新型沙滩清洁车的设计

2020-03-04

机械制造 2020年1期

武汉轻工大学机械工程学院武汉 430048

1 设计背景

风景秀丽的海滩是游客休闲旅游的理想场所,但杂物与游人遗弃的垃圾成为一道另类的“风景线”。为解决日益严峻的沙滩污染问题,相关部门每年都要投入大量人力、物力、财力,然而结果却不尽如人意[1-5]。

近年来,市场上出现了款式各异的沙滩清洁车,两款具有代表性的沙滩清洁车如图1所示[6-7]。手扶式沙滩清洁车利用转动的滚筒翻起沙与杂物,杂物经过振动筛网筛分至垃圾斗,振动筛网基于偏心连杆机构作往复运动。手扶式沙滩清洁车操作简单便捷,但需要专门人员步行操作,翻沙量较小,适用于翻起体积较小的杂物。首尾可分离式沙滩清洁车由四轮驱动的拖拉机牵引,利用滚动耙齿翻起沙与杂物,通过万向节传动、多排链式梳齿旋转,使沙滩上的垃圾经过振动筛网筛分,利用偏心连杆机构使振动筛网作往复运动,将垃圾收集到由液压控制的举升翻转垃圾斗中。首尾分离式沙滩清洁车由于耙齿的翻沙量较小,因此清理效率较低。

▲图1 沙滩清洁车

2 设计流程

基于上述分析,笔者创新设计了一款沙滩清洁车,其设计流程如图2所示[8-11]。

▲图2 新型沙滩清洁车设计流程

新型沙滩清洁车主要从以下方面解决原有产品存在的问题:

(1) 整车外观全封闭,工作时对外界造成的噪声影响较小;

(2) 采用履带行走机构,能应对不同地形的沙滩清理;

(3) 可翻起体积较大的杂物及调节翻沙深度,便于清洁埋在沙中的垃圾;

(4) 基于行星齿轮连杆机构的运动特性,筛网每周期筛沙次数较多,筛分效率较高;

(5) 可压缩垃圾,节省垃圾箱容积,增大垃圾收集量。

3 结构

新型沙滩清洁车外形如图3所示，结构如图4所示。

▲图3 新型沙滩清洁车外形

▲图4 新型沙滩清洁车结构

新型沙滩清洁车的工作步骤如下:由六叶弧形筛孔翻沙板旋转产生离心力,将沙与杂物抛送至隔板式筛孔传送带,隔板式筛孔传送带将沙与杂物运送至百叶式筛箱；百叶式筛箱包含三层百叶筛网；垃圾箱底板翻转，倾倒垃圾。

4 功能分析

4.1 翻沙和运输

针对种类繁多的沙滩杂物,设计了六叶弧形筛孔翻沙板和隔板式筛孔传送带，分别如图5、图6所示。可以通过调节在支架上的位置,改变挖沙深度。采用六叶弧形设计，可以增大挖沙量,提高挖沙效率。翻沙板上的筛孔可以对翻起的沙与杂物进行初次过滤。隔板式筛孔传送带可以防止体积稍大的垃圾，如饮料瓶、易拉罐等滑落。隔板与传送带上均有筛孔,可以对沙与杂物进行二次过滤。

▲图5 六叶弧形筛孔翻沙板▲图6 隔板式筛孔传送带

4.2 筛分

百叶式筛箱分为三层，如图7所示。为了保证沙滩清理工作的连续性,三层百叶筛板进行配合作业。沙和杂物先落到第一层百叶筛板,粗略筛分后第一层百叶筛板翻转,由第二层百叶筛板承接杂物。第二层百叶筛板采用行星齿轮连杆机构驱动,往复振动进行筛沙。筛分后第二层百叶筛板翻转,杂物落入第三层百叶筛板。第三层百叶筛板的齿轮齿条连杆机构将垃圾压缩，并推送至垃圾箱。

▲图7 百叶式筛箱

每层百叶筛板由四块百叶片组成,百叶片上均布有筛孔。百叶片与转动轴连接,控制电机通过传动带带动安装在传动轴上的链轮转动,使百叶片翻转。

在普通曲柄滑块机构振动筛结构的基础上,基于行星齿轮连杆机构可实现较复杂运动规律和轨迹的特点,创新设计了行星齿轮连杆机构振动筛，如图8所示。

▲图8 行星齿轮连杆机构振动筛

行星齿轮连杆机构简化后的模型如图9所示，由单排内啮合行星轮系、连杆、滑块组成。在行星齿轮连杆机构中,连杆一端与滑块连接,另一端与行星齿轮轮毂上C点铰接。

▲图9 行星齿轮连杆机构简化模型

图9中，r1为大齿轮节圆半径,r2为行星齿轮节圆半径,连杆与行星齿轮在C点铰接,C点为大齿轮和行星齿轮的节点,B点为行星齿轮的圆心，B点、C点间的距离r3为行星齿轮的节圆半径r2,C点的轨迹为内摆线。若r3≠r2,则C点的轨迹为变幅内摆线,根据不同的k=r1/r2和λ=r3/r2而有不同的曲线形状，k、λ为相关因数。

以下对行星齿轮连杆机构进行设计计算。由内摆线与变幅内摆线方程式,行星齿轮上C点的轨迹为：

(1)

式中：φ为连杆与X轴的夹角。

滑块上D点的位置xD为：

(2)

式中：l为连杆长度。

滑块上D点的位移s为：

s=r1+xC+l(cosγ-1)

(3)

γ=arcsin(yC/l)

(4)

xD=s-r1

(5)

应用VB.NET程序对行星齿轮连杆机构进行运动仿真,当k为3、5、10、15时，速度与加速度图像如图10所示，图10中左侧为速度曲线，右侧为加速度曲线。

根据上述公式,改变k和λ的数值,即可得到不同形式的变幅内摆线。设振动筛循环工作一次的时间为T。在T内,k固定时，λ取值越接近于0,铰接点C的运动轨迹越近似于圆;λ取值越接近于1,铰接点C的运动轨迹越近似于正k边形。在T内,λ固定，当k为3时,铰接点C的轨迹为正三角形,速度曲线和加速度曲线的峰谷有两组;当k为5时,铰接点C的轨迹为正五边形,速度曲线的峰谷有两组,加速度曲线的峰谷有四组;当k为10时,铰接点C的轨迹为正十边形,速度曲线的峰谷有两组,加速度曲线的峰谷有九组。依次类推发现,当k为自然数时,速度曲线的峰谷有两组,加速度曲线的峰谷有k-1组。

由此得出结论，在一个周期T内,速度曲线的峰谷组数是定值；k取值越大,加速度曲线的峰谷数量越多,加速度变化使速度大小、方向的变化频率越快,传递到滑块上的运动状态越复杂,即振动筛在一个行程内的往复运动次数越多,振动频率越快,行星齿轮连杆机构的筛分效率越高。

根据不同的筛分强度要求,通过改变连杆与行星齿轮铰接点C的位置,来改变k与λ的取值。行星齿轮具有多个位置不同的孔洞,调节连杆连接到行星齿轮相应孔洞,即可设置筛分强度。

普通筛分机构的筛箱壁多为平面,杂物在筛分机构内筛分的过程中,易碰撞筛箱壁,进而被甩出,影响清洁效率。对此，将平面筛箱壁改为曲面筛箱壁,杂物碰撞曲面箱壁后可折回筛板中,避免从筛箱中掉落,从而提高筛分效率。