中型道路清掃車的總體設(shè)計與研究
摘要：道路清掃車可以大大提高我國的環(huán)衛(wèi)水平，減小清潔工的勞動強度，并且基于工作效率和城市形象的考慮，各級各地政府對清掃車的發(fā)展也越來越重視。但是，我國的環(huán)衛(wèi)機械還非常落后，技術(shù)上還有不少難題沒有解決。因此，研究和開發(fā)清掃車具有一定的理論意義和重要的實用價值。中型清掃車指車長3.5～4.5m的清掃車。本文在中型全液壓驅(qū)動道路清掃車設(shè)計的基礎(chǔ)上，對道路清掃車的總體設(shè)計進行探討。1道路清掃車布置型式的設(shè)計分析1．1道路清掃車的驅(qū)動型式國內(nèi)的清掃車主要是通過汽車底盤改裝，采用主副發(fā)動機的布置形式。主發(fā)動機用來驅(qū)動清掃車......
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道路清掃車可以大大提高我國的環(huán)衛(wèi)水平，減小清潔工的勞動強度，并且基于工作效率和城市形象的考慮，各級各地政府對清掃車的發(fā)展也越來越重視。但是，我國的環(huán)衛(wèi)機械還非常落后，技術(shù)上還有不少難題沒有解決。因此，研究和開發(fā)清掃車具有一定的理論意義和重要的實用價值。中型清掃車指車長3.5～4.5 m的清掃車。本文在中型全液壓驅(qū)動道路清掃車設(shè)計的基礎(chǔ)上，對道路清掃車的總體設(shè)計進行探討。
1 道路清掃車布置型式的設(shè)計分析
1．1 道路清掃車的驅(qū)動型式
國內(nèi)的清掃車主要是通過汽車底盤改裝，采用主副發(fā)動機的布置形式。主發(fā)動機用來驅(qū)動清掃車的行駛，副發(fā)動機用來驅(qū)動作業(yè)系統(tǒng)工作。該類清掃車的優(yōu)點是行駛速度比較高，但是由于多用了一臺發(fā)動機，整車的尺寸增大，清掃時產(chǎn)生的噪聲也很大�？紤]到清掃車主要在城市路面行駛，其行駛速度比較低，一般是在30km/h左右，作業(yè)速度更小。所以在設(shè)計時，設(shè)計一專用底盤，采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)清掃車的行駛和作業(yè)系統(tǒng)的工作。對于清掃車的行駛驅(qū)動采用泵控馬達的型式，即通過一個主泵帶動兩個車輪馬達驅(qū)動清掃車行駛。風機運轉(zhuǎn)、掃刷運轉(zhuǎn)也是通過泵控馬達來實現(xiàn)，其傳動路線如圖1所示。這種驅(qū)動型式省去了離合器、變速箱，結(jié)構(gòu)簡單。由于采用專用底盤，便于主要部件的布置。
圖1 動力傳動路線
1．2 道路清掃車的布置型式
道路清掃車的布置型式是指發(fā)動機、泵和駕駛室以及清掃結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系和布置特點。由于發(fā)動機要直連泵，從液壓系統(tǒng)設(shè)計可知主泵后還需串聯(lián)兩個泵�？紤]底盤的空間利用率，所以采用發(fā)動機中置，這種布置的特點是駕駛室的布置不受發(fā)動機的限制，噪聲小、對軸荷分配比較有利。
2 道路清掃車主要參數(shù)的確定
2．1 道路清掃車主要尺寸參數(shù)
2．1．1 軸距L
軸距短，最小轉(zhuǎn)彎半徑小，而縱向通過角卻大，通過性好。但軸距過短，會造成垃圾箱長度不足或前、后懸過長，制動或上坡時軸荷轉(zhuǎn)移過大，使得車本身的制動性和操縱穩(wěn)定性變壞。目前，國內(nèi)使用的中型清掃車的軸距多為1.5～1.7m。筆者設(shè)計的清掃車取軸距為1.6m。
