扫车的扫盘、吸盘、联接座研究对象，对吸盘吸风口、联接座的结构设计进行了理论分析和计算。

关键词：路面清扫车; 除尘装置; 扫盘；结构分析改进

Abstract：Road sweeper is dedicated road maintenance vehicles developed in recent years, mainly used for high grade roads, city roads and squares garbage. At present, with the rapid development of China's economy, the demand for healthy living environment, greatly promoted the development of road cleaning machinery field, and make it the driving force of sustainable development. In order to make our road sweeper level was improved in a short period of time, narrow roads andsome developed countries sweeper performance gap, to satisfy our country's sanitation department cleaning requirements on city streets, sweeping car manufacturing enterprise should increase research on road vehicle performance aspects. This paper introduces the current status of the domestic road sweeper, analyzes the basic structure of dust removal device, introduces the latest achievements in dust removal device structure and its improvement. The vehicle is divided into seven systems: chassis system, auxiliary engine system, pneumatic system, hydraulic system, disc brush assembly, the auxiliary frame assembly, carriage assembly structure. This design mainly sweeping type road sweeper sweeping disc, disc, a connecting seat the research object, the suction cup structure design of outlet, connecting seat through theoretical analysis and calcula tion.

Keywords:：road sweeper dust collector structure analysis

前言

近些年来，随着我国的经济迅速发展，人民生活水平也得到很大的提高。人民对城市的卫生、道路清洁程度也越来越重视，人工清扫，工作效率低，工作量大这就会在很大程度上阻碍了城市道路环境卫生工作向更深的层次方向发展,因此道路清扫机得到了广泛的应用和发展。

本论文首先论述了道路清扫机的结构及工作原理，通过对国内外小型道路清扫机现状进行调查，研究和设计了一辆非常使用的道路清扫机。

1.清扫机概述

清扫机用于清除道路上的尘埃、落叶等一些比较轻小的垃圾。它适合作业地点，包括高等级公路、机场跑道、城市街道等，是清扫市政道路、街道和广场，收集和运输垃圾的专用路面清扫机械。道路清扫车多种多样，分类方式各不相同。其大概分类如下：

清扫车按其工作原理可以分为吸扫式扫路车、纯扫式扫路车和真空吸尘车三大类。

道路清扫车按照清扫作业时的除尘方式分为两种类型：湿式扫路车和干式扫路车。

道路清扫车根据体型的大小可以分为：小型，中型和大型三类。

2.清扫机整体结构布置

2.1整车方案

整车结构可以分为七大：前车架、后车架、联接座、操作室、吸扫装置、集尘装置、降尘装置。如图下图所示

2.2小型道路清扫车功能特点

本设计的小型清扫车标准底盘，车辆行走部分直接由底盘发动机的驱动；清扫车的行走机构的动力传动和清扫作业机构的动力传动互不影响，而是相互独立，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；清扫装置是在车底盘前后轮的中间适当位置安装两个盘刷，刷毛由合成塑料来制作。其弹性好，而且刚度适中，可以提高垃圾尘粒的抛射速度，同时也提高盘刷的工作能力。

3.清扫机盘刷结构及清扫机理

3.1盘刷结构

1 连接链条,

2 支座,

3 挡板,

4 调整螺栓,

5 下连接杆,

6 吸尘接口,

7 防尘罩,

8 盘刷,9油缸支座,10 油缸调节杆,11 液压油缸,12 弹簧,13 螺纹调节杆,14 调节螺栓,15 液压马达

3.2清扫机理

盘刷的转动是由液压马达的旋转来驱动的。清扫车行车作业，盘刷旋转过程中遇垃圾，使垃圾获得一定的速度，拋向吸嘴可吸区域形成垃圾带，在由吸嘴吸收，从而达到清扫的目的。在清扫过程中，需要保证盘刷有正确的拋尘方向，在保证合理的拋尘方向的同时，还要尽量使盘刷的清扫区间最大化，以达到最大的清扫宽度。

4.基于CREO2.0(M080)有限元分析及优化

4.1 联接座有限元分析

利用CREO2.0中的simulate模块进行分析前的相关设置，首先，我们先将装配图导入到simulate 模块中，具体步骤是：选择和分配零件的材料属性---施加机构载荷---施加约束---自动划分网格---定义并运行分析任务---进行静态和模态学分析---分析计算结果---进行优化设计。如图4-1选则材料进行添加

图4-1

进行有关的约束设如图4-2

图4-2 进行网格的自动划分如图4-3

图4-3

定义并运行分析如图4-4

图4-4 进行静态和模态分析如图4-5

图4-5

分析运算结果如图4-6(静态)

图4-6

4.2联接座优化设计

通过前期分析对联接做结构进行优化，改良脆弱部位，达到优化的目的。对相应结构进行改良后的分析比较。

静态分析图4-6中的我们发现变形量大的部位和脆弱部位，通过对联接座添加扣合板的方法，减少外部载荷对联接做做的破坏。如图4-7我们发现变形量和应力有了很大的改观，达到了我们优化的目的。

