道路垃圾清扫机设计

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

1 前言 (3)

1.1垃圾清扫现状分析 (3)

1.2国内外垃圾清扫机械化发展现状 (3)

1.3国内清扫机发展趋势 (3)

2垃圾清扫总成设计计算 (3)

2.1设计思想 (3)

2.2总体结构设计 (4)

2.3各主要机构参数的设计和验算 (5)

2.3.1 垃圾清扫设计 (8)

2.3.2 垃圾输送收集装置设计 (5)

2.3.3 推动清扫机所需功率计算 (7)

2.3.4 清扫机扫辊速度验算 (7)

2.3.5 行走设计 (8)

2.3.6 垃圾清扫机的动力匹配 (8)

3 操作系统的确定及设计算 (7)

3.1传动方案的确定 (9)

3.2设定各级传动比和主要参数 (10)

3.2.1 传动比确定 (10)

3.2.2 各轴转速确定 (10)

3.2.3 各轴转矩计算 (10)

3.2.4 各轴功率计算 (10)

3.3主要工作零部件的设计计算 (11)

3.3.1 第一级传动带轮设计 (11)

3.3.2第二级传动带轮设计 (12)

3.3.3 第三级传动链传动设计 (14)

3.3.4 齿轮传动（驱动输送带）的设计 (15)

4 主要受力零件的强度或寿命校核计算 (17)

4.1轴的设计计算及校核 (17)

4.1.1 第一级从动轴设计计算及校核 (17)

4.1.2 第二级从动轴设计计算及校核 (21)

4.2轴承的设计计算及其校核 (25)

4.2.1 第一级从动轴轴承设计计算及其校核 (25)

4.2.2 第二级从动轴轴承设计计算及其校核 (25)

4.2.3 第三级从动轴轴承的设计计算及其校核 (26)

4.3键的设计计算及校核 (27)

4.3.1 第一级从动轴上联接键的校核 (27)

4.3.2 第二级从动轴上联接键的校核 (27)

4.3.3 第三级从动轴上联接键的校核 (28)

4.3.4 上滚轮轴联接键的校核 (28)

5 结论 (28)

5.1主要优点 (28)

5.2主要缺点 (29)

5.3有待改进的地方 (29)

5.4维护和保养 (29)

6 设计心得 (29)

参考文献 (31)

致谢 (30)

道路垃圾清扫机的设计

摘要：本文叙述了道路清扫机械化的现状，以及未来的发展趋势。该清扫机以电动机为动力源，通过带传动、链传动以及齿轮传动带动清扫辊和传送带工作。该清扫机主要用于平坦道路的垃圾清扫，提高了清扫效率，降低了清洁工人的劳动强度。该清扫机成本低，使用性能好，寿命长，非常适合清洁工人使用。

关键词：清扫机；传动；设计计算

Road Sweeping Machine Desigh

（Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）

Abstract:The essay describes the current situation of road sweeping mechanization, and its development trendency in future. The sweeping machine use the motor as power source, use the belt transmission, chain drive, gear driven roller and conveyor belt to work. The sweeper is mainly used for the rubbish in the flat road, it also improve the cleaning efficiency and reduce the labor intensity of cleaners. The cleaning machine of low cost, good performance ,long life is remarkably fit for cleaners.

Key Words: Cleaning machine; Sweep roll; Design calculations

1 前言

1.1 垃圾清扫现状分析

随着经济社会的迅速发展，城市、工厂生产、公共交通、市政建设、园林绿化、环境卫生等行业的工作任务越来越重，人们对生活环境要求的不断提高。然而环卫行业设备的发展现状与当前经济社会发展形势存在很大差距，道路清扫设备落后的问题较为突出。这就要求养护手段要不断改进，就路面清扫而言，亟需由以往原始笨拙的低效率的人工清扫改为现代灵活高效率的机械清扫 [1]。因此，很有必要创造条件，实现清扫机械化，以减轻清扫工人的劳动强度，改善劳动条件，不断提高道路清扫质量和环境卫生水平，本课题的研究有着十分重要的现实意义。

1.2 国内外垃圾清扫机械化发展现状

目前，我国的国产扫路车在品种规格上、使用性能上已能基本满足国内各种需求。产品规格从2t到8t，有将近8个规格 [2]，清扫车的作业方式主要为湿式吸扫结合,动力为主、副双发动机形式,扫刷布置形式为前置和中置两种,吸嘴形式有中置长吸嘴、后置短吸嘴和侧置小吸嘴三种形式,风机形式有通用和专用风机两种形式。国产产品存在外形单调、功能单一、操作不方便、清扫效率低等问题。国外清扫车由于有几十年的发展史,加之基础零部件可靠性高,因此都有一个共同的特点,可靠性相对国内产品要高；而且早已广泛应用了先进的电子技术，有些还应用了有线和无线遥控。

