绿篱枝条粉碎吸嘴装置设计与试验

吴　威, 刘　洋, 吴志立

绿篱枝条粉碎吸嘴装置设计与试验

吴威1,2, 刘洋2, 吴志立1*

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.长沙普罗科环境装备有限责任公司，湖南 长沙 410128)

城市道路上，越来越多的绿篱植物在装点城市，修剪下的绿篱枝条的收集与清理已成为一个主要环境问题。通过在扫路车吸嘴部件上增加粉碎功能，经过刀组设计、功率计算、线速度计算、主轴尺寸等计算，设计并试验了一种具有“绿篱枝条粉碎功能”的吸嘴装置，可以实现绿篱植物粉碎与收集同步，大幅提高了清扫工作效率。

绿篱枝条；粉碎；吸嘴；扫路车

目前，随着改革开放不断深入，我国不少城市开始借鉴深圳等城市的建设经验，在城市园林绿化上加大了投入，城市绿化较以前有了很大的提升。随着城市绿化的逐步推进，城市园林绿化的专用工具和设备也要紧跟发展的需求。目前我国在园林绿化操作中还是以人工为主，少量的工具和设备为辅。由于我国人口老龄化情况越来越严重，所以相关从业人员需要未雨绸缪，加强对相关园林绿化专用工具和设备的研究与设计，以应对将来可能出现的劳动人口不足的问题。

目前在园林绿化的养护过程中，对道路隔离带和路侧的绿篱植物的修剪基本以人工修剪、人工收集为主。工作人员在将绿篱枝条进行合适的修剪后，用勾耙将断枝勾出绿篱范围，再用竹扫把将枝条清扫成堆，采用人工上料方式将断枝收集到平板车辆上，统一运往垃圾处理厂或者填埋堆场进行处理。这会存在两方面问题：一方面人工作业效率不高，且成本居高不下；另一方面是工作人员是在道路上进行相关作业，会存在交通安全隐患，如图1、2所示。

图1　勾耙收集断枝图

图2　清扫和收运断枝

目前市场上已经有了较多针对修剪绿篱的机械设备，但是却鲜有企业研发针对断枝的收集和收运的机械设备[1,2]。随着我国人口老龄化现象越来越严重，适合从事城市绿化环卫的劳动力将会越来越少，为了解决这一问题，笔者针对散落绿篱枝条的后处理问题，研发一种带粉碎功能的绿篱枝条清扫车专用吸嘴装置。该型装置的应用能大大减轻绿化环卫工人劳动强度，节省城市绿化的人力成本。现有道路清扫用的扫路车工作原理为：用副发动机驱动风机在垃圾箱内产生负压，通过负压产生的吸力吸拾由清扫机构清扫到吸嘴附近的垃圾。扫路车吸嘴部件一般专门针对清扫烟头、泥沙等进行设计，吸嘴前部有密封的橡胶板，吸嘴软管直径一般在200mm以内，如图3、图4所示。而像绿篱枝条等长度超长的物料则无法被吸入吸嘴内腔，也容易造成吸管堵塞。

图4　吸嘴内腔

市面上已经有了用于秋季道路落叶的收集和粉碎相关设备，该型设备是专门针对清扫干燥的落叶，采用“矩形锤片”高速击打落叶，实现落叶的粉碎，如图5所示[3]。由于绿篱枝条为新鲜的枝条，有一定的韧性和一定的含水量，采用锤片方式无法实现粉碎。因此，绿篱枝条需要先被裁减成大小合适的尺寸才能被吸嘴吸拾，另外需考虑增加橡胶板的开闭功能，以满足道路清扫和绿篱枝条收集这两种作业需求。

图5　落叶吸嘴实物

1　绿篱枝条粉碎吸嘴装置的方案设计

液压马达输出轴直接联接到主轴上，主轴由两组轴承座固定在吸嘴体上，动刀组固定在主轴上，定刀组固定在吸嘴上。由液压马达驱动的动刀组与定刀组形成“铡刀”效果，对新鲜枝条进行切割粉碎。由于绿篱枝条一般散落在道路沿侧，车辆靠右行驶，将粉碎刀组布置在吸嘴的右侧，便于吸拾和粉碎绿篱枝条。液压马达直接驱动主轴由后向前高速旋转，动刀组不断与定刀组形成“铡刀”，将地面的绿篱枝条切断并粉碎，再由后部吸管内的负压气流将粉碎的枝条碎片吸走。具体方案如图6、7所示。

图6　车辆布置俯视图

2　绿篱枝条粉碎吸嘴装置重要零部件设计

2.1　刀组设计

刀具的使用寿命主要由刀具的材质决定，不同材质刀具的力学性能有所不同，其强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性都对粉碎效果的好坏有所影响。粉碎效果越好的刀具，其能耗低，刀具磨损率低、工作寿命长[3-4]。笔者通过调查市面现有的粉碎机刀具，选择了成本较低且使用最为广泛的两种材质刀具，分别为：SKD11材质与W6材质，牌号分别为Cr12Mo1V与W6Mo5Cr4V2。本设计选取刀片Cr12Mo1V材质。

刀具刃角对切削力的大小、切削环境的好坏以及进料效果都有着直接的影响，对于短刀盘式削片机刀具刃角，其取值范围一般在30°～40°内，本机取值为30°。

2.2　功率

通过查阅相关文献[5-8]，参考国内现有一些学者所推导出的树枝粉碎机功率计算公式，可得：

切削机构所需功率N𝑝(kW)：

式中：

P——单位长度切削力，N/mm;

S——切刀实际切削原料的截面积，mm2;

