堇 堑与应用ｆ ２０１２年１０月（上） 科技创新 某型电动清扫车的研究与设计 张驰 （成都航空职业技术学院，四川成都６１０ｌ１０） 摘要：针对道路清扫工作的实际情况，结合现阶段对环保低碳的理念，设计符合市场需求、绿色环保的电动清扫车在安全、环 保、性能、舒适、价优等方面均能满足用户需求，符合社会需求和技术发展的趋势。电动清扫车是一项机电液一体化的综合科技工 程，通过对蓄电池、电动机和控制系统参数的合理匹配选择实现高效工作；通过模块化设计实现结构简单、可靠性高、易于维护的 特点。大量实验表明，该型电动清扫车具有工作效率高、工作稳定可靠、易于维修的特点。 关键词：清扫车；环保；模块化 ，尘、控制等七个子功能，采用电机驱动以实现手工控制方式。该型清扫 在对城市环卫工人的调查中了解到，道路工作的效率低、时间长、 车属扫地、吸尘功能结合吸空式机械清扫车，由控制、驱动、清扫、灯光、 劳动强度大，工作效率不高。目前，国家引进一些国外的清洁设备来提 洒水五大模块组成，如图Ｉ所示，其中清扫系统是该设计的核心部分。 高环卫工人的工作效率，市场上已有的进口设备，大多采用的是内燃机 带动的真空泵来“吸取”垃圾，这种方法效率虽然很高，但是设备较大，需 要额外的牵引力，并且化石燃料的使用，既提高了成本，又污染环境，不 ’ｊ 驱动模块 ｝・ …一一 行驶 符合当前社会的发展趋势。因此，设计符合市场需求、将绿色动力与特 殊功能相结合的新的产品一电动清扫车，在安全、环保、性能、舒适、价 优等方面均能满足用户需求，符合社会需求和技术发展的趋势。 电动清扫车的全新设计是一项机电液一体化的综合科技工程，电 动清扫车高性能的获得并不是简单地将燃油汽车的发动机和油箱代之 以电动机和蓄电池便可以实现，必须通过对蓄电池、电动机和控制系统 参数的合理匹配选择，并且在总体方案布置时使其连接可靠、轴荷分配 合理等才能获得。同时还要满足造型新颖，性能优越，降低各种阻力，实 Ｉ控制模块 现轻量化，设计全新的专用底盘等多方面的要求，使其成为一种全新的 １引言 一 清扫模块 ｝ 一＿ｒ＿ Ｌ＋！ Ｉ。。一 液压模块 ｝ 一｛：鲁 叫 灯光模块 ｝ ．｛： ’Ｉ 洒水模块ｌ－ — 压制粉尘 车型。 ２总体设计 基于对低碳环保的要求，电动清扫车的设计！ 须以下几个方面为 原则，分别为： ２．１工作效率高。 ２．２无二次污染。 图１电动清扫车工作原理 （１）控制及驱动模块的设计 控制模块由单片机和蓄电池组成，用于向各个功能模块供电以及 工艺设备投＾。 各个模块功能的实现。 ２．４制造工艺通用性和标准化，降低制造成本，缩短试制周期； 该系统采用商陛能铅酸蓄电池，整车的蓄电池共８块。通过ＤＣ， ２．５模块化设计，符合“高可靠性、易于维护”的原则。 ＤＣ变换器将４８ ｖ的直流电转换为１２ ｖ的低压电流，为仪表、照明、控 Ｚ６能耗低。 制系统和车身附件提供电能。 根据清扫车作业特点，按清扫车作业功能分成行走、洒水、扫地、吸 控制系统主要包括电气系统和整车控制。该系统担负着采集整车 ２．３优先选用能满足性能参数要求、成熟可靠的汽配零部件，降低 器 ３ Ｎ＿Ｊ围岩分级法的实践应用 ４．２国内地质工程师通常采用岩石完整性系数ＫＶ值作为衡量围 Ｎ 围岩分级法采用的体积节理数Ｊｖ值 Ｎ．Ｊ项目的围岩分级法最核心的指标是Ｊｖ值，以５／ｍ￣，１０／ｍ 和２０／ 岩节理发育程度的定量指标，ｍｓ作为分级的界限值；其次的控制指标为岩石坚硬程度，分为坚硬、中 与岩石完整性系数ＫＶ值有如下对应关系。见表２。 等、和低等三种；结构面构造和地质构造影响程度作为前两个指标的补 表２中的Ｋｖ值区间分别对应《岩土工程勘察规范ＧＢ ５００２１— 充。