摘要：随着城市化的不断推进，人们对城市形象的关注度越来越来高。本文设计了一款主要应用于广场、小区、街道等的小型道路清扫机，旨在改善传统清扫机的结构和安全性能，有效提高工作效率，减轻环卫工人压力。本文首先确定了小型道路清扫机的总体设计方案，然后对其主要零部件进行具体设计和计算，最后利用NX软件对其各组成部分进行了三维实体建模，并完成了装配和运动仿真。本文所设计的小型道路清扫机采用小功率单电动机驱动模式，结构简单易于操作，具有节能、灵活性高、清扫效果好、噪音小等优点。
关键词：城市道路；清扫机；三维建模；结构设计
1引言
随着我国国民经济的快速发展，城市化进程的不断加快，城市的道路、广场、办公区、住宅区、旅游区、工业区、医院等公共场所不断增长，由此带来的道路清扫保洁工作日趋沉重。良好的生活环境可以使人们的心情更加愉悦，工作也会更有信心，良好的城市环境成为人们所追求和奋斗目标，城市广场、小区、街道等的与人们息息相关的环境问题得到了越来越多的关注。从人工清扫保洁作业效果来看，工人在认真清扫的情况下可以有效清除可见垃圾及颗粒物，路面基本无残留，效果较好，但是劳动强度较大。同时，对于道路尘土人工作业效果较差，导致背街小巷地区路面尘土残留严重、路面发黄，严重影响环境卫生。随着国民经济和科学技术的不断提高，道路的清扫保洁工作仍旧使用传统的人工清扫模式已经不再现实，也不符合城市发展的需要。自动化、智能化清扫机械已经逐渐代替了人工，它可以实现城市路面的清扫保洁、垃圾的回收与存储、以及垃圾的运送，可普遍应用于城市的广场、小区、街道等公共场所，大大减轻了环卫工人的负担，成为城市保洁的中坚力量。
本文结合目前已有的国内外道路清扫机械方面的先进技术，设计了一款具备结构紧凑、底盘转弯半径较小、车身的牢靠性高、运行平稳、灵活性和通过性好、清扫效率高、节能环保等优点的小型道路清扫机，主要适用于城市广场、小区、街道等场合，能够全面有效地照顾到作业对象的角角落落，减轻环卫工人的劳动强度，提高工作效率。
2 小型道路清扫机的整体结构及工作原理
本文所设计的小型道路清扫机主要由清扫装置、吸尘装置、车架装置、驱动装置等组成，外形尺寸约为1600mm×800mm×800mm，其总体结构如图1所示。
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图1 新型道路清扫机总体组成示意图
1-导向轴；2-导向轴固定架；3-前罩；4-前叉臂；5-刷盘； 6-吸尘口；7-带；8-电源；9-座椅；10-电动机；11-减速箱；12-垃圾箱； 13-底座；
本设计采用“中置两盘刷+后置吸嘴”相结合的清扫方式，具体工作原理如下：利用安装在车架下方的两个旋转方向相反的刷盘将被清扫路面上的垃圾扫到车底吸尘口区范围，在吸尘装置中强力风机的作用下把灰尘和垃圾吸入清扫车的垃圾箱内。本设计所采用的清扫方式具有良好的适应性，对于细小的垃圾颗粒都有很好的清理和输送效果，可以适应大部分工作环境，应用范围广。
3 小型道路清扫机的具体设计
3.1驱动装置
本设计的小型道路清扫机采用普通底盘的自行式三轮小车，主要用于城市的广场、小区、街道等地面比较平展的场合，清扫装置转速约为1100r/min，行驶速度约为6km/h。根据经验数据，对于轮式小车而言，当它的行进速度是6km/h时，全车每吨重消耗功率约为2.0～5.0kW，而该小型道路清扫机整机重量大约为290kg，所以它的行驶功率应是0.6～1.2kW，由此可见其行驶和工作过程中所需功率不高，故选择采用功率尽量小的单电动机驱动模式，电动机型号为Y132M-4。
只使用一台电动机来完成清扫系统和行进系统的驱动，在不影响道路清扫机的总体性能的前提下，一方面可以使道路清扫机的体积最小化，保证其灵活性；另一方面还可以降低制造成本，有效节约资源。
此外，选择电源型号为三元锂电池72V30A，设计将电源放置在驾驶员座位的下面，并在座位与电动机之间安装减震缓冲装置，可以克服道路不平颠簸等因素。
3.2 清扫装置
清扫装置的两个刷盘分别位于清扫机的两侧的前后轮之间，安装在车架的下方，吸尘装置的侧前方，如图2所示。当进行清扫工作时，清扫刷会先向外伸展，然后缓慢下落；当清扫机运送垃圾时，清扫刷升起缩回，从而避免在非工作状态下造成清扫刷的磨损，影响清扫机的使用寿命。在执行清扫工作时，两个清扫刷通过反方向的旋转将路面上的垃圾、灰尘等污物集中在吸尘口吸收区域，利用风机产生的吸力将污物经过吸管吸入到垃圾箱内，实现对路面垃圾的有效清扫。当被清扫的路面比较硬时，使用喷水装置进行压尘处理，这样既可以减少刷子的磨损，还可以防止扬尘带来的二次污染。
清扫刷的底盘与工作轴相连结，由于工作轴到地面的高度一定，因此清扫刷的高度会受到一定的限制。故将清扫刷的倾斜角度设计为45度，能够在最大程度上根据路面的高度和垃圾的大小实现自由灵活的清扫。本设计中的车宽为1100mm，取清扫刷体高度为150mm，确保不与被清扫路面发生干涉。设计清扫刷的底盘直径为400mm，清扫刷体倾斜角度为45度，由此可以算出清扫刷的清扫宽度1200mm，大于车宽1100mm，这样的设计可以对路面垃圾进行有效的清扫，使清扫效果达到最大化。
