电动扫地车盘、滚刷清扫性能分析及路牙清扫系统研制(2)

如扫地车的各类参数对于清扫效果的影响四，包括盘刷、滚刷的转速与扫地车行进速率的合成效果，滚刷的倾斜角对清扫效果的影响；还有不同的结构对清扫范围的妨碍等等。在扫地车中，最核心的工作构架在于其清扫机构，而清扫效果的优劣取决于对盘刷或者滚刷的设计及其控制是否合理。本文尝试利用基础理论及其工具模拟来预测盘刷与滚刷中不同的参数对于清扫效果的妨碍，以寻找绝佳的清扫效果。国内采用于实际的扫地车，其大个别只能推动对盘刷的转速或者升降的控制，这样没法推动对公路路基的清扫，其清扫范围也非常有限，而针对路牙表面通常束手无策。而且其装置中极少具有自动躲避障碍物的素质，如果操作员在清扫时稍不小心就也许导致装置的受损。针对以下两点，本文将给出路牙清扫装置的构架并且避障机构的设计，并给出其理论结果，模拟该装置的运动效果。１．２电动扫地车的结构与特征图１．１电动扫地车的结构东南中学本科学位论文扫地车又称为公路清扫车、扫路车，通常根据不同的行走方法可以分为手推式清扫车【３】和自行式清扫车；按照作业形式可分为纯扫式清扫车【４】、吸扫式清扫车【５】以及纯吸式清扫车；还可以根据除尘方法分为干式清扫车和湿式清扫车等。

现在常用的扫地车其主要的部件通常分为下面几个个别：动力平台：扫地车的动力来源通常比如：柴油、汽油、电瓶以及是固体丙烷气等，按照不同场地，扫地车选择不同的驱动平台。例如在垃圾较好的户外、公路、以及对噪声和排放没有苛刻规定的公共场合，通常采用动力强劲的柴油机、汽油机作为扫地车的驱动平台；对于一些对噪声、排放有特殊规定的地方，如校园、体育场地、公园等，一般较宜用电瓶式扫地车，其形状如图１．１所示：而配有固体甲烷气的扫地车则通常用于较大体积或者较长时间的清扫。清扫系统：对于纯扫式和吸扫式的扫地车，其清扫系统通常主要包含盘刷、滚刷。盘刷分布在扫地车前部两端，主要拿来将两侧的垃圾清扫集中至车身中部，而滚刷位于车身上面，用来将盘刷集中的垃圾清洗至垃圾储备箱中。一般滚刷一直与吸尘装置配合使用。吸尘系统：吸尘系统【６Ｌ‘般位于车身上面，与滚刷紧密相连。很多扫地车配有大容量的风扇，其提供的吸力可以将滚刷清洗的渣滓吸入过滤容尘器中。过滤容尘器会在扫地车工作时不断地晃动摇摆，使其免于出现阻塞现象。垃圾倾倒系统：扫地车的垃圾倾倒系统根据复杂程度可分为手动倾倒和自动倾倒。目前小型的电动扫地车或者手推式扫地车通常采取简洁的自动倾倒方式，由操作员自动取出垃圾储备箱进行垃圾的倾倒。