为便于在施工现场实际应用，笔者将分级方法制成表格。见表１。 ９４》中的Ｉ Ｖ类围岩，即当ＫＶ＞０．７５时对应Ｉ类围岩，以此类推。表２ Ｎ－Ｊ项目的所在地区常见岩石包含Ｉ类砂岩、Ⅱ类砂岩、页岩和泥 中的Ｊｖ值和Ｎ－Ｊ围岩分级法中的Ｑ１￣Ｑ５级围岩规定的ＪＶ值范围区 岩四类。根据现场的岩石饱和单轴抗压强度实测数据，Ｉ类砂岩属坚硬 间非常近似，可近似认为表２中Ｊｖ值区间分别对应Ｑ１￣Ｑ５级围岩，即 以此类推。 岩石，Ⅱ类砂岩属中等坚硬岩石，页岩和泥岩属低强度岩石。Ｎ＿Ｊ项目在 当ＪＶ＜３时对应Ｑ１级围岩，进行施工阶段的围岩分级时，双方地质工程师通常先观察掌子面的节 可见Ｊｖ值和ＫＶ值虽然指标定义不同，但作为评价岩石节理发育 理数Ｊｖ值和岩石类别，根据掌子面的Ｊｖ值范围和岩石坚硬程度先初步 程度的指标是异曲同工的，而且可以看出《岩土工程勘察规范ＧＢ 一Ｑ５级围岩在 确定—个围岩等级，再根据风化程度、构造面类型特征和地应力状态等 ５００２１—９４》中的Ｉ—Ｖ类围岩和Ｎ＿Ｊ围岩分级法中的Ｑ１定量指标Ｋｖ和Ｊｖ所对应的区间范围比较近似。 因素酌情降低围岩等级。 ４３在Ｎ－－Ｊ项目施工过程中，中方和外方地质工程师都意识到Ｎ－Ｊ ４体会 ４１欧美的围岩分级法大多在理论上基于巴顿的岩石质量Ｑ法，主 围岩分级法过于简化的弊端，对此，哈扎公司的地质工程师在进行围岩 要考虑岩块尺寸、抗剪强度、作用应力三项指标和节理组数目、节理粗 分级时采取了比较谨慎的态度，基本上“靠低不靠高”，从而降低了安全 糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数五个参数。 风险；另—个方面，Ｎ＿Ｊ项目采用欧美规范作为标准，加上哈扎公司先进 国内铁路、公路、矿山、水利等行业规范采用的围岩分级法大多数 的管理理念、较高的施工工艺和质量要求，也降低了围岩分级带来的风 考虑岩体结构状态、岩石的工程性质、地下水、地应力四个主要因素。国 险。 ４４目前世界各国对于围岩分类的理论和方法很多，各种方法都各 内水电行业执行的围岩分级法依据中国国家标准《水利水电工程地质 作为工程地质人员应不墨守成规，在扎实掌握基本理论原理的 勘察规范ＧＢ ５０４８７－２００８））。国标将围岩分级分为初步分类和详细分 有优劣，类，围岩详细分类采用对岩石强度、岩石完整程度、结构面状态、地下水 基础上以务实的态度批判性地学习各类理论，做到取其精华、弃其糟 和主要结构面产状五个要素进行综合评分法进行围岩分级。 粕，尽可能的选择最科学、全面的方法应用于工程实践中。 和上述方法比较，Ｎ－Ｊ项目的围岩分级法未考虑地下水、主要结构 参考文献 面产状这些重要因素，容易 ［１ 水利水电工程地质勘察规范ＧＢ ５０４８７－２００８）） ［２］《岩土工程勘察规范ＧＢ ５００２１－９４）） 表２ ＪＶ值和ＫＶ值对应关系表 作者简介：毛彝陵，男，工作单位：中国葛洲坝集团公司工程 Ｊｖ（／ＩＩｌ３） Ｋｖ ＜３ ３～１０ １０～２Ｏ ２Ｏ～３５ ＞３５ 局，土木工程师。 ＞０．７５ Ｏ．７５～０．５５ Ｏ．５５～Ｏ．３５ Ｏ．３５～Ｏ．１５ ＜０．１５ —１２— 科技创新 ２０１２年１０月（上）ｌ科技创新与应用 举升倾卸垃圾。垃圾倾卸完毕，打开回路，垃圾箱利用自身的重力放回 到原处，垃圾门自动锁死。 （４ 系统 后置的水箱可根据地面状况通过水泵向中间四个侧刷喷水进而有 效地压制灰尘的产生。洒水系统在两个边扫上各设有—个喷嘴，喷嘴的 结构能够使洒水的效果更佳，完全能够满足洒水需要。