基于TRIZ理论电动清扫车

基于TRIZ理论电动清扫车吸尘性能设计摘要电动清扫车作为当今社会新兴的机械化清洁设备已得到越来越广泛地使用，大量的国产品牌电动清扫车出现并投入市场，但在使用过程中又反应出当前产品仍然存在不足，例如吸尘能力存在局限、高粉尘环境易造成二次扬尘等。针对目前国内电动清扫车盘刷、吸尘装置、垃圾箱举升系统普遍存在的缺陷，本文采用TRIZ创新理论方法作为工具进行研究设计。得到解决方案：在盘刷中新添加两组刷毛并单独配备喷水装置组成三级变换刷毛、为吸尘口添加可调节挡板及举升肢杆滑轮添加锁紧装置。最终完成电动清扫车盘刷、吸尘口的尺寸、结构设计与盘刷、举升肢杆滑轮的CATIA三维模型建立与仿真。本文根据TRIZ理论对电动清扫车的盘刷、吸尘装置、垃圾箱举升系统进行了设计，并进行了方案仿真模拟，为电动清扫车领域提供了一份有价值的参考。关键词：电动清扫车；盘刷吸尘装置；垃圾箱举升系统；TRIZ理论DESIGNOFDUSTABSORPTIONPERFORMANCEOFELECTRICSWEEPERONTRIZTHEORYAbstractAsanewmechanicalcleaningequipmentintoday'ssociety,electricsweepershavebeenusedmoreandmorewidely.Alargenumberofdomesticbrandelectricsweepershaveappearedandputintothemarket,butintheprocessofuse,italsoreflectsthatthecurrentproductsarestillinsufficient,suchasthelimitationofdustcollectionability,secondarydustcausedbyhighdustenvironment,etc.Inviewofthecommondefectsofthediscbrush,dustsuctiondeviceanddustbinliftingsystemofthedomesticelectricsweeper,thispaperusesTRIZinnovativetheoryandmethodasatoolforresearchanddesign.Thesolutionistoaddtwonewgroupsofbristlestothediscbrushandequipwithawaterspraydeviceseparatelytoformathree-stagetransformationbristle,addanadjustablebaffleforthedustsuctionportandaddalockingdevicefortheliftinglimbbarpulley.Finally,thesizeandstructuredesignofthediscbrushandthesuctionportoftheelectricsweeperarecompleted,andtheCATIAthree-dimensionalmodelestablishmentandSimulationofthediscbrushandtheliftinglimbpulleyarecompleted.AccordingtoTRIZtheory,thispaperdesignsthediscbrush,dustcollectoranddustbinliftingsystemofelectricsweeper,andsimulatesthescheme,whichprovidesavaluablereferenceforthefieldofelectricsweeper.Keywords:Electricsweeper;Diskbrushdustcollector;Dustbinliftingsystem;TRIZtheory目录1绪论 11.1课题的研究背景及研究对象 11.1.1课题的研究背景 11.1.2课题的研究对象 21.2电动清扫车国内外研究现状 31.2.1国外电动清扫车发展状况 31.2.2国内电动清扫车发展状况 31.3本设计应解决的主要问题及研究方法 31.3.1本设计应解决的主要问题 31.3.2研究方法 32电动清扫车工作原理与清扫性能分析 52.1电动清扫车的工作原理 52.2清扫吸尘介质简介 52.3电动清扫车清扫能力及效率分析 52.3.1清扫能力分析 52.3.2清扫效率分析 63基于TRIZ理论盘刷吸尘装置设计 73.1吸尘系统的系统分析 73.1.1系统存在的主要问题和缺点 73.1.2理想解 83.2吸尘系统的因果分析 83.2.1因果分析 83.2.2因果轴分析 83.3吸尘系统的技术矛盾 103.4吸尘系统的物场分析 113.5吸尘系统的设计方案建立 133.5.1初方案建立 133.5.2方案尺寸设计 163.5.3方案结构设计 193.5.4方案三维模型建立 213.6吸尘系统作业对象特性分析 213.6.1气流动性 223.6.2尘粒在气流中的受力 223.6.3刷毛的受力 244基于TRIZ理论垃圾箱举升系统设计 264.1垃圾箱举升系统的系统分析 264.1.1举升系统存在的缺点 274.1.2举升系统的理想解 274.2举升系统的物场分析 274.3举升系统的设计方案建立 284.3.1举升系统解决方案 284.3.2举升系统方案三维模型建立 284.3.3弹簧相关参数分析 294.3.3.1弹簧主要尺寸、参数 294.3.3.2弹簧的受力、强度计算 305方案仿真模拟 316结论 33参考文献 34致谢 35附录 36绪论电动清扫车是一种新兴的机械化清洁设备，通过蓄电池为行驶系统与清扫系统供能，实现车辆的行驶与清扫系统的自动清扫。随着技术的发展与人们对环境态度的改善，电动清扫车已逐步投入社会使用，一些公园、城市道路、小区都可以见到电动清扫车的身影。轻型节能的环保模式将成为未来公共环保领域的主流，因此对电动清扫车各方面性能的研究升级十分重要。目前国内使用的大部分国产电动清扫车仍存在很多不足之处。1.1课题的研究背景及研究对象1.1.1课题的研究背景清扫车的出现对于公共环保领域具有里程碑式的意义，清扫车相比于环卫工人，路面清扫效率大大提高，节省了大量人力财力。而针对一些小区、公园的狭小道路，清扫车无法正常作业，于是又出现了新兴的小型电动清扫车，继承了清扫车的高清扫效率的同时缩小了体积并更换电能作为动力源，节能环保兼顾。电动清扫车在清扫车领域今后的研究发展具有很大意义。随着社会的高速发展，在人民生活水平不断提高的同时，环境污染问题也渐渐进入人们的视野，“城在垃圾中、垃圾在城中”[1]，交通、化工、餐饮、机械、大气等方方面面每天在大量地排出化石燃料、颗粒粉尘、残羹剩渣、化学垃圾等严重影响环境质量的同时也影响着人们的日常生活和身心健康。而其中对城市空气污染影响最严重的是以交通扬尘为首的可吸入颗粒物。[2]当今社会，城市道路在城市化进程快速发展的作用下其里程快速增长，城市道路网纵横发达，往来车流络绎不绝，大量交通扬尘也随之而来。而要对这些扬尘污染进行控制主要有两种措施，一是通过控制车辆尾气排放减少颗粒物沉积在路面即控制污染源，二则是对路面进行清扫。目前国内大部分城市采用的是人工清扫的方式进行路面清扫，但人工清扫存在很多缺陷，工作量大、工作效率低、人员成本高，且严重影响环卫工人身体健康[3-4]，不适合现代城市道路环境清洁需求。