草地落葉清掃機

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1、草地落葉清掃機 緒論 本次設計的課題是草地落葉清掃機。落葉清掃機作為城市的環(huán)衛(wèi)設備之一,是一種集路面清 掃落葉、落葉輸送為一體的新型高效清掃設備。可廣泛應用于學校、公園、 街道等地落葉清 掃。落葉的清掃工作既可以保證道路的美觀,維護了環(huán)境的衛(wèi)生,又維持了路面的良好工作狀 況,延長了路面的使用壽命。然而，一般的落葉清掃機并不能對樹底下、草坪上的落葉進行 清掃， 眾所周知大量落葉不僅影響了城市環(huán)境，還給交通帶來不便。因此設計一種草地落 葉清掃機迫在眉睫。 1. 設計背景 1.1 國內清掃機的發(fā)展概況 一、 我國清掃機的發(fā)展和不足 我國清掃機的發(fā)展歷史與發(fā)達國家的發(fā)展過程基本類

2、 似，也是從純掃式清掃機車的研究開始，然后逐步向吸掃式清掃機車發(fā)展。早在20世紀60 年代， 我國就已經研制出純掃式清掃機車， 從此揭開了我國研發(fā)清掃機車的序幕。 由于受當 時我國的體制和當時城市環(huán)衛(wèi)部門的經濟狀況影響，只有上海、北京、南京、 深圳等少數(shù)大 城市使用數(shù)量很少的清掃車， 但是這種型式的清掃車給我國清掃車的發(fā)展史增添了濃濃的一 筆。 四川滬州機器廠制造出我國第一臺吸掃式清掃機，填補了我國在吸掃式清掃車市場上 的空白，清掃效率從我國研制的純掃式清掃車的80%提高到90%以上，它更以純掃式清掃車 無可比拼的優(yōu)勢迅速進入我國的大中城市如北京、上海、南京、深圳等。20世紀末期，

3、市場 需求的迅速膨脹促使各種類型和各種規(guī)格的清掃車不斷涌現(xiàn)。 清掃車的使用也從大中城市逐 漸擴展到小城市，而且不少企事業(yè)單位與部分居民小區(qū)也開始采用清掃車進行路面清掃。 2000年以后，國內清掃車市場繼續(xù)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局勢。 近幾年來國內各個清掃車企業(yè)己 經逐漸開始意識到產品自主研發(fā)的重要性， 正逐步開始加大對科研工作的投資力度， 其中有 不少企業(yè)取得較為先進的研究成果。 但到目前為止， 國內針對清掃車工作裝置匹配性能的研 究至今仍然不多，已經取得的一些科技成果。謝立揚在文獻[ 1 ]中根據(jù)吸掃式和純掃式清 掃車兩種車型不同清掃機理， 結合自己在實踐和試驗兩方面的經驗說明了清掃速

4、度對清掃率 的影響關系，得出了如下結論: 無論是哪種形式的清掃車，當清掃速度增加時，清掃效率總 的來說呈下降趨勢， 對一些容重較小但形狀較大的物體， 在一定清掃速度范圍內， 清掃速度 與清掃率無關[1] 。龔佰勛在文獻[2]中闡述：通過多年的實踐經驗，提出了提高清掃車使 用效能的各種方案， 主要觀點包括在清掃一般的市政道路時， 清掃車車速一般應控制 1.5m/s 左右；保潔行駛速度則可高達5m/s ，這樣最有利于垃圾的吸掃；風機風道應采用圓形截面， 這樣可以有效減小風阻等[2] 。 雖然我國在清掃機車研究方面取得部分令世界矚目的成就， 但是我國的清掃機車同發(fā)達 國家相比還存在著