1.3 国内清扫机发展趋势

随着许多新兴的中小城市正在崛起, 城市化规模不断扩大, 路面清洁养护已经越来越重要，清扫机发展前景会越来越好。在功能多样性方面，由单一功能向多功能方向发展；在传动系统方面，由机械传动向全液压传动的方向发展；在除尘方面，由干式除尘方式向湿式除尘方式发展[3]；在清扫方式上，由纯吸式、纯扫式向吸扫复合式方向发展；在重量和体积方面，由体积大、自重大的清扫机向体积小和轻便式，综合利用价值高的方向发展 [4]。

2. 垃圾清扫机总成设计计算

2.1 设计思想

本垃圾清扫机由清扫部分，传送部分，行走部分和箱体、箱架等结构组成，其特征在于清扫部分由横置带有清扫刷苗的清扫滚筒构成；清扫机将街道上的垃圾通过清扫滚筒清扫并抛掷到传送部分中的传送带上，传送带通过齿轮变向实现与清扫机行走方向成反向旋转，然后垃圾在传送带的末端由于重力的作用掉入垃圾桶中；走部分由

两个定向前轮和两个万向后轮实现，既方便又经济；箱体、箱架主要由角钢焊接而成，部分零件用螺栓连接，垃圾箱用塑料制成[5]。本设计的创新特点首先是利用电动机作为动力来源，清洁环保，操作方便；其次是清扫滚筒用链传动，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，能保持准确的平均传动比，能在潮湿和油腻的环境中工作；最后，利用卧式滚刷对路面起清扫及垃圾抛起的双重作用。以上小小的创新能够降低清洁员的劳动强度，提高工作效率的目的。

2.2 总体结构设计

总体结构分为以下几个部分：

（1）垃圾清扫总成：有清扫滚筒、清扫刷苗、清扫滚筒链轮。

清扫辊通过轴承座固定在机架中间，轴承座主要通过六角螺栓固定在机架底盘上，清扫刷苗是通过定位销来实现轴向固定。

（2）垃圾输送收集装置：由上料板、垃圾输送带、上滚轮总成、下滚轮总成、变向轴以及垃圾桶等部件组成。具有结构简单、作业质量好、价格低廉、拆装转移方便、操作轻巧省力等特点。

（3）行走机构：有四个万向轮组成,前两个不可变向，后两个可改变方向。

（4）操作系统：手推式扶手，控制电机开关。

（5）动力匹配：由电瓶驱动的直流电动机。

其结构图如图1：

1.机架

2.链轮

3.清扫滚筒总成

4.上料板

5.输送带

6.下滚轮总成

7.皮带轮

8.第二级

从动轴 9.电瓶 10.万向轮 11.第一级从动轴 12.皮带 13.电动机 14.垃圾箱 15.上滚轮总成 16.扶手 17.齿轮

图1 垃圾清扫机主要结构图

Fig.1 Main structure map of road sweeping machine

2.3 各主要机构参数的设计和验算

已知条件：清扫机生产率为h /km 20

2.3.1 垃圾清扫设计

清扫轮消耗功率N 主要包括：克服刷苗和地面间摩擦力所需的功率1N ，刷苗变形所消耗的功率2N ，克服空气阻力所需的功率3N ,克服垃圾与上料板的摩擦阻力所需的功率4N ，提升垃圾所消耗的功率5N 得。

5

4321N N N N N N ++++=[6]

（1）主要参数

清扫辊半径：85mm

清扫轮宽幅：600mm

尼龙刷苗与地面间摩擦系数：0.4

刷苗自由长度：120mm

尼龙刷苗直径：3mm

刷苗变形量：25mm

工作刷苗数量：200

清扫轴链轮半径：81mm

清扫轮转速：62.5r/min （2）由相关公式计算清扫部分所需功率 [6]

克服刷苗和面间摩擦力所需功率,

ημ1000/)(1m V V P N += （1）

P-变形刷苗对路面上的压力（N ）；

μ-尼龙刷苗与地面间摩擦系数为0.4；

m V -刷苗圆周线速度取m/s ；

V-扫路车行走速度为大于0.09m/s ，取0.09m/s ；

η-传动效率为0.9；

P 值可根据以下公式计算；

)1arccos()]2(18.01[)/(103.53122R

h V Z h L EJ d P m --+??= （2） d-尼龙刷苗半径为m 3103-?；

R-滚刷半径为0.205m ；

L-刷苗自由长度为0.12m ；

E-刷苗弹性模量取Pa 11109.0?；

J-刷苗断面惯性矩为4121097.3m -?；

h-刷苗变形量为0.025m ；

Z-工作刷苗数量可由公式计算：

m V d BV Z 1/5.5β= [7]

