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塔里木大學畢業(yè)設計
前 言
清掃作業(yè)是公路養(yǎng)護工程的重要內(nèi)容，為適應我國經(jīng)濟、技術及公路交通事業(yè)的發(fā)展需要，公路清掃實現(xiàn)機械化勢在必行。掃路車是近幾年發(fā)展起來的重要的路面養(yǎng)護專用環(huán)衛(wèi)車輛之一，主要適合高等級公路路面清（如機場、學校、工廠車間、人行道、體育場跑道等）掃作業(yè)的專業(yè)車輛，具備灑水噴霧、清掃、吸入垃圾等功能。 本文分析了國內(nèi)外道路清掃車的應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，具體從以下幾個方面對吸掃式掃路車（目前在我國清掃車市場中，吸掃式掃路車占有率為95%）的工作原理作了較為深入的綜合研究：設計說明了吸掃式掃路車的主要結構及設計計算。吸掃式掃路車的清掃傳動系統(tǒng)、真空吸掃結構、盤刷、吸嘴裝置、風機的設計原理，設計主要解決系統(tǒng)組成、主要技術性能和特點以及設計制造的技術關鍵。
由于人們對生活環(huán)境問題越來越重視，清掃設備因其實用性強、 垃圾清掃率高 、污染小、成本底、結構緊湊、操作簡單、維修方便等特點具有廣泛的市場前景和實用價值，它的出現(xiàn)和使用，將極大減輕人們工作勞動、勞動強度、節(jié)省寶貴的時間，提高了人們的生活質(zhì)量。清掃機設備現(xiàn)在正是一個高速發(fā)展的時期，有著極其廣闊的發(fā)展空間。
1.工程概況
1.1 本課題研究的目的及意義
清掃作業(yè)是公路養(yǎng)護工程的重要內(nèi)容，為適應我國經(jīng)濟、技術及公路交通事業(yè)的發(fā)展需要，公路清掃實現(xiàn)機械化勢在必行。掃路車是近幾年發(fā)展起來的重要的路面養(yǎng)護專用環(huán)衛(wèi)車輛之一，具備灑水噴霧、清掃、吸入垃圾等功能，主要用于高等級路面和城市路面以及廣場的垃圾清掃。
城市建設是國民經(jīng)濟發(fā)展的一個重要標志。在城市建設中, 對城市道路、廣場等公共設施的清掃和保潔設備的需求越來越大。其次胡錦濤在2010年全國勞動模范和先進工作者表彰大會上指出，要切實發(fā)展和諧勞動關系，建立健全勞動關系協(xié)調(diào)機制，完善勞動保護機制，讓廣大勞動群眾實現(xiàn)體面勞動。為此,本課題研究的目的符合經(jīng)濟發(fā)展的要求和黨中央對于實現(xiàn)體面勞動的設想。
1.2本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）的研究現(xiàn)狀及分析
1.2.1國外研究現(xiàn)狀分析
國外清掃機起步較早，技術較先進。 英國的JoHSToN公司于1904年，設計出了馬拉的掃路機，美國的ELGIN公司于1914年研制出了該公司第一部人力蹬踏的三輪掃路機，用機械取代了人工清掃。
清掃機械的發(fā)展與汽車工業(yè)的發(fā)展是息息相關的，1929年汽車發(fā)動機被應用在道路清掃機上，發(fā)動機功率已達百馬力。實心輪胎被充氣輪胎代替，使道路清掃機的清掃速度大大加快，達7～8英里/小時。隨著工業(yè)蓬勃的發(fā)展產(chǎn)品工藝的不斷提高及工業(yè)美學的推動，道路清掃機的外觀質(zhì)量也在相應的提高。大約在1949年掃路機上都安裝了駕駛室，改善了駕駛員的工作環(huán)境。
五十年代中，液壓傳動系統(tǒng)被應用到道路清掃機上，使清掃機的傳動結構緊湊、可靠，操作靈便，垃圾箱可以通過油缸被舉升到任意位置卸出垃圾，垃圾箱的容量也在增大。碟形刷采用液壓馬達驅(qū)動，液壓傳動可以吸收和振動。大大降低殼傳動系統(tǒng)的碟形刷的損壞率，使道路清掃機的在性能上出現(xiàn)了飛躍。
美國、英國、德國的汽車工業(yè)發(fā)展歷史悠久。汽車、裝載機、拖拉機技術日趨成熟，英國、西德的幾家公司先后推出了汽車、拖拉機牽引的清掃機械。有許多家公司都形成了系列產(chǎn)品。美國的AARPOWERBOSS公司的小型道路清掃機的品種多達二十二種；包括純扭式、吸掃復合式小型機械和地面洗刷機。