5、不少差距。 我國自主研究設計的的清掃車雖然在清掃能力、 清掃效率 以及除塵效果等清掃作業(yè)方面的性能與發(fā)達國家的水平相差不太大，然而卻在噪聲控 制、可靠性、舒適性等方面仍存在較大差距。 目前我國清掃車設計還停留在理論分析 加經驗總結的基礎層面上， 缺乏對清掃機車專用元件工作性能的系統(tǒng)分析， 缺少對部分 專用零部件的研究， 缺乏具有明確目標的設計理論的指導。 可以說， 到目前為止我國對 清掃車的研究能力還相對來說比較差， 對清掃車工作參數(shù)的相關的性能匹配研究也存在 很多不足之處，對清掃車綜合工作性能的優(yōu)化指導作用還很有限，與此同時，對清掃車 的研究還缺乏必要的研究條件。由于國內清掃車

6、生產企業(yè)的生產規(guī)模都比較小，而且掃 路機產品批量也較小， 所以采用的生產設備和生產手段都較為落后，加工的零部件難以 保證有穩(wěn)定的質量要求。 此外，我國通用零部件制造水平較低， 也影響了掃路機車的質 量。 二、我國清掃機的研究方向 要提高我國清掃機車的整體水平， 必須首先確定它的研究 方向，從清掃機車的基礎研究著手， 并根據(jù)我國清掃機車市場的需求， 逐步研究開發(fā)出性能 先進、可靠性高、符合我國基本國情的清掃車。隨著社會的發(fā)展進步， 道路落葉的清掃工作 不再滿足于單純意義上的清掃 ，將從功能、環(huán)保、經濟等多方面提出更多更高的要求，市場呼 喚能滿足各種需求的清掃機車。已知的清掃車類型有:

7、 (1)全天候清掃車。目前的這種清掃機車需要通過噴水壓塵來除塵，在我國的一些干旱 地區(qū)和我國的北方冬季無法使用此類清掃車，要解決這一問題，必須要開發(fā)能在干旱環(huán) 境和冬季使用的清掃車或稱為全天候掃路車，如果該車能夠成功研發(fā)不但解決了上述難 題，同時可節(jié)約用水，降低使用成本［3］。 (2)中小型全液壓清掃機車。未來市場的主要清掃車，為適應國內市場發(fā)展的需求， 對中小型全液壓掃路車的研究工作已刻不容緩。目前，我國中小型全液壓掃路車不但存 在與汽車底盤改裝的掃路車同樣的缺陷，而且還存在舒適性差、噪聲大、空車質量大、 外形不夠美觀等諸多缺點。因此，要徹底擺脫我國全液壓掃路車的落后狀況，必須從現(xiàn)

8、 在開始就對其進彳T詳細的研究 ［3］。 (3)多功能型清掃機車。目前的國產清掃機車基本上來說都是單純意義上的清掃即 只能掃路不能它用。然而從全國許多環(huán)衛(wèi)局的信息來看，對清掃車功能的需求應不僅僅 只停留在單方面應同時實現(xiàn)多方面的功能像鏟雪、除草等。因此，清掃車多功能是一個 發(fā)展方向 (4)環(huán)保型掃路車和單發(fā)動機全液壓驅動清掃機車。目前的掃路車尾氣污染和噪音 污染相對來說對環(huán)境造成的危害都比較大。隨著國家環(huán)保部門對環(huán)境的要求越來越 高，人們環(huán)保意識的普遍增強，現(xiàn)有掃路車就將很難適應社會發(fā)展的需要，因此開發(fā) 環(huán)保型清掃機車勢在必行，單發(fā)動機全液壓驅動清掃機車發(fā)展前景的也必將一片美 好。

9、 1.2國外落葉清掃機的研究現(xiàn)狀 國外一些發(fā)達國家從20世紀40年代就開始大量生產清掃機車，像美國 ELGIN德國 FAUN-KUKA日本KATQ英國JOHNSTO噂公司，這些公司目前不管在銷量的規(guī)模、還 是在技術應用的檔次上都走在了世界的前列。文獻［5］中曾提出一種新型的路面清掃方 式，采用灑路車與清掃車聯(lián)合作業(yè)的方式，這種方式不但可以有效解決普通路面清掃車 的二次揚塵問題，而且還可以有效改善對片狀、絮狀或粉塵狀等輕質物體的清掃效率低 較低的缺點［5］。此外，國外針對清掃車進行的學術研究方向主要是面向清掃車性能優(yōu) 化、安全舒適性、集成控制、環(huán)保節(jié)能等課題。Peel G.M.和Park

