张更娥 丁源 吴建霞

摘要：随着城市化水平的不断提高，我国城市垃圾箱数量不断增长，对城市美化的要求也越来越严格，从而大大加剧了环卫工人的工作量。针对城市中垃圾箱的清洗问题，为了减少环卫工人的作业量，提高其工作效率，因此设计了一种垃圾箱清洗装置。本论文主要设计了一种电力驱动城市垃圾清洗自行车装置。该装置安装在环卫车尾部上，主要进行三个方面的设计。第一对齿轮齿条进行设计，其主要是将垃圾箱在垂直方向上运动。第二对丝杠螺母进行设计，从而使毛刷在刷洗时可以进行前后左右的运动。第三对废水集装箱进行设计，对使用过的污水进行收集并加以使用。通过齿轮齿条、丝杠螺母以及废水集装箱的配合使用，从而实现快速清洗垃圾箱的功能。本设计既可降低城市环卫工作者的劳动强度，而且还可以提高效率，节约用水，从而对美化城市具有重要的意义。

关键词：垃圾箱清洗装置;齿轮齿条机构;丝杠螺母;废水集装箱

随着社会现代化的进步，生活水平和国民消费水平快速提高，我国城市垃圾箱数量不断增长，国民素质不断提高，对城市美化的要求也越来越严格。由此引发了对城市固定式垃圾箱清洗的重视。靠传统的方法浪费时间，浪费人力，因此，设计一种电力驱动城市垃圾清洗自行车装置，该装置可以降低城市环卫工作者的劳动强度和提高工作效率，节约用水，从而美化城市。为此本设计以垃圾箱的内部清洗自行车为设计目标，基于三维CAD设计一种电力驱动垃圾箱清洗自行车装置[1]。

1 清洗系统的总设计方案

清洗系统的整体设计方案。清洗系统主要由垃圾箱夹持系统、刷洗系统和水循环系统三大部分组成。系统安装于台架之上，系统之间协调配合，达到清洗的目的。

2 垃圾箱夹持系统

2.1 垃圾箱夹持系统的作用与组成

夹紧机构主要目的是为了固定住垃圾箱，以便清洗时，垃圾箱不会因为晃动而没有清洗到垃圾箱，其中夹紧机构主要由承物台、夹紧手柄、夹紧螺栓、夹紧板、夹紧螺栓支座、移动板、滑轨、齿轮齿条机构以及电机组成。

2.2 垂直运动机构

垂直运动机构主要由角钢、移动板、滑轨、齿轮齿条、电动机、蓄电池组成，其主要作用是对垃圾箱进行垂直运动。垂直运动采用齿轮齿条式传动方式[3]。由齿轮齿条传动带动滑轨的移动和自锁。电动机驱动齿轮齿条工作，电动机底座与角钢之间采用螺栓固定，电动机输出轴与齿轮轴采用普通平键相连接。

2.3 齿轮齿条的设计计算

齿轮齿条的传动方式采用圆柱直齿轮的传动形式，齿顶高系数h*a=1，顶隙系数c*=0.25。为保证齿轮齿条正确啮合，根据《机械设计手册》，选择模数m为2，标准压力角α=20°的齿轮。齿轮齿条对称布置，圆柱齿轮齿宽系数φd取1。

2.3.1 齿轮的选用以及计算

齿轮的工作条件需要较好的耐磨性，齿轮材料选用40Cr调质处理，齿面硬度为280HBS，齿数z1为20。根据《机械设计手册》中的公式求出齿轮的齿顶圆直径、齿根圆直径、齿槽宽、齿厚、分度圆直径、齿宽。如下表1所示：

2.3.2 齿条的选用

齿条的工作条件需要较好的韧性及强度，故选择其材料为45号钢调质处理，齿面硬度为240HBS，齿条的有效长度应大于齿轮的分度圆直径的周长，设计时，初步选定齿条的有效长度为350mm，其齿数z2选择为28，为了能与齿轮相互配合，因此其模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数、齿宽系数应相等。

2.3.3 齿轮轴与导向平键选用

齿轮轴与电动机输出轴采用导向平键的方式连接。初步选择齿轮的材料为45号钢，经调质处理，齿轮轴的直徑采用45号钢，其中其许用扭转切应力取为30MPa。选定轴的直径为8mm。根据齿轮轴和电动机输出轴的直径选定键为b×h=3×3，采用圆头平键，键的长度选用L=10，则其许用压力为40MPa。