清扫刷的材料选用合成塑料，此种材料在耐磨性方面不是很好，但在其工作过程中可以避免刷子对地面造成伤害。并且合成塑料在抗腐蚀能力方面相对较强，具有制造成本低、质量轻等一系列优点，最主要的是可以被加工成为不同外形，能够较好地满足设计需求。另外，本装置设计了两种清扫刷，“滑动”刷更适合于轻微碎屑的清理，而“切割”刷子更适合于坚硬碎屑的清理，从而满足不同地面、不同垃圾碎屑的清理，大大提高了工作效率。
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图2 清扫装置
3.3 吸尘装置
吸尘装置包括风机、吸嘴、吸管和垃圾箱，如图3所示。本设计采用吹吸式作业模式，有弱吸、标吸、强吸三种，可根据垃圾多少进行人为控制。吹吸式吸嘴的工作原理是含尘气流进入风机后分为两条路，第一条路是经过过滤的小部分粉尘通向外部空气，第二条路是通向吸嘴，大部分含有粉尘的气流重新回到风机进气口，作为载体用于扰动地面粉尘。该种设计能够使垃圾更容易的进入吸管，有效减少风机的排放量，还可以抑制空气中的二次扬尘。
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图3 吸尘装置
风机是吸尘装置的动力源，吸尘装置的工作性能好坏由风机是否能够提供足够的压力和风量决定。因此，风机的正确选择是确保吸尘装置正常工作、经济运行的一个非要重要的前提。由于吸尘装置的气力输送系统存在着由吸嘴、吸管和垃圾箱在工作过程中形成个各种各样的压力损失，其中由于吸嘴在启动状态下要经过多次的气流转向，故而吸嘴处的压力损失所占比例是最高的。在设计选择风机时需要把这些因素都考虑进去，并必须要留有余量，也就是所选的风机的压力和风量必须大于吸尘装置所需的压力和风量，只有这样才能使吸尘装置稳定的工作。
本设计中的风机选用叶轮离心式，具有较大的风量、较低的风压，能够减少很多的压力损失，使吸嘴等部位具有较好的工作性能。风机的最主要的零部件是叶轮，它的数量、形状与尺寸对风机的性能起着决定性的作用。当在吸气口的吸收面上时，叶轮的压力达到最小，而在排气口的压力面上时，压力达到最大。本设计依据计算出的全压、功率与风量，经过查找风机的样本特性曲线选取最佳的风机型号。在能满足风机风量及风压的情况下，选择尽量小的风机，从而在很大程度上减少不必要的浪费，使得噪声最小化，还可以使得道路清扫机更加的人性化和美观化。本设计中的风机风压定为920Pa，风量为1045m3/h，功率为0．56kw，故选择风机型号为C6-48叶轮离心式风机，选用机号为3.15C，转速2100m3/min，风量980m3/h，风压1080Pa，内效率0.7kw，重量80kg。
另外，本设计中的吸嘴与地面的距离可以在工作过程中进行灵活的调整，从而能够使吸嘴与地面始终保持较为合适的距离，使吸收垃圾的效果最好。吸管的设计相对较短，能够有效减少压力损失，避免不必要的浪费，从而使路面上的灰尘和垃圾在最短的时间内更轻松的被吸进垃圾箱里，工作效率高。同时，还可以减轻道路清扫机自身的重量和大小。
3.4 车架
车架是清扫机的基体，俗称大梁。它由横梁和侧粱构成，为了承受道路清扫机自身的载荷以及路面经车轮带来的冲击，车架的刚度和强度必须足够。车架由中间梁以及前、后车架组成，采用焊接的方式连接在一起，连接部分采用加强筋的设计，以满足车架强度要求，其整体结构如图4所示。中间梁起连接与承重作用，前车架和后车架安装电动机、减速器、车轮等。材料选用性价比较高的普通碳素结构钢，以达到减轻车体整体重量的目的。
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图4 车架
3.5行驶系统
本设计的形式系统由电动机、驱动轴、齿轮、带轮、V带、车轮等部分组成。将电动机后置，采用后轮驱动，前轮转向的模式。驱动电机输出的转矩和速度通过减速器得到需要的动力性能，从而保证道路清扫机的行驶，速度人为可控。
驱动轴是维持小型道路清扫机在路面上平稳行驶的关键零部件，设计时需要考虑以下因素：在满足刚度和强度的基础上，尽量使结构简单，这样便于调整和拆装；采用尽量小的外形尺寸，确保离地间隙；当载荷和旋转速度不同时，确保高的传动效率。
车轮的主要作用是支撑整个车身、行驶和转向等，并且刹车也间接作用在车轮上。本设计中的车轮由轮胎、轮毂、轮辐等组成，采用实心轮胎，起到了减少震动和增加摩擦力的功用。
图5 行驶系统
1-底座；2-螺栓螺母；3-驱动轮；4-减速箱；5-电动机； 6-V型带；7-V带轮；8-六角开槽螺母；9-驱动轴；10-轴承端盖
4 结语
本文所设计的小型道路清扫机能够有效降低环卫工人的工作强度和压力，提高他们工作的安全性和效率。改善了以往的道路清扫机尺寸过大，清扫效果不明显等弊端。可以应用于城市的广场、小区、街道等场所，适合各种地面和垃圾的清理作业。本文所设计的道路清扫机的各部分零部件均经过受力分析和校核计算，工作稳定性、安全性和可靠性较高，具有一定的实际推广价值。
参考文献
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