10、er G.A.采用離散元素模 型的方法，理論分析了清掃車盤刷在作業(yè)時與路面間的相互作用關系，得出了如下結論 隨著盤刷轉速的提高，盤刷與路面間的摩擦系數(shù)會減小，并且盤刷的接地壓力也會減小， 這樣盤刷的驅動扭矩會相應下降［5］。 2 .產品規(guī)劃 設計的是一種用于草地落葉垃圾清掃的機器。機器露天工作，工作環(huán)境為草坪或草地。使用 期限10年 清掃工具1-2兩年更換一次。動力來源為電力拖動，牽引方式可以是人力牽引或 是機車牽引，在中等規(guī)模機械廠大批生產。 3 .方案設計選擇 該機器應具備以下特點 1、結構簡單。因是小型清潔機器 要求成本低操作維護方便 便于工人使用 其結 構需簡單 可靠

11、性好。目前國內雖然已有同類機器 但其結構偏復雜 成本高 無法推廣使 用。 2、清掃機構可調節(jié)即清掃時該機構工作不清掃時該機構不工作以免做無用功。 在以上分析的基礎上，對機器各部分方案進行設計。 3.1 整體方案的設計 即機器的整體結構形式外觀的確定。有兩種方案可供選擇 （1）機器為四輪車形式由人推動或機車拖動。清掃的動力來源為電機的轉動帶動帶 輪轉動，從而帶動清掃機的滾筒轉動。 （2）機器為三輪車形式由人力驅動。清掃的動力來源為人蹬腳踏板的力。人蹬腳踏板 帶動后輪運動，再將后輪運動傳遞給工作軸，掃把旋轉，完成運動。 對方案 （1）、（2）進行比較 方案1:優(yōu)點 僅有一個傳動

12、（從電機所在軸到工作軸）結構簡單 緊湊。自備動力 源，通過一定方式控制機器運動，還可實現(xiàn)自動清掃。 方案 2:優(yōu)點動力來源穩(wěn)定可直接在現(xiàn)有三輪車基礎上進行改裝成本低。因是 騎行效率較手推車高。缺點結構尺寸相對較大。 最終選擇方案 1大大節(jié)省了人力，提高了清掃的效率。 3.2 清掃功能實現(xiàn)形式的確定 因是小型清潔機器，考慮到動力及成本，選擇清掃功能實現(xiàn)形式為通過鋼針與地面的相對 運動 將落葉掃起。主要運動為旋轉運動。有以下兩種方案： 1 .鋼針運動方向與機器前進方向相同。鋼針環(huán)繞工作軸成星形布置放射狀工作軸與 車輪所在軸平行。鋼針把與地面相對運動將落葉掃起。 2 .掃把運動方

13、向與機器前進方向交錯。掃把均勻布置在一盤狀物體周圍盤狀物體與地面 平行通過盤裝物體旋轉掃把與地面相對運動將落葉掃起。 分析方案（1）（2）的優(yōu)缺點 方案（1）結構簡單清掃功能易實現(xiàn) 但清掃能力有限即可能清掃的不徹底。 方案⑵清掃能力強 但是是交錯傳動需借助圓錐齒輪或渦輪蝸桿來實現(xiàn)結構較復雜 會增加機器成本而且效率較低。 考慮到機器清潔的主要是落葉或其他片狀體不需要較強的清掃能力故選方法（1） 2、落葉收集方式的確定 收集容器為一放在車后的垃圾箱。需確定的是如何將落葉由地面送入垃圾箱。有三種方案： （1）通過一傳送機構。將落葉掃到傳送機構上再由傳送機構將落葉送入垃圾箱。需另設

