矿区路面清扫装置的结构设计

矿区路面清扫装置的结构设计*

徐永新, 程鹏飞

(河南机电高等专科学校 机电工程系,河南 新乡 453000)

摘要:矿区生产与生活区的路面由于矿物粉尘颗粒积累比较严重,特别是在一些路沿及死角,采用传统的清扫装置清扫难度较大,清扫效率较低,本研究设计的清扫装置利用了平行四边形机构的结构特性,增大了清扫的有效面积而又不受路沿等路面条件限制,具有很强的针对性和适应性。实验表明清扫的效果均超过了行业标准规定。

关键词:矿区路面;扫路车;清扫装置;平行四边形机构

收稿日期：*2015-03-10

作者简介：徐永新(1970-),男,河南新乡人,高级工程师,主要从事机械设计制造研究。

中图分类号：U469.6

0引言

我国矿区主要分布在山区,距离城市较远,风沙比较大加之矿区作业对象本身的粉尘颗粒比较严重,这些都导致了矿区空气中和地面上积累了大量的粉尘,由于矿区的采矿机械和运输车辆来往频繁,致使很多矿物粉尘颗粒会积累在矿区道路的路沿死角,难以清理,这就造成路面长期难以清扫干净,矿区环境随着时间的积累逐步恶化,进而矿粉弥漫到整个矿区。因此,有必要设计一种针对矿区这种特殊环境的路面清扫装置,提高路面矿物粉尘的清扫率,为矿区提供更加清洁的工作和生活环境[1-2]。

清扫装置的组成主要包括有扫辊、扫盘、吸尘嘴及其他辅助机构组成,吸扫式路面清扫机的工作原理是利用旋转中的扫辊借助其扫枚(刷毛),将路面上的散落物、尘土等杂质一次或多次推抛出路面,或收集到特制的集尘装置中去,以达到洁净路面之目的。扫辊是其作业的主要执行机构, 扫辊的结构、安装角度和转速高低, 都会直接影响到扫路机的工作效能。

研究中涉及至少包含一个扫盘和一个扫辊的扫路车清扫装置,它以通常方式固定在扫路车的底架上,在底架还有用于吸尘的吸嘴,固定在扫辊前方的支撑架上。

1常见清扫方式的结构布置

常见传统扫路车清扫装置的结构有两种:

一种结构布置方案是扫辊安装于吸尘嘴前方,与车前方向成一定夹角,固定的扫辊向吸尘嘴前抛撒垃圾。这种吸尘嘴可在车辆行驶时用气力接收与吸起矿物粉尘颗粒及垃圾,其优点是,吸尘嘴能不受扫车辊的影响从一个工作位置移到另一个工作位置;缺点是:由于扫辊的机械清扫作业不能发挥,只能接受部分垃圾,需辅助气力吸尘[4]。

布置的形式决定了其缺点:在扫除不易打扫的灰尘时,尤其是当粉尘颗粒比较重,像矿区路面的矿物粉尘在与水接触后形成了潮湿、黏稠的垃圾后,清扫质量会明显下降。由于附加必需的清扫水沟(道沿)扫帚(所谓的侧扫帚),减少了扫帚清扫时有效面积,且不能一次清除扫路车覆盖面,这也是其不利的一面。

另一种布置方案是吸尘嘴安装于扫车辊前方,这种排列方式避免了前一方式的缺点,吸尘嘴前置的布置方式能使吸尘嘴与扫辊一起配合工作,扫辗与行驶方向反向运动,将垃圾向前内侧抛向吸尘嘴的吸尘气流内,吸尘效果更好,剩余垃圾量更少。 因此,这种结构具有扫辊与吸尘嘴完全覆盖扫路车行驶覆盖面的优点,但就其结构本身可看出这种方案的固有缺点,因为吸尘嘴与扫辊的固定相对位置与其工作时的侧面开口,决定了吸尘嘴在超出扫辊范围或在扫辊提起时不可能进行位置移动与倾斜。在沟渠内灰尘的吸取或用侧扫帚清扫和用吸尘管对沟渠清扫时,清扫工作均无法完成,特别是对于矿区这种特殊情况来说效果会更差[4]。

两种扫路车清扫装置布置方案显著区别在于吸尘管的折叠移动方式。第一种布置方式中吸尘管的平行四连杆运动平面为水平方向;第二种布置方式为吸尘管固定于扫辊架。带有平行四连杆运动机构的布置方案保证了吸尘嘴在水平面上的正确移动,也就是在任何位置上都可使吸尘嘴开口方向一致,及与车辆的长度方向夹角大致一定。在清扫例如马路上的排水沟时,及清扫重建道路时,吸尘嘴为了向下倾斜采用特殊的结构形式,由连杆长短与结构形式所限导致了不利的吸尘嘴偏倾。为调整该偏倾需要花费额外费用来增加独立的机械调节机构。并且为了保持吸尘管拖架与地面的固定间隙,至少要加两个随动轮。随动轮安装于吸尘管拖架上越过水平连杆机构与扫路车大梁柔性连接。