而大型的扫地车大概都具备了自动倾倒的能随着社会的不断演进与进步，人们不断对扫地车的功能、环保性及其经济性强调新的规定，由蓄电池成为驱动系统的电动扫地越来越得到他们的偏爱。电动扫地车的发生迅速替代了以前的人工清扫，越来越多地被使用在各类场合，其主要特征在于：适用于中国狭窄街道及其各类需特殊规定的场合，如房屋、居民楼栋、公园、码头等相对凭证的室内外清扫：清扫速度快，能耗低，清扫效果明显，工作强度高，一辆车可超过多位清洁工人的工作量；由电瓶驱动，无噪音，无排放。价格经济耐用，可被广泛使用。１．３扫地车的研究状况与将来趋势我国扫地车市场发展历经了数六年，所制造的产品也从单一的纯扫式发展到了现在多种型式，扫地车的性能和品质受到了巨大的提升。虽然国产扫地车通过关键零配件因而生产的扫地车在其性能与可靠性方面受到了巨大的提高，但是如今我国的扫地车在整体制造与研究水准上还与美国发达国家存在着巨大的差别。为了尽早发展中国扫地车，缩小与美国的差别，对于中国制造企业来说，明确扫地车的研究方向是比较有含义的。１．３．１国外扫地车发展的曩昔与状况国外很早就起初了扫地车的研究川。１９０４年，英国的ＪｏＨＳＴｏＮ公司设计出了马拉式扫地车，如图１．２所示。

１９１４年，美国ＥＬＧＩＮ公司就将要研制出了第一部人力蹬踏式三轮电第一章绪论动扫地车，而该公司在１９２０年设计的蝶形刷作为了经典结构仍然沿用迄今。当时出现的“喷水除尘”的方式被广泛使用，但清扫效果并不够理想。１９２９年扫地车将要开始使用车辆发动机成为其驱动平台，而其实的实心轮胎也被充气轮胎所取代。１９４８年，扫地车开始配备驾驶室，改善了操作环境。液压平台在五十年代中被应用在扫地车上，使其性能受到了巨大的提高。此后，为了提升“喷水除尘”所带来的弊病，干式除尘系统受到了应用，但是当地面有积水以及在寒冷的环境中，其清扫效果又被严重妨碍。于是新的湿式除尘方法１８Ｊ得到了应用，这是八十年代最先进的科技。此后，电动扫地车的发展…ｏＪ的方向成为：单一功能向方向发展。图１．２马拉式扫地车多年以来，国外扫地车仍然在拼命提升其机电一体化水准，在清扫车的功能设计上就有几十项，其中比如喷水吸水、吸泥管充填、垃圾倾倒、自我保护、垃圾检测等等，所能推动的功能比如了扫地车在工作时也许遭遇的所有难题。加之传感器科技与计算机技术在扫地车上的利用，扫地车的智能程度也受到了极大的提升，以使扫地车才能有效地对周边环境进行测试并做出最正确的动作。

如由Ｐｒａｓｓｌｅｒ，Ｅ．研究扫地车的硬件与工具以推动智能化，通过改进已有扫地车的机械系统与电子零件可以让其自主地控制驱动平台和清扫系统，并且采用导航系统支持自主地移动和操作扫地车进行相应的动作。１．３．２中国扫地车的演进与探究现状中国扫地车的演进经历与美国类似，都是历程了从纯扫式扫地车到吸扫式再到纯吸式的发展过程ｌＩ卜Ｈｊ。我国扫地车最早发生于上世纪五十年代，是由北京市卫生局汽车维修厂成功研发出的纯扫式公路清扫车，该车弥补了中国空白。此后八十年代出现了纯吸式扫地车，虽然后来清扫效果不尽如人意，但就曾经中国经济状况而言，该产品对我国扫地车的发展起到了比较深刻的影响。二十世纪末至今，随着城市的演进，市场的不断缩减，扫地车的意愿急速下降，带动了我国扫地车发展的步伐，吸扫式扫地车抢占了较大行业。随着扫地车的利用不断提高，对扫地车的研究也得到了巨大的关注。１９９５年，西安公路学院的宋永刚与姚莉娜就对扫地车盘刷性能与科技进行了研究，并对盘刷的运动控制进行了探讨，提出了避障方式与接地压力的调整方式。同年，他们还对扫地车的除尘机理及其除尘系统设计原则进行了研究，提出了吸扫式扫地车的除尘效果主要受到输送气流速度、喷雾东南中学本科学位论文凝并效果或者垃圾箱重量和除尘机理的组合形式等的影响。