2.4 齿轮齿条设计整体图

如下图1所示：

3 刷洗系统的设计

3.1 刷洗系统的作用与组成

刷洗机构主要是由型号为AM57BL180L4的普通微型无刷电动机、定向轮、滑轨、载物铁板、滚筒毛刷以及丝杠螺母副等组成，它的主要作用是擦拭垃圾箱，将残留在垃圾箱上的污渍擦拭掉。

3.2 定向轮与滑轨

为了保持丝杠螺母副在运动时不会脱离其本移动方向，因此设计定向轮与滑轨，使其相互配合达到预期定向不偏离方向效果。定向轮采用4寸尼龙脚轮，它可以支撑125kg，其轮体宽度为27mm，滑轨的轨宽为28mm，定向轮可以采用螺栓连接。

3.3 滚筒毛刷

为了更好地清洗垃圾箱上的残留物，因此采用尼龙工业毛刷辊滚筒毛刷，其耐磨性好且清洗方便。滚筒毛的驱动力可以通过电动机的转动，从而驱动滚筒毛刷，电机轴与滚筒毛刷轴采用联轴器连接。

3.4 丝杠螺母副

设计时，初步选择电机为普通微型无刷电动机，其型号为AM57BL180L4，额定功率为180W，额定转速为4000rpm，其扭矩为429.75N·m。

丝杠选用调质处理后的45号钢，螺母采用具有耐磨性的锡青铜ZQSn101，设计驱动力主要是考虑由载物铁板的自重以及承载物的最大总重力，总计为F=15000N，最大推力为15000N。丝杠采用梯形单头螺纹，螺距p=6mm，移动速度约在0.2m/s左右，取其速度可为0.2m/s，许用压力[P]取15MPa，由于螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，为使其受力均匀，因此取Ψ=2，选取d2=29mm。

根据国家相对应的参数，选取T32×67的螺杆，其主要参数如下表2：

3.5 丝杠螺母副设计整体图

如下图2所示：

4 水循环系统

水循环系统的作用与组成。水循环系统主要是由喷水系统和废水循环两大系统组成，喷水系统主要是由水泵、电机、导水管、喷头、以及开关组成，而废水循环系统则是由废水集装箱、过滤网、水泵以及导流分管组成，其主要的功能是提供水资源以及废水循环利用，清洗垃圾箱时需要水将垃圾箱打湿，便于冲洗。

5 结语

（1）本设计将变量柱塞泵、开关阀门、喷头、废水集装箱等的配合使用，合理利用装置的设计，对水资源进行充分考虑，同时确保了水资源得到有效的利用，达到了节能的效果。

（2）电动驱动城市垃圾箱清洗自行车装置采用人机电配合使用的方式，通过人工对电动进行控制，从而带动机械传动，实现人—机—电一体化的功能，从而实现环境保护的标准。

（3）垃圾箱清洗自行车装置将在现有的环卫车车尾进行加装，并将安装在环卫车车尾后。节省了生产成本，合理并有效地利用现有资源，从而实现经济的最大化，有效避免资源浪费以及资源滥用的现象发生。

（4）电力驱动城市垃圾箱清洗自行车装置与人工清洗方式相比，该装置大大节省了水资源，清洗速度快、效率高，而且清洁净化程度高。

参考文献：

[1]张云杰，等.AutoCAD2014中文版机械设计教程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]朱国权.螺栓联接质量在整车装配中的分析研究与应用[D].上海交通大学，2011.

[3]王龙庭，徐兴平，徐长航，等.自升式钻井平台悬臂梁齿轮齿条驱动系统设计[J].机械制造，2015，53（3）：1822.

[4]翟志恒，葛正浩，张凯凯，等.丝杠螺母驱动平行四杆升降机构的设计与分析[J].陕西科技大学学报，2012，30（1）：3639.

[5]陈烨妍.精密滚珠丝杠副可靠性试验方法研究及试验装置设计[D].南京理工大学，2014.

[6]周全，史田星，王景石，等.节水型城市垃圾桶自动清洗装置设计[J].绿色科技，2016（6）：199201.

基金项目：本文南宁学院教学团队基金项目（智能设计及制作创新创业教学团队2017XJJXTD02），南宁学院示范课程项目（汽车电器2017BKSFKC04）

作者简介：张更娥（1978—），女，汉族，山东青岛人，硕士研究生，毕业于广西大学农业机械化工程专业，现任南宁学院交通学院副教授，主要研究方向为机械工程;丁源（2000—），女，汉族，山东青岛人，现就读于上海海事大学电器自动化专业;吴建霞（1996—），女，汉族，广西贺州人，现就读于南寧学院交通运输专业。