一种人力驱动垃圾箱清洗装置设计

张更娥，丁 源，李美妆

(1.南宁学院，南宁 530200；2.上海海事大学，上海 201306)

0 引言

随着国民经济的发展，人们生活水平的提高，城市人口也在迅猛增长，随之导致生活垃圾以及垃圾桶的数量也在不断增加，环境质量问题也越来越严重。大中小型城市对环境清洁方面越来越重视，要求也越来越严格。垃圾桶清洁度是提高城市环境的标准之一，其设计需要满足“高效率、节能、环保、低成本”等要求。要实现这些条件，使用传统的清洗方式不仅费时、费力，也难以达到清洗的最优效果。本设计通过高压水枪喷湿垃圾箱，随之转动手柄驱动齿轮，使其沿着齿条机构上下运动，人工通过推拉方式移动水平滑轨实现左右运动，从而带动毛刷运动完成整个垃圾箱清洗任务，这不仅可大大降低劳动强度、节约水资源，还提高了劳动效率。本设计以齿轮齿条的设计为主要目标，讨论了齿轮齿条在上下运动工作时伸臂与箱面的受力计算。

1-伸臂及刷架 2-车头 3-80号槽钢 4-滑轨装置 5-齿条 6-齿轮 7-手柄 8-棘轮装置 9-连接板

图2 连接板局部图

图3 连接板整体图

1 垃圾箱清洗装置总体设计

根据垃圾箱清洗装置的总体结构，垃圾箱清洗装置主要分为传动系统、喷水系统、清刷系统三大系统。垃圾箱清洗装置的整体设计方案：以环卫车作为清洗装置的载体，实现不同垃圾箱之间清洗的灵活性和便捷性，保证装置的“自由移动”。水枪喷水的同时，毛刷能对垃圾箱进行清洗，能够实现单向行驶、多侧同时清洗的作业目的。整个装置由四部分组成，分别是底盘、传动装置、清刷装置与供水装置。传动装置是前悬式结构，由齿轮齿条机构、槽钢、滑轨及伸臂等组成。整个传动装置是将两根滑轨平行固定于车头，槽钢凌驾于滑轨上且齿条焊接于钢槽中。为避免由于齿条自身重力作用而使其产生横向倾斜或侧翻，齿条与槽钢之间通过焊接的形式连接。齿轮与齿条在运动过程中可能会发生不啮合现象，因此以连接板作为齿轮排的基架，将齿轮固定其上并与齿条啮合(齿轮排基架由齿轮、齿轮轴及连接板组成)，双排齿轮的间距为140 mm。基座由大小、规格一致，但长短不一致的铁板焊接而成。在基座上安放长度为900 mm的方钢作为伸臂，伸臂一端与毛刷架相连接。为使工作时毛刷架不产生晃动，则安装长为1 000 mm方钢作为固定杆。当作业人员转动手柄驱动齿轮时，齿轮沿着齿条方向运动，并带动毛刷实现清洗过程。当齿轮到达顶部位置时，为防止发生齿轮下滑，通过控制棘轮来锁止齿轮。清洗装置位于环卫车正前方，能够保证清洗作业过程中不妨碍其他车辆运行，作业人员具有良好的视野，使清洗车能够停靠在合适的位置。整个清洗装置的结构稳定可靠。清刷装置由刷毛、刷板和各种紧固件组成，刷板与毛刷架之间通过螺栓紧固于一体。供水装置是提供清洗用的辅助装置，它是由喷水机构、储水箱及相应的管路设备组成。喷水机构是用于喷头射水作业的机构，利用水枪通过压力方式喷洒在垃圾箱面上，从而实现喷水过程。所用的储水箱容量为200 L，能够满足半个工作日的工作要求。当作业人员操纵齿轮手柄时，进而带动伸臂及毛刷上下刷洗，操作方便，同时能够对清洗车实现不同高度位置的瞬间控制反应，提高作业效率和作业质量。

2 垃圾箱清洗装置设计

2.1 传动系统设计

2.1.1 滑轨结构及尺寸

该清洗装置中，滑轨是整个清洗装置的载体，也是连接环卫车和清洗装置的中间体。滑轨的主要作用是使装置不工作时将其水平移动到合适位置，即与车头同宽，既满足了在车道范围内的行驶，还实现了从车头到垃圾箱的水平距离的要求。该装置能够很好地承受整个垃圾箱清洗过程给予其各种力的作用。

滑轨的总长度不大于环卫车车头的总宽度1 300 mm，以满足安装要求。滑轨安装在环卫车的底盘车头位置处，并与其成刚性连接，保证装置在清洗过程的稳定性与安全性。滑轨分为上下两条滑轨，两滑轨成对称状且用螺栓固定在机车前端，其间保持300 mm的距离，便于其他装置的安装。

2.1.2 齿轮齿条设计及其计算

2.1.2.1 齿轮轴的设计

齿轮轴与摇动手柄是直接连接的，连接方式可采用平键连接或焊接，由于齿轮需要上下运动，因此采用平键连接。选定齿轮轴直径为φ20。驱动力Ft=40 N。

2.1.2.2 齿轮齿条设计部分

齿轮所需驱动力Ft=40 N，齿轮上下移动速度为V=0.55 m/s(L=1100 m,t=2 s)，齿轮传动要求均匀平稳工作。由于齿轮齿条传动属于硬齿面开式传动，因此按齿根弯曲疲劳设计齿轮几何参数，再根据相关参数校核齿轮强度。按所设计的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动，压力角为标准值20°。垃圾箱清洗装置为一般工作机械，参考《机械设计手册》，选用7级精度。材料选择:查阅《机械设计手册》，选用齿轮材料为40Cr(调质)，齿面硬度为280HBS，齿条材料为45钢(调质)，齿面硬度为240HBS。选齿轮齿数为z1=20，齿条齿数z2=117。