𝛼1——进料口垂直倾角；

𝛼2——进料口水平倾角；

n——刀盘转速，r/min；

z——切刀数目；

𝐾𝑑——动荷系数，𝐾𝑑=1.11～1.30，取值1.3。

针对绿篱树枝，参考相关文献[9,10]，对比其它树种单位长度切削阻力，单位长度切削力P取值为15N/mm，转速n=1200r/min，最大切削直径按照30mm计算可得出切刀实际切削面积S，飞刀数z=10，𝛼1=𝛼2=45°，代入式中，得到切削机构功率𝑁𝑝=4.79kW，考虑到实际切割绿篱枝条粗细不均，且有石块等杂物，安全系数选2，取整后功率配额给为10kW。

2.3　线速度

刀片线速度的大小对粉碎机的生产率和能耗都有较大影响。速度太低会降低刀片打击力，无法粉碎物料；速度太高，粉碎时空转时间太多，增加能耗，其具体计算公式如下：

式中：𝑣0——刀片末端线速度(m/s)；

n——转子转速(r/min)；

D——转子直径(mm)。

转速n=1200r/min，D=180mm，代入公式，得到线速度为11.3m/s。

2.4　主轴尺寸设计

主轴是承载切削装置、粉碎装置以及传递动力的主要零件[11]。为满足主轴上相关部件的正确定位、固定、安装、配合等要求，需要对主轴的结构及尺寸进行科学的分析及计算；主轴的工作能力计算通常是指对主轴进行强度、刚度以及振动稳定性等方面的计算。

根据扭转强度估算主轴的最小直径，公式如下：

式中：

d——为轴的直径(mm)；

[τ]——为轴材料的许用切应力(MPa)；

P——为轴所传递的功率(kW)；

n——为轴的转速(r/min)；

C——为与轴材料相关的系数。

轴的材料选择为45钢，查阅机械设计手册可得：C取值范围为126～103，本设计机型选择C=120，根据最大驱动功率P=10kW，转速n=1200r/min，得到主轴最小直径为24mm的结果，考虑到主轴上传动及零部件的配合，且设计的实际值应大于计算值，故本设计的主轴最小直径数值取50mm。根据主轴上各部件尺寸，初步设计主轴如图8所示。

图8　主轴结构示意图

3　绿篱枝条粉碎吸嘴装置粉碎试验

3.1　试验目的

(1)对绿篱枝条粉碎吸嘴装置的实际粉碎效果进行评价。

(2)对安装绿篱枝条粉碎吸嘴装置的吸拾力进行测量。

3.2　试验器材

(1)扫路车一台，型号5182TSLE5-H2Z004。

(2)噪声仪、负压仪、卷尺等。

3.3　试验依据

GB/T 12534汽车道路试验方法通则、QC/T 51《扫路车》、JB/T 7303《路面清扫车》。

3.4　试验步骤

(1)准备试验材料，用园林剪刀剪取绿篱枝条，用垃圾桶装好。

(2)准备试验仪器及设备，将安装有绿篱粉碎吸嘴装置的扫路车调试到位，在平坦的路面上进行测试，如图9所示。

图9　绿篱枝条粉碎吸嘴装置粉碎试验现场图片

3.5　试验结果

试验前的绿篱枝条，外形尺寸为300×300× 200mm的黄天竹枝条，枝叶有韧性，平铺在平整道路上，经过具有粉碎功能的吸嘴粉碎和吸拾后，将垃圾箱内的枝条倒出，枝叶基本在100mm以下(见表1)，且没有造成吸管堵塞，如图10所示。

按照扫路车负压测试方案，采用负压仪器测量吸管处的工作负压值(见表2)，负压值满足扫路车道路清扫所需；测量吸管处作业噪音(见表3)，噪音表现合格，扫路车作业时不会造成噪音污染。

表1　绿篱枝条粉碎吸嘴装置粉碎试验噪声测量数据

表2　风机负压水柱数据

表3　树叶粉碎数据

图10　绿篱枝条粉碎后的枝条尺寸

4　结论

针对绿篱枝条的收集问题，设计并制造具有粉碎功能的吸嘴部件，并安装到扫路车上进行试验，验证了粉碎功能与收集功能，为园林养护过程中的绿篱枝条收集提供了一种新的思路和方法。方案通过在吸嘴上安装液压马达驱动的“铡刀”组粉碎机构，可以实现绿篱植物粉碎与收集同步，大幅提高了清扫工作效率。

[1] 刘志凯,何庆,林春杰.小型秸秆粉碎机的研究与设计[J/OL].木材加工机械,2019,4:1-3.

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[8] 陈小刚.浅谈粉碎机刀具使用寿命的改进[J].化工管理, 2019(8):95-96.

[9] 付敏.木质生物质粉碎及规模化制粉机械设计及理论研究[D].东北林业大学,2010.

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[11] 东北林学院主编.林木机械(木材生产切削机械)[M].北京:中国林业出版社,1981.

Design and test of the suction nozzle for shredding hedgerow branches

WU Wei1,2, LIU Yang2, WU Zhili1*

(1.College of mechanical and electrical engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China;2.Changsha Proco Environmental Equipment Co. Ltd, Changsha, Hunan 410128, China)

More and more hedgerow plants have been used to decorate the city, and the collection and cleaning of the pruning hedgerow branches had become a major environmental problem. In this paper, the crushing function is added to the suction nozzle parts of the road sweeper. After the design of knife set, power calculation, linear velocity calculation, spindle size calculation and so on, a suction nozzle device with "hedge branch crushing function" is designed and tested, which realizes the synchronization of hedge plant crushing and collection, and greatly improves the cleaning efficiency.

shredding hedgerow branches; suction nozzle; road sweeper

TH69

A

2096–8736(2021)03–0005–06

吴威(1985年—)，男，湖南长沙人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为环卫车整车设计。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军