14、 一條傳送鏈結構復雜成本高。 （2）將掃把成環(huán)狀布置在兩個滾筒上滾筒轉動 則掃把連續(xù)地將落葉掃入垃圾箱如下 圖所示 孝被 (3)掃把成環(huán)狀布置在一根軸上環(huán)軸一圈鋼針 通過軸旋轉 掃把一點點地將落葉送 上斜坡通過擋板落葉摞入垃圾箱。 此方案結構簡單 容易實現(xiàn)。該掃把適用于在草地上進行工作，工作時通過鋼針將 樹葉穿起，在鋼針通過斜坡細縫時可以將樹葉捋下，方便，快捷，有較高的工作 效率止匕外，該落葉清掃機既能由垃圾車拖動清掃，又可以由人工推動清掃， 綜合考慮選擇方案 3 3.3 傳動方案的選取 主要傳遞的是運動且是在兩平行軸之間傳遞可選的傳動方案有 (1)帶傳動。優(yōu)點：傳動

15、平穩(wěn)，緩和載荷沖擊；運行平穩(wěn)無噪聲；制造和安裝精度不像 嚙合傳動那樣嚴格；過載時引起打滑，防止其他零件損壞；增加帶長以適應中心距較大的工 作條件。缺點：有彈性滑動和打滑 失使效率降低和不能保持準確的傳動比；傳遞同樣大的 圓周力時；輪廓尺寸和軸上壓力都比嚙合傳動大；帶的壽命較短。 (2)齒輪傳動。優(yōu)點：使用的圓周速度和功率范圍廣；效率較高；傳動比穩(wěn)定；壽命長; 工作可靠性高；可實現(xiàn)平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間傳動 缺點：要求較高的制造和安裝精度，成本較高；不適宜遠距離兩軸之間傳動。 (3)鏈傳動。優(yōu)點：安裝精度低，沒有滑動；傳動尺寸較緊湊；不需很大張緊力；效率較 高 98%

16、;能在溫度較高濕度較大的環(huán)境中使用。缺點：只能用于平行軸間滑動；瞬時速 度不均勻告訴運轉時不如帶傳動平穩(wěn) ；不宜在載荷變化很大和急促反向的傳動中應用；工作 是有噪聲；制造費用高。 對比三種方案，考慮經濟成本，實用，普及，和裝配要求，最終選擇方案一。 至此機器的方案設計完成。其三維圖如下: 4 .各部分零件的具體設計及參數(shù)選定 4.1輪子的設計 輪子是用不同材料制成的圓形滾動物體。簡單來說，它包括輪子的外圈、與外圈相連 接的輻條和中心軸。透過滾動，輪子可以大大的減少與接觸面的磨擦系數(shù)。如果配上軸，即 成為車的最主要構成部份。輪子在交通運輸中非常有用，是人類的

17、重要發(fā)明之一。除了車輪 以外，其他圓形的輪還有船輪、飛輪等等。 在草地落葉清掃機，后輪采用的是固定式輪子，無法改變車輪的前進方向，前輪采用 可給變方向的車輪，因此草地落葉清掃機的方向主要是通過前輪來改變的。前輪的直徑是 100mm,后輪的直徑是180mm。 4.1 鋼針掃把及滾筒的設計 (1)滾筒 因工作軸較細 鋼針掃把不能直接固定在軸上。先將掃把固定在滾筒上 然后通過鍵將 軸與滾筒周向固定。 選擇滾筒外徑為D=150mm 內徑與軸徑相等 為d=40mm。滾筒置在于 帶輪一側 長度為L=600mm 。 (2)掃把共有25把 均布在滾筒上。因工作軸中心離地面高度為230mm 滾