2．1．2 前、后輪距B
輪距增大，對增大垃圾箱寬度與提高車身橫向穩(wěn)定性有利，但輪距過大，使得清掃車總寬和總質(zhì)量增大。由于清掃車要求有一定的清掃寬度，相應(yīng)的對清掃車的總寬有一定的要求，確定輪距B＝l300mm。
2．1．3 前懸L1和后懸L2
前懸要有足夠的長度固定清掃結(jié)構(gòu)，后懸的長度取決于垃圾箱的長度及發(fā)動機、泵、油箱所占有的空間。這樣，前懸、后懸均在1.0m左右。
2．1．4 外廓尺寸
根據(jù)設(shè)計目標及作業(yè)系統(tǒng)的布置、垃圾箱的尺寸要求，確定該清掃車的外廓尺寸：3.6m×l.55m×2.1 m。
2．2 清掃車質(zhì)量參數(shù)
2．2．1 清掃車的裝載量me
裝載量是指在硬質(zhì)良好路面上行使時所允許的額定裝載量，允許的額定裝載量由垃圾箱的容積、一次清掃作業(yè)面積決定。
2．2，2 整車整備質(zhì)量m0
整車整備質(zhì)量是指車上帶有全部裝備、加滿水、燃料時的整車質(zhì)量。
2．2．3 總質(zhì)量ma
清掃車的總質(zhì)量是指裝備齊全，裝滿垃圾時的整車質(zhì)量，它等于整車整備質(zhì)量、裝載量和駕駛員質(zhì)量mp的總和，即ma＝me+m0+mp (1)
2．3 清掃車的主要性能參數(shù)
2．3．1 清掃車的最高車速vmax
清掃車的最高車速是指作業(yè)完畢，返程的最高車速，根據(jù)設(shè)計目標，一般vmax＝30km/h左右。
2．3．2 清掃車的作業(yè)速度
根據(jù)路面的干凈程度，清掃車的作業(yè)速度一般設(shè)定為5～12 km/h。
2．3．3 清掃寬度Bk
清掃寬度為(1+β)倍車寬，β的取值根據(jù)清掃作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)和清掃車的設(shè)計目標確定。
2．4 發(fā)動機的分析選擇
柴油機具有燃料經(jīng)濟性好、動力性好、工作可靠、壽命長、使用成本低等特點。該清掃車行駛環(huán)境是城市路面，要求發(fā)動機排污量少，所以選用柴油發(fā)動機。冷卻方式是水冷，它的主要優(yōu)點是冷卻均勻可靠，散熱性好，噪聲小，能解決車內(nèi)供暖。
根據(jù)清掃車的功能以及清掃車的行駛條件，發(fā)動機的最大功率p是清掃車行駛部分消耗的功率p1、掃刷工作時消耗的功率p2及風機工作時消耗的功率p3之和。即發(fā)動機最大功率pemax應(yīng)滿足pemax≥p1+ p2+ p3 (2)
2．5 輪胎的選擇
道路清掃車主要用于城市道路，并且由于清掃車的總質(zhì)量較大，所選擇的輪胎應(yīng)滿足下述基本要求：足夠的負荷能力；具有較小的滾動阻力和行駛噪聲；良好的附著特性和質(zhì)量平衡；滿足驅(qū)動馬達的安裝尺寸。
2．6 道路清掃車的軸荷分配和質(zhì)心計算
根據(jù)車輛設(shè)計的一般原則，并考慮清掃車在傾倒垃圾時垃圾箱需翻轉(zhuǎn)不小于45°所造成的清掃車質(zhì)心后移因素計算軸荷及質(zhì)心位置。同時，計算坡道行駛狀態(tài)下的軸荷和質(zhì)心位置。該車的質(zhì)心和軸荷分配如表1所示。
表1 清掃車質(zhì)心和軸荷分配
掃車質(zhì)心以及軸荷分配的計算水平路面行駛上坡行駛時箱體翻轉(zhuǎn)時
空載滿載空載滿載滿載
質(zhì)量參數(shù)與軸荷分配，kg最大總質(zhì)量30004000300040004000
前軸負荷1953.252078.251733.181750.671812.63
負荷率65.1%52%58%48%45.3%
