韩雪松，李锡庆，陆美文

（1.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023；2.南宁南机环保科技有限公司，广西 南宁 530003）

0 引言

随着我国经济的快速发展以及城镇化进程的不断加快，城市和城镇面积数倍增加，人力成本也在不断地提高，依靠人力完成庞大的城镇道路和集市的清扫工作已不大现实，城镇的环卫工作也从人力清扫为主转变为以扫路车、扫地机等机械化清扫为主[1]。

对于集路面清扫、垃圾收集和运输为一体的扫路车来说，盘刷是影响其清洁性能的关键部件，也是扫路车作业时易耗损的部件，它通常在连续工作十余个工作日后就需要更换[2]。影响盘刷清扫效果及磨损速度的因素很多，其中盘刷的触地压力是一个重要因素。传统扫地机的盘刷与车身之间通常采用刚性连接，工人可通过丝杆调节机构调整盘刷与路面的间距，实现触地压力调整。在清扫作业过程中，刚性连接方式不能让盘刷跟随路面起伏进行自由上下浮动，因此盘刷的触地压力会受到工作地形的影响。当遇到凸起路面时，盘刷触地压力增大，引起盘刷过度磨损；在遇到凹陷路面时，盘刷触地压力减小，造成垃圾遗漏。

1 常见的盘刷触地压力自动调整方案

为了解决盘刷刚性连接带来的弊端，众多工程技术人员进行了大量的研究。长沙中联重科环境产业有限公司的刘如意等[1]提出了盘刷自适应、提升及锁紧的气动方案，利用气动减压溢流阀、诱导止回阀和抱紧气缸等气动元件，通过气动系统的3 个回路能够有效实现盘刷的自适应、提升和锁紧功能。中国重汽集团青岛重工有限公司的任浩[2]提出的盘刷自适应调节触地压力系统包括气缸、盘刷支撑结构、连杆机构，利用括梭阀、锁止阀、电磁换向阀、减压阀组成的盘刷触地压力控制系统自动调节盘刷与路面的间距，使盘刷触地压力保持恒定。陕西汽车控股集团有限公司技术中心的郭佳鹏等[3]把常规结构的盘刷离地高度调节叉以电动执行器进行替换，配以盘刷触地压力检测传感器反馈出盘刷离地高度，通过程序来自动控制带有电动推杆的调节装置的伸缩量，使盘刷的离地高度始终处于优良状态。长沙福田汽车科技有限公司的程小建等[4]在分析清扫机构重力、提升油缸推力及盘刷触地压力的基础上，从力平衡角度，提出一种盘刷升降控制系统，通过控制提升油缸推力，间接实现盘刷触地压力的恒定和触地深度自适应调节。以上学者使用压力传感器直接或间接测量盘刷触地压力，压力控制系统通过气缸、液压缸或电动推杆驱动盘刷升降，使盘刷触地压力保持恒定。

2 盘刷触地压力自适应调整装置设计方案

上述盘刷触地压力调节系统包含众多的液压、气动控制元件，结构复杂且制造成本较高。路面状况通常不是理想的水平状态，总会一定程度高低不平，从而导致地面作用在油缸或气缸轴向上的力的角度或大小或有很大变化，进一步的导致原本设定好的油缸或气缸内腔压力不具有准确参考价值，最终无法准确适时调整扫盘刷与地面有合理的接地压力[5]。为此，笔者设计了一套纯机械式的盘刷触地压力自适应调整装置，通过在盘刷底部设置万向轮，让盘刷与路面的间距保持不变，从而使盘刷与地面的压力保持恒定。

2.1 总体设计方案

盘刷触地压力自适应调整装置的总体设计方案如图1 所示。将万向轮安装在盘刷底部，且万向轮的纵向旋转轴线与盘刷旋转轴线同轴布置。刷臂的一端连接盘刷驱动装置，另一端与车身铰接；液压缸活塞杆通过链条连接刷臂。当需要抬起盘刷时，液压缸活塞杆缩回缸体，驱动刷臂抬起，从而带动盘刷离开路面；需要放下盘刷时，液压缸活塞伸出，刷臂下降，直到万向轮与路面接触。在扫地机清扫作业过程中，万向轮始终紧密接触路面；链条的作用是让刷臂与车身进行浮动连接，在遇到起伏不平的路况时盘刷能跟随地形上下移动，使盘刷与路面的接触压力保持恒定。

