道路清扫车关键部件研究进展

黄兴华，　孙　会

(上海电机学院 机械学院， 上海 201306)



道路清扫车关键部件研究进展

黄兴华，孙会

(上海电机学院 机械学院， 上海 201306)

摘要道路清扫车是清扫路面的专用机具，对保持城市清洁发挥着重要作用。以道路清扫车的工作性能为目标，对道路清扫车的清扫装置、吸尘装置等关键零部件的研究现状进行了分析，着重综述了清扫装置中不同类型垃圾清扫效率的影响因素和刷丝的力学性能，阐述了吸尘装置中尘粒的运动机理、吸尘效率的影响因素以及吸尘口的结构优化等关键技术。最后提出了未来道路清扫车关键零部件的研究方向。

关键词道路清扫车； 清扫性能； 扫刷； 吸尘口

Research Progress in Key Parts of Road Sweeper

HUANGXinghua,SUNHui

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractAs dedicated road maintenance vehicles, road sweepers are widely used in cities. Considering the cleaning functions, development of the key parts of the road sweeper such as cleaning brush and pick-up head is analyzed. Key factors such as the influence on effectiveness in removing different debris types, performance of brush tines, pickup and saltation mechanisms of solid particles, effectiveness of picking up particles, and structural optimization of the pick-up head are reviewed. Research direction of the key components of the road sweepers in the future is suggested.

Keywordsstreet sweeper; cleaning performance; brush; pick-up head

道路清扫车是保持城市清洁的重要基础装备，作为城市环卫主要装备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收与短途运输为一体的道路专用养护机械。世界上首台道路清扫车诞生于19世纪20年代的欧洲[1]，经过近两百年的努力，在产品设计、技术水平、作业操控等各方面均有了较大的发展。随着城市发展现代化建设步伐的加快，市民对环境要求的不断提升，对道路清扫车的清扫性能、工作效率及环保要求提出了越来越高的要求，这就需要对道路清扫车进行系统性研究，对其关键部件的几何结构、工作参数进行合理设计与选取尤为重要。本文在研究国内外相关文献报道的基础上，以道路清扫车的清扫性能为出发点，针对清扫车清扫装置、吸尘装置等关键部件的研究现状进行了总结、分析。

1清扫装置

清扫装置是道路清扫车中最重要的部件之一，主要由盘刷、柱刷及其辅助机构等组成。辅助机构主要用于盘刷、柱刷的摆出、收回、避障、自动复位等，以适应不同工况要求。盘刷、柱刷作为清扫元件，其工作性能和参数直接决定了道路清扫车的作业效率。目前对扫刷的研究大多集中在扫刷的机构设计[2-3]、自动控制[4-5]、刷毛磨损[6]等，其中最重要的是扫刷的性能研究与优化。

Vanegas等[7]利用扫刷台架试验装置，研究了扫刷在不同操作条件下对中等粒径碎石、细小尘粒以及潮湿片状垃圾等不同类型垃圾的清扫效率，确定了不同路面状况下扫刷最佳的位置参数(包括接地距离、倾斜角度等)、旋转速度和清扫作业速度[2]。作者认为对于混合型垃圾，在保证高清扫效率下的清扫车的作业参数： 扫刷侧倾角15°，扫刷转速120r/min，清扫车作业速度2km/h。除此还研究了工作状态下，扫刷的振动对清扫效率的影响[8]。研究发现： 对于受约束颗粒和潮湿的片状垃圾，扫刷旋转状态下叠加的振动可提高扫刷的清扫效率，但对松散型垃圾则不起作用。

Peel等[9]基于现实中路面上被压实的杂物难以清理的情况，提出了一种假设静态离散模型，模拟分析了清扫车盘刷在作业时与路面间的相互作用关系，并通过试验验证数值模拟结果的可靠性。研究结果表明： 盘刷转速提高，则盘刷与路面间的摩擦系数减小、盘刷接地压力减小，相应的盘刷驱动扭矩降低。但是因扭矩下降而引起的功率降低会因盘刷转速的提高而抵消，因此增加盘刷转速并不会使盘刷总的消耗功率发生大的变动。