2.1.2.3 按齿根弯曲疲劳强度设计

第一，设计公式。

(1)

1)确定公式中的各参数值。

①初选KFt=1.3。

②计算齿轮传递的扭矩。

初定转速n1=100 r/min，驱动力Ft=40 N，则扭矩为：

T1=F·L=40×150 N·mm=6×103N·mm

(2)

③查机械设计手册表10-7，选取齿宽系数φd=1。

④计算弯曲疲劳强度重合度系数：

(3)

由10-18图查得应力修正系数Ysa1=1.55,Ysa2=1.8。

由10-24图查得齿轮和齿条的齿根弯曲疲劳极限分别为：σFlim1=500 MPa，σFlim2=380 MPa。

根据图10-22查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=1.77，KFN2=2.5，

取弯曲疲劳安全系数s=1.4，则有：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2)试算模数。

(9)

第二，调整齿轮模数。

1)计算实际载荷系数前的数据准备。

①圆周速度v：

d1=mtz1=0.43×20 mm=8.6 mm

(10)

(11)

②齿宽b：

b=φdd1=1×8.6 mm=8.6 mm

(12)

(13)

(14)

2)计算实际载荷系数KF。

根据v=0.045 m/s，7级精度，由图10-8查得动载系数Kv=1.03。

(15)

(16)

查《机械设计手册》10-3表得齿间载荷分配系数KFα=1.1。

由表10-4用插值法查得KHβ=1.316，结合b/h=8.89，查图10-13，得KFβ=1.25。

则载荷系数为：

KF=KAKvKFαKFβ=1×1.03×1.1×1.25=1.42

(17)

3)由式(10-13)可得按实际载荷系数算得的齿轮模数：

(18)

根据标准模数，最终取模数m=2 mm。

第三，对齿轮齿条进行几何尺寸计算，如表1所示。

表1 齿轮齿条基本参数

2.1.2.4 按齿根弯曲疲劳强度校核

由上述可知：

KF=1.42,T1=6×103N·mm,YFa1=2.83,YFa2=2.15,Ysa1=1.55,Ysa2=1.8,φd=1,Ys=0.29,m=2 mm,z1=20带入下式得

(19)

(20)

齿根弯曲疲劳强度满足要求，并且齿轮抵抗弯曲疲劳破坏强度的能力大于齿条。

2.1.2.5 主要设计结论

齿数z1=20,z2=117，模数m=2 mm，压力角α=20°，齿宽b1=30 mm,b2=40 mm。齿轮选用40Cr(调质)、齿条选用45号调质钢。齿轮按7级精度设计，如图4。

图4 齿轮齿条传动图

2.2 清刷系统的设计

2.2.1 毛刷结构

毛刷的材料选择：选用尼龙丝作为毛刷材料，既满足了要求，又能提供良好的柔韧度。毛刷的形状及其尺寸：刷毛的结构设计为长条直线式毛刷。

根据垃圾箱的尺寸，设计该装置刷条的相应尺寸。其中，刷条的总长度分别为1 100 mm和530 mm，刷条厚度为20 mm，刷条与刷架之间通过螺栓连接，即整个装置呈1 100×530的矩形样式。由于垃圾箱最底部向内凹85 mm左右，为防止长度不够而给清洗作业带来困扰，因此将毛刷长度设计为120 mm为宜。

2.2.2 毛刷板的结构

毛刷板的材料：选择毛刷板的材料为硬塑料。

毛刷板的尺寸：由于垃圾箱呈矩形式，因此整个毛刷装置也需设计成矩形式，即由四根刷条组合成矩形框，方便清洗。四块毛刷板组成刷架，分别是两块尺寸为1 100 mm的水平刷板作为矩形长和两块尺寸为530 mm的刷板作矩形宽。

伸臂(刷杆)结构：由于毛刷装置自身重量较轻，考虑到承载车的承载质量问题，因此采用厚度为30 mm的方钢作伸臂。根据普遍车停靠路边的距离，测量出车与垃圾箱的距离为600～700 mm。为了预留一定的误差间距，所选伸臂长度为900 mm。伸臂为了能更好与毛刷架贴合，并满足因刷毛产生的重力而不造成倾斜或裂缝，将伸臂放置于连接板之间。在不工作时可以通过滑轨将其沿车头水平方向滑动至原始位置。

对垃圾箱箱面受到的摩擦力进行分析，即：

f=μmg=0.3×42×10 N=126 N

(21)

F—清洗过程中箱面受到的摩擦力；μ—摩擦因数选0.3；m—整个毛刷架及运动部件总质量为42 kg。要驱动齿轮，使毛刷架能上下运动所需要的驱动力为：

F驱·l=(mg+f)·L=2.4×103N

(22)

l—驱动手柄力臂为0.2 m；L—伸臂长。

2.3 喷水系统部分

喷水系统主要由水泵、水管、水枪组成。水通过水泵吸入经压缩后流经水管，最后经水枪喷射出。水枪通过控制出水嘴的流量来控制水的分散大小，从而实现水喷射过程。由于对垃圾箱喷水不需要太大压力，选择在2～5 MPa即可，因此选择微型水泵(12 V高压水泵)即可满足喷水。

3 结语

人力驱动城市垃圾箱清洗装置将高压水泵、开关阀门、细口喷头配合使用，采用的是人机配合控制的方式。机械传动通过人工控制，实现人机一体化的功能，整个清洗过程中用的是人机结合。将现有的环卫车进行改装、优化，合理利用资源，充分考虑了节约水资源的重要性，确保了资源的有效利用。与人工手持水枪清洗方式相比，该装置大大节省了水资源，清洗速度快,效率高，而且清洁净化程度高。