水泵用电动机带 动，使用车载蓄电池。 ３参数设计 ３．１动力性能设计指标的确立 根据道路清洁工作的实际情况，此电动清洁车的动力性能指标为： 图２清洁车方案图 图３清扫模块解剖图 １）最高时速２５ｋｍ／ｈ。２）最大爬坡度２０％。３）续驶工作时间在６－８小 的各子系统的运行信息并进行监控与诊断，维持所有电池处于最佳状 时范围内。 态，提供剩余能量显示等职责。具体实现以下功能：＆整车信息检测与显 ３．２整车参数的确定 示。包括加速踏板、制动踏板等模拟信号，以及车速、前进、后退、控制器 结合设计的道路清扫工作任务，参考相关资料得出电动清扫车的 开关、油泵开关等开关量。ｂ动力电池组信息检测与显示。包括总电流、 整车参数如表１所示。 总电压、动力电池充电状态估计。ｃ雏护电池使用。包括放电欠压报警、 电动机的主要参数包括电动机类型、电动机额定功率和额定转速 充电过压报警、电池损坏报警。 等。以直流电动机为研究对象，其功率由电动清扫车的最高车速来确定， 电动机由行驶电动机和清扫工作电动机两部分组成，为了保证清 以保证电动机的效率。若给出了期望的最高车速，选择的电动机功率应 扫车工作的稳定性并在一定可靠性的基础上，行驶和清扫工作由各自 大体上等于但不小于以最高车速行驶时的行驶阻力功率之和。 的电动机提供动力（如图１所示）。 蓄电池参数的选择 驱动电动机采用直流电动机，该电动机具有成本最低、易于平滑调 选择蓄电池的参数时主要考虑蓄电池类型、蓄电池电压与蓄电池 速、控制器简单、技术成熟等优点。采用的电子速度控制器不仅具有成 容量３个方面。在选择电池的容量时，既要满足汽车的续驶里程的设计 本低，还可获得比较高的转矩，满足电动清扫车起步、爬坡的需要。 要求，又要考虑整车的空间结构和底盘承载能力。因为选择电池容量越 （２）清扫模块 大，电池组所贮存的电能越多，续驶里程相应延长，但电池组的质量增 清扫模块是整个清洁车的核心部分，清扫模块设计的合理与否关 加，整车的整备质量增加，导致行驶阻力也增加，反过来又影响电动清 系到清扫车的工作效果和工作质量。 扫车的续驶里程。 通过比对试验，结合各种方案的优点，本案采用“中置两侧左右立 根据以上原则，由动力驱动系统基本参数的动力学方程，得到电动 扫＋中间不可回转长ｌ￣Ｎｅ＋中间短吸嘴”的方式，其结构如图２所示。 机以及蓄电池的参数如表２所示。 两侧扫刷可根据具体清扫要求进行不同程度的伸缩，将地面的垃 电动机调速控制系统的选择首先要能满足电动机功率的要求。此 圾集中在车体中间位置。 外，应能根据整车的行驶要求，按照预定的调速逻辑，对电动机进行控 中间部分为清扫模块，清扫模块通过液压系统进行升降控制，在工 制。选用３ｋＷ／４８Ｖ进口电子速度控制器。 作时降至与地面平齐进行清扫。清扫模块与车身采用“一前、两后”三点 整车性能试验 柔性连接的方式，每个ｊ奎接点上都设置了减震阻尼弹簧，因此可根据路 通过实验，该车检测结果如表３所示。 面情况在自身重力的作用下进行高度和角度的调节以适应路面要求， 试验结果表明该车的各项性能指标都达到预期要求，说明整车的 达到最大的清扫效果。 结构设计是合理的。 清扫模块由两侧扫刷、中间后刷和垃圾传动带（风机）三部分构成 ４结论 （女口图３所示），两侧扫刷将地面垃圾集中在中间部分，由后面横置的后 通过大量反复的试验，电动清扫车在性能上具有以下特点： 刷扫人垃圾传送装置，通过传送装置ｊ羞＾车身后部的垃圾储存箱内。同 ４．１电动作业，无噪声、无废气排放，提高企业形象。 时垃圾传送装置在传送垃圾时会产生大量的风，在垃圾传送装置的设 ４．