在吸尘嘴位于扫辊的前方时,当清扫排水槽时没有独立的吸尘嘴下沉机构,机构上也无法实现,没有办法消除由于扫辊磨损而造成的间隙。

2针对矿区路面的清扫装置的布置方案

本研究的设计原则就是针对了矿区路面的特点,基于传统设计的缺点而设计的新型清扫装置,该设计已经获得了国家专利的授权(ZL201420093568.8),设计中包含一个扫盘的扫路车清扫装置,它有一个吸尘嘴,该吸尘嘴安装于扫辊前面的拖架上,安装有吸尘管的拖架通过三根等长的连杆与汽车底盘大梁饺接,连杆既与底盘连接又与吸尘管拖架的中部连接,三根等长连杆按两个共边的平行四边形布置,两根杆组成的一个四边形位于垂直方向,其中一根杆与第三根杆组成相邻的水平方向的四连杆机构,吸尘嘴的后边沿平行于扫辊的回转方向移动,并在以扫路车轮两侧廓线内来回摆动。

具体结构如下图所示[6]:

图1　清扫装置侧视图

图2　清扫装置俯视图 图中: 1-扫辊;2-扫盘;3-吸尘嘴;4-阀门;5-铰点二;6-铰点三;7-铰点五;8-拖架;9-支撑轮;10-轴;11-轴承;12-大梁;13-支架;14-铰点一;15-铰点四;16-铰点六;17-连杆一;18-连杆二;19-连杆三;20-油缸一;21-下支点;22-上支点;23-油缸二;24-铰点八;25-尾边;26-铰点七

图1显示加装底盘大梁12的主要功能部件,处于工作位置的扫辊1与有功能联系的吸尘嘴3,吸尘嘴3铰接于拖架8上,一端接于支撑轮9上,拖架8通过连杆与支架13连接,支架13固定于底盘大梁山上,支架13与拖架8之间是铰点四15和铰点六16,其间为垂直面内的连杆一17和连杆二18。铰点四15和铰点六四与连杆一17和连杆二18组成了垂直面内的平行四连杆机构,铰点四15和铰点六16借助于各自的铰点,支架13上的铰点一14与拖架8上铰点三6进行垂直与水平方向上的摆动。

吸尘嘴3的尾边25与扫辊1的长轴在工作位置保持平行,吸尘嘴3与底盘纵轴成一定的夹角,与扫辊1的长轴角度相一致,以确保垃圾灰尘的彻底清扫。

为了确保吸尘嘴3的工作位置,由铰点二5、带有铰点八24的支架13上的铰点五7及连杆三19,连杆三19的另一端与拖架8上铰点七26相连,组成的水平面上的第二个平行四连杆机构来实现。通过第二平行四连杆机构与连杆-17和连杆二18组成的第一个平行四连杆机构共同作用,实现吸尘嘴3在垂直与水平方向上的可靠定位,保障吸尘嘴3尾边25与扫辊l的长轴角度在任何工作位置上相等。

连杆一17和连杆二18及在宽度方向起作用的连杆三19,通过油缸一20、油缸二 23的作用定位于其工作位置上,油缸-20的下支点21位于拖架8上,通过上支点22 连接于汽车大梁12上。

扫辊1前方的工作位置是一个首要工作位置,处于该工作位置时,连杆一17、连杆二18和连杆三19的长轴与清扫辊1的轴线方向几乎垂直。吸尘嘴3上的粗粒垃圾阀门4被置于与辊平面平行的工作位置。使用位于副车架12和支点7之间的油缸二23、油缸-20实施摆动功能,让吸尘嘴 3向外、向下摆动。

通过两个平面内安装连杆机构使得吸尘嘴3在机构允许的摆动范围内,可被移动并保持在任一摆动位置。由于与油缸一20相连的垂直工作的连杆一17和连杆二18的摆动, 吸尘嘴3在垂直方向上的得以保证无级运动,并能确保其在高于或低于清扫车辆停靠地面的位置上定位。当吸尘嘴3摆动出清扫辊的作用范围时,将只工作在纯吸扫方式下。借助于吸尘嘴3通过支撑轮在垂直位置的精确定位,使得吸取更大的粗粒垃圾成为可能。水平方向的无级定位方式保证了吸尘嘴3在受限位置、长条形地域的吸扫和清扫时可靠定位与移动,因此,特别适合于矿物粉尘较多道路边缘和潮湿、黏稠垃圾的清扫使用。