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析
20世紀60年代，我國研制出第一代掃路機，由于清掃效果差、勞動強度大，操作不方便、面世不久即被淘汰。70年代，國內(nèi)相關科研機構、生產(chǎn)廠家加大了掃路機的研究開發(fā)力度，我國第二代掃路機誕生了。北京和上海研制了大、中、小三種規(guī)格的純掃式掃路機，S31大型掃路機和S32中型掃路機、S15小型掃路機的技術水平比第一代有了較大的提高。但由于純掃式的清掃不高問題、干式純吸式的除塵系統(tǒng)可靠性問題等原因，使該類道路清掃機的使用受到極大限制。
國內(nèi)清掃機研制起步較晚，清掃機的機電一體化程度相對國外來說比較。落后。80年代以后，國內(nèi)清掃機基本采用國外80年代的先進技術，如真空技術，液壓技術，電液操作等技術。而作為機電一體化技術的核心技術，計算機技術以及直接制約和影響技術發(fā)展的傳感檢測在國產(chǎn)清掃機上幾乎沒有應用，大大制約了國內(nèi)的清掃機的發(fā)展水平。
國內(nèi)清掃機的發(fā)展將是一個課題。我們針對國內(nèi)清掃機的現(xiàn)狀進行技術改造，對清掃機實行智能控制，針對不同的工作環(huán)境對清掃機進行相應的設計和改造。使其更加適應時代的發(fā)展和人們的需求。在之前的技術基礎之上進行改進，將清掃機機型變得簡單輕便，外觀更加美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時，降低清掃機的重量。提高清掃機的使用壽命，減少噪聲，降低成本，是清掃機更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，清掃機在國內(nèi)的發(fā)展前景是遠大的。
1.3 本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路
本文分析了國內(nèi)外吸掃式掃路車的工作特點、近年來我國掃路車的應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，采用了目前普遍的掃路車（吸掃式道理清掃車）。具體從以下幾個方面對吸掃式掃路車作了較為深入的綜合研究與工作原理介紹：設計了吸掃式掃路車的主要結構及設計要點。吸掃式掃路車的真空吸掃結構、盤刷、吸嘴裝置、風機、垃圾積塵箱、動力傳動系統(tǒng)。分析系統(tǒng)組成、主要技術性能和特點以及設計制造的技術關鍵。
1.4 設計所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析
1.4.1 設計的任務要求
通過實地觀察、查閱資料，弄清楚道路清掃機的工作原理，具體要求如下：
1)畫出清掃原理圖；
2)弄清清掃機構關鍵部件的機構或型號；
3)要求CAD圖紙完成。
1.4.2 實現(xiàn)目標的可行性分析
由于清掃機是一新興產(chǎn)品，掃地功能的實現(xiàn)結構還不成熟，很難查到相關的資料。因此掃地功能的實現(xiàn)是設計工作的一個很大的難點。清掃機工作時所產(chǎn)生的二次揚塵污染、漏垃圾、噪音大和產(chǎn)品可靠性等方面也較難解決的問題。清掃范圍的大小不僅與清掃機的各部分的尺寸有關，并與它的總體設計構形式有關。
為了更好的了解所作題目, 查閱已有文獻資料是十分重要的，為了更好的設計清掃機的內(nèi)部結構，在軸，齒輪等重要元件的設計過程中保證其結構的準確性，又對機械設計等專業(yè)課本進行了系統(tǒng)的復習，但是，由于我國清掃機出現(xiàn)時間晚，產(chǎn)品數(shù)量少，一些關鍵技術受專利所限，因此，很多關鍵技術是不會公布在資料之中的。所以，我參考用的資料并不能解決我在設計過程中所遇到的所有難點，有許多的問題是根據(jù)我自己的想法來做的。因為我的這些想法并不成熟，沒有太多的實踐性，所以，在解決一些棘手問題時并不能夠很好的解決。在今后的設計中，還需要通過實踐，對其一步一步的進行改進。
2 設計方案的確定
2.1 方案的確定