２体积小，转弯灵活，易驾驶，维修方便，适合大多数人工清扫地 计上借鉴风机的工作原理，通过进出口界面的设计使垃圾进口处的气 方使用。 流的压力大于出口处的压力，从而形成强有力的吸引力，将在清扫过程 ４．３扫、吸、消于一体，无二次污染，无二次扬尘。 中产生的灰尘有效的吸人传送装置内进而送人垃圾储存箱。在后置横 ４．４清扫效果好，／Ｊ、到灰尘、砂土，大到石子、碎砖块、树叶、烟盒，一 刷将垃圾扫至垃圾传送装置时会将部分小颗粒垃圾和灰尘甩到清扫模 扫而净。 块的两侧，会将两边侧刷扫过的地面重新污染，因此在清扫模块上安置 ５机械化作业效率高、效果好 额外的风机，产生气流，并将气流引到清扫模块两侧，在清扫模块两侧 电动清扫车采用商眭能的铅酸动力电池作为能量源，机动陛好，整 形成向内流动的气流，阻止小颗粒物以及灰尘向外飞。 备质量仅为２ｔ，外形尺寸小，能在城市老区的窄巷小街、公园广场、居民 在垃圾传动装置将垃圾灰尘等杂物送至垃圾储存箱的过程中会产 小区、旅游景点及城市步行街中穿梭使用，环保，无污染排放，噪音低，效 生大量的风，这股风会吹人垃圾储存箱内，如果不将气流排出箱外，会 率相对高，可以替代原先人力三轮车、板车的使用，降低环卫工人劳动 将垃圾储存箱内的灰尘通过车体间隙吹至车外环境中形成二次污染。 强度的同时，提高工作效率，与现有中转站配合使用更能发挥其作用。 因此，在垃圾储存箱的前侧挡板上开孑Ｌ，通过过滤棉将灰尘过滤并将气 参考文献 流排除箱外。被排除箱外的气流如果直接排到清洁车外，会造成能量的 ［１］靳同红等．走廊清扫机的三维设计叨．现代制造技术与装备，２００８，（１）． 浪费。因此可将这股气流引至清扫模块的两侧，配合内置风机的使用， ［２］张桂丰．电机驱动清扫装置的环保型清扫车总体设计叨．福建农机， 进而减少对蓄电池电能的使用，达到低碳环保的设计要求。 ２００８，（３） ．（３）液压系统 ［３］刘虎云．ＱＳ２８０Ｔ型清扫车液压系统的设计叨．液压与气动，２００３，（２）． 液压系统由—个液压泵、两个双向油缸、一个单向油缸和—个电磁 ［４］罗善瞀．我国扫路车的发展和研究方向叨．建设机械，２００５，（５）． 液压阀构成。液压泵由直流电动机提供动力。两个双向油缸串联使用， 【５】赵丕玉等，多功能智能环保型清扫车的研制 ．机械设计与制造， 用于清扫模块升降控制；单向油缸用于自卸垃圾，采用两级下降，保证 ２０１０，（５）． 了垃圾储存箱下降的平稳陛；液压阀三位四通电磁换向阀采用“Ｍ”型中 作者简介：张驰（１９８２－），男，江苏徐州人，硕士，研究方向为航空发 位机能，系统开机和待机时自动卸荷，高效节能，集成安装，结构紧凑，美 动机状态监控与故障诊断。 观。 自卸装置采用电动液压控制向后的自装卸式机构，利用液压油缸 表１电动清扫车参数要求 表２动力性能参数计算结果 表３微型电动清扫车检测结果 项目 参数 项目 设计参数设计值 项目 检验参数 整车重量（ｋｇ） ２０００ 总功率（ｋｗ） 额定功率／ｋｗ ３ 最高车速ｕ．。／（ｋｍ／ｈ） ２５ ２０ 最大爬坡度／％ ≥２Ｏ 最大行进速度（ｋｍ／ｈ） ２０ 电动机 额定转速／（ｒ・ｍｉｎ一１） ３ ０００ 制动距离，Ⅲ ≤２ ８０ 工作时间（ｈ） ６ 最高转速／（ｒ・ｍｉｎ一１） ３ ０００ 一次充电续驶里程／ｋｍ ８０ ８４ 清扫速度（ｂ／ｈ） ０ １２ 电池组 额定输出电压／ｖ ４８ 最小转弯半径／ｍｍ ≤４１０５ 机外嗓音ＩｄＢ（Ａ） ≤７５ 清扫面积（ ／ｈ） ０ １８０００ 额定放电容量／（Ａ・ｍ ２４０＊８ 机内嗓音ＩｄＢ（Ａ） ≤７３ —１３—