至此已经明显说明,可移动的吸尘嘴3能够满足清扫方式合理化的要求,从而保证其有一个较经济的灰尘吸取与运行状态。

该位置也提供了纯吸方式,即吸尘嘴3处于摆动出扫辘外侧位置时,连杆一17和连杆二18与共同作用的连杆三19位置布局经过仔细计算。在连杆17、18、和19的每个摆动和举升位置,吸尘嘴3的中轴与清扫辊1长轴所成角度是一致的。同时吸尘嘴3的横、纵轴与街道平面在吸尘状态时保持几乎平行。在车体侧面安装一个盘式扫帚2将更具优势。

图2显示了在拖架8上吸尘嘴3的回转轴承。吸嘴借助位于轴承11上的轴10运动,轴承11具有弹性,用以支撑轴10,它的长轴与车辆长轴平行。这种布置使得吸尘嘴3总是与道路或工作表面的斜坡相适应。

3依据行业标准进行的实验

利用上述清扫装置设计的矿区清扫车,进行了路面实验,实验地点:阳泉矿务局段王煤矿工作厂区。按照汽车行业的标准(QC/T51-2006)规定扫路车的实验方法有几项重要数据需要实验测定[7]。

清扫效率:按照行业标准规定扫路车在平均污染量为40g/m2平整路面上,以额定清扫速度进行清扫,取样距离为5cm,取样宽度为清扫宽度的90%,测量扫前地面垃圾量和扫后地面残存量按下式计算清扫效率。实验3次,取平均值。

其中:η-清扫效率

W0-扫前地面垃圾量g/m2

W1-扫后地面垃圾量g/m2

清扫速度:扫路车在平均污染40g/m2的平整路面上进行清扫作业的速度,其清扫效率应符合吸扫式的规定。测量清扫100m所需的时间。公式如下:

其中:Vmax-最高清扫速度,km/h

S-清扫陆离,m

T-清扫时间,s

清扫能力:按照最高清扫速度计算得到。计算公式如下:

F=3600×Vmax×C

其中:Fmax-清扫能力,m2/h

C-清扫宽度,m

根据上述实验要求填写的结果见表1。

表1　实验数据记录表

4结论

根据矿区的路面情况,对扫路车的清扫装置做了较大的改进,改进的方案主要是利用了两个平行四边形机构的运动特点,保证了清扫过程中扫辊以及吸尘嘴与地面平行的工作状态,这样就极大地增大了清扫的有效面积和清扫的效率,特别是对于矿区路面来说路沿等死角的矿物粉尘颗粒积累比较严重,清扫难度较大,清扫效率低下,该设计的布置方案具有很强的针对性,按照行业标准规定,吸扫式的清扫方式的清扫效率为不低于90%,根据我们的实验数据显示都超过了标准的规定。该设计方案对于矿区路面及一些类似的路面情况来说有着很好的适应性和清扫效果。

(责任编辑吕春红)

参考文献:

[1]滕彦国,倪师军,张成江. 攀枝花矿业基地矿区环境现状与环境恢复的途径[J]. 矿业安全与环保,2001,03:28-30+63.

[2]郭万宁. 矿区环境保护与环境绿化[J]. 矿业安全与环保,2004,S1:111-117+2.

[3]庄泽堂. 扫路机垃圾提升转运机理研究与机构改进[J]. 筑路机械与施工机械化,2004,09:31-32.

[4]宁维庆. 纯扫式路面清扫机扫辊结构浅析与转[J]. 筑路机械与施工机械化,1999,04:5-7+55.

[5]李文杰,曾庆良,沈志康，等. 地表污染土壤清除机械的方案设计及选型[J]. 矿山机械,2010,16:70-74.

[6]程鹏飞,任开兴,董娜. 一种扫路车扫盘驱动装置:中国,201420093568.8[P].2010：915.

[7]国家发展和改革委员会.QC/T51-2006 扫路车[S].北京:中国标准出版社,2006:5-7.

A Design Cleaning Device Structure of Mining Area Surface

XU Yong-xin，et al

(Mechanical and Electrical Engineering Department,Henan Mechanical and

Electrical Engineering College,Xinxiang 453000,China)

Abstract:Mining area of production and living areas of the road because the accumulation of mineral dust particles is serious, especially in some dead Angle, the traditional cleaning device of cleaning is difficult, cleaning efficiency is low, this study design of cleaning device using the structure characteristic of the parallelogram mechanism, increase the effective area of cleaning and not be restricted by footpaths and other pavement conditions, have very strong pertinence and adaptability. Experiments show that the effect of cleaning more than the industry standard.

Key words:mine road；sweeping machine；cleaning device；parallelogram mechanism