——以南机环保科技有限公司NJ-1800款扫地机为例
Structure Optimization and Intelligent Design of Scavenger Electric Sweeper：
Take Nanji Environmental Protection Technology Co., Ltd. NJ-1800 Sweeping Machine as an Example
刘娇娇 LIU Jiao-jiao；徐海枝 XU Hai-zhi
（南宁职业技术学院，南宁 530008）
（Nanning College for Vocational Technology，Nanning 530008，China）
摘要：以南宁南机环保科技有限公司NJ-D1800款扫地车为原型，在此基础上对其进行结构优化与智能化设计，使其具有自卸、GPS定位、视频监控、故障报警等功能，并能通过智能交通平台传送数据到各区环卫网站，实现扫地车的智能化运行与监控。
Abstract: Based on the prototype of NJ-D1800 sweeper of Nanning Nanji Environmental Protection Technology Co., Ltd., it is optimized and intelligent in structure design, so that it has the functions of unloading, GPS positioning, video monitoring, and fault warning, and can transfer data to the district sanitation website through the intelligent transportation platform to realize the intelligent operation and monitoring of the sweeping car.
关键词：扫地机；结构优化；智能化设计
Key words: sweeper；structural optimization；intelligent design
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0185-03
0 引言
小型扫地机是用于城市道路、公园、大型厂区等的主要清扫机械。可以实现道路的清扫、吸尘、喷水、垃圾收集等功能。随着“车联网”技术的深入发展，对扫地机的智能化要求逐渐增大，将传统小型扫地机与现代数字信息处理通讯相结合，在功能上赋予它更便捷、更高效的使用已渐成新趋势。而且，目前与南机环保科技公司NJ-D1800吸扫式电动扫地机同类、同级别的扫地机中，基本都采用人工清倒式集尘箱。现在已不能满足各地环卫部门的要求，由此，人工清倒式集尘箱也成为NJ-D1800吸扫式电动扫地机亟待解决的痛点问题。
目前，有关智能型小型扫地机的研究主要集中在对车身各部件功能的改进，赵丽等[1]通过设置边刷扬尘抽吸装置减少作业扬尘，增设扫刷磨损补偿装置降低边刷磨损速度。陈贵益等[2]在原有道路清扫功能基础上增加清除小雪功能，增加清扫车的适用性能。赵丕玉等[3]在扫地机中增加拖地、擦干以及遥控开关等功能，使扫地车功能更加多元化。从研究结果显示，这些研究并不能紧跟现“车联网”技术的发展，不能和现代交通大数据紧密相连，因此有必要针对一款扫地车，使其能够对道路情况、车身行走路线、周边环境等进行监控，来适应智慧城市的发展需求。
1 NJ-D1800吸扫式电动扫地机结构优化设计
1.1 集尘箱结构优化设计
NJ-D1800吸扫式电动扫地机原人工清倒式集尘箱采用Q235钢板焊接制成，在箱体后侧焊接有用钢管弯折成型的把手和标准件锁扣，最下部加工有销孔，外购的一对标准件轮子即通过销孔安装在集尘箱箱体上，如图1（a）所示。整个零部件的制作不需要模具，优化设计时无须考虑模具改造费用。集尘箱总成安装位置位于扫地机的后部，如图1（b）、（c）所示，集尘箱箱口支承于扫地机底盘横梁上，是集尘箱的主要支承部位，集尘箱后部则依靠二个锁扣，挂在吸扫总成主体后部。从图1（d）中可以直观地看出，安装在扫地机上的集尘箱总成，因为受吸扫机构的宽度限制，集尘箱两侧与底盘轮子支承机构有比较大的间距。
项目组通过UG设计软件，设计出多种不同机械结构的自卸式集尘箱，采用三维模型仿真模拟，对几种设计方案进行分析比较，最终，确定了自卸式集尘箱的优化设计技术方案，设计结果如图2所示。
自卸式集尘箱箱体形状和尺寸与原人工清倒式集尘箱基本相同，集尘箱箱口底板仍支承于扫地机底盘横梁上。不同的是箱体由箱底板、后挡板与两侧板焊接而成（原集尘箱底板由一块整板弯折而成），集尘箱自卸门则通过合页安装在箱体上，可绕着合页转轴向后翻转。箱体两侧安装有24V、行程为300mm的直线电动推杆，直线电动推杆前端通过销轴与自卸门弧形孔相连接，通过控制直线电动推杆的伸缩，实现自卸门的启闭。集尘箱垃圾清倒作业时，启动控制开关，电动推杆向前运动，推动自卸门绕着合页转轴向车后方翻转，打开集尘箱自卸门。由于集尘箱底部为倾斜结构，当自卸门开启时，垃圾在自身重力的作用下，沿着箱底板自行滑落，实现垃圾自卸的功能。为确保集尘箱内的垃圾能够在自身重力的作用下，全部沿着箱底板自行滑落，项目组经过多次试验，根据试验结果，优化设计了箱底板结构。