而目前国内使用较多的清扫设备是清扫马路等主干道的大型清扫车，但诸如非机动车道、人行道、公园、小区街道等路面较为狭窄且多弯道[5]，大型清扫车无法正常工作，而小型电动清扫车结合了大型清扫车的机械化清扫方式与环卫工人的灵活机动，可全面解决路面垃圾的清理以及运输工作。现流行的电动清扫车主要为吸扫式清扫车，同时兼顾清扫与吸尘功能，但在投入使用过程中其缺陷逐渐暴露出来，如扫刷清扫不彻底、易产生二次扬尘、扫刷吸尘装置配合不佳、高粉尘路面不适用等。但电动清扫车任然具有巨大的优势与使用空间，因此对电动清扫车的相关研究具有重要意义。1.1.2课题的研究对象在环保问题逐渐得到重视的如今，电动清扫车开始被各地环卫部门引进作为城市道路清洁工具投入使用。国产的电动清扫车多是通过引进国外同类产品进行借鉴研究，行业整体发展时间较短，产品技术水平不高，尤其在除尘效率、清扫效率、适用性等方面与国外仍存在较大差距。吸尘系统[6]是电动清扫车的核心，主要由刷盘、吸尘装置组成，吸尘装置通过波纹管将灰尘垃圾运送到垃圾箱中。即盘刷、吸尘装置的结构和功能将直接影响电动清扫车的除尘和清扫能力。本文主要针对电动清扫车吸尘系统中的盘刷和吸尘装置进行结构改进设计，通过TRIZ创新工具分析得到不同改进方案并进行筛选，以达到提高电动清扫车除尘清扫能力的效果。同时电动清扫车的工作载荷受垃圾箱容积直接影响，一个合理高效的垃圾箱举升系统结构将为电动清扫车提供更大的载荷与便捷的垃圾倾倒能力，使其更加安全可靠，因此将对电动清扫车的垃圾举升系统一同设计。本课题针对某厂的现有产品1600（图1.1）进行研究设计。图1.1电动清扫车图1.2参考车型相关参数1.2电动清扫车国内外研究现状1.2.1国外电动清扫车发展状况国外很早就开始了扫地车的研究[7]，已有近200年的发展历史，其最早起源于十九世纪二十年代的欧洲，美德日等国家的路面机械化程度已非常完善。如美国的ELGLN公司、日本的富士公司等都是比较著名的清扫车公司。早在上世纪六十年代，欧美市场就已出现大量清扫车，不过当时清扫车需根据路面情况选择不同类型的清扫车。经过几十年的发展，清扫车从当初功能单一的清扫机械发展到现在的清扫、除尘、运输一体化机械。同时在湿式除尘[8]、垃圾倾倒、垃圾检测识别等各方面均实现了功能设计。加之传感器技术与计算机技术在扫地车上的运用，扫地车的智能程度也得到了极大的提高[9-10]，以使扫地车能够有效地对周围环境进行检测并作出最恰当的动作。1.2.2国内电动清扫车发展状况我国清扫车行业仅发展了短短数十年，虽然近几年国内清扫车得到了很快的发展，但是自主研发的扫地车在质量与性能方面都和国外存在着较大的差距。其主要原因在于国内还缺乏系统的设计研究，特别是对专用部件的研究，缺乏理论指导，模仿多于自主研发。与此同时，我国生产加工的设备与手段都较为落后，很难保证零部件的质量，从而影响着清扫车的清扫性能。另外，国内清扫车在机电一体化水平方面也存在着很大的不足。就目前来说，国内清扫车智能化水平普遍不高，传感器技术与计算机技术没有得到很好地应用，如水箱的水位感应、料箱的重量感应以及吸尘系统的真空度感应都很少得到运用。1.3本设计应解决的主要问题及研究方法1.3.1本设计应解决的主要问题本文旨在通过对电动清扫车盘刷，吸尘装置的结构联动机制进行创新方法研究设计来提高吸尘系统的清扫吸尘能力，以及通过对垃圾箱举升装置进行研究设计来提高垃圾箱举升系统的可靠性。1.3.2研究方法为针对问题寻找解决方案，本文将借助TRIZ理论工具作为主要研究方法进行研究。TRIZ理论是通过长时间对专利的研究实验总结出的发明创造问题的潜在规律的理论，旨在辨别、强调目标存在的矛盾并寻找相应解决方法消除矛盾以得到理想解。TRIZ理论最早由根里奇.阿奇舒勒先生创立，其核心为技术系统进化理论。为了解决问题，技术系统进化理论配备了八个进化法则作为解决工具。即提高理想度法则、增加集成度再进行简化的法则、向微观级和增加场应用的法则、动态性和可控性进化法则、减少人工介入的进化法则、技术系统的S曲线进化法则、子系统协调性进化法则、子系统的不均衡进化法则。几乎所有的产品设计中都存在冲突矛盾。而一般的解决方案并不能彻底解决问题，只是暂时的隐藏、规避问题或是降低问题的干扰影响。TRIZ理论的方案思路是希望直接解决或消除冲突矛盾，以得到理想产品。冲突矛盾中存在一个作用既造成有用结果又造成有害结果的情况称技术冲突或技术矛盾。其通常表现为同属于一个机构系统中的两个子系统之间的冲突矛盾。TRIZ理论研究归纳出工程中用于描述冲突的工程参数39个（最新理论扩充到48个）。实际应用时，将冲突矛盾的两个系统相应的功能用至少两个工程参数表示出来，列出冲突矩阵对应寻找解决冲突的发明原理。发明原理是由TRIZ研究人员通过长时间对各领域的专利、创新成果进行研究总结得到的。实践证明发明原理在各领域中对研究设计人员的工作都有重要指导意义。TRIZ理论中各种思维方法与工具能够打破我们的思维定势，扩展我们的创新思维能力，同时还可以提供科学的问题分析方法，辅助我们按照合理有效的途径寻找解决方法。2电动清扫车工作原理与清扫性能分析2.1电动清扫车的工作原理现主流的电动清扫车整体结构主要有两个模块：驾驶室、驱动机构等组成的行驶模块与吸尘系统、垃圾箱等组成的清扫模块。其工作原理为：电动清扫正常工作时，车前端的左右盘刷将垃圾抛向车身前方，吸尘装置形成较高的负压，高速的气流将尘粒垃圾等通过波纹管运送到垃圾箱中，通过内部滤尘系统处理后将空气排出。2.2清扫吸尘介质简介清扫吸尘过程中，尘粒垃圾主要通过高速气流带动进入吸尘装置，而携尘气流在吸尘系统内部流动情况比较复杂属于非定常流动问题，为了研究方便，将它简化为定常问题处理。在清扫吸尘工作过程中工作对象种类繁多，性状不一，不同尘粒的密度也大不相同。那么将其带动的最小风速、被吸尘装置吸入所需的最小负压存在差异。下表2.1列举了一些常见尘粒垃圾的密度。表2.1常见尘粒垃圾密度尘粒垃圾密度（kg/m2）树枝，筷子400-600纸片300-350塑料制品320香烟236金属氧化物5000-5200尘土，沙子1300-1600石块1500-2600树叶300-4002.3电动清扫车清扫能力及效率分析2.3.1清扫能力分析电动清扫车吸尘装置的工作能力也叫清扫能力用P[11]表示。清扫能力是指清扫车在正常工作时，各个参数在规定的情况下，单位时间内所能清扫的最大道路面积，也就是清扫车在作业过程中所能达到的最大速度vmax与清扫宽度b的乘积，用公式表示为：P=vmaxb其中清扫宽度是指在清扫车清扫路面垃圾的过程中，在给定车速的情况下能够持续稳定的达到清扫作业面的最大宽度。上述公式说明了清扫车的清扫能力与其作业时的清扫速度以及清扫宽度有关，因此为了提高清扫车的清扫能力应当提高清扫车的行驶速度以及清扫装置的清扫宽度。但是如果清扫车行驶速度过快，垃圾由于惯性的作用会很难被清理，从而导致清扫过程中垃圾的遗漏。另一方面，小型清扫车的外形尺寸有着行业的标准，其宽度在2m左右，因此盘刷的安装位置及工作范围也受到了限制。目前，国内市场所出现的小型电动清扫车所规定的清扫速度平均值为v=8km/h，清扫宽度均值为b=2m，从而其清扫能力的均值为P=16000m2/h。因此为了提高小型清扫车的清扫能力，同时也要满足小型清扫车的行驶速度以及外形尺寸的行业标准，只能改变现有清扫车的吸尘装置的结构，进行吸尘装置结构的创新型设计。2.3.2清扫效率分析电动清扫车的清扫效率指的是清扫车在工作完成后能除去的垃圾质量M1与清扫路面总的垃圾质量M的百分比。