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陈 兰 刘文星 郑金松 胡 淼
（1.河南理工大学 鹤壁工程技术学院，鹤壁 458030；
2.鹤壁汽车工程职业学院，鹤壁 458030）
城市化的快速发展，使得城市街道的面积越来越大，为环卫清洁车的行业发展空间提供了助益，也对环卫清洁车的高效快速工作提出了更高要求[1]。根据《中国统计年鉴2021》可知，环卫清洁车要完成道路清扫、冲洗、洒水、除雪以及垃圾粪便清运等工作。可见，环卫清洁车工作质量的好坏及效率的高低，将直接影响整个城市的精神面貌。
近年来，随着环保机械的发展趋势不断加快，很多学者加大对环卫清洁车的研究力度。目前，清洁车主要可分为纯扫式、纯吸式以及吸扫混合式3种。白文娟提出建立一个“环卫工人-环卫保洁车-行人车辆-道路环境系统”的环境系统，由各个要素之间相互影响进行清洁车的设计[2]。朱少军提出基于包括安全因素、功能因素及其操作因素的人性化理念，为技术人员提供了一定参考[3]。买迪娜从使用者和周围相关者两种角度出发，提出真正满足环卫工人需求的清洁车设计方案[4]。王启晨、高晓红等人通过控制动力系统、清扫系统和传输系统实现清扫垃圾和传输垃圾的功能，通过洒水系统实现除尘，达到了节约人力资源的目的[5-6]。韩鲁佳等人提出将收集的杂物进行预压，在预压缩装置中利用高压作用将落叶制作成圆柱形，并利用快刀切成块状，实现了高效完成落叶清扫[7]。夏明爱发明了一种新型拖挂式道路清洁车，将动力机器与拖挂钩连接带动设备移动，通过拖挂执行道路清洁功能，操作简单且方便[8]。
本文解决了传统清洁车清扫方式效率低下的问题，排除了天气、路况等外界环境的影响，主要针对小区、学校、广场及人为活动的场所，提高环卫工人的工作效率，改善环卫工人的工作环境，减少作业过程中扬尘给身体带来的不利影响。
研究设计的城市环卫清洁车主要由轮子、2个圆盘刷、1个滚筒刷、传动机构以及收集装置等部分组成。机身结构使用的是手推式车身设计，采用配备了刹车功能的万向轮作为车身的2个车轮，通过刹车功能可实现清洁装置在斜坡路段的停放。小型城市环卫清洁车最大清扫半径达到210 mm，清洁车总体高度为1 050 mm，总体长度为1 550 mm，总体宽度为860 mm。清洁车可根据所需要清洁的范围调整作业高度。
图1为多用途小型城市环卫清洁车简图。城市环卫清洁车运转时，驱动清洁车前进。电动机将动力传递到小带轮2，再由小带轮将动力传递给大带轮3，从而使在同轴上的带轮7和锥齿轮4、锥齿轮9一起运转。带轮7将移动运动传到带轮8，再由带轮8带动主刷13作逆时针方向旋转，同时锥齿轮4和锥齿轮9推动锥齿轮5和锥齿轮10转动，利用带传动的运动传给毛刷11作顺时针转动，同时侧毛刷作逆时针转动，把两边的废弃物扫向中间，再传给主刷13由主毛刷将清扫物扫进收集箱内。
图1 多用途小型城市环卫清洁车简图
设计的多用途小型环卫清洁车主要由清扫机构、收集机构、传动机构以及车轮车架等其他附件组成。
2.1 清扫机构的主要零件设计
滚筒毛刷和电机共同组成了整个清扫系统。充分利用电极为滚筒毛刷提供驱动力。在电极驱动输出端配备1个连接V带，与滚筒毛刷实现连接，并为2个机构的运行提供驱动力。清洁车的前进方向是主滚筒毛刷的转动方向。设置在两侧的2个辅助盘刷旋转方向相反，主要负责清洁设备周围的杂物。
电机选择是否合适对整台机器影响较大。选择的电机容量过小，会影响电机的正常工作。选择的电机容量过大，则可能造成电动机造价过高，且不能充分利用其能量。查阅资料可知，当清洁车的工作速度为60 r·min-1的较低转速时，推荐选择电压12 V、额定功率为250 W的齿轮减速电机。该电机的输出转速为600 r·min-1。