如图4-7

5.基于SolidWorks（Flow Simulation）CFD分析与优化

5.1概述

目前，国产公路清扫车的吸尘系统的设计大多仍然采用传统的做法，即设计人员首先进行吸盘与气路的结构设计，制造出物理样机进行测试，需要进行多次反复。吸尘系统的效率主要依赖于流场分布，而流场取决于吸盘、气路的结构。由于吸扫式吸尘系统的工作环境的复杂性，这种传统的设计方法往往难以达到期望的效果，这也是目前国产高速公路清扫车普遍存在清扫率低的缺点的原因。

自1990 年代中期以来，虚拟产品开发技术成为产品创新设计的支撑手段，作为近代流体力学、数值科学和计算机科学相结合的产物——计算流体力学(CFD)是分析产品流场的有效工具。本文基于CFD 技术对某一实际公路清扫车的吸尘系统进行仿真设计与优化，同步进行吸尘系统的结构设计和性能分析，减少了设计反复，缩短了设计周期，降低了设计成本，为开发我国高性能的高速公路清扫车做出了重要贡献。

5.1清扫车吸盘流场建模与优化分析

吸盘是吸尘系统的核心，吸盘的结构直接决定了其流场分布，从而决定了吸尘效率。图5-1和图5-2 为某实际清扫车吸盘最初设计的结构示意图，吸盘距离地面距离很小，由于吸盘周围有密封胶条，所以将吸盘理想化。在移动过程中由于风机的负压作用，将回吹气流吹起的地面上的垃圾吸入集尘箱内，该吸盘的尺寸是1.0m×0.5m×0.3m。

为进行CFD 分析，需要对吸盘进行网格划分。网格分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格数量少，计算量少，适合规则物体网格划分。非结构化网格一方面可以不受求解域拓扑结构以及边界形状的牵制，同时还可以通过自适应网格，对速度梯度与压力梯度较大以及吸盘与地面接触部位进行网格细化，这样有利于增加计算结果的精确性，由于吸盘精度要求不高，我们也不需要很精细的划分网格，所以我们采用自动划分网格（结构划分网格）。

初始吸盘流场的CFD 分析,初始吸盘的物理模型和网格模型如上，计算过程中使用的边界条件为：

风机流量1.76 m^3/s, 回吹风口流量1.76 m^3/s, 与地面夹角0度，扩展区域边界的静压为0。计算过程中求解N-S 方程，采用k-?双方程湍流模型，离散方法采用有限体积法(FVM)，目标设置为进风口的平均速度。由于回吹风的存在，垃圾会被吹出吸盘造成二次污染是一个很重要的问题。

经过计算，我们得出如图5-3为原始模型吸盘流体速度和静压力图，图5-4为优化模型后的速度和静压力图，完整报告表为附录1。经过对比后我们可以知道，优化后的模型进风口的速度（20.458m/s）要比以前的模型进口风速（15.98m/s）大，涡流处的风速也有所增加，所以更利于灰尘的卷起和吸取，对比静压数据后可以知道，优化模型的进风口处压力（100583.41Pa）比优化前压力（101896 Pa）小，所以优化后更有利于吸尘。

图5-3

图5-4

本章节，讨论了CFD 在高速公路清扫车吸盘结构设计中的应用。根据上吸盘外形参数进行建模分析，得出以下结论：

1) 通过利用CFD 数值仿真技术进行分析和改进设计后的新吸盘整体性能大大优于初始设计，达到了设计要求；

2) CFD 数值仿真技术是对清扫车数字样机吸盘进行性能分析的有效手段；

3) 通过CFD 仿真进行设计方案评估，可避免设计反复，加快产品研发速度，缩短产品研发周期；

4) 用CFD 对流场进行仿真，必须结合具体工程的特点，选择适当模型和求解方法，把已有经验、物理试验、仿真试验三者结合起来综合考虑。

6.总结

本文主要以吸扫式道路清扫车的扫盘、吸盘、联接座研究对象，对吸盘吸风口、联接座的结构设计进行了理论分析和计算。得出以下结论：

1)根据小型吸扫式道路清扫车的功用，确定了其主要一些参数，并通过其结构特点和工作方式进行分析，对主要工作装置进行了相关的设计计算。

2)根据联接座的分析，我们进行了优化，改善了联接座的承载情况。

3)在对吸盘的空气动力学分析中，我们由气流矢量图，看到吸风口的速度一定的情况下，由于吸风口和回风口同时连接到吸盘，进风口的速度不会太快，所以该小型道路清扫机只能清扫灰尘是、树叶等质量和体积比较小的垃圾，所以本车存在局限，如果改变车的气流的回流方式即改变吸盘与回风口的联接方式，从而提高进风口速度，相应的适应性就会越高。

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