沙滩垃圾清洁车的设计

0引言

我国沙滩上常见的垃圾主要有塑料类(占37.37%)、泡沫类(占35.67%)等废弃物^[1—2]。根据美国相关的数据表明,全球每日产生海滩垃圾3 700 t,香烟和塑料袋成为全球海洋环境的头号“杀手”^[3]。这些沙滩垃圾带来的污染已经给海岸带和近海生态系统造成了重大压力,对人类的生存和发展产生了严重影响^[4]。国内沙滩清洁车研发晚于国外,以理论研究和发明专利为主,市场上多为进口车。

目前,厦门威迪思汽车设计服务有限公司已成功研发两款清洁车,并完成了样机试制和试验^[5]。总的来说,我国未来需加强研究和技术投入,以提升沙滩垃圾清洁车产业的竞争力^[6]。

1 方案设计

本文设计的沙滩垃圾清洁车结构如图1所示。该车由垃圾拾取装置、垃圾输送装置、筛沙装置、垃圾 收集装置、行走装置组成,以此实现沙滩垃圾与沙子有效分离并将沙滩垃圾集中收集起来的功能。

这五个装置的设计思路如下:

1)行走装置。

根据沙滩的地形特点,选取履带式行走装置而不是轮胎式行走装置,因为履带式行走装置具有支撑面积大、接地比压小、凹陷小的优点,在沙滩上具有良好的通过性能。

2)垃圾拾取装置。

基于沙滩垃圾普遍存在于沙滩表面或略深于沙滩表面以及防止拾取过程中沙滩垃圾掉落的现象,本次设计的垃圾拾取装置为具有倾斜角的前铲式且两侧附有挡板的构造。

3)垃圾输送装置。

参考传送带的工作原理,进一步增加了前侧和两侧附有挡板的抬升板,以此实现沙滩垃圾的输送和防止掉落的功能。

4)筛沙装置。

参考水泥搅拌车的搅拌筒构造,其内部搅拌桨的螺旋式构造不仅能够起到输送的功能,且能够将沙子搅散。在此基础上,在滚筒的外圈设计了一定数量的较大孔径的筛孔。搅拌桨随滚筒的转动能将沙滩垃圾表面可能还附带的一些潮湿的沙子或已经和海水凝结成块状的沙子搅散,实现与沙滩垃圾充分的分离,最后经过较大孔径的筛孔筛除这些搅散的沙子。

5)垃圾收集装置。

设计了一个抽拉式可再次筛沙的垃圾收集装置,再次筛沙是为了避免在沙滩垃圾收集时还夹杂一些细沙,为了保障垃圾收集时能最大限度与沙子分离,利用四个凸轮带动箱体的四根轴使箱体上下运动,使得小筛孔状的箱体把剩下的细沙筛除。

2 同步带、同步轮的计算

2.1 垃圾输送装置的同步带、同步轮的计算

根据垃圾输送装置的结构布局和大概需要功率 ,并查阅网上相关的 电动机资料 ,挑选CH18—100—3~200三相异步电动机,其额定功率p=100W,转速为7~500 r/min。

1)计算设计功率Pd:

P_d=K_AP=0.15 kW(1)

式中:K_A为工况系数,假设垃圾输送装置每天工作8~ 10h,根据《机械设计手册》的工况系数表得K_A=1.5^[7]。

2)由电机选型得额定转速n为7~500 r/min,取n=200 r/min;又由上一步算出设计功率P_d=0.15 kW。 根据这两个数据查阅《机械设计手册》的模数制同步带选型图和圆弧齿同步带选型图得模数m=3 mm,带型节距P_b=3 mm也即圆弧齿同步带型为3M。

3)为实现传动加速,假设主动带轮的转速是从动同步轮的1/3,则可得传动比为i=1/3,因此主动带轮的转速n1=电机额定转速n=200 r/min,从动带轮转速也即小带轮转速n₂=600r/min。根据小带轮转速n₂=600 r/min以及圆弧齿同步带型为3M,查阅《机械设计手册》的小带轮最小齿数表可得Zmin=10。在带速和安装尺寸允许时,小带轮的齿数Z₂尽可能选用最大值,取小带轮齿数Z₂=14。根据假设的传动比可得大带轮齿数Z₁=42。

4)由大带轮齿数Z₁=42、小带轮齿数Z₂=14,查阅《机械设计手册》的圆弧齿带轮直径表得大带轮节圆直径d₁≈40.11 mm、小带轮节圆直径d₂≈13.37 mm。

5)计算同步带的带速V:

同步带的带速V在0.1~0.5 m/s,符合设计要求。

6)计算初定齿形带中心距a₀:

由0.7(d₁十d₂)<a₀<2(d₁+d₂)可得:

37.44<a₀<106.96 (3)

根据装置要求,选取齿形带中心距a₀=50 mm。

7)计算初定带的节线长度L_op:

8)计算实际中心距a:

式中:Lp为圆弧齿带节线长度,查阅《机械设计手册》的圆弧齿带的节线长度表,选取接近的圆弧齿带节线长度Lp=192 mm。

9)计算总结:

垃圾输送装置选用节线长度Lp=192 mm、中心距a=52.21mm的3M型圆弧齿同步带;大带轮节圆直径d₁=40. 11 mm、齿数Z₁=42 ,小带轮节圆直径d₂=13.37mm、齿数Z₂=14。