經(jīng)過查閱相關資料和老師、同學探討，最終確定該機選用吸掃式清掃車包括清掃裝置、風機、減速器、柴油機、吸嘴及等組成。首先由電機驅(qū)動清掃裝置將垃圾清掃至車輛中間，其次利用副發(fā)動機輸出的動力通過機械傳動系統(tǒng)，驅(qū)動高壓離心式除塵風機工作，在除塵設備中產(chǎn)生高速負壓氣流，通過特殊設計的吸塵罩，吸入路面上的垃圾塵土，經(jīng)各級除塵設備濾塵，使垃圾塵土與流動氣流分離，最后將干凈空氣排入大氣，完成一個工作循環(huán)。干式吸掃式清掃車。干式除塵主要由高壓離心鼓風機、重力降塵室、吹吸風嘴、風道、脈沖噴吹式除塵器、清掃刷等組成核心部件采用風機的設計，主要進行清掃裝置、風機的計算，軸的設計，帶輪的設計錐齒輪等計算。
圖2-1吸掃式清掃車結構示意圖
2.2 道路清掃車的工作原理
該工作方式主要由汽車的主發(fā)動機使車輛行駛，副發(fā)動機帶動風機使垃圾箱內(nèi)產(chǎn)生負壓，盤刷將清掃范圍內(nèi)的垃圾掃至中間由吸嘴把垃圾帶入垃圾箱內(nèi)。
采用雙發(fā)動機由主發(fā)動機驅(qū)動車輛行駛，副發(fā)動機驅(qū)動風機、電動機驅(qū)動盤刷。
道路清掃車（圖2-2）裝有2個掃盤，其作用是將路面上的垃圾掃至吸入（吸口）區(qū)范圍，再依靠吸入系統(tǒng)的強風力風機所產(chǎn)生的較大的負壓，將垃圾吸入垃圾箱內(nèi)，垃圾進入垃圾箱內(nèi)經(jīng)過重力除塵和脈沖除塵。
圖2-2 道路清掃車工作原理
3.清掃部分設計
3.1電機功率的計算與選擇
清掃機清掃材料選用尼龍材料。設計圓盤毛刷受力約為，轉(zhuǎn)速為
圓盤毛刷轉(zhuǎn)矩
所需功率= ==47W
圓盤毛刷到錐齒輪間用帶傳動，傳遞效率90%。
橫放錐齒輪軸處的功率為：
齒輪間的傳遞效率為90%
豎放齒輪處的功率
此處的功率
===
電機到軸之間用帶傳動，傳遞效率90%
電機的輸出功率
由于清掃機工作速度為60r/min 為較低轉(zhuǎn)速故選用12V250W 齒輪減速電機，其輸出轉(zhuǎn)速為600r/min。
3.2 傳動比的分配
分配各級傳動比
設計有電機到軸的傳動比i=5；
電機到圓盤毛刷的總傳動比
齒輪間的傳動比為i=2
3.3 帶輪的選擇設計
3.3.1軸帶輪的設計計算
1）確定計算功率
計算功率 是根據(jù)傳遞功率，并考慮到載荷性質(zhì)和每天運行時間長短等因素影響而確定。
式中：——計算功率
——工況系數(shù)。查工況系數(shù)表得=1
——所需傳遞的額定功率長
2）計算傳動比
選擇Z型V帶
3）由機械設計手冊表12-1-11，取小帶輪基準直徑為=50mm
4）大帶輪直徑
5）計算帶速v
6）初定中心距
0.7（+ ）2（+ ）
210 600
取 a=300mm
7）計算基準長度
=
查機械設計手冊表12-1-4，取基準長度
8）實際中心距a
9）小帶輪包角
所以小帶輪包角合理
10）確定V帶根數(shù)
一般單根V帶可傳遞的功率達75KW。此處，所傳遞的功率遠遠小于75KW，所以用一根V帶足以。
11）單根V帶的張緊力
式中：——包角修正系數(shù) ， 查表機械設計手冊12-1-21得=0.88
m——V帶單位長度質(zhì)量（kg/m）。查表12-1-23得m=0. 06 kg/m
12）作用在軸上的力
13) 帶輪結構設計
設計V 帶輪時應滿足的要求有：質(zhì)量小；結構工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應力；質(zhì)量分布均勻，輪槽工作面要精細加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以減少載荷分布均勻。
參照機械設計手冊12-7～12-10可知：
基準寬度bd 為8.5 ㎜；基準線上槽深最小值為2.0 ㎜；基準線下槽深為最小值為7.0 ㎜；帶輪寬B 為B=(Z-1)e＋2f ㎜；外徑da=dd＋2ha ㎜；從而確定帶輪的各部分尺寸。
初定小帶輪孔徑d=20mm，基準直徑d=50mm，外徑d=53.2mm，輪寬B=14mm，輪槽寬b=8.5mm。因為基準直徑d≦2.5d，所以小帶輪采用實心結構。
大帶輪基準直徑d=i d=5×50=250mm
d= d－2（h+ f+δ）
=254－2×（2.0+7.0+5.5）
=225mm
d=（1.8～2）d=43mm