在毛刷的设计过程中，主要使用如图2所示的两种刷子，分别为滚动刷和圆盘刷。一个主刷放在清洁车的前部，两个辅助毛刷设置在辅助机的两侧。尼龙丝、不锈钢丝以及合成纤维等是最常见的毛刷材料。通过清扫实验对比选择尼龙丝作为毛刷刷体。尼龙丝本身具有良好的弹性，使用寿命较长，使用成本较低，可以很好地进入狭窄的缝隙中，且在使用过程中对障碍物产生的损害也较低。
图2 毛刷
从图2（a）可以看出，传动轴主要以笼统的中心进行连接，滚筒整体直径为201 mm，滚筒中心轴与地面的距离为201 mm，刷子长度为155 mm。如图2（b）所示，工作轴与地面之间的距离固定，圆盘毛刷的高度为260 mm。连排毛刷本身存在一定的角度，因此底座的直径为100 mm。在实际作业过程中，两侧设置的圆盘刷最大的清扫距离为210 mm，能够实现对道路两边边角的清扫，提高清洁效果。
2.2 收集机构主要部件设计
设计的多用途小型城市环卫清洁车主要设置了一个箱体作为收集机构，如图3所示。布袋式、塑料桶式以及金属式是当前最常见的几种收集箱材料。其中，金属式使用寿命较长，因此本文选择金属材料的收集箱。在收集箱底部设置了一个出渣口，经过收集通过拉开底部挡板进行出渣。
图3 收集箱结构
2.3 传动机构设计
清洁车传动机构的主要功能是连接电机和滚筒毛刷。整个传统机构主要由V带、工作轴以及锥齿轮等部分组成。
齿轮选型时，在充分结合传动系统整体示意图和实际的工况条件后，整个结构涉及两处齿轮联合，主要是电机输出和垂直轴、工作轴与两侧辅助毛刷旋转轴刚配合。本文选择圆锥齿轮传动，如图4所示。考虑小型城市环卫车工作速度相对较低，选用了八级高精度齿轮。查阅资料后，设计选择42SiMn（调质处理）作为齿轮材质。
图4 圆锥齿轮传动（单位：mm）
设计工作轴时，它对毛刷的正常生产运动影响很大。工作中轴同时受到扭矩和弯矩的作用，并承受一定的强度和刚度。选取45号钢为材料，实际硬度能够达到55～61 HRC，保证屈服强度为355 MPa，抗拉强度达到600 MPa。
在工作轴两端设置的锥形齿轮，在实际运行过程中会受到周向力FV1和径向力FH1的共同作用，受力状况如图5所示。工作轴主要设置在清扫车的内部，因此尺寸设计会受到一定限制。由于清扫车本身的宽度为650 mm，而圆盘毛刷实际的中心距达到330 mm，因此工作轴长度设置在350～600 mm。
图5 工作轴受力分析图
此外，需要选择合适的车轮和设计相应的车架。对于整个行走系统来说，车轮是其主要的运动机构，承载机器整体的垂直载荷，也受路面反应的影响。选择车轮时，与单向轮、球形轮及其他类型相比，万向轮结构更加复杂，灵活性和控制精度更高。在本次进行清洁设计时，面对的实际路面情况多样且需要实现行走功能，对车轮的方向性和灵活性要求较高，因此最终选择万向轮。万向轮的尺寸直径设置为25 mm，实际高度设置为30 mm，车轮厚度设置为10 mm。
设计车架时，要求车架具备强度高、重量轻、耐腐蚀以及使用寿命长等特点。车架的规格、材质、构造决定了清扫机的总体运转稳定。车架的上下支柱均选用Q235冷拔无缝矩形钢或25×20无缝矩形钢。
本文设计了一种多用途小型城市环卫清洁车，主要由传动机构、清扫机构以及收集机构等部件组成。这种机器的设计具有较高的运行可靠性、较强的合理性及其性价比，能够最大限度地缓解清洁人员的劳动强度，具有一定的应用价值和现实意义。
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