图1 总体设计方案

2.2 受力分析

盘刷在工作时，垂直方向上受到3 个力影响，它的受力情况如下：

（1）盘刷受到的路面支撑力F1，方向朝上；

（2）万向轮受到的路面支撑力F2，方向朝上；

（3）盘刷装置的自重G，方向朝下；

（4）盘刷工作时，3 个力达到平衡状态，F1+F2=G

由于在工作时，盘刷装置自重G始终大于盘刷受到的路面支撑力F1，因此万向轮将始终与路面接触，使盘刷装置与路面的间距保持不变，从而盘刷与路面的接触压力将保持恒定。

3 盘刷驱动装置结构设计

3.1 设计技术要求

盘刷驱动装置要解决两个主要问题：（1）万向轮纵向旋转轴与盘刷旋转轴同轴，但万向轮不能跟随盘刷旋转；（2）万向轮可以沿其纵向轴线进行上下调节，用于调整盘刷触地压力。针对这两个问题对盘刷驱动装置进行创新设计。图2 为盘刷驱动装置的装配图，图3 为盘刷驱动装置的局部放大图。

图2 盘刷驱动装置装配图

图3 盘刷驱动装置局部放大图

3.2 盘刷旋转驱动机构设计

轴承座的上端连接电机安装板，下端连接刷臂连接件，三者共同构成盘刷驱动装置的机架。轴承座内安装有两个滚动轴承，盘刷驱动轴与轴承内圈配合，因此盘刷驱动轴能相对轴承座转动。如图4 所示，盘刷驱动轴为管状结构，该结构能让万向轮安装轴从其中心穿过，实现两者同轴设置且不产生运动干涉。盘刷驱动轴外壁设有上下两个键槽，下端设有螺纹。从动同步带轮套在盘刷驱动轴上，上下设有隔套进行限位，同步带轮和盘刷驱动轴通过平键连接的方式传递转矩。盘刷安装法兰套在盘刷驱动轴的下端，上方设有隔套进行限位，盘刷安装法兰和盘刷驱动轴通过平键连接的方式传递转矩。盘刷安装在盘刷安装法兰上，用螺钉紧固锁。紧螺母设置在盘刷驱动轴的下端，用于预紧各个套在盘刷驱动轴上的零件。

图4 盘刷驱动轴

3.3 万向轮安装轴调节机构设计

减速电机安装在电机安装板上，主动同步带轮与电机轴通过平键连接的方式传递转矩，同时用螺钉锁紧防止带轮松脱；主动同步带轮与从动同步带轮用同步皮带连接。螺纹套安装在电机安装板的上方，用螺钉紧固；上盖安装在螺纹套的上端面，用螺钉紧固。万向轮安装轴的上端旋入螺纹套内部的螺纹孔中；防松螺钉穿过上盖中部的通孔，旋入万向轮安装轴上端的螺纹孔中，起到预紧万向轮安装轴，防止其转动的作用。万向轮安装轴和盘刷驱动轴的内孔间设置有滚动轴承，起到辅助支撑作用，增强万向轮安装轴的结构稳定性。万向轮上部的安装螺钉与万向轮安装轴下端的螺纹孔连接，并用螺母锁紧。

3.4 盘刷驱动装置工作过程

盘刷驱动装置工作过程如下：减速电机通过同步皮带传动带动盘刷驱动轴旋转，从而带动盘刷旋转，实现刷扫功能。万向轮安装轴从中心穿过盘刷驱动轴的中孔，其上端受到螺纹套固定，因此使万向轮安装轴不随盘刷驱动轴旋转。通过手动旋转万向轮安装轴，使其相对螺纹套做轴向移动，可以调节万向轮的安装高度，从而调整盘刷的触地压力。

3.5 运动仿真

来自SiemensPLM 的UG 软件具有强大的产品设计应用模块，具有高性能的机械设计和制图功能，为机械产品的设计提供了高效率的设计工具，满足设计复杂产品的需要。UG 以数字化的方式仿真、在产品研制中运用数字化仿真确认和优化产品结构，能减少或消除昂贵耗时的物理样机制造和验证。

在本装置设计过程中，首先使用UG NX10.0 软件进行零件三维实体建模和装配，如图5 所示，然后在UG 的运动仿真模块中设置个零部件的运动属性并进行仿真运动，分析各部件运动轨迹，及时纠正设计过程中出现的干涉问题并优化设计方案。

图5 三维模型

4 样机制造与测试

根据设计的零件图，加工出盘刷驱动装置的各个零件，然后根据装配图进行整机组装和调试，样机实物如图6 所示。本装置已经在南宁南机环保科技有限公司生产NJ-D3GS1700 型纯电动扫地机上进行清扫试验，确认了盘刷触地压力自适应调整装置的可行性，实现了设计方案预期的所有功能。

图6 样机实物

5 结论

盘刷触地压力自适应调整装置的结构简洁、可靠性高，用纯机械的方式使盘刷在工作时能跟随路面的起伏自动上下移动，让盘刷的触地压力保持恒定。盘刷驱动装置将万向轮的纵向旋转轴线设置在盘刷中心位置，使盘刷能及时对路面的起伏做出反应，保持最优的清扫效果。本装置既能应用于纯电动扫地机，也能适用于大型环卫扫路车，对提高清扫率及减缓盘刷磨损具有实用价值。