即：η=M1M×η——清扫车的清扫效率；M——清扫前路面垃圾质量（单位：g）；M1——清扫车收集的垃圾质量（单位：g）；M2——路面残留的垃圾质量（单位：g）。清扫车的效率是衡量一款清扫车工作性能优劣的重要指标，根据国内相关行业的标准《JB/T7303-2007路面清扫车》的内容[12]，一般常用清扫车的清扫效率应不低于90%。影响清扫效率的因素有很多种[13]，而其中影响比较大的有清扫车的行驶速度、盘刷转速、刷毛的性质、盘刷的倾斜角度以及风机的风量。3基于TRIZ理论盘刷吸尘装置设计3.1吸尘系统的系统分析吸尘系统清扫装置吸尘吸尘系统清扫装置吸尘装置吸尘管道风机洒水装置盘刷吸尘口图3.1吸尘系统系统组成模型盘刷：盘刷为清扫装置的主要执行机构，通过两侧盘刷逆向转动接触地面将垃圾尘粒聚拢到吸尘口前方待吸尘装置处理。洒水装置：湿式清扫车在每个盘刷上方附带洒水装置，作业时进行喷水降尘，使一些较小的灰尘能够吸收水分子凝结成较大的颗粒，便于吸尘。风机：为吸尘口提供负压气流来吸送尘粒到垃圾箱中。吸尘管道：连接吸尘口与垃圾箱，垃圾尘粒吸送的通道。吸尘口：吸尘装置关键部件，控制气流分布。吸尘口结构形状决定吸尘效率和能力。3.1.1系统存在的主要问题和缺点道路卫生情况复杂，现行的电动清扫车在作业过程中存在一些清扫不彻底的问题。例如口香糖残渣这类带有粘性的与路面附着较紧实的垃圾，或是鸟类、宠物粪便及酒水、饮料、油渍残渣干结后贴合在路面上都较难清理。正常扫刷很难刷动这类垃圾，吸尘装置也无法直接将其吸入；另一方面，因为电动清扫车多为小型清扫工具，整体体积较传统清扫车小很多，盘刷、吸尘口尺寸多有限制，对于塑料水瓶、一次性餐盒、果皮等体积稍微较大的垃圾无法正常清扫吸入；再者对于一些极端环境如高粉尘路面作业时易产生二次扬尘且难清扫彻底。3.1.2理想解电动清扫车在遇到与路面附着紧实的顽固垃圾时可以变化扫刷硬度进行加力刮刷后再进行清扫吸尘、在遇到塑料瓶等体积相对较大的垃圾时吸尘口尺寸可调节吸入、在高粉尘环境中盘刷能彻底刷起粉尘的同时兼顾抑制二次扬尘。3.2吸尘系统的因果分析因果分析法是研究事物发展的结果与产生的原因之间的关系，并对影响因果关系的因素进行分析的方法。在研究对象的先行情况时，把作为它的原因的现象与其他非原因的现象区别开来，或者是在研究对象的后行情况时，把作为它的结果的现象与其他现象区别开来，解决“为什么”的问题。3.2.1因果分析根据存在的问题吸尘系统清扫能力不足，先采用五个“为什么”的方法进行因果分析，通过挖掘系统内部资源，以寻找有效解决问题的方案。（1）电动清扫车无法清扫黏着在路面的和一些体积较大的垃圾，且在高粉尘路面易造成二次扬尘，为什么？（2）影响电动清扫车工作能力缺陷的直接原因是吸尘系统的清扫能力不足。那么为什么吸尘系统能力不足？（3）路面垃圾种类情况复杂不可一概而论，同时吸尘装置和清扫装置功能也存在缺陷。为什么功能存在不足？（4）吸尘装置的功能缺陷在吸尘口的工作能力不足与风机提供的负压有限；清扫装置的功能缺陷是盘刷工作单一且洒水装置作用区域有限。为什么盘刷、吸尘口能力不足？（5）盘刷刷毛硬度是固定不变且偏软的，仅用于扫刷道路表面的垃圾灰尘，无法刷动带有黏着性的垃圾；吸尘口工作区域固定，主要依靠盘刷将垃圾聚集到吸尘口处，同时因为车身尺寸限制，电动清扫车吸尘口尺寸都不大，无法吸送体积偏大的垃圾。3.2.2因果轴分析对于系统存在的不足，通过因果分析后，可进一步分析其产生的原因，把这些原因运用因果轴表达出来，如图3.2所示通过因果轴分析，找到影响因素六个：路面垃圾种类情况复杂、风机提供负压有限、吸尘口尺寸小、吸尘口工作区域固定、洒水装置作用区域有限、刷毛硬度偏软。对因果轴进行图形化规范描述（图3.3）吸尘系统清扫能力不足吸尘系统清扫能力不足路面垃圾种类情况复杂吸尘装置功能不足吸尘口能力不足风机提供负压有限吸尘口尺寸小吸尘口固定不可动清扫装置功能不足盘刷能力不足刷毛硬度偏软洒水装置作用区域有限图3.2吸尘系统清扫能力不足因果轴模型图3.3吸尘系统清扫能力不足因果轴标准化模型3.3吸尘系统的技术矛盾当改善技术系统中某一特性或参数时，同时引起系统中另一特性或参数的恶化，即技术矛盾。技术矛盾1：根据因果分析结果，吸尘系统能力不足与刷毛强度有关。If（如果）增加刷毛的强度Then（那么）就会增加盘刷刮刷的功能（系统的可靠性）But（但是）盘刷扫刷的旋转功率就会下降（功率）图3.4矛盾分析1方案1：为盘刷提前准备功率更大的电动机。——依据NO.11事先防范原理。方案2：在原刷毛不变的情况下增加一组新的硬度更高的刷毛，原刷毛负责扫刷一般垃圾尘粒，高硬度刷毛负责刮刷有一定黏着力的垃圾。——依据NO.26复制原理。方案3：将盘刷支撑盘设计为多孔结构，通过减小支撑盘重量来平衡刷毛增加的质量。——依据NO.31多孔材料原理。技术矛盾2：根据因果分析结果，吸尘系统能力不足与吸尘口大小有关。If（如果）增加吸尘口的体积Then（那么）吸尘装置的能力就会增加（系统的可靠性）But（但是）清扫车整体体积就会变大（体积）图3.5矛盾分析2方案4：添加另一个工作面积较大的新吸尘口专门用于吸收体积较大的垃圾。——依据NO.2抽取原理。方案5：将吸尘口挡板变更为可调节机构，在挡板两侧添加活动轨道，当遇到体积较大垃圾时可上升挡板，清扫灰尘等细小垃圾时下降挡板维持原来吸尘口大小。——依据NO.24借助中介物原理。方案6：将吸尘口挡板材料换为柔软可形变的柔性材料，再遇到体积偏大的垃圾时，根据受到垃圾的挤压力造成局部形变扩大吸尘面积，待垃圾吸入后又恢复尺寸。——依据NO.35物理或化学参数改变原理。技术矛盾3：根据因果分析结果，吸尘系统能力不足与风机供压有关。If（如果）增加风机产生的负压Then（那么）吸尘装置的能力就会增加（系统的可靠性）But（但是）系统功率会变大（功率）图3.6矛盾分析3方案7：在吸取质量较大及附着较紧实的垃圾时，增大风机功率，让风机产生更大负压快速吸送垃圾尘粒。——依据NO.21减少有害作用的时间方案8：增加一个新的口径小的吸尘口专门用于吸收顽固垃圾，通过减小作用面积增大负压。——依据NO.26复制原理。3.4吸尘系统的物场分析物场分析是TRIZ理论中一个问题构造、描述和分析的工具。在使用物场模型分析和解决问题的过程中，根据模型所描述的功能问题的类型来确定问题性质，同时结合物场对系统功能分析的结果，参考76个标准解，辅助创新设计。因果分析中，刷毛硬度偏软，对附着力高的粘性垃圾作用力不足，刷不动，只能清扫质量较轻附着力小的垃圾尘粒，属于无效完整系统，参考第1.1类标准解。尝试标准解S1.1.1完善物场模型，添加一组单独的高硬度金属刷毛，专门用于刮刷粘性垃圾（图3.7）。或尝试基于S1.1.3外部合成物场模型，设置第三盘刷臂，配备高硬度刷毛专门用于刮刷粘性垃圾。粘性垃圾刷毛S1S2粘性垃圾刷毛S1S2F机械场粘性垃圾刷毛S1S2F机械场S3金属刷毛路面垃圾洒水装置S1S2F液压场路面垃圾洒水装置S1S2F液压场路面垃圾洒水装置S1S2F液压场S3喷水装置图3.8物-场模型2电动清扫车吸尘口体积小且固定不可动，只能靠盘刷将垃圾尘粒聚集到吸尘口进行吸送，且吸尘口体积较小，当遇到塑料瓶、一次性餐盒等体积较大的垃圾时便无法吸入，属于无效完整系统，参考第1.1类标准解。尝试标准解S1.1.2内部合成物场模型，增大吸尘口高度，在吸尘口顶端添加可调节挡板，在遇到体积较大的垃圾时挡板上调，吸尘口工作面积增大，在吸扫体积偏小的垃圾与尘粒时挡板下降维持正常工作面积（图3.9）。