1.2 充电插座结构优化设计
NJ-D1800吸扫式电动扫地机在设计时，充电插座的设计不合理，没有考虑内侧二颗螺母的安装问题。根据南机环保科技公司提出的结构优化设计原则，项目组针对该问题进行分析研究。座椅制作材料为塑料，采用大型模具制造而成。如果座椅结构改变，就必须修改座椅的制造模具，需支出高昂的模具修造费。如若优化设计充电插座组件的结构，则所需的改造费用则低得多。
如图3（a）所示为原充电插座组件设计图。从图3（a）中可以直观地看出，原充电插座组件的安装孔设计为圆形光孔，从图2中可以看出，原安装螺母采用标准的六角螺母图。经分析研究，将充电插座组件的安装孔改良优化设计为方形光孔，如图3（b）所示，优化设计后的安装螺母采用带凸缘的特制方形螺母，如图4所示。螺母的方形体安装在充电插座的方形安装孔内，见图3（b）中“螺钉安装放大图”，拧紧或松开螺钉时，带凸缘的方形螺母无法随着螺钉的旋转而转动。由于螺母带有凸缘，拧紧螺钉时，凸缘将充电插座组件安装板夹紧在座椅板上。这样，安装人员只需用手将带凸缘的方形螺母装入充电插座安装方形孔中，并向外顶着螺母，另一只手从正面装入螺钉，完成4个螺钉的初安装后，即可释放顶着螺母的手，然后双手用螺丝批在正面上紧螺钉，此时，无需将扳手伸入座椅内腔固定螺母。
2 NJ-D1800吸扫式电动扫地机智能化设计
2.1 GPS车辆定位与监控系统
目前，我国大部分道路清扫作业仍然是作业人员操控扫地机，按照管理部门的规定进行某几条道路的清扫工作，监控调度部门无法及时了解和掌握扫地机的工作情况，更无法进行合理调度。
在清扫车上安装GPS车辆定位监控系统，监控系统可与街道、社区、小区监控连接。调度人员就能在监控调度室根据就近原则进行远程调度扫地车，做到随时了解和监控清扫车位置，以及向清扫车操作人员发出指令，实现在后方远程监控调度每台清扫车，确保清扫作业合理及时安排，同时针对道路突发污染也可调度离事发地最近的扫地车过去进行处置。实现清扫车的数字化管理，大大提高管理效率。
GPS车辆监控系统由三部分组成，即：车载主机、服务器和客户端。车载主机主要通过美国的全球卫星定位系统（GPS）来确定移动目标的位置，并通过移动通信网络和全球互联网将数据上传，服务器接收定位数据并存储，客户端通过全球互联网访问服务器提取地图和车辆定位信息为用户提供完善的服务。
安装在扫地机上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过移动运营商的GPRS网络发往监控中心。监控中心的服务器接收车载机发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。
2.2 定速行驶系统
为NJ-D1800吸扫式电动清扫机增设了定速行驶系统。定速行驶系统的作用是按作业人员所要求的速度闭合开关之后，无需脚踩电门踏板，即可自动地保持一定的车速，使清扫车以固定的速度行驶。
由于扫地机在街道上行驶的速度比较慢，行驶时扫地机变换车速的频率及范围都较少，正常情况下，都是以稳定的车速行驶。环卫工人每天操控扫地机清扫街道至少6小时，其右脚需长时控制（踩）电门，脚很容易感到疲劳。为此，在NJ-D1800吸扫式电动扫地机增设了定速行驶系统。扫地机定速行驶系统的作用是按作业人员所要求的速度闭合开关之后，无需脚踩电门踏板，即可自动地保持一定的车速，使扫地机以固定的速度行驶。
电动扫地机控制器是用来控制电机的启动、运行、进退、速度、停止等核心控制器件。NJ-D1800吸扫式电动扫地机如需增高定速行驶系统，只需将原控制器更换为支持定速功能的控制器即可。其控制原理是：根据扫地机轮轴的转速，捕捉转速脉冲信号提供给控制器，控制器根据脉冲信号的变化，控制扫地机行驶的速度。进入定速行驶状态后，控制器根据转速脉冲信号的变化，发出不定电压给电机，以维持轮轴的转速不变，使扫地机保持匀速行驶。目前，控制器已经是市场成熟的产品，支持定速功能的控制器，其价格约比普通控制器高100多元，企业可以根据用户对扫地机定速行驶的要求，在生产时灵活生产，安装不同的控制器。
2.3 视频监控系统
在清扫车安装视频监控系统，实时监控、了解区域环境，让清扫车从以前的巡逻式清扫向有目标的清扫转变，有效的提高了清扫车的工作效率和减少了扫地机能源的消耗以及减轻了工作人员的负担。
3 结语
①改良优化设计了自卸式集尘箱，通过安装于集尘箱两侧的直线电动推杆，实现控制自卸门的启闭，不仅解决了作业人员劳动强度大的问题，而且有效解决作业人员在清倒垃圾时扬尘，影响作业人员的身体健康等问题，提升了产品的自动化水平。
②改良优化设计了充电插座组件安装结构，在提高制造成本0.28元的情况下，为企业解决了大的装配生产问题，大幅度提高了生产效率，降低了装配工人的劳动强度。
③在扫地机上增加设计了GPS车辆定位监控系统，可以实现扫地机的数字化管理，大大提高环卫工作的管理效率。
④为扫地机设计了定速行驶系统，极大减轻了作业人员的劳动强度，同时减少了不必要的车速变化，节省电能。
参考文献：
[1]赵丽.道路清扫车工作装置结构的改进[J].机械工程与自动化，2015（3）：198-199.
[2]陈贵益，张洪军，厚荣斌，等.多功能道路清扫车的研制[J].2015（31）：34-37.
[3]赵丕玉，刘仁杰，周浩，等.多功能智能环保型清扫车的研制[J].2010（5）：131-133. |