Wahab等[10]在假设路面为平面，忽略扫刷刷丝与垃圾间作用关系的前提下，采用三维有限元模型分析了不同操作条件下不同类型刷丝的力学特性，以及刷丝几何参数对扫刷性能的影响。根据刷丝相对刷丝安装轴线的夹角γ，将刷丝分为切削型和扫拂型两种，见图1。建模中将扫刷的刷丝简化为细长的悬臂梁，通过力学分析建立了专用模型以考虑扫刷高速旋转下刷丝的离心效应，同时采用迭代加载法计算外载作用下刷丝的变形。模拟结果表明： 扫刷的转速、刷丝安装角度等都会对扫刷工作性能产生显著的影响。扫刷转速增高，切削型刷丝的接地压力降低，但对扫拂型刷丝影响很小；刷丝安装角度增大，接地压力降低。

图1　刷丝类型Fig.1　Two types of brush tines

国内关于扫刷清扫性能的研究范围及水平与国外有很大差距，目前尚未见到关于扫刷工作状态下刷丝受力、变形等的理论分析，研究手段大多以试验段和实践为主。张晨光等[2]针对自行研发的小型双发道路清扫车，试验研究了清扫效率的影响因素。研究结果表明： 盘刷转速提高、风机风量增加、清扫车作业速度降低均有利于提高清扫效率。杨淑华[11]采用单因素试验和正交试验法，考虑了盘刷转速、清扫车作业速度等因素对清扫效率和清扫能力的影响规律。研究结果亦表明： 清扫效率随着盘刷转速的增加而提高，随着清扫车作业速度的增加而下降。此外盘刷转速为影响清扫效率的主要因素，而清扫车作业速度对清扫效率的影响并不显著。宋永刚等[12]对清扫车作业条件下盘刷的性能要求进行了较为细致地分析。为使清扫车获得较好的作业性能，一般接地点的绝对速度为5～12m/s，内倾角约为30°，盘刷接地角约为120°，并且盘刷刷毛应具有合适的接地压力以及良好的弹性和适中的刚度。许礼鸿[13]根据多年高等级公路路面养护作业经验，提出了立式扫盘的适宜参数，即盘刷的前倾角调整为4°～5°，侧倾角设定为4°，以利于垃圾的吸扫。

2吸尘装置

吸尘装置位于气路系统的最前端，其作用是将扫刷集中的灰尘、垃圾完全吸入并收集[14-15]。吸尘口为吸尘装置中的关键部件，其结构、形状、尺寸等将直接影响到道路清扫车的吸尘效率。目前对吸尘口的研究包括尘粒的运动机理、吸尘口的吸尘效率以及吸尘口的结构改进等。

吸尘装置通过气流将路面上的垃圾或尘粒俘获、夹带进入吸尘口，以达到吸尘目的。为了实现此功能，必须保证较高的气流速度以使尘粒获得足够的起动速度。因此，目前对尘粒运动机理的研究主要集中在颗粒的起动速度上。国外在20世纪50年代就开展了这方面的研究。Bagnold[16]在风沙物理学专著中推导出尘粒开始移动时所需的最小风速和粒径之间的关系式。Cabrejos等[17-19]针对各种不同材料进行了试验研究，建立了基于力平衡的理论模型，以及较大尺寸颗粒起动速度的经验关联式。Hayden等[20]通过试验测量了不同颗粒的起动速度。研究发现，颗粒存在一个最低的起动速度。决定颗粒起动速度的主控力与颗粒尺寸密切相关。对于较大尺寸的颗粒，应保证足够高的气流速度以克服颗粒本身质量，实现气流夹带；而对于小颗粒，要求较高的气流速度则主要用于克服颗粒间的相互作用力。Kalman等[21]亦对不同颗粒的临界起动速度进行了试验研究，随后综合分析其他研究者的已有试验结果，建立了考虑颗粒尺寸、形状、密度等多种影响因素的颗粒起动速度经验关联式。Anantharaman等[22-23]试验研究了不同颗粒尺寸分布和颗粒球形度对最低起动速度的影响。国内对这一块内容仅限于少量的定性分析，李战军等[24]在对使尘粒起跳的主控力分析的基础上，理论分析了尘粒粒径对起动风速的影响。而关于尘粒起动速度、尘粒运动机理目前尚未进行系统化的研究。

