多功能手动清洁车的设计及应用

目前现有的环卫机械，大多功能比较单一，且需要动力消耗，不利于节能环保。其中除雪机械分为两种，一种为大型除雪车，通常是在卡车底盘上安装除雪铲、清扫盘等，适用于大型公路及高速公路的除雪作业；另一种为小型除雪机械，如利用高压气流将积雪吹向一侧的吹雪设备，包括动力设备、风机、导雪管等。但是这两类设备在一些道路的清雪中使用不方便，比如路面较窄，大型除雪车无法作业；而小型除雪机械由于采用抛雪清除，除雪质量不够理想。并且这类机械消耗燃料或电能，作业时噪音较大。为了克服现有除雪机械在较窄道路作业中的不足，本文设计了多功能手动清洁车，其特点是手工操作，结构简单，使用方便，节约能源，绿色环保，能够为环卫工人减轻大量体力劳动，带给环卫工人全新的作业感受。该清洁车不仅能够清除路面的积雪，也可以清扫和擦拭地面。适合于工厂、公园、广场、居民小区等的清雪、清扫以及大型建筑内部的清洁作业。
1基本结构及工作原理
1.1基本结构
多功能手动清洁车主要由行走系统、传动系统、工作系统、离合系统和机架等组成。
(1)行走系统：包括后端的驱动轮及前端的转向轮。
(2)传动系统：由链传动及齿轮传动组成，具有增速、换向的功能。
(3)工作系统：包括前端的可拆卸推雪板及下端的扫盘、圆筒滚子、垃圾收集箱等，从而实现多种功能的清洁作业。
(4)离合系统：由离合器把手、推块和弹簧组成，以实现扫盘的正、反转和停转。
(5)机架总成：采用钢板成型后组装而成，精度好，能够保证作业运行的平稳性。
1.2工作原理
该车传动部分由驱动后轮带动链传动得到加速，再经锥齿轮改变运动方向和加速，使旋转立轴带动扫盘旋转，从而完成清扫工作。传动系统结构如图1所示。
操作者通过把手推动后轮，为清洁车工作提供动力。通过调节离合器把手得到正转、反转和断开传动链三种状态，分别相应于扫雪、清洁地面和非工作状态。在扫雪功能中，先通过前排的推雪板将大部分积雪推向两边，推动离合器使两扫盘正转，将剩余地面的雪扫向两边，达到较好的扫雪质量；在清扫地面功能中，将前端推雪板卸下，推动离合器使两扫盘反转，将地面尘土扫向中间，收入收集箱；在擦拭地面功能中，将推雪板及扫盘卸下，换装上拖布盘，即可以擦拭地面。同时离合器断开传动链时，该车也可以运送垃圾和作为日常生活载重工具。
2主要工作部件及设计依据
2.1主要部件
(1)工作系统部件：按照三个主要功能进行说明。如图1所示。
扫雪功能部分：雪比较厚时，可先通过推雪板1把雪推向两边；剩下的雪由扫盘13、27清除。工作时驱动后轮8使其同轴的大链轮11转动，将动力传至小链轮24，使得与其同轴的锥齿轮18转动，带动锥齿轮28，然后经大齿轮16与小齿轮15及惰轮25，惰轮25与小齿轮26啮合，将旋转运动传至两个扫盘13、27，两扫盘旋转方向相反，向外转动，将雪扫向两边。
清扫功能部分：将推雪板1卸下，大锥齿轮23与小锥齿轮28啮合，最后经大齿轮16与小齿轮15及惰轮25的啮合，惰轮25与小齿轮26啮合，将旋转运动传至两个扫盘13、27，两扫盘旋转方向相反，向内转动，达到将垃圾扫向中间的目的。在链传动中，小链轮12在链条6的作用下转动，带动与之连接的圆筒滚子10转动，将集中的垃圾扫入垃圾收集箱9，在机架3前端固定托盘4，用于盛放工具杂物(或垃圾箱)等，也可盛水，使地面湿润再清扫，免得产生灰尘。
擦拭地面功能部分：将扫盘13、27换作拖布盘，与凸缘14连接，推动小车带动拖布盘旋转，便可擦拭地面；同样托盘4用于盛放工具杂物和水，方便清洁工作。
(2)传动系统部分：后轮转动后，经过链传动、锥齿轮传动、齿轮传动到达工作机构。
(3)离合部件：锥齿轮18和锥齿轮23可在有导向平键的锥齿轮轴17上移动。除雪时，右推离合器把手5，使离合器21右进，推块20压缩螺旋弹簧22，在弹簧22的作用下，使大锥齿轮18与小锥齿轮28啮合。清扫时，左推离合器把手5使离合器21左进，推块20压缩螺旋弹簧19，在弹簧19的作用下使大锥齿轮23与小锥齿轮28啮合，从而实现扫盘反转。
(4)行走部分：清洁车前端设计有工业脚轮2，规格为WP13C-125×50，用于转向；后端设计有直径350mm的驱动后轮8，选用手推车用轮，配有低压充气轮胎；把手7的高度与倾斜角度基于操作人员推动的灵活性与方便性选取，符合人体工程学要求。
2.2主要部件设计依据
设计依据主要从以下几个方面考虑：除雪阻力、小车行进速度、地面摩擦力大小、整车质量、扫盘要求最低速度、工作效率及工作环境等。