后軸負荷1046.751921.751266.822249.332187.38
負荷率34.9%48%42%52%54.7%
質(zhì)心位置，mm質(zhì)心到前軸距離558769558769875
質(zhì)心高度692794692794852
2．7 縱向穩(wěn)定性分析
當車輛停放在坡道上或者在坡道上行駛時，或者垃圾箱翻轉(zhuǎn)傾倒垃圾時，若坡道阻力大于附著力時車輛由于附著力不足而向下滑移，會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。保證不縱向傾翻的極限坡度為：tanα=L1/hg>φ0 (3)
式中：α為極限坡度角；L1為滿載時質(zhì)心到前軸的距離；hg為滿載時的質(zhì)心高度；φ0為附著系數(shù)，取0.8[5]。
2．8 橫向穩(wěn)定性分析
在側(cè)坡上直線行使時，或者垃圾箱翻轉(zhuǎn)傾倒垃圾時，當坡度大到質(zhì)心通過一側(cè)車輪中心，而另一側(cè)車輪的地面法向反作用力等于零時，則清掃車將發(fā)生側(cè)向傾翻，此時tanβ=B/(2h) (4)
式中：B為前輪距；2h為滿載時的質(zhì)心高度。
3 道路清掃車總布置設(shè)計的實現(xiàn)
3．1 確定基準線
基準線包括：車架上平面，它作為垂直方向尺寸的基準面；前輪中心線，它作為縱向尺寸的基準線；清掃車中心線，它作為橫向尺寸的基準線；地面線，此線是標注接近角、離去角和離地間隙等尺寸的基準線。
3．2 各部件的布置
3．2．1 發(fā)動機和泵的布置
由于全液壓清掃車驅(qū)動部分是泵控馬達型式，而風機的運轉(zhuǎn)和掃刷的運轉(zhuǎn)也是泵控馬達的型式，所以清掃車的動力源泵有三個�？紤]到整車的結(jié)構(gòu)，采用直連的布置型式。由于省略了離合器和變速箱，使得整車結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，維護簡單，操作簡便。
3．2．2 駕駛室的布置
主要考慮到以下因素：駕駛室的地板線與車架上平面應(yīng)有一定距離，以保證地板下操縱桿件有足夠的運動間隙；駕駛室的視野必須開闊，以保證駕駛員能很好的判斷路面清掃狀況；駕駛室后圍有足夠的空間保證風機管道的通過；駕駛室內(nèi)部的控制面板因為按鈕比較多，應(yīng)方便駕駛員操作。
綜合考慮上述因素，駕駛室整體布置在底盤上，駕駛室的前圍和側(cè)圍采用簡單的框架結(jié)構(gòu)，并配以較大塊的風窗玻璃，保證駕駛員的視野�？刂泼姘宀贾迷隈{駛室前端，方便駕駛員操作；工具箱布置在駕駛員的座椅下，蓄電池布置在副駕駛員座椅下，以提高駕駛室的空間利用率；空調(diào)布置在駕駛室頂端；駕駛室后圍留出一定的空間布置吸口管道。
3．2.3 作業(yè)系統(tǒng)的布置
作業(yè)系統(tǒng)主要包括掃刷、吸口、噴水管，主要考慮以下影響因素：掃刷和吸口與地面應(yīng)有一定的距離，使得作業(yè)系統(tǒng)能夠根據(jù)路面情況自動調(diào)節(jié)與地面接觸的距離，并且清掃完畢時掃刷和吸口有足夠的空間升起；掃刷和吸口之間應(yīng)有一定的重疊，保證清掃作業(yè)時不留下長條形垃圾帶；噴水管能夠向掃刷內(nèi)側(cè)傾斜，以保證降塵效果。
綜合考慮上述影響因素以及整車的尺寸，掃刷和吸口布置在駕駛室下端，伸起后與地面的距離在70 mm左右，噴水管向掃刷內(nèi)側(cè)傾斜45°左右。
3．2．4 垃圾箱的布置