１９９８年，重庆建筑大学的徐克林与孙正培利用模糊控制思路对扫地车盘刷转速进行了智能控制研究，取得了良好的效果［１５１。２００４年，清华大学的曾广银、肖田元等人运用ＣＦＤ数值仿真技术对扫地车集尘系统进行了仿真设计与改进，使计算机仿真技术作为了研究扫地车性能的有效方法。２０１０年，由湖南工学院采用虚拟样机与仿真技术，成功研发出了一款的多用途智能环保型清扫车【１６１。虽然近几年中国扫地车受到了马上的发展，但是自主开发的扫地车在品质与性能方面都和美国存在着较大的差别。其主要因素在于中国还缺少平台的设计研究，特别是对专用部件的研究，缺乏理论指导，模仿大于自主开发。与此同时，我国制造加工的设施与方法都较为落后，很难确保零组件的品质，从而妨碍着扫地车的清扫性能。另外，国内扫地车在机电一体化水准方面也存在着巨大的不足。就如今来说，国内扫地车智能化水准普遍不高，传感器科技于计算机技术没有受到很高地应用，如水箱的水量感应、料箱的厚度感应或者吸尘系统的真空度感应都极少得到利用。１．３．３电动扫地车的发展态势在我国，扫地车起步相对较晚，对扫地车主要组件缺失系统的研究。扫地车的主要部件包含后面所述的几个平台，分别为驱动系统、清扫系统、吸尘系统、倾倒系统，不但必须对其设计提供必要的理论根据，而且需要探讨一些关键零配件的性能指标，如耐磨性等。

另外，由于我国扫地车的车身大多数都由改装得到，很难得到他别适合的底盘，还有一些的配套件往往不能满足扫地车的须要，正是诸如此类弊病，我国扫地车的发展得到了巨大的限制。而如今随着中国发展的应该，扫地车的应用愈发越广泛，提高我国扫地车的水平，确定其发展方向，研制出适合我国道路，性能优异、工作稳固的扫地车有着十分深远的意义。另外，目前中国制造的扫地车多用于较为崎岖的道路，相对于美国，国内大个别民企所制造的电动扫地车现在还不具备清扫路牙的素质，这部分的工作仍由环卫工人进行手工作业。而在国内，清扫路牙装置已经变成非常常用的配置，如图ｌ＿３所示。所以，国内的扫地车迫切应该设计单独的路牙清扫装簧以适应社会的演进需要。图１．３国外具备路牙清扫装置的扫地车第一章导言１．４本课题探究的内容及含义１．４．１本课题研究的内容（１）完成对盘刷、滚刷清洗性能的预测。需要对盘刷姿态或者盘刷转速与扫地车行走速度合成效果进行预测；对滚刷转速与扫地车行走速度的合成效果进行预测；盘刷、滚刷与扫地车游走速度怎么协调匹配并超过良好的清扫效果预测。（２）路牙清扫系统研制要求清扫刷头可以伸到有台阶的道路区域并直接与之贴合，从而推动路牙路面的清扫。

可以将其成为一个带清洗及吸尘功能的独立机械臂配件，根据需要配备：进行平台方案设计，运动学预测及推导，结构设计和工作过程仿真。１．４．２本课题研究的意义现在行业上现有的电动扫地车在使用过程中常常暴露出多种弊端，如清扫效果不佳，造成扬尘现象严重；未能有效地超过避障的能力，使之易磨损；选购零配件时无法根据产品性能进行合理的配备等等。根据电动扫地车在我国的发展趋势［ＩＨ４】，我国对其主要部件的探究显得极为迫切。特别是对其清扫系统，如盘刷、滚刷的清洗性能怎么掌握，如何合理地分配其清扫姿态以超过最佳的清扫效果变得意义重大。东南中学本科学位论文第二章滚刷与盘刷的清洗效果分析２．１扫地车滚刷和盘刷的结构介绍电动扫地车最重要的组件在于其清扫系统，目前清扫系统主要是由滚刷和盘刷组成。盘刷通常分布在车身后端左右两侧，滚刷通常位于b柱中部底盘下面，如图２．１所示。当电动扫地车进行作业时，位于前部两端的盘刷由电机驱动向车身中部方向转动，利用上下升降机构来与地面接触，通过转动运动来将两侧的垃圾等物体向中问清扫聚集。而位于中部的滚刷通过电机转动并随车身一起往前挪动来清扫盘刷聚集的物体，配合吸尘系统一起来实现对垃圾清扫与收集的工作。