因為d- d﹥100mm,所以大帶輪采用孔板式。腹板厚S=10mm L=（1.5～2）d=36
輪寬B=20mm，S≧1.5S=15mm，S≧0.5S=7mm，d==134mm。輪槽寬b=8.5mm。
圖3-1 清掃機軸大帶輪結構示意圖
3.3.2 盤刷軸的帶輪設計
1）確定計算功率
式中：計算功率
——工況系數(shù)。查工況系數(shù)表得
——所需傳遞的額定功率長
2）確定傳動比
由總體傳動比可確定傳動比為
選用Z型V帶
3）查機械設計手冊表12-1-11得小帶輪的基準直徑
4）計算帶速
5）計算中心距
6）計算基準長度
查機械設計手冊12-1-4，選擇基準長度
7）單根V帶的初張緊力
式中：——包角修正系數(shù) 查表機械設計手冊12-1-21得
m——V帶單位長度質(zhì)量，kg/m。查表12-1-23得m=0.06 kg/m
8）計算壓軸力F
9)帶輪結構設計
兩個帶輪均采用腹板式結構
設計V 帶輪時應滿足的要求有：質(zhì)量?。唤Y構工藝性好；無過大的鑄造內(nèi)應力；質(zhì)量分布均勻，輪槽工作面要精細加工，以減少帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以減少載荷分布均勻。
3.4 主軸的設計計算
3.4.1主軸的結構設計
1）主軸的材料選擇45鋼調(diào)制處理，初步計算其最小直徑。取，則：
初步取最小直徑為
2）采用下圖所示裝配方案：
圖3-2 主軸裝配示意圖
3）確定軸的各段直徑和長度
1）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用軸承參照 工作要求并根據(jù)第一軸段的直徑為30 ㎜，由軸承產(chǎn)品目錄初步選取0 基本游隙組標準精度級的圓錐滾子軸承32006 型其尺寸為d×D×T=30 ㎜×55 ㎜×13 ㎜,故選用第一軸段的直徑為30 ㎜，長度為23 ㎜。右端軸承采用采用套筒進行軸向定位。由手冊查得厚度為h=4 ㎜,取第二軸段的直徑為30 ㎜。套筒右端用定位。
2）安裝齒輪處的的第三軸段的直徑為30 ㎜齒輪左端用擋圈定位。右端用一套筒定位，同時套筒右端定位帶輪。已知帶輪的輪轂寬度為25 ㎜，為了使套筒端面可靠的壓緊齒輪此軸段應略短于輪轂寬度故采用第四軸段的長度為22 ㎜。帶輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h﹥0.07d,取h=3.5 ㎜,則軸環(huán)處的直徑為42 ㎜。軸環(huán)寬度b≥1.4h,取第五軸段的長度為10 ㎜。為了滿足右端齒輪的軸向固定要求，采用階梯軸形式，選用第六軸段的直徑為35 ㎜，長度為538 ㎜。右端的零部件結構的定位及軸徑長度與左端的大體相同。
3）帶輪及齒輪與軸的軸向定位采用平鍵連接。按照齒輪與軸的直徑由手冊查表得平鍵截面尺寸分別為b×h×l=6 ㎜×6 ㎜×14 ㎜、 b×h×l=8 ㎜×7 ㎜×16 ㎜、b×h×l=10 ㎜×8 ㎜×16 ㎜(GB/T1095-1979)。鍵槽用鍵槽銑加工，同時為了保證齒輪和軸的配有良好的對中性，故選擇輪轂與軸的配合為H7/n6. 圓錐滾子軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證，此處選軸的直徑尺寸公差為h6。
3.5 軸的校核
下面對主軸進行校核。
根據(jù)設計的軸的尺寸和各處所傳遞的功率，計算軸上的力及力矩。
軸的受力如圖所示：
圖3-3主軸的受力示意圖
按彎扭合成應力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）。
軸的抗彎截面系數(shù)
式中：
——軸的直徑
——鍵槽寬度
——鍵槽深度
式中：——軸的計算應力，
——軸所受的彎矩，
——軸所受的扭矩，
——取
軸的材料選用45鋼，其許用應力
所以該軸安全。
3.6 鍵的校核
鍵的失效形式主要是工作面被壓潰，一般只對擠壓應力進行強度校核，由公式得：
式中：
—傳遞的轉(zhuǎn)矩，為
—鍵的工作長度，為
—軸的直徑 ，為
—鍵、軸、連軸器輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，需用擠壓應力，取其平均值,得：