作为道路清扫车最关键的技术指标之一，吸尘效率也受到了国内外研究者的广泛关注。文献[25-26]中采用统计颗粒分析等方法对不同清扫车的吸尘效率进行了试验研究。陈忠基等[27]利用皮托管多点测量方法研究了道路清扫车的结构对吸尘效果的影响。然而，吸尘效率是反映吸尘口的结构参数、操作条件、吸尘频率、路面状况、颗粒尺寸等多种因素的函数，试验研究不可避免地存在着成本高、周期长等问题。

在计算流体力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)不断发展的大背景下，国内研究者开始着手利用CFD技术研究道路清扫车的吸尘效率。现有研究大多只考虑气相工作介质在吸尘口内产生的流场。例如，不同研究者[14-15,28-32]分别针对吸扫式清扫车、真空吸尘车等不同类型清扫车，基于连续性方程、N-S动量方程组以及k-ε湍流模型，利用CFD技术对吸尘口内的气体流场结构进行了数值研究。研究结果表明，吸尘口处以及吸尘口内的流场结构对于吸尘效率、能量利用率、工作可靠性等起着重要作用。为了更真实地反映吸尘口内的实际流场结构，对吸尘效率进行定量研究，Wu等[33]考虑了颗粒本身的运动以及颗粒和气体之间的相互作用，对真空道路清扫车吸尘口的吸尘效率进行了数值研究，并利用试验测试验证了数值模拟结果的可靠性。作者将空气看作连续相，尘粒视为离散相，采用离散相颗粒模型(Discrete Particle Model， DPM)建模气—固两相流动，雷诺应力模型建模湍流，相间曳力采用Haider & Levenspiel曳力模型[34]。研究发现，清扫车的作业速度和吸尘口负压是影响吸尘效率的重要因素。清扫车作业速度增高、吸尘口负压增大，吸尘效率提高。此外，在相同操作条件下，气流对小颗粒的影响更大，吸尘效率更高。

在对吸尘口的研究中，还有相当一部分工作聚焦在吸尘口的结构改进上。国外很早就有关于吸尘口的专利申请。例如美国专利《道路清扫车吸尘口》[35]介绍了一种纯吸式吸尘口(见图2)，通过对吸尘口结构的改进提高了吸尘效率、减小了工作噪音。再如针对循环吸扫式清扫车[36]，设计了吹吸结合式吸尘口，各设吸气导管和吹气导管一根，在吸尘口处增设导流板以避免吸尘口区域污物的累积，如图3所示。

图2　纯吸式吸尘口Fig.2　Vacuum pick-up head

国内也有关于吸尘口结构改进的研究报道。袁丹红[37]针对清扫车传统型吸尘口存在的缺陷进行了结构改进，改善了吸尘口在复杂路面上的贴地性能，增加了吸尘口相对底盘的自由度，通过加装卧式扫刷提高了清扫效率，见图4。陈忠基等[27]从延长吸尘口对地面垃圾的有效作用时间的角度出发，提出在吸尘口前后A、B两处增设翼板、在两侧C处增设翼板和侧挡板(见图5)，可有效提高吸尘能力以及气流的利用率。利用CFD技术对吸尘口的结构参数进行改进也成为近年来的一个研究热点。徐云、曾广银等[28-29]基于吸尘口内的气相流场结构，对吸尘口的结构及其参数进行了优化，见图6。优化后的吸尘口的主要结构特征表现为： 通往垃圾箱的风管居中；吸尘口形状变为圆滑弧形，消除死区；增加导流挡板；加大前吸尘口的高度；回吹风口角度变为45°等。朱伏龙[32]提出了具有变截面结构构型的新型吸尘口，同时，在吸尘口肩部设置了一个倾斜的角度(见图7)，使得吸尘口的气流分布有利于地表尘粒的扬起、扬起的尘粒很容易被气流携带进入吸尘口的肩部、降低了尘粒进入排气口的难度，有利于提高除尘效率。杨春朝等[38]基于吸尘口结构参数的数值分析，提出了流线型曲面的吸尘口改进方案(见图8)，有效保证了吸尘口内部气流分布的合理性。Wu等[33]设计了过渡连接的带收缩角的吸尘口(见图9)，并基于气固两相CFD数值模拟结果，指出在保证92%的清扫效率下，最佳吸尘口负压 2.4kPa、最佳作业车速12km/h。