大体积垃圾吸尘口S1S2大体积垃圾吸尘口S1S2F气动场大体积垃圾吸尘口S1S2F气动场S3可调节挡板3.5吸尘系统的设计方案建立3.5.1初方案建立表3.1TRIZ分析解决方案汇总方案序号方案名称方案描述1改变电动机参数为盘刷提前准备功率更大的电动机2组合盘刷在原刷毛刷盘不变的情况下增加一组新的配备硬度更高的刷毛的刷盘3多孔结构将盘刷支撑盘设计为多孔结构，通过减小支撑盘重量来平衡刷毛增加的质量4增加组件添加另一个工作面积较大的新吸尘口专门用于吸收体积较大的垃圾5动态化组件将吸尘口挡板变更为可调节机构，在挡板两侧添加活动轨道，根据需要调节吸尘口大小6柔性材料将吸尘口挡板材料换为柔软可形变的柔性材料，再遇到体积偏大的垃圾时，根据受到垃圾的挤压力造成局部形变扩大吸尘面积7改变风机参数在吸取质量较大及附着较紧实的垃圾时，增大风机功率，让风机产生更大负压快速吸送垃圾尘粒8增加组件增加一个新的口径小的吸尘口专门用于吸收顽固垃圾，通过减小作用面积增大负压9完善结构添加一组单独的高硬度金属刷毛，专门用于刮刷粘性垃圾10增加组件设置第三盘刷臂，配备高硬度刷毛专门用于刮刷粘性垃圾11增加组件在刷盘里单独配备喷水装置12增加组件为吸尘口添加一个顶罩，根据需要可打开或闭合顶罩进而改变吸尘口工作面积通过因果分析、矛盾分析、物场分析针对存在的清扫能力不足问题得到12个初步解决方案，具体方案见表3.1。根据TRIZ理论工具分析，最终选择方案2、5、9、11。主要对盘刷、喷水装置、吸尘口三个部分进行改进设计。其中盘刷刷毛硬度偏软，对口香糖、食物残渣等附着力高的粘性垃圾作用力不足，刷不动，只能清扫质量较轻附着力小的垃圾尘粒。解决方案为在原盘刷中心增加一个钢丝硬刷毛，通过液压伸缩杆与盘刷旋转盘连接，在清扫普通低附着力垃圾尘粒时，液压伸缩杆收缩使钢丝硬毛刷高于塑料软毛刷，由一般的塑料软毛刷进行清扫；当遇到口香糖、食物残渣等附着在路面上的粘性垃圾时，适当抬起盘刷，液压伸缩杆伸长使钢丝硬毛刷低于塑料软毛刷接触到路面，由钢丝硬毛刷将垃圾刮起后再切换为塑料软毛刷进行清扫（图3.10）。图3.10草图一洒水装置的问题在于洒水装置作用区域有限，只能喷洒盘刷前方区域（图3.11），在清扫附着力强的粘性垃圾时对于盘刷正在作业的位置无法同时洒水，使得刷毛刷不动，解决方案考虑再盘刷内部单独添加一个喷水装置辅助钢丝刷毛刮刷垃圾（图3.12）。图3.11洒水装置工作示意图图3.12草图二吸尘口工作状态下不具备活动能力，主要依靠盘刷将垃圾尘粒聚集到吸尘口前进行吸扫，且受电动清扫车体积影响，其吸尘口作用面积较小，当遇到塑料瓶、一次性餐盒等体积较大的垃圾时便无法吸入（图3.13）。解决方案尝试增大吸尘口高度，在吸尘口工作面添加可调节挡板，在遇到体积较大的垃圾时挡板上调，吸尘口工作面积增大，在吸扫体积偏小的垃圾与尘粒时挡板下降维持正常工作面积（图3.14）。图3.13吸尘口工作示意图图3.14草图三3.5.2方案尺寸设计基于参考车型的尺寸参数，需要对方案中的关键尺寸进行设计。其中外盘刷选取目前市场常见的底盘直径300mm，毛口直径600mm的刷盘。设计尺寸主要包括盘刷中硬刷毛旋转盘、硬刷毛旋转盘支撑架、外圈刷毛连接板、盘刷主轴，吸尘口调节挡板的总体尺寸。硬刷毛旋转盘按照方案将设置于盘刷最底端，通过各连接板、支撑架、主轴与发电机连接。旋转盘直径需小于外盘刷的底盘直径300mm，刷毛长度需尽量简短取20mm，另刷毛按矩形阵列排布，具体尺寸如图3.15。硬刷毛旋转盘支撑架用来连接硬刷毛旋转盘与主轴，支撑架需保证两组对称螺栓排布与主轴连接孔位，连接螺栓选择M10*40标准螺栓，对边直径16mm，头部厚度6.4mm。总体直径厚度参考硬刷毛旋转盘设计，据此设计硬刷毛旋转盘支撑架如图3.16。图3.15硬刷毛旋转盘尺寸图图3.16硬刷毛旋转盘支撑架尺寸图外圈刷毛连接板主要用于连接外盘刷支撑架与硬刷毛盘刷支撑架，同时附属有液压杆与喷水装置，起到两种刷盘之间的切换与硬刷毛盘刷工作时的加湿需要。总体尺寸需大于主轴直径并小于外盘刷的底盘直径300mm，同时满足一组对称液压杆与一组喷水装置的排布，设计值见图3.17。图3.17外圈刷毛连接板尺寸图主轴与电动机直接接触并贯穿盘刷所有机构传输动力，总体尺寸长度参考外盘刷刷盘与地面间距离，主轴直接取50mm（图3.18）。图3.18盘刷主轴尺寸图参考车型宽度尺寸为1220mm，通常吸尘口长度在车身宽度一半左右，既要大于两盘刷刷毛的间距又要小于车身宽度。吸尘口调节挡板高度尺寸主要参考目标垃圾尺寸，目前常见的体积较大的垃圾主要是塑料瓶和一次性餐盒。市场上常见的500ml塑料瓶直径在65-80mm不等；一次性餐盒按容积也分500ml、650ml、750ml、1000ml等，这里参考1000ml一次性餐盒尺寸170mm*120mm*65mm与850ml环保碗尺寸140mm*89mm*80mm。综合考虑取环保碗直径140mm为上限，取调节板高度170mm，其余尺寸见图3.19。图3.19吸尘口调节挡板尺寸图3.5.3方案结构设计图3.20盘刷总装图结合草图构思与TRIZ理论工具分析，影响电动清扫车吸尘系统清扫能力的因素中路面垃圾种类情况复杂属于不可控的不稳定因素，不予考虑到解决方案中；风机提供负压有限无法吸起附着力较强的粘性垃圾与吸尘口固定不可动考虑通过改进设计盘刷代替解决。即最终方案将对盘刷与吸尘口进行改进设计，方案中盘刷需要能够刷动口香糖食物残渣等附着在路面的粘性垃圾，同时在高粉尘路面不易造成二次扬尘。吸尘口需要满足原来功能的情况下可以吸入塑料瓶等体积较大的垃圾。由此构建盘刷与吸尘口方案。图3.21盘刷正视图刨面图盘刷方案总装图如图3.20所示，在结构设计过程中考虑到高粉尘环境抑制二次扬尘的能力，最终在草图设计的基础上增加设置内圈盘刷组成三级盘刷装置，即在高粉尘环境作业时由内圈盘刷作业，扬尘扩散将被外圈盘刷刷毛阻隔，同时配合喷水装置完成作业范围内的内部降尘。对照图3.20与图3.21，1-外圈盘刷、2-主轴、3-支撑架、4-A连接板、5-B连接板、6-内圈盘刷、7-C连接板、8-喷水装置、9-硬刷毛旋转盘支撑架、10-硬毛盘刷、11硬毛盘刷紧固螺栓、12-电动机、13-液压杆。外圈与内圈盘刷均通过支撑架与主轴连接。喷水装置设置于C连接板上。A连接板与B连接板组成连接外圈盘刷与内圈盘刷的1级连接板，C连接板与B连接板组成连接内圈盘刷与硬毛盘刷的2级连接板，各级盘刷根据工作需要由主轴传递电动机驱动力进行工作。电动清扫车在清扫一般垃圾时，1级、2级连接板液压杆收缩，外圈盘刷接触地面，由主轴带动外圈盘刷旋转工作，此时仍由原来的洒水装置辅助作业，参考图3.12；在高粉尘路面作业时，1级连接板液压杆加压伸长，2级连接板液压杆收缩，内圈盘刷接触地面，由主轴带动内圈盘刷旋转工作，同时由C连接板上的喷水装置辅助降尘；在清扫口香糖、食物残渣等附着力较强的垃圾时，1级、2级连接板液压杆均加压伸长，硬毛盘刷接触地面，由主轴带动硬毛盘刷旋转工作，C连接板上的喷水装置辅助工作。3.5.4方案三维模型建立根据上述对盘刷方案的尺寸、结构设计以及主要部件的结构和连接方式，在CATIA中绘制各个部件的零件图及方案总装的装配图，建立出盘刷方案的三维模型如图3.22所示，吸尘口调节挡板的三维模型如图3.23。图3.22盘刷三维模型图3.23吸尘口调节挡板三维模型本文设计盘刷的目的是电动清扫车工作时能够刷动口香糖食物残渣等附着在路面的粘性垃圾，同时在高粉尘路面不易造成二次扬尘。通过建立的三级盘刷体系，可根据具体工作路况需要，切换外盘刷、内盘刷与硬毛盘刷进行清扫工作。