2.2 筛沙装置的同步带、同步轮的计算

根据工作环境为沙滩,筛沙装置的电动机防护等级应至少为IP54,以确保电动机在一定程度上防水、防尘和防腐蚀。根据筛沙装置的结构布局和大概需要功率,并查阅网上相关的电动机资料。筛沙装置 挑选6IK200GU—UFT/6GU75K三相异步电动机。

同理可计算得,筛沙装置选用节线长度Lp=750mm、中心距a=145.5 mm的3M型圆弧齿同步带;大带轮节圆直径d₁=68.75mm、齿数Z₁=72,小带轮节圆直径d₂=22.92 mm、齿数Z₂=24。

3主要零部件的仿真分析

3.1垃圾输送装置的垃圾抬升板有限元分析

垃圾输送装置的抬升板起到承载和运输沙滩垃圾的作用,其在传送带的运输过程中,受到的静应力能否符合安全标准,是确保该装置正常运行的关键。因此需要对其进行静应力分析并验证设计的可行性。

设垃圾输送装置的垃圾抬升板每次装有10 kg的沙和沙滩垃圾,取g=10 N/kg,则该抬升板受到的力为100 N的载荷。经查阅网上的资料,ABS PC具有重量轻、耐磨损、抗腐蚀等特点,而且制作成本相对较低,可以满足垃圾输送装置的垃圾抬升板具有足够的承载能力,以承受沙滩垃圾的重压的使用要求。通过有限元分析模拟垃圾抬升板实际工作状态,分析结果如图2所示。

由图2(a)得知,抬升板承受最大应力为1.796×107N/m2,最小应力为3.726×103N/m2。对比其材料弹性模量为2.41×109N/m2,垃圾输送装置的垃圾抬升板所受应力在安全范围之内;由图2(b)得知,抬升板在承受应力时的最大位移为1.092 mm,最小位移为1.000×10-30mm。抬升板作为垃圾输送装置的承重和运输装置,会产生微量位移,但位移的数值在设计要求范围内,不影响装置的运行。综上可得,该设计满足安全标准。

3.2垃圾收集装置凸轮的有限元分析

垃圾收集装置中,通过凸轮的转动带动垃圾收集装置上下移动,起到最后一次筛沙的作用。凸轮在该过程受到的静应力能否符合安全标准,是确保该装置正常运行的关键。

设垃圾收集装置有40 kg的沙和沙滩垃圾,由于该装置装有四个凸轮,取g=10 N/kg,则一个凸轮受到的力为100 N的载荷。经查阅网上的资料,退火不锈钢具有较好的耐腐蚀性和高强度,可以满足凸轮在沙滩等环境中的使用要求。通过有限元分析模拟凸轮实际工作状态,分析结果如图3所示。

由图3 (a)得知,凸轮承受最大应力为1.909 ×106N/m2,最小应力为5.540× 10⁴ N/m²。对比装置的 材料弹性模量为2.07×10¹¹N/m²,因此垃圾收集装置凸轮所受应力在安全范围之内;由图3(b)得知,垃圾收集装置凸轮在承受应力时的最大位移为4.707 ×10^-5mm,最小位移为1.000× 10^-30 mm。

凸轮作为垃圾收集装置的筛沙、承重装置,会产生微量位移,但位移的数值在设计要求范围内,不影响装置的运行。

综上可得,该设计满足安全标准。

4结束语

本文设计的沙滩垃圾清洁车采取履带式行走装 置,其垃圾拾取装置采用八叶式前铲翻沙板结构,垃圾输送装置则使用了挡板式传送带,随后通过滚筒式筛沙装置进行筛沙,最后垃圾收集装置采用筛孔式收集箱进行垃圾的最终收集并进一步筛除残留在沙滩垃圾的细沙。

为了更好地设计沙滩垃圾清洁车,本文使用Solidworks软件进行设计和虚拟装配。

由于垃圾输送装置和筛沙装置涉及带传动系统,为了降低电机的功率要求,进而降低电机所需成本,采取了小传动比实现加速的功能;为了使带传动系统更好地运行,查阅了带传动的相关资料,对于同步带和同步轮的选择为圆弧齿同步带和圆柱齿轮,并根据《机械设计手册》关于带传动的选型设计和垃圾输送装置、筛沙装置对应电机的功率,对于各自的圆弧齿同步带以及圆柱同步轮进行了相应的计算选型。

最后,本文利用solidworks软件中的simulation 插件对垃圾输送装置的抬升板和垃圾收集装置凸轮进行静态应力仿真分析,校核其强度和刚度,验证了结构设计的合理性和可靠性,符合安全标准。

[参考文献]

[1]孙畅.海洋垃圾污染问题的国际法规制:成就、缺失与前路[D].长春:吉林大学,2013.

[2]赵肖,綦世斌,廖岩,等.我国海滩垃圾污染现状及控制对策[J].环境科学研究,2016,29(10):1560-1566.

[3]全球海滩日垃圾3 700吨塑料袋成头号杀手[J].塑胶工业,2006(4):55.

[4]王红卫,王勇,刘中山.三亚集中清理整治沙滩环境[N].海南日报,2009-07-19(A02).

[5]胡振宇.沙滩清洁车前叉辅具设计与分析[D].厦门:厦门理工学院,2016.

[6]琚爱云.全液压沙滩清洁车的设计研究[D].洛阳:河南科技大学,2016.

[7]成大先.机械设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社, 2010.

2024年第14期第8篇