3主要技术措施
3.1扫盘的直径及推雪板设计
考虑小型道路的除雪及操作者的力量，两扫盘及推雪板的作业宽度设为600mm，扫雪的厚度为10mm，推雪的最大厚度为100mm，总体的最大除雪厚度为110mm。由雪的密度ρ=200kg/m3、抗切强度τ=200Pa，通过计算得到扫盘的最低转速为[n]=764r/min。
设计推雪宽度为L=600mm、切削角θc=25°、前铲行进角θc=55°、推雪阻力Fp=Ff+Fc+Fa，其中Ff为摩擦阻力，Fc为分离积雪的切削阻力，Fa为抛出雪的作用力。考虑到除雪的工作方式，可以把Ff和Fa近似取为0，因此

式中τ——雪的平均抗切应力，取τ=2000Pa；
S——除雪断面积，取S=54000mm2；
K——铲刃口形状系数，前铲取1；
θc——切削角，取θc=25°。
则Fc=109.95N
3.2传动系统设计
人正常行走的速度v=0.8m/s，车后轮直径d=350mm，所以后轮转速n=43.7r/min，取直齿圆柱齿轮传动比i1=2.65，半开式锥齿轮单级传动比i2=2.5，链传动的传动比i3=3，圆盘辊子的转速n′=n×i1×i2×i3=868.5r/min，工作转速合适。

1-推雪板；2-工业脚轮；3-机架；4-托盘；5-离合器把手；6-链条；7-把手；8-后轮；9-垃圾收集箱；10-圆筒滚子；11-大链轮；12-小链轮；13-扫盘；14-凸缘；15-小齿轮；16-大齿轮；17-锥齿轮轴；18-大锥齿轮；19-螺旋弹簧；20-推头；21-离合器；22-弹簧；23-大锥齿轮；24-小链轮；25-惰轮；26-小齿轮；27-扫盘；28-小锥齿轮
图1多功能手动清洁车结构
3.3后轮防滑校核
推雪板推雪过程中，取雪厚为110mm，则所受最大阻力为Fc=109.9N，取后轮与冰雪地面的附着系数为0.25，正常干燥沥青路面的摩擦系数为0.6，雨天路面摩擦系数降为0.4，雪天则为0.28，因为后轮经过的路面为已清扫过的，所以取f=0.35，由fmg>Fc得，m>30kg，实际小车的整体重量，按图纸进行理论计算得，小车总重量为31.91kg(其中Q235密度取7.81g/cm3)，符合防滑要求。
3.4整车载重校核
清洁车后轮选用手推车用低压充气轮胎，载重量大于100kg，前端转向轮选用工业脚轮，承重量为2000N。所以，清洁车的载重量大于100kg，除去本身重量，至少可以运送68kg重的物品(或垃圾)，可以基本满足地面清洁作业运输要求。
4使用检验
作为首都高校第四届机械创新设计大赛参赛作品(获二等奖)，多功能手动清洁车已制作出样机，在实际使用中对清雪、清扫及擦拭地面等功能进行检验，得到非常好的效果。由于制作完成时值初夏，因此，就清雪功能的检验选用沙土进行模拟，清除效果良好，如图2所示；对清扫地面功能的检验选用碎纸片等(尺寸为40～50mm×40～50mm)，如图3所示，效果良好；擦拭效果检验同样良好。以人的正常行走速度作为清洁车行走速度，根据清洁宽度，可得道路的清洁长度为2880m/h，清洁效率为1728m2/h。

5结束语
在当今能源日益紧张、环境问题亟待解决的形势下，该清洁机的问世提供了行之有效的节能环保办法。并以其自身具有的结构简单、使用方便、作业效果良好、成本低、适用范围广、全新作业感受的独特优势，彰显绿色环保的设计理念，值得推广。
参考文献
〔1〕孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理(第七版)〔M〕.北京：高等教育出版社，2006.
〔2〕濮良贵，纪名刚.机械设计(第七版)〔M〕.北京：高等教育出版社，2001.
〔3〕马文星，邓洪超.《筑路与养护路机械》〔M〕.北京：化学工业出版社，2005.