同时在盘刷内增加设置专门的喷水装置精确控制辅助洒水位置。3.6吸尘系统作业对象特性分析3.6.1气流动性层流和湍流是主要的空气流动分类。判断其状态，可观察其雷诺数是否超过临界值。即：Re=vLρμv——气流速度，m/s；L——特征长度，m；ρ——气体密度，kg/m3；μ——气体动力黏度，Pa·S。当空气在圆管内流动时，取特征长度L为直径D。临界雷诺数为2300，当Re＜2300，空气为层流；当Re＞2300，空气为湍流。异型管道内的流动，取L为水力直径dH。雷诺数计算式为：Re=vdHdH=4ASA——过流断面的面积，m2；S——过流断面上流固接触的周长，m。电动清扫车风机、吸尘管道内部选择Re=2070，而吸尘口吸送情况，选择Re=2320。3.6.2尘粒在气流中的受力以单一尘粒为例，其在气流中受到的力主要有：气流的作用力、上升力、尘粒间的碰撞力、重力。气流对尘粒产生的作用力：P=π8ρgUr——气流与尘粒的相对速度，m/s；CD——阻力系数，和雷诺数Re和尘粒形状相关。图3.24球形尘粒阻力系数CD—雷诺数Re关系图A．Re<<l时，称之为低雷诺数流动或蠕动流。此时作用力以摩擦阻力为主；B．1≤Re≤500时，开始有流动分离。此时作用力由摩擦阻力和压差阻力两部分组成：C．500≤Re≤2×105时，流动分离变得严重。此时作用力以形状阻力为主，CD几乎不随Re变化(CD=1.2)D．2×105≤Re≤5×105，分离区开始缩小，CD迅速下跌；E．5×105≤Re≤3×106，分离点前移，CD开始回升；F．Re≥3×106，CD与Re无关。气流对尘粒产生的上升力FL，即负压风机在吸尘口周围形成的气流作用于尘粒上，使尘粒产生上的升力：FL,1=πUrFL,2=KμUrd尘粒间的碰撞力FC，即多个尘粒间碰撞时产生的作用力。假设尘粒间的碰撞力为FC，根据动量定理ΔI=MV2-MV1可知：FC=∆I∆t图3.25尘粒起跳时，碰撞力FC、阻力P、上升力FL1和FL2、及其与重力的比值A．尘粒的碰撞力FC平均可以达到1.6×103g·cm/s2，且碰撞力与重力比值的平均值也在2.45×102左右，碰撞力是重力的数百倍之多，因此，产生的加速度也在几百cm/s2。B．阻力P与重力大致相当或略大。C．气流对尘粒的上升力FL1和FL2大致等于重力的几十至几百分之一。综上所述可知，在尘粒的起动过程中，尘粒间的碰撞力起到了决定性作用。3.6.3刷毛的受力盘刷塑料刷毛工作受力如图3.25所示:图3.26刷毛受力分析图盘刷承受的垂直反力为：P=0.5×10−2∙EJ∙s50.65——沿圆周的积分系数；J——截面惯性矩：Yk——工作点距坐标点的距离；I——与地面接触的数量：S——自由长度；E——弹性模量；Pi——每条所受的垂直反力；qcp——工作时，产生的离心力分布；qcp=2·mB·ω2·Rcp/sβ——刷盘中心线与铅垂线的夹角γ产生的刷丝接地角。γ很小时，β=π。ω——转动角速度；Rcp——平均半径；mB——质量；盘刷转动的阻力矩为：M=5×10−3∙EJ∙β∙R∙fβR——头部旋转半径；fβ——与地面的摩擦系数。4基于TRIZ理论垃圾箱举升系统设计目前市场上流行的电动清扫车若使用非独立可换桶的垃圾箱，则一般采用液压举升倾倒系统，如图4.1所示。该系统可简单分为底部的组合杆式液压举升系统与液压倾倒系统，两系统由铰链结构连接。举升系统工作时主要依靠举升液压杆对举升主杆的作用实现垃圾箱的举升，两侧肢杆起辅助作用，其中肢杆1两端固定，肢杆2两端有滑轮随着举升高度变化在轨道中移动。（a）（b）图4.1（a）液压举升倾倒系统实物图（b）液压举升倾倒系统示意草图液压举升倾倒系统倾倒系统举升系统肢杆液压举升倾倒系统倾倒系统举升系统肢杆举升主杆倾倒主杆倾倒液压杆举升液压杆图4.2液压举升倾倒系统系统组成模型倾倒液压杆：通过泵输出压力油经油路集成块控制，推动活塞杆运动，为倾倒系统提供动力。倾倒主杆：在倾倒液压杆推力作用下将垃圾箱推动至目标角度。举升主杆：在举升过程中推动垃圾箱至目标高度。肢杆：对举升系统起辅助支撑作用。举升液压杆：通过泵输出压力油经油路集成块控制，推动活塞杆运动，为举升系统提供动力。4.1.1举升系统存在的缺点与电动清扫车最大举升重量直接相关的因素是举升液压杆泵输出的压力油压力，而要增大压力可能需要减小液压杆直径，减小直径液压杆本身刚度又受影响。另一影响因素为两侧辅助交叉肢杆，肢杆一根固定，另一根两端有滑轮，作业过程中跟随举升高度变化在轨道中移动，而举升到目标高度时活动肢杆的滑轮缺少锁紧机构，如果液压杆突然泄压肢杆滑动存在危险。4.1.2举升系统的理想解电动清扫车在不改变举升液压杆参数的同时如若遇到工作过程中液压杆突然泄压，两侧肢杆处于锁紧状态且能够支撑整个系统与垃圾箱。4.2举升系统的物场分析肢杆滑轮S肢杆滑轮S1S2F机械场肢杆滑轮S1S2F机械场S3锁紧机构图4.3举升系统物场分析模型助交叉肢杆存在不足，其中的活动肢杆两端有滑轮在轨道中移动却缺少锁紧机构，如果液压杆突然泄压肢杆滑动未锁紧，垃圾箱突然下降存在危险，属于无效完整系统，参考第1.1类标准解。尝试标准解S1.1.2内部合成物场模型，在肢杆两端的滑轮上添加锁紧机构，当举升系统上升至目标高度停止时，滑轮自动与轨道锁紧。4.3举升系统的设计方案建立4.3.1举升系统解决方案针对举升系统存在的问题，借助TRIZ理论的物场模型分析决定通过内部合成物场模型即在滑轮中加入锁紧机构来设计方案。解决方案为在滑轮中心添加橡胶缓冲垫、弹簧及传感装置。举升系统工作时，泵输出压力油经油路集成块控制，推动举升液压杆活塞杆运动，举升主杆在液压杆作用下开始将垃圾箱向上举升，同时活动肢杆被滑轮带动移动，滑轮在轨道中水平运动。当举升到目标高度时，泵停止输出压力油，该信号传递到滑轮的传感装置，滑轮中弹簧将橡胶缓冲垫顶出与轨道壁贴合锁紧。4.3.2举升系统方案三维模型建立图4.4滑轮三维模型4.3.3弹簧相关参数分析4.3.3.1弹簧主要尺寸、参数圆柱弹簧的主要尺寸包括：弹簧丝直径d、弹簧圈外径D、弹簧圈内径D1、螺旋升角α、自由长度H0、弹簧圈中径D2等（图4.1）。图4.5弹簧主要尺寸示意图旋绕比C是弹簧的重要参数，C=D2/d旋绕比小，弹簧刚度大、硬，内外侧应力大；旋绕比大则相反。常用选值参见表4.1.表4.1常用弹簧旋绕比选取参考表弹簧丝直径d（mm）0.2~0.40.5~11.1~2.22.5~67~1618~40旋绕比C7~145~125~104~104~84~6方案使用弹簧相关参数H0=13mm，D2=16mm，d=2mm，D=18mm，则旋绕比为：C=D2符合旋绕比参考取值。弹簧节距t：t=d+λmaxnλmax——弹簧的最大变形量；∆——最大变形时相邻弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d；n——弹簧工作圈数。弹簧丝间距δ：δ=t−d弹簧的自由长度H0：H0=nδn0——弹簧总闸数。n0=n+n1；n1——支撑闸数，一般取1.5-2.5。弹簧螺旋升角α：α=tg−1tπD24.3.3.1弹簧的受力、强度计算弹簧被压缩时受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力τ：τ=K8FD2K=0.615C+4C−14C−4K——曲度系数；F——轴向压力。弹簧受载后轴向变形量λ：λ=8FD23G——弹簧的切变模量；刚度k=F/λ。弹簧受到的应力大小有变化范围，根据力学疲劳强度理论进行应力幅安全系数、最大应力安全系数的计算。