（3） 其中1β为刷苗和路面接触点到它的垂直位置的转角；

488.1180205.0025

.0205.0arccos 180)

(

arccos 1=?-=?-=π

π

βR h R

（4） V V m /-速度比值为3.5；

B-滚刷清扫宽度为0.6m ； 计算得出2.2115.3448.11036

.05.5

/5.531=????==-m V d BV Z β

根据清扫机实际，以及刷苗数合理分布和安排，取Z=200;

可计算变形刷苗对路面上的压力为

N

R h

V Z h L EJ d P m 6.854)

205.0025

.01arccos()]2315.0(18.01[200025.0)12.01097.3109.0(103103.5)

1arccos()]2(18.01[)/(103.531

12113

231

22=-?-?+??????????=--+??=--

所以可得

Kw

V V P N m 154.09.01000)

09.0315.0(4.06.8541000/)(1=?+??=+=ημ

已知滚刷转速为n=62.5r/min ，可计算

083.0180/)2(/)2(3)arcsin(2=?--?-=π?R R h Rh h R

（5） 因此，刷苗变形所消耗的功率为

Kw L EJ h d n Z N 033466.01026.02

3

72=????=-?

（6）

计算克服空气阻力所消耗的功率为

Kw N N 00154.001.013=≈

克服垃圾与上料板的摩擦阻力所需的功率为

Kw V P N m 04487.09

.01000315.015.06.85410004=???==ημ （7） 提升垃圾所消耗的功率5N 太小可忽略不计。

所以清扫部分所消耗的总功率为：

Kw N N N N N N 24.0004487.000154.0033466.0154.054321≈++++=++++=

2.3.2 垃圾输送收集装置设计

滚轮外经：150mm

滚轮转速：100r/min

传送带宽幅：600mm

小齿轮分度圆直径1d ：50mm

大齿轮分度圆直径2d ：250mm

小齿轮齿数1z ：20

大齿轮齿数2z ：100

齿轮模数m ：2.5mm

齿轮计算过程在写在后面3.3.4节。

输送带所需功率计算；

假定每一时刻输送带载有的垃圾量和皮带重量为m=5kg ，忽略倾斜的角度不计；传送带的线速度为

s m nr v /79.060

107510026023

=???==-ππ[10] （8） 输送带所需功率为

kw mgv v F p w w e 041.096

.0100079.08.9510001000=???===ηη输送带 （9） 2.3.3 推动清扫机所需功率计算

假设最恶劣的工作环境，当整机重kg M 80=，阻力系数7.0=f ，清扫机以前进速度s m V /09.0=工作计算。则有：

kw Mgfv Fv P 05.01000

1000=== [11] （10）

2.3.4 清扫机扫辊速度验算

设定清扫轮刷苗与上料板最后接触的位置与上料板最高点的距离为mm H 50≈.设刷苗最远端的线速度为v ，要使质量为m 的垃圾上抛到最高点，由参考文献[19]得知必须满足下面条件：

mgH mv ≥22

1 [12] （11） 计算s m gH v /98.005.08.922=??=≥ 又有s m s m nr v /98.0/34.160

102055.6226023

>=???==-ππ 所以清扫车的电机能够保证垃圾顺利地抛送到传送带上。

2.3.5 行走设计

清扫机行走速度：由公式 B v f ?=1000

，取m B 6.0=，h m f /k 20=得 s m h Km B

f v /09.0/33.01000=== [13] （12） 只要清扫机在不低于0.09m/s 的行走速度下运行，就能够保证生产率的额定值。

2.3.6 垃圾清扫机的动力匹配

（1）电动机的选择

由以上计算可知清扫机所需要的功率为

kw P N P 284

.0041.024.0=+=+=输送带 [14] 电动机类型和结构型式

电动机类型和结构型式可以根据电源的种类、工作条件（温度、环境、空间尺寸）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。在移动的设备中和蓄电池配套的较常使用的电机有直流电动机和步进电动机。

直流电动机的优点：容易购得，型号多，功率大，接口简单，适合大型机器。 直流电动机的缺点：太快需要齿轮减速器，电流通常较大，较难与车轮装配，控制复杂

步进电动机的优点：精确的速度控制，型号多，适合室内机器人的速度，接口简单，便宜。

步进电动机的缺点: 功率与自重比小，电流通常较大，体积大，较难与车轮装配，负载能力低，功率小，控制复杂，运动时产生震动。

清扫机多在室内环境下工作，要求控制较简单，运行平稳，因此选择直流电动机[15]。 选定ZYT 系列直流永磁电机为动力源（博山电机）[17]。