图4　改善贴地性能的吸尘口Fig.4　Pick-up head close to the ground

图5　增设翼板和侧挡板的吸尘口Fig.5　Pick-up head with wing and side baffles

图6　优化结构参数的吸尘口Fig.6　Pick-up head with optimal structural parameters

图7　变截面结构吸尘口Fig.7　Pick-up head with variable cross-section

图8　流线型曲面吸尘口Fig.8　Pick-up head with streamline surface

图9　带收缩角的吸尘口Fig.9　Pick-up head with convergence angle

3结语

(1) 以道路清扫车的工作性能为出发点，针对清扫车的清扫装置、吸尘装置等关键部件，对其研究现状进行了分析。可以看出，盘刷本身特性及其工作参数、吸尘口的结构及其工作参数都会对道路清扫车的清扫性能和吸尘性能产生显著影响，且垃圾类型不同，影响效果也不同。这些研究成果对进一步提高道路清扫车的工作性能具有十分重要的意义。

(2) 对比国内外研究现状可以看出，目前我国在道路清扫车关键零部件的技术攻关上虽然取得了显著进步，但主要以试验研究和实践经验为主，相关基础研究工作仍十分薄弱，还需要继续投入大量的研究工作。

参考文献

[1]马克·莱斯特.全球扫路车的发展趋势[J].商用汽车,2008(8)： 91-93.

[2]张晨光.清扫车工作装置的匹配性能研究[D].西安： 长安大学，2010.

[3]陈顺.城市道路吸扫车清扫装置的设计与运动仿真[D].武汉： 武汉理工理工大学，2013.

[4]刘芳贤.四扫刷扫路车扫盘液压系统[J].工程机械,2011,42(10)： 48-50,8.

[5]倪刚.轻型全液压清扫除尘车辆液压系统的设计与研究[D].南宁： 广西大学，2012.

[6]罗善瞀.影响扫路车扫刷磨损的原因分析[J].建设机械技术与管理,2002(4)： 26-28.

[7]VANEGAS U L V,WAHAB M M A,PARKER G A.Effectiveness of gutter brushes in removing street sweeping waste[J].Waste Management,2010,30(2)： 174-184.

[8]VANEGAS-USECHE L V,ABDEL-WAHAB M M,PARKER G A.Effectiveness of oscillatory gutter brushes in removing street sweeping waste[J].Waste Management,2015,43： 28-36.

[9]PEEL G M,PARKER G A.Initial investigations into the dynamics of cutting brushes for sweeping[J].J DynSyst Meas Control,2002,124(4)： 675.

[10]WAHAB M A,PARKER G,WANG C.Modelling rotary sweeping brushes and analyzing brush characteristic using finite element method[J].Finite Elements in Analysis and Design,2007,43(6-7)： 521-532.

[11]杨淑华.清扫机盘刷清扫性能试验研究与运动仿真[D].呼和浩特： 内蒙古农业大学，2010.

[12]宋永刚，姚莉娜.高等级公路清扫车盘刷性能与技术研究[J].西安公路学院学报，1995，15(1)： 66-72.

[13]许礼鸿.吸扫式路面清扫车使用效能影响因素分析[J].公路与汽运，2005，19(2)： 116-117.

[14]孙勇.真空吸尘车气路系统优化设计与仿真分析[D].沈阳： 东北大学，2008.

[15]王翔.城市道路吸扫车吸尘系统的结构设计和流场分析[D].武汉： 武汉理工大学，2013.

[16]BAGNOLD R A.The physics of blown and desert dunes[M].London： Methuen and Co Ltd，1954： 57.