τmax=8KFmaxτmin=8KFminCS=τ0+0.75τminτmin、τmax——最小、最大切应力（MPa）；Fmin、Fmax——最小、最大工作载荷（N）；τ0——弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限（MPa），可根据循环次数N由表4.2查取。表4.2弹簧疲劳极限τ0N≤104105106107τ00.45σB0.35σB0.33σB0.30σB[S]——许用安全系数，当弹簧计算和材料的性能数据精确度高时，取1.3~1.7；精确度较低时，取1.8~2.2。5方案仿真模拟基于前面对盘刷方案的三维建模，本章通过CATIA中的数字化装配DMU运动机构对方案进行运动仿真。根据设计目的，主要模拟，外圈盘刷、内圈盘刷、硬毛盘刷在不同工况的作业情况与液压杆的配合情况。首先模拟电动清扫车清扫一般垃圾时的工况。1级、2级连接板液压杆收缩，外圈盘刷接触地面，主轴带动外圈盘刷旋转工作，内圈盘刷与硬毛盘刷不接触地面不工作，内置喷水装置不工作。仿真模拟状态参考图5.1。图5.1仿真模拟状态一第二项模拟电动清扫车在高粉尘路面的清扫工况。1级连接板液压杆加压伸长，2级连接板液压杆收缩，内圈盘刷接触地面，主轴带动内圈盘刷旋转工作，外圈盘刷与硬毛盘刷不接触地面不工作，内置位于C连接板上的喷水装置辅助降尘工作。仿真模拟状态参考图5.2。图5.2仿真模拟状态二最后一项模拟电动清扫车在清扫口香糖、事物残渣等有粘性附着在路面上的垃圾时的工况。1级、2级连接板液压杆均加压伸长，硬毛盘刷接触地面，主轴带动硬毛盘刷旋转工作，外圈盘刷与内圈盘刷不接触地面不工作，内置喷水装置进行喷水辅助硬毛盘刷刮刷工作。仿真模拟状态参考图5.3。图5.3仿真模拟状态三根据仿真模拟结果，设计方案基本满足设计需求，在高粉尘环境作业时切换内盘刷进行工作，盘刷扫起的扬尘扩散将受阻于外圈盘刷的刷毛，同时配合盘刷内置喷水装置进行盘刷内部快速降尘，可有效降低存在的高粉尘环境二次扬尘问题。在遇到口香糖、食物残渣等有粘性附着在地面上的垃圾时，普通的长毛软毛刷扫刷不动，需要硬度较大的硬毛盘刷进行刮刷，再配合喷水装置进行加湿可清扫大部分的这类垃圾。6结论针对国内现行电动清扫车存在的问题和不足，本文以某公司现有产品1600为参考，以电动清扫车吸尘性能为研究对象，利用TRIZ创新方法工具辅助分析产品组成和影响因素，并得到解决方案，进而对方案进行草图绘制、尺寸设计、结构设计，最终完成方案在CATIA中的三维模型建立，并对有关参数进行分析与方案仿真模拟。主要工作如下：（1）对吸尘系统进行系统分析其子系统组成主要有盘刷、洒水装置、风机、吸尘管道、吸尘口。系统现存的主要问题在于作业过程对部分垃圾清扫不彻底，如口香糖、塑料瓶等附着在路面上的粘性垃圾或体积较大的垃圾无法清扫吸入及在一些高度粉尘路面作业易造成二次扬尘。针对问题做因果分析得到影响因素6点：路面垃圾种类情况复杂、风机提供负压有限、吸尘口尺寸小、吸尘口工作区域固定、洒水装置作用区域有限、刷毛硬度偏软。后经技术矛盾分析与物场分析得到解决方案。综合解决方案与草图思路得到最终方案：在原盘刷中心增加一组内圈盘刷与一组硬刷毛刷盘，分别通过1级、2级连接板连接，并在C连接板上设置喷水装置，在对粘性垃圾刮刷与高粉尘路面作业时辅助喷水；在原宽度不变情况下增大吸尘口高度，在吸尘口工作面添加可调节挡板，根据目标垃圾大小判断是否需要上调挡板扩大吸尘口工作面积。对方案尺寸、结构设计完成后在CATIA中进行方案三维建模。最后进行仿真模拟验证方案可行。（2）对垃圾箱液压举升倾倒系统进行系统分析其子系统组成有倾倒液压杆、倾倒主杆、举升主杆、举升肢杆、举升液压杆。系统存在的一个缺陷即活动肢杆两端滑轮无锁紧机构，作业过程中随着举升高度变化，滑轮在轨道中移动，如果液压杆突然泄压，垃圾箱突然下降肢杆滑轮滑动存在危险。针对该缺陷借助物场模型进行分析并建立设计方案：在滑轮中心添加橡胶缓冲垫、弹簧及传感装置。举升系统工作时，泵输出压力油经油路集成块控制，推动举升液压杆活塞杆运动，举升主杆在液压杆作用下开始将垃圾箱向上举升，同时活动肢杆被滑轮带动移动，滑轮在轨道中水平运动。当举升到目标高度时，泵停止输出压力油，该信号传递到滑轮的传感装置，滑轮中弹簧将橡胶缓冲垫顶出与轨道壁贴合锁紧。最终对设计方案滑轮进行CATIA三维建模并对弹簧受力、强度等相关参数进行分析。参考文献[1]MaantayJ，McLaffertyS．Geospatialanalysisofenvironmentalhealth[J]．1sted．NewYork：SpringerScience+BusinessMediaB.V.,2011．[2]李红，曾凡刚等．可吸入颗粒物对人体健康危害的研究进展[J]．环境与健康杂志．2002(01)：85．87．[3]马文星，清扫车的发展[M]．北京：化学工业出版社，2006．[4]张启明．路面清扫车的发展[J]．筑路机械与施工机械化，2008，25（8）：43.[5]李志红，林又红，但斌斌，等.特种微型路面清扫车[J]．工程机械，2009，40(1)：17-19.[6]朱伏龙，基于吸尘性能的吸尘口结构研究与流场分析[D]．上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2008：18．21．[7]王敏，梁菲，意大利Dulevo公司6款清扫车[J]．汽车与配件，2007(30)：44-45.[8]宋永刚，姚莉娜，高等级公路清扫车除尘机理及除尘系统设计方法研究[N]．中国公路学报，1995．2(8)．[9]ERWINPRASSLER；ARNORITTER；CHRISTOPHSCHAEFFER；PAOLOFIORINI．AShortHistoryofCleaning[J]．AutonomousRobotsRobots，2000(9)：211-226．[10]LiangXincheng；Zhangjun；SunFengchun；TianLe．Developmentofapureelectricroadsweeper[R]．BeUing：BeijingInstituteofTechnology，2010(1)：103-106．[11]李小凤，JDB2000DTSL型电动清扫车作业机构控制方法与系统研究[D]．江苏：江苏大学，2015．[12]袁正前，浅析吸扫式扫路车清扫效率的主要影响因素[J]．江苏交通科技．2003，26（3）：36-37.[13]谢立杨，清扫车清扫速度对清扫率的影响[J]．筑路机械与施工机械化，1997(4)．