主要考慮以下因素：垃圾箱的長度適宜，以保證有合適的降塵區(qū)；風機布置在垃圾箱的頂蓋上，風機的出風口必須通過垃圾箱的頂蓋，所以頂蓋須設(shè)計成雙層，并且有良好的密封，保證氣流通過；箱體內(nèi)部需有過濾網(wǎng)，防止垃圾通過出風口降落到地面，造成二次污染；箱體應(yīng)避讓伸出底盤部分的主要零件。
綜合考慮上述影響因素，垃圾箱整體布置在底盤上，風機布置在垃圾箱頂端，并設(shè)計專門的支架支撐風機。
3．2．5 轉(zhuǎn)向系和制動系的布置
采用如下型式：方向盤應(yīng)布置在駕駛室的右邊，因為清掃車作業(yè)時靠近路牙行駛，采取這種布置型式的目的是保證駕駛員能很好的判斷路面的潔凈程度；制動系的管路和轉(zhuǎn)向橫拉桿均布置在駕駛室下面，并與清掃結(jié)構(gòu)之間有一定的間隙，防止結(jié)構(gòu)之間互相干涉。
1 道路清掃車布置型式的設(shè)計分析
1．1 道路清掃車的驅(qū)動型式
國內(nèi)的清掃車主要是通過汽車底盤改裝，采用主副發(fā)動機的布置形式。主發(fā)動機用來驅(qū)動清掃車的行駛，副發(fā)動機用來驅(qū)動作業(yè)系統(tǒng)工作。該類清掃車的優(yōu)點是行駛速度比較高，但是由于多用了一臺發(fā)動機，整車的尺寸增大，清掃時產(chǎn)生的噪聲也很大�？紤]到清掃車主要在城市路面行駛，其行駛速度比較低，一般是在30km/h左右，作業(yè)速度更小。所以在設(shè)計時，設(shè)計一專用底盤，采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)清掃車的行駛和作業(yè)系統(tǒng)的工作。對于清掃車的行駛驅(qū)動采用泵控馬達的型式，即通過一個主泵帶動兩個車輪馬達驅(qū)動清掃車行駛。風機運轉(zhuǎn)、掃刷運轉(zhuǎn)也是通過泵控馬達來實現(xiàn)，其傳動路線如圖1所示。這種驅(qū)動型式省去了離合器、變速箱，結(jié)構(gòu)簡單。由于采用專用底盤，便于主要部件的布置。
圖1 動力傳動路線
1．2 道路清掃車的布置型式
道路清掃車的布置型式是指發(fā)動機、泵和駕駛室以及清掃結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系和布置特點。由于發(fā)動機要直連泵，從液壓系統(tǒng)設(shè)計可知主泵后還需串聯(lián)兩個泵�？紤]底盤的空間利用率，所以采用發(fā)動機中置，這種布置的特點是駕駛室的布置不受發(fā)動機的限制，噪聲小、對軸荷分配比較有利。
2 道路清掃車主要參數(shù)的確定
2．1 道路清掃車主要尺寸參數(shù)
2．1．1 軸距L
軸距短，最小轉(zhuǎn)彎半徑小，而縱向通過角卻大，通過性好。但軸距過短，會造成垃圾箱長度不足或前、后懸過長，制動或上坡時軸荷轉(zhuǎn)移過大，使得車本身的制動性和操縱穩(wěn)定性變壞。目前，國內(nèi)使用的中型清掃車的軸距多為1.5～1.7m。筆者設(shè)計的清掃車取軸距為1.6m。
2．1．2 前、后輪距B
輪距增大，對增大垃圾箱寬度與提高車身橫向穩(wěn)定性有利，但輪距過大，使得清掃車總寬和總質(zhì)量增大。由于清掃車要求有一定的清掃寬度，相應(yīng)的對清掃車的總寬有一定的要求，確定輪距B＝l300mm。
2．1．3 前懸L1和后懸L2
前懸要有足夠的長度固定清掃結(jié)構(gòu)，后懸的長度取決于垃圾箱的長度及發(fā)動機、泵、油箱所占有的空間。這樣，前懸、后懸均在1.0m左右。
2．1．4 外廓尺寸
根據(jù)設(shè)計目標及作業(yè)系統(tǒng)的布置、垃圾箱的尺寸要求，確定該清掃車的外廓尺寸：3.6m×l.55m×2.1 m。
2．2 清掃車質(zhì)量參數(shù)