18、筒外徑為 150mm,掃把長度為150,與地面的距離為5mm,以免與地面直接接觸，同時，便于將落葉掃 起。 4.2 斜板與垃圾箱的設計 (1)斜板最高點離地高度為 339mm 與地面夾角為35°故斜板寬度為240。斜板長 度為600mm 厚度為8mm。其上有20個間距5mm的縫隙。 8mm的鋼 (2)由于在落葉被清掃后，落葉需要統(tǒng)一存放于落葉收集箱，箱體采用厚為 板焊接而成。尺寸為 800 X 295 X 500。

19、 4.3 升降的方案設計 當掃地車不清掃而又需要將掃地車移動時, 們首先想到是讓滾筒相對于車體向上運動， 復雜程度，且整體的穩(wěn)定性也將大打折扣。 就要求使?jié)L筒與地面脫離。很自然的，我 但這樣會大大增加帶傳動及滾筒自身機構的 使?jié)L筒升高還可選擇變化輪子的位置，由 于滾筒和萬向輪相距較近, 的升降來調節(jié)滾筒的高度。 動桿就可以將萬向輪抬高, 而且移動主輪會使動力的穩(wěn)定性降低，所以我們選擇萬向輪 抬升方法可以選擇萬向輪與有一個有固定軸的桿相連，轉 但是這樣的話不能保證萬向輪總是水平的，在轉過一定角度 后，萬向輪與

20、水平線成一個角度，影響其工作。 于是我們采用平行四邊形四桿機構，在調整萬向輪高度的過程中可保持其水平 4.5車體的設計 車體是車輛上供裝載貨物或乘客的部分，又是安裝與連接車輛其他組成部分的基礎。早 期車輛的車體多以木結構為主，輔以鋼板、弓形桿等來加強。近代的車體以鋼結構或輕金屬 結構為主 車體是整個草地清掃機的基礎，所有的組件都是建立在車體上，是承載重力的關鍵。 車體的底盤是800X1300的鋼板，中間開有給滾筒鋼針掃把工作的孔洞，還有提供給工人 們使用的扶手。 4.6 帶輪的設計 帶傳動

21、具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力， 且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點，在近代機械傳動中應用十分廣泛。摩擦型帶傳 動能過載打滑、運轉噪聲低，但傳動比不準確（滑動率在2%以下）；同步帶傳動可保證傳動 同步，但對載荷變動的吸收能力稍差，高速運轉有噪聲。帶傳動除用以傳遞動力外，有時 也用來輸送物料、進行零件的整列等。 本草地落葉清掃機所用的是 V帶輪傳動，采用的電機型號是 YH8-10650Z其轉速是 600RPM輸出功率是500W,查機械設計實用手冊表5.3-7選取普通Vt中帶型A。 選取基準長度1100mm 小帶輪的直徑為47.5mm大

22、帶輪的直徑為190mm,專動比為1:4。最后轉速為 150r/min 。 根據(jù)公式：[(360-2 a) /360]*190 口+[2 a/360]47.5E[+2[95-23.75]*tg a 1100 求得中心距為368mm 4.7滾筒軸的設計 軸(shaft)是穿在軸承中間或車輪中間或齒輪中間的圓柱形物件，但也有少部分是方型的。 軸是支承轉動零件并與之一起回轉以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件。一般為金屬圓桿狀,

23、 各段可以有不同的直徑。機器中作回轉運動的零件就裝在軸上。 滾筒中的軸要承受一定的扭矩和裁剪力 工作軸 扭矩T=1.65 X 4=6.6N*M 材料40Cr的剪切疲勞極限Tt=200 則軸的最小直徑為： 考慮到軸的加工、安裝及細長軸剛度等問題，將直徑放大到d=60mm,其 長度 L=850mm。 軸的結構設計： 軸向力很小或沒有，可將此軸設計為一根光軸。帶輪及滾筒的軸向定位采用 彈性擋圈，周向定位采用平鍵，并選用滑動軸承。 4.8擋板的設計 擋板是置于草地落葉機前端。防止電動機和電源被風吹日曬