附录1DevelopmentofmainworkingmoduleComparedwithconventionalsanitationvehicle,batterypackworksasenergysourceandmotorworksaspowersourceinthisnewtypeofsweeper.Insteadofengine,gasolinetankandotherengineaccessories,thepureelectricroadsweeperiscontrolledanddrivenbylowandhighvoltagecircuit,battery,motor,EMS(energymanagementsystem)andelectriccomponents.Thewholestructureofthevehiclehasbeenchangedgreatly.Consideringcostofresearchanddevelopmentperiodlimitation,amaturechassisofconventionalvehicleisadopted.Withsomeimprovements,thechassisofthepureelectricroadsweeperisimplementedoncompatibilityofexistingequipmentsandtechnology.1.1Selectionofdrivingmotor,fanmotorandpowermatchingThedrivingmotoranditscontrolsystemisoneofthekeysystemsforelectricvehicle(EV),whichtransformselectricenergytomechanicalenergy.Comparedwiththetraditionaldrivingmotorforindustry,thedrivingmotorofEVanditscontrolsystemmustmeetsomerequirementsintermsofworkefficiency,overloadcapacity,powerdensity,reliability,dynamiccontrolperformanceofrotationalspeedandtorque,etc.Consideringpermanentmagnetbrushlessmotorpossessessomeoutstandingperformancesuchaslowcost,goodreliability,maintenance-free,highpowerdensityandefficiency,thepureelectricroadsweeperadoptedathree-phasewatercooledpermanentmagnetbrushlessmotor.Inviewofvehicle'sconditions,powermatchingforEVisfinishedbasedonPM=wherePMrepresentsoutputpowerofmotor,Grepresentsvehicleweight,Varepresentsvehiclevelocity,ηrepresentstransmissionefficiency,dv/dtrepresentsacceleration.Fig.1isdrawnbasedonthecalculationresult.Parametersofthemotorsaredeterminedbycalculationanddescribedasfollows.Ratedpowerofthedrivingmotoris42kW,peakpoweris88kW.Ratedvoltageis336V,ratedtorqueis150Nm.Themaximaltorqueis300Nm,ratedrotationalspeedis2800rpm.Thehighestrotationalspeedis4500rpm.Thefanmotorpowerismatchedsimilarly.Ratedpowerofthefanmotoris28kW,ratedrotationalspeedis2900pm.Themaximalrotationalspeedis3000rmm.1.2DesignoflowvoltagecircuitThemoduleoflowvoltagecircuitiscomposedofsomecircuitssuchaswarmwindcircuit,controllerofthedrivingmotorandcontrollerofthefanmotor.SpecificcircuitsareshowninFig.2.Inordertoimprovesafetyoftheroadsweeper,highvoltagecircuitiscontrolledbylowvoltagecircuit.Theelectricitysupplyoftheroadsweeperisdividedintotwosteps.Detailedcontrolprincipleisdescribedasfollows.Firstly,thekeyisinsertedandturnedtopositionACC,andbatterycontactorisclosed.Afterthat,DC/DCissuppliedwithhighvoltage,andthestoragebatteryischarged.WhenthekeyisturnedtopositionON,thestoragebatteryischargedcontinuously.Meanwhile,throughDC/AC,thisvoltageisalsoloadedonwater-pumpmotor,vacuum-pumpmotor,air-conditioningmotor,oil-pumpmotorandwarm-windfan.Consideringthewarm-windfanandtheair-conditioningcircuitsharethesamepowersupply,aself-lockinstallationisdesignednecessarilytoguaranteethatonlyoneofthemisoperativeatthesametime.Inaddition,giventhegreatpower-consumingoftheair-conditioning,aclutchandadelayrelayaresetinthecircuit,whichensurethattheloadisaddedgradually.Thecontrollerofthedrivingmotorisconnectedwiththedrivingmotorinseries.Voltagerangingfrom0to5Visproducedwhenthedrivertreadstheaccelerationpedal.Thisvoltageischangedtocontroltheworkingstateofthedrivingmotor.Whenthebrakecontactorisclosed,controlsignalofthedrivingcontrollerisshortcircuitandthecontrollerisinstateofpower-off.Accordingtopreliminarycontrolstrategy,thedrivingmotorstopstooutputpower.Themotorcouldreverseitsrotationintwoconditions.Oneisforincreasingbrakingforce;theotheristogenerateelectricity.Similarly,thedriveradoptstheresistanceofpotentiometersothatdifferentcurrentisgeneratedtocontrolthefanmotor.Thekeyispulledout