2．2．1 清掃車的裝載量me
裝載量是指在硬質(zhì)良好路面上行使時所允許的額定裝載量，允許的額定裝載量由垃圾箱的容積、一次清掃作業(yè)面積決定。
2．2，2 整車整備質(zhì)量m0
整車整備質(zhì)量是指車上帶有全部裝備、加滿水、燃料時的整車質(zhì)量。
2．2．3 總質(zhì)量ma
清掃車的總質(zhì)量是指裝備齊全，裝滿垃圾時的整車質(zhì)量，它等于整車整備質(zhì)量、裝載量和駕駛員質(zhì)量mp的總和，即ma＝me+m0+mp (1)
2．3 清掃車的主要性能參數(shù)
2．3．1 清掃車的最高車速vmax
清掃車的最高車速是指作業(yè)完畢，返程的最高車速，根據(jù)設(shè)計目標，一般vmax＝30km/h左右。
2．3．2 清掃車的作業(yè)速度
根據(jù)路面的干凈程度，清掃車的作業(yè)速度一般設(shè)定為5～12 km/h。
2．3．3 清掃寬度Bk
清掃寬度為(1+β)倍車寬，β的取值根據(jù)清掃作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)和清掃車的設(shè)計目標確定。
2．4 發(fā)動機的分析選擇
柴油機具有燃料經(jīng)濟性好、動力性好、工作可靠、壽命長、使用成本低等特點。該清掃車行駛環(huán)境是城市路面，要求發(fā)動機排污量少，所以選用柴油發(fā)動機。冷卻方式是水冷，它的主要優(yōu)點是冷卻均勻可靠，散熱性好，噪聲小，能解決車內(nèi)供暖。
根據(jù)清掃車的功能以及清掃車的行駛條件，發(fā)動機的最大功率p是清掃車行駛部分消耗的功率p1、掃刷工作時消耗的功率p2及風機工作時消耗的功率p3之和。即發(fā)動機最大功率pemax應(yīng)滿足pemax≥p1+ p2+ p3 (2)
2．5 輪胎的選擇
道路清掃車主要用于城市道路，并且由于清掃車的總質(zhì)量較大，所選擇的輪胎應(yīng)滿足下述基本要求：足夠的負荷能力；具有較小的滾動阻力和行駛噪聲；良好的附著特性和質(zhì)量平衡；滿足驅(qū)動馬達的安裝尺寸。
2．6 道路清掃車的軸荷分配和質(zhì)心計算
根據(jù)車輛設(shè)計的一般原則，并考慮清掃車在傾倒垃圾時垃圾箱需翻轉(zhuǎn)不小于45°所造成的清掃車質(zhì)心后移因素計算軸荷及質(zhì)心位置。同時，計算坡道行駛狀態(tài)下的軸荷和質(zhì)心位置。該車的質(zhì)心和軸荷分配如表1所示。
表1 清掃車質(zhì)心和軸荷分配
掃車質(zhì)心以及軸荷分配的計算水平路面行駛上坡行駛時箱體翻轉(zhuǎn)時
空載滿載空載滿載滿載
質(zhì)量參數(shù)與軸荷分配，kg最大總質(zhì)量30004000300040004000
前軸負荷1953.252078.251733.181750.671812.63
負荷率65.1%52%58%48%45.3%
后軸負荷1046.751921.751266.822249.332187.38
負荷率34.9%48%42%52%54.7%
質(zhì)心位置，mm質(zhì)心到前軸距離558769558769875
質(zhì)心高度692794692794852
2．7 縱向穩(wěn)定性分析
當車輛停放在坡道上或者在坡道上行駛時，或者垃圾箱翻轉(zhuǎn)傾倒垃圾時，若坡道阻力大于附著力時車輛由于附著力不足而向下滑移，會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。保證不縱向傾翻的極限坡度為：tanα=L1/hg>φ0 (3)
式中：α為極限坡度角；L1為滿載時質(zhì)心到前軸的距離；hg為滿載時的質(zhì)心高度；φ0為附著系數(shù)，取0.8[5]。