24、，露打雨淋，影響機器的使用, 因此擋板還是很重要的。 5 .主要功能簡述 5.1 總功能描述 對道路上的落葉進行清掃并對落葉進行篩選處理然后粉碎最后壓縮收集機器具 有升降功能 可以適應不同地面。 電動 粉砰 〉成片 有落葉匚 的路而 總其能上路面干不，粉砰成片 fey.］苴西隆捽逑 5.2 實現(xiàn)總功能的方法構想 通過查閱大量資料和對生活中所用的落葉收集工具落葉處理工具的觀察設計的手扶式 落葉清掃粉碎一體機。由粉碎機將收集到的落葉粉碎并送至收集箱粉碎機系統(tǒng)由電機提供 動力。 此種落葉收集處理機在對落葉進行收集的同時能及時對收集的落葉進行粉碎處理兩側的 清掃刷可方便

25、地清掃墻角及靠近障礙的地方。并且由于兩側的清掃刷的存在大大增加了清 掃寬度并且轉彎半徑并不大。 驅動方式為電力驅動。由于所設計的落葉收集處理機以環(huán)保為出發(fā)點故動力裝置選擇噪 音低對空氣無污染的電力驅動。配置大容量收集箱可大大提高工作效率和收集處理效 果進行長時間的工作 電動機的類型和結構型式可以根據(jù)電源的種類工作條件溫度環(huán)境空間尺寸和載 荷特點 性質 大小 啟動性能和過載情況來選擇。在移動設備中常使用的有直流電動機 和步進電動機。由于所設計的落葉收集處理機要求控制簡單運動平穩(wěn) 因此選擇交流電動 機 6 .設計方案的技術創(chuàng)新點 1、巧妙地采用逐漸變長的掃把將落葉掃起 經由斜板將

26、落葉直接掃入垃圾箱一個結 構兩種功能使機器結構大為簡化。 2、設計了一個n級機構該機構一方面可以固定工作軸在空間的位置另一方面也可對工 作軸的位置進行調節(jié)使不清掃時掃把不與地面接觸達到不做無用功的目的。 本次為手扶式清掃機械設計 解對清掃機進行了設計與改造 們的清掃工作變的更加簡單 小結 通過社會調查 上網查詢 通過對國外與我國清掃機械的了 使其更加方便 更加適于生產和生活它獨特的設計使我 方便。它更加節(jié)能更加環(huán)保更加適應我們現(xiàn)在低碳的社會要 求。在這次的設計中 我了解了我國現(xiàn)在清掃機的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢在老師的幫助下 完成了該清掃機的設計和改造。 此次設計使我學到了很多懂

27、得了很多 了解了很多 知識 得到了豐富。 此次設計對于我來說是一個很好的考驗也是一次很好的鍛煉它給了我一個很好的獨立 完成一項任務的機會。通過對此次設計任務的完成使我發(fā)現(xiàn)了機械對于我們生產生活的重要 它的發(fā)展也可以帶動社會的發(fā)展和時代的進步 參考文獻 [1]鄭文緯吳克堅機械原理第七版高等教育出版社 2003年 [2]濮良紀名剛機械設計第七版高等教育出版社 2001年 [3]劉品劉麗華互換性與測量技術基礎修訂版哈爾濱工業(yè)大學出版社2001年 [4]崔占全邱平善機械工程材料修訂版哈爾濱工業(yè)大學出版社2003年 [5]黃靖遠機械設計學機械工業(yè)出版社2004年 [6]紀名剛主編 機械設計 西工大出版社2000 [7]王小東主編軸系部件設計機械工業(yè)出版社1986 [8]黃云清主編公差配合與測量技術機械工業(yè)出版社2000 [9]劉鴻文主編材料力學高等教育出版社1991 [10]胡家秀主編 機械零件設計實用手冊機械工業(yè)出1999 [11]黃鶴汀主編金屬切削機床設計上海科技文獻出版社 1986 [12]李天無主編 簡明機械工程設計手冊云南科技出版社1988