,thebatterycontactorisdisconnectedandpowersupplyisshutoff.Duringoperationoftheroadsweeper,alotofheatisgenerated.Iftheheatcannotbetransferredpromptly,theperformanceofthemotorswillbedeteriorated,andthelife-spanofmotorswillbeshortened.Aseriesofcoolingschemeisadoptedinthesweeper.Coolantiscirculatedthroughthefanmotor,thefanmotorcontroller,thedrivingmotoranditsmotorcontroller.1.3DesignofhighvoltagecircuitThecontrolprincipleofhighvoltageisdescribedasfollows.ThekeyisinsertedandturnedtopositionACC,andthebatterycontactorisclosed,DC/DCissuppliedbyeternalpower,andthestoragebatteryischarged.WhenthekeyisturnedtopositionON,throughsomecomponentssuchasairswitchcontactor,startingcircuitandsoon,thefanmotorandthedrivingmotoraresuppliedwithhighvoltage.Signalsofthecontrollersarecontrolledrespectivelybythepedalandthepotentiometer.HighvoltagecircuitisshowninFig.3.1.4DevelopmentofSweepingsystemAnewtechnologyofautomaticcollisionavoidanceisintegratedintosweepingsystemofthepureelectricroadsweeper.Sweepingsystemenablesitshorseshoesuctionmouthtolevelautomatically,whichgivestheroadsweeperexcellentcleaningabilityandhighefficiency.Sweepingdeviceiscomposedoffourcleaningunitsthatlocatedrespectivelyintheleftfront,rightfront,leftrearandrightrearofthevehicle.Thespeedofsweepdisccanbeselectedamong60,80,110r/min.Thebothactions,includingwithdrawingandreleasing,offrontandrearsweepdevicesarecontrolledbyhydrauliccylinders.Thefrontsweepdiscscanbecontrolledrespectivelyandtheyalsohaveanti-collisionfunction.Whiletheactionofrearsweepdiscsisinaccordancewithsuctionmouth,twooperationmodescanbeselectedaccordingtopracticalworkingcondition.Inaddition,wetdedustingfunctionofthesweepercanavoideffectivelydustdispersioncausedbyworking.ThewholeappearanceofthesweeperisillustratedinFig.4.2ResearchonEMSandbatterylife-spanDuetotheuniquerequirementsofsweepingoperation,theelectricroadsweepermustbeabletomeetcertainendurancemileage.Sincebatteryactsasenergystorageofelectricvehicle,itstechnicalstandardsarecrucialtothedevelopmentofEV.SinceLithium-ionbatteryisofoutstandingperformancesuchashigherspecificenergy,largercapacity,ithasbeenusedwidely.Presently,forthelimitationofsinglebatterycapacity,Lithium-ionbatterymustbeusedingroup.However,thesinglebatteryofthesamestandardtypehasdifferenceinvoltage,internalresistance,capacity,whichcallsin-consistency.Problemslikethebatterypackfailtomeettheprescribedrequirementsofthesinglebatteryorthelife-spanofthebatterypackisshortenedsignificantly,arethedirectresultsofinconsistency.Inaddition,current,DOD(depthofdischarge)andtemperaturewillhaveagreateffectonthelife-spanofbattery-3].Consequently,EMSmustbedevelopedtomonitorthestateofLithiumionbattery.EMSofthesweeperiscomposedofmastercontrolmodule,slavecontrolmodule,andvehicleLCDmodule.Theoperatingstateofthebatterycanbemonitoredanddisplayedinrealtime.SOC(stateofcharge)isakeyparameterusedtoindicatetheremainingenergyofbattery,anditmustbeestimatedbyexternalcharacteristicofbatterysuchasvoltage,current,temperature,DODandlife-span-4].Itplaysthefunctionoffuelgaugeinconventionalvehicles.SOCisarelativeparameterandexpressedasapercent,itsvaluesrangebySOC=CuwhereCurepresentsavailablecapacitywithrateddischargecurrent,Crrepresentsbatt