[17]CABREJOS F J,KLINZING G E.Pickup and saltation mechanisms of solid particles in horizontal pneumatic transport[J].Powder Technology,1994,79(2)： 173-186.

[18]CABREJOS F,KLINZING G E.Incipient motion of solid particles in horizontal pneumatic conveying[J].Powder Technology,1992,72(1)： 51-61.

[19]CABREJOS F J,KLINZING G E.Minimum conveying velocity in horizontal pneumatic transport and the pickup and saltation mechanisms of solid particles[J].Bulk Solids Handling,1994,14(3)： 541-550.

[20]HAYDEN K S,PARK K,CURTIS J S.Effect of particle characteristics on particle pickup velocity[J].Powder Technology,2003,131(1)： 7-14.

[21]KALMAN H,SATRAN A,Meir D,et al.Pickup (critical) velocity of particles[J].Powder Technology,2005,160(2)： 103-113.

[22]GOMES L M,MESQUITA L A A.Effect of particle size and sphericity on the pickup velocity in horizontal pneumatic conveying[J].Chemical Engineering Science,2013,104(50)： 780-789.

[23]ANANTHARAMAN A,Wu Xin,HADINOTO K,et al.Impact of continuous particle size distribution width and particle sphericity on minimum pickup velocity in gas-solid pneumatic conveying[J].Chemical Engineering Science,2015,130(7)： 92-100.

[24]李战军，郑炳旭.尘粒起动机理的初步研究[J].爆破，2003，20(4)： 17-19，23.

[25]JOO-HYON K,STENSTROM M K.Evaluation of street sweeping effectiveness as a stormwater management practice using statistical power analysis[J].Water Science & Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research,2008,57(9)： 1309-1315.

[26]CHANG Yumin,CHOU Chinhmei,SU Kuotung,et al.Effectiveness of street sweeping and washing for controlling ambient TSP[J].Atmospheric Environment,2005,39(10)： 1891-1902.

[27]陈忠基,吴晓元,徐广普,等.路面清扫车吸嘴装置的实验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2001,29(12)： 1483-1485.

[28]徐云，李欣峰，肖田元，等.计算流体力学在清扫车仿真分析中的应用研究[J].系统仿真学报，2004，16(2)： 270-273.

[29]曾广银，李欣峰，肖田元，等.公路清扫车吸尘系统仿真分析[J].系统仿真学报，2004，16(12)： 2770-2773.

[30]欧阳智江，章易程，贾光辉，等.卷边吸尘口流场特性研究[J].机械科学与技术，2013，32(3)： 362-366.

[31]姜兆文，成凯，耿宇明.吸扫式扫路车吸嘴流场性能分析[J].专用汽车，2012(6)： 92-94，97.

[32]朱伏龙.基于吸尘性能的吸尘口结构研究与流场分析[D].上海： 上海交通大学，2008.

[33]WU Bofu.MEN Jinlai,CHEN Jie.Numerical study on particle removal performance of pickup head for a street vacuum sweeper[J].Powder Technology,2010,200(1)： 16-24.

[34]HAIDER A,LEVENSPIEL O.Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles[J].Powder Technology,1989,58(1)： 63-70.

[35]STRAUSER D P,FIELD R E.Street sweeper pick-up head： United States,5839157[P].1998-11-24.

[36]JAJKO R A,JULIEN O M.Dirt deflector for cleaning heads： United States,4807327[P].1989-02-28.

[37]袁丹红.扫路车吸嘴结构的改进[J].专用汽车，2006(3)： 34-35.

[38]杨春朝，章易程，欧阳智江，等.基于流场模拟的真空清扫车吸尘口的参数设计[J].中南大学学报(自然科学版)，2012，43(9)： 3704-3709.

文献标识码A

中图分类号U 418.3

文章编号2095 - 0020(2016)01 -0001 - 06

作者简介：黄兴华(1962-)，男，教授级高工，主要研究方向为环境装备，E-mail： huangxh@sdju.edu.cn

基金项目：上海市科委科技创新行动计划项目资助(12231202500)

收稿日期：2015 - 12 - 12