所以，鍵是安全的。
3.7 錐齒輪計算
選用斜齒錐齒輪傳動，清掃機為一般機械轉(zhuǎn)速不高，故選用8 級精度選擇小錐齒輪的材料為42SiMn(調(diào)質(zhì)硬度240∽270HBS), 大錐齒輪的材料為42SiMn(調(diào)質(zhì)硬度210∽240HBS)。
1)齒形角α
選用EN刀盤，則α=20°
2)大端端面模數(shù)
根據(jù)強度與類比法確定 m=4
3)齒數(shù)比
由傳動關系可知，齒數(shù)比
4)確定齒數(shù)
由機械設計手冊表13-3-11和實際空間得，，。因為和 最好無公因數(shù)，取z=33，則實際傳動比μ=2.06
5)分錐角δ
6)分度圓直徑
7)錐距R
8）齒寬
9）假想平面齒輪齒數(shù)
10) 參考點錐距
R
11)小端錐距
12)齒寬中點螺旋角
取，小齒輪右旋，大齒輪左旋。
13）初定參考點螺旋角
選擇銑刀盤
由機械設計手冊圖13-3-10，根據(jù)，,查得標準刀盤半徑 ，對應的螺旋角，由表13-3-19得
14)選擇刀片型號
由機械設計手冊圖13-1-11和表13-3-19，根據(jù), ,確定選用EN4-44刀盤時用3號刀片 。
15)參考點法向模數(shù)m
m=2=2×=2.708
16)參考點實際螺旋角β
′
17）齒高
18)銑刀軸傾角
由和′，查機械設計手冊圖13-3-12得
所以
19）高變位系數(shù)
因為，所以
20）齒頂高
21）齒根高
22)切向變位系數(shù)
23）齒頂圓直徑
24)外錐高
25)安裝距
按結構確定,
26)支承端距
27)大端螺旋角
查機械設計手冊圖13-3-16，由，,查得
28）弧齒厚
(+)=
3.8 錐齒輪校核計算
1)齒根彎曲疲勞強度計算
直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度課近似地按照平均分度圓處的當量圓柱齒輪進行計算。
式中：——載荷系數(shù)
查機械設計教材表10-2得使用系數(shù)；
查機械設計教材圖10-8得動載系數(shù)；
查機械設計教材表10-3得齒間載荷分布系數(shù)；
查機械設計教材表10-4得齒向載荷分布系數(shù)。
——齒形系數(shù) 查機械設計教材表10-5得
——應力校正系數(shù) 查機械設計教材表10-5得
——錐齒輪傳動的齒寬系數(shù) 取
查機械設計教材圖10——20（C）得〔σ〕=400 Mp
所以齒根彎曲疲勞強度足夠
2） 齒面接觸疲勞強度計算
式中：——彈性影響系數(shù) 查機械設計教材表10-6，
——錐齒輪傳動的齒寬系數(shù) 取
——傳動比
查機械設計教材圖10-21（d），
所以齒接觸疲勞強度足夠
4 吸塵部分的計算
4.1柴油機的選擇及減速器的選擇
根據(jù)多方查閱資料，確定風機的轉(zhuǎn)速在650-680r/min,選擇680r/min，風機所需功率為13.8kw。采用柴油機和減速器組合的方式進行設計，根據(jù)文獻1圖11-2選擇柴油機的類型為RZ170F ，功率15kw，，柴油機轉(zhuǎn)速3200r/min，設計減速器將轉(zhuǎn)速降到867r/min。
4.2風機風量及吸嘴尺寸的設計與計算
風機裝置是由風機、風機軸承座、風機支架、風機進出口接管等組成。風機裝置是主要工作機構之一，它的作用是使污水垃圾箱抽吸處于強負壓狀態(tài)，在吸嘴與地面的間隙處產(chǎn)生高速氣流，利用氣力輸送原理將污水和垃圾吸入污水垃圾箱內(nèi)。車系列車型均采用專用高壓離心風機，噪聲小，效率高。傳動部分則采用液壓傳動方式，提高了傳動效率，并使風機布置十分緊湊。風機軸承座應按保養(yǎng)規(guī)定定期檢查并加注鋰基潤滑脂。
圖4-1 風機
1吸入口2.風箱3.葉片4.小帶輪5.出風口6.皮帶7.聯(lián)軸器8.大帶輪9.減速器10.柴油機
考慮到道理清掃車的工作對象（吸入的垃圾）分析，計算風機的功率。
表4-2 常見垃圾塵粒物性表
塵粒名稱
平均粒徑
(rnlTl)
密度
(t／m3)
容重
(t／m3)
懸浮速度
(m／s)
吸送速度
(m／s)
干細鹽
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