2．8 橫向穩(wěn)定性分析
在側(cè)坡上直線行使時，或者垃圾箱翻轉(zhuǎn)傾倒垃圾時，當坡度大到質(zhì)心通過一側(cè)車輪中心，而另一側(cè)車輪的地面法向反作用力等于零時，則清掃車將發(fā)生側(cè)向傾翻，此時tanβ=B/(2h) (4)
式中：B為前輪距；2h為滿載時的質(zhì)心高度。
3 道路清掃車總布置設(shè)計的實現(xiàn)
3．1 確定基準線
基準線包括：車架上平面，它作為垂直方向尺寸的基準面；前輪中心線，它作為縱向尺寸的基準線；清掃車中心線，它作為橫向尺寸的基準線；地面線，此線是標注接近角、離去角和離地間隙等尺寸的基準線。
3．2 各部件的布置
3．2．1 發(fā)動機和泵的布置
由于全液壓清掃車驅(qū)動部分是泵控馬達型式，而風機的運轉(zhuǎn)和掃刷的運轉(zhuǎn)也是泵控馬達的型式，所以清掃車的動力源泵有三個�？紤]到整車的結(jié)構(gòu)，采用直連的布置型式。由于省略了離合器和變速箱，使得整車結(jié)構(gòu)緊湊，傳動效率高，維護簡單，操作簡便。
3．2．2 駕駛室的布置
主要考慮到以下因素：駕駛室的地板線與車架上平面應(yīng)有一定距離，以保證地板下操縱桿件有足夠的運動間隙；駕駛室的視野必須開闊，以保證駕駛員能很好的判斷路面清掃狀況；駕駛室后圍有足夠的空間保證風機管道的通過；駕駛室內(nèi)部的控制面板因為按鈕比較多，應(yīng)方便駕駛員操作。
綜合考慮上述因素，駕駛室整體布置在底盤上，駕駛室的前圍和側(cè)圍采用簡單的框架結(jié)構(gòu)，并配以較大塊的風窗玻璃，保證駕駛員的視野�？刂泼姘宀贾迷隈{駛室前端，方便駕駛員操作；工具箱布置在駕駛員的座椅下，蓄電池布置在副駕駛員座椅下，以提高駕駛室的空間利用率；空調(diào)布置在駕駛室頂端；駕駛室后圍留出一定的空間布置吸口管道。
3．2.3 作業(yè)系統(tǒng)的布置
作業(yè)系統(tǒng)主要包括掃刷、吸口、噴水管，主要考慮以下影響因素：掃刷和吸口與地面應(yīng)有一定的距離，使得作業(yè)系統(tǒng)能夠根據(jù)路面情況自動調(diào)節(jié)與地面接觸的距離，并且清掃完畢時掃刷和吸口有足夠的空間升起；掃刷和吸口之間應(yīng)有一定的重疊，保證清掃作業(yè)時不留下長條形垃圾帶；噴水管能夠向掃刷內(nèi)側(cè)傾斜，以保證降塵效果。
綜合考慮上述影響因素以及整車的尺寸，掃刷和吸口布置在駕駛室下端，伸起后與地面的距離在70 mm左右，噴水管向掃刷內(nèi)側(cè)傾斜45°左右。
3．2．4 垃圾箱的布置
主要考慮以下因素：垃圾箱的長度適宜，以保證有合適的降塵區(qū)；風機布置在垃圾箱的頂蓋上，風機的出風口必須通過垃圾箱的頂蓋，所以頂蓋須設(shè)計成雙層，并且有良好的密封，保證氣流通過；箱體內(nèi)部需有過濾網(wǎng)，防止垃圾通過出風口降落到地面，造成二次污染；箱體應(yīng)避讓伸出底盤部分的主要零件。
綜合考慮上述影響因素，垃圾箱整體布置在底盤上，風機布置在垃圾箱頂端，并設(shè)計專門的支架支撐風機。
3．2．5 轉(zhuǎn)向系和制動系的布置
采用如下型式：方向盤應(yīng)布置在駕駛室的右邊，因為清掃車作業(yè)時靠近路牙行駛，采取這種布置型式的目的是保證駕駛員能很好的判斷路面的潔凈程度；制動系的管路和轉(zhuǎn)向橫拉桿均布置在駕駛室下面，并與清掃結(jié)構(gòu)之間有一定的間隙，防止結(jié)構(gòu)之間互相干涉。
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