图２．１盘刷与滚刷分布位置图滚刷的晃动由电机驱动，一般状况下电器安装在电动扫地车的悬架上，电机通过两级皮带轮减速传动驱使滚刷转动。其传动关系示意如图２．２所示，电机连接皮带轮ｌ带动皮带轮２的大径转动，皮带轮２借助小径与皮带轮３连接并推动其旋转，滚刷与皮带轮３连接并随其四起转动。第二章滚刷与盘刷的清扫效果预测径为ｄ：大，小圆的直径为ｄ２小，转速为慢；皮带轮３的半径为弓，转速为传。故皮带轮ｌ与皮带轮３的传动比为‘，：旦：兰丝：垦声害三一。ｄｌｄ２小以市场上现有产品为例，分别取吐２５６ｒａｍ，ｄｚ大＝１２５ｍｍ，吐小２７５ｍｍ，以２１６０ｍｍ。有皮带轮１与皮带轮３的传动比为‘３＝４．７６。４．７６盘刷直接借助键与驱动马达连接，其电压由驱动马达的温度所决定。按照现有扫地车，取驱动电机转速为３４００ｒｐｍ，可以得出滚刷转速取整约为７００ｒｐｍ。影响扫地车清扫效果的因素［１７－１９１有好多，下面分别研究滚刷与盘刷在行进中的扫地车上怎么影响其清扫效果。２．２滚刷运动分析或者与扫地车行进速度的合成效果分析扫地车滚刷在执行清扫任务时，其借助滚刷本体在电机驱动下做转动运动并与扫地车行进运动的一同作用，在与地面接触并形成一定的接触压力的状况下完成对物体的清扫，滚刷的实物图如图２．３所示。

但是，分析滚刷清洗效果的优劣在必定程度上取决于滚刷的翻转运动【２０１和扫地车行进运动的合成效果。同时，滚刷的这些参数也对清扫效果起到至关重要的作用，如滚刷的刷束数、滚刷的宽度、滚刷厚度、刷毛的材料之类。图２．３滚刷实物图２．２．１滚刷随车身前行并与路面接触模型介绍图２．４为一滚刷随扫地车一齐往前运动，其一同前进速度为ｖ，其滚刷自身的旋转速度为／＇／。由于滚刷的各类参数会妨碍到清扫效果，其中最主要的参数在于刷束的列数、每一列刷具有的刷束数、滚刷与地面的接触高度、滚刷的温度、滚刷随车身的前进速度等等。在此，主要考量的是滚刷的翻转运动与扫地车前进运动的合成运动对清扫效果的妨碍‘２１１，所以，为了更好地分析合成运动的效果，在此假设一滚刷模型如图２．４所示，刷束的列数为６列，东南大学本科学位论文平均分布在滚刷体上，只在每列滚刷中取其中一个刷毛做分析，故只对六根刷毛做预测，如下图中所编号１－６的六根刷毛；滚刷与地板之间的接触高度如图所示，刚好能使其中ｌ号与２号刷毛接触到地面；滚刷的相关长度如图所示，其内圆半径为ｅ１）１４２ｒａｍ，对称刷毛形成的外圆半径为３４０ｍｍ。图２．４滚刷与地面接触的建模当分析滚刷旋转运动与扫地车行前行运动合成效果时，可以用滚刷外缘线速度与行车速度的合成效果来表示。

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