CN120505893A - 一种高速风力清洁车和高速公路清洁方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于专用机动车辆的技术领域，具体涉及一种高速风力清洁车和高速公路清洁方法，本发明将集风管的集风口朝向车辆行驶的方向设置，并将集风管的喷吹口设置在车架下方，由于集风口的横截面积大于喷吹口的横截面积，所以能够利用集风管对车辆高速行驶产生的气流进行收集和加速，将路面的垃圾吹入车架下方的垃圾仓内，重量较重的垃圾留存在垃圾仓内，而轻质垃圾或灰尘随气流进入尘仓，经过除尘装置除尘后排出洁净空气，本发明的高速风力清洁车无需加装动力机构，就能将路面上的垃圾进行归集和清运，作业车速不受扫刷、水和风机等限制，能够达到高速公路所限定的最高行驶车速；并且本发明在现有车辆的底盘基础上改造即可实现，制造成本低。

Description

一种高速风力清洁车和高速公路清洁方法

技术领域

本发明属于专用机动车辆的技术领域，具体涉及一种高速风力清洁车和高速公路清洁方法。

背景技术

现有高速道路清扫车为在燃油或新能源二类底盘上加装含有扫刷（含立式和卧式）、高压水（清洗）或低压水（降尘）、高压风机等全部或部分零部件组成的专用车，由于高速道路对作业车速和清洁的要求均比较高，传统清扫车因为扫刷、喷水和风机等的作业要求限制，导致作业车速达不到高速道路的要求，而且能耗较高。

中国专利文献CN111088771A（201911342687.6）公开了一种非接触式高速清扫方法、高速清扫系统。该清扫系统利用进口大出口小的集风风道收集车辆行驶过程中产生的迎面风加以利用形成正压风，从而在集料管吸入口处产生负压风，利用该负压风将地面物料吸入集料管，实现了地面物料的非接触清扫和收纳。但是上述清扫系统必须利用风机进行加速，才能实现对风力的合理利用，无法实现仅依靠车辆行驶产生的高速风进行地面物料的清扫。并且，该高速清扫系统的集风风道设置在驾驶室的正下方，影响了发动机、变速器、传动轴等零部件的布置，需要对现有的车辆底盘进行较大程度的调整，制造成本较高。另外，采用负压抽吸的方式仅适用于轻质物料或细小颗粒的回收，对高速公路上的较大的石子难以进行回收，而较大石子在高速公路上容易产生安全隐患。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高速风力清洁车和高速公路清洁方法，本发明将集风管的集风口朝向车辆行驶的方向设置，并将喷吹口设置在车架下方，由于集风口的横截面积大于喷吹口的横截面积，所以能够利用集风管对车辆高速行驶产生的气流进行收集和加速，将路面的垃圾吹入车架下方的垃圾仓内，重量较重的垃圾留存在垃圾仓内，而轻质垃圾或灰尘随气流进入尘仓，经过除尘装置除尘后排出洁净空气。由于本发明在车架下方设置了垃圾仓，所需的气流速度只需将路面垃圾送入垃圾仓即可，本发明的高速风力清洁车无需加装动力机构，就能对路面上的垃圾进行归集和清运，作业车速不受扫刷、水和风机等限制，能够达到高速公路所限定的最高行驶车速；并且本发明在现有车辆的底盘基础上改造即可实现，制造成本低。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种高速风力清洁车，包括清洁车本体、集风管、垃圾仓、集料管和尘仓；

所述清洁车本体包括驾驶室和车架，所述驾驶室位于车架前端上方；

所述集风管包括集风口和喷吹口，所述集风口高于驾驶室并朝向车辆行驶的方向设置，所述喷吹口位于车架下方并倾斜朝向路面；本发明将集风口高于驾驶室设置，能够将集风管自上往下设置在驾驶室后侧，避免对车架下方特别是驾驶室下方的驱动机构、传动机构等零部件的布置产生影响。另外，也可将集风口设置在驾驶室的前侧，将集风管设置在车架外侧，同样能够避免对车架下方特别是驾驶室下方的驱动机构、传动机构等零部件的布置产生影响；

所述集风口的横截面积大于喷吹口的横截面积；

所述垃圾仓位于车架的下方，所述集料管分别与集风管和垃圾仓相连，所述集料管设置有倾斜朝向路面的集料口，所述集料口与喷吹口相对设置形成罩状清洁区；集风口、喷吹口和集料口均沿清洁车宽度方向设置；

所述集料管的下端面与垃圾仓的连接处高于垃圾仓的底部；

所述尘仓位于车架的上方，并通过上升通道与垃圾仓相连；本发明的上升通道设置在垃圾仓上方，为中空结构，能够减少风阻，便于风路的流畅和风阻降低，以使空气加速气流能够达到最大的速度，减少风道内部的能量损失；

所述尘仓内设置有除尘装置，所述尘仓设置有与除尘装置相连的排气口。

本发明优选的，所述集风口横截面积与喷吹口横截面积的比值为3：1~5：1。根据高速公路对货车的时速的要求，时速范围可设置为60-100km/h，100km/h是高速公路限定的最大值（货车），而根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）、《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30）的标准，高速公路砂石最大粒径为16-26.5mm（沥青）或31.5mm（混凝土），石子密度按2.5×10³kg/m³计算，以石子最大的粒径为31.5mm计算，集风口横截面积与喷吹口横截面积的比值为3：1~5：1时能够满足车速在60-100km/h之间时，对高速公路上石子等重物的回收，保证了高速公路路面的清洁，有效减少了对其他车辆轮胎的磨损，避免了石子迸射到驾驶车辆的玻璃上，提高了高速公路通行的安全性。

本发明优选的，所述喷吹口与路面的夹角为30°~60°，所述集料口与路面的夹角为7°~18°；

所述集风管和集料管下方均设置有辅助支撑轮；

所述集风管下端面设置有与路面接触的柔性板，所述集料管下端面设置有耐磨板，所述耐磨板与路面的距离为3~8mm。为了保证路面垃圾被有效吹起并进入集料管，将喷吹口与路面的夹角设定在30°~60°之间，而集料口与路面的夹角设定在7°~18°之间；为了保证回收效率，在集料管下端面设置与路面接触的柔性板，在集料管下端面设置耐磨板，耐磨板与路面的距离为3~8mm以避免集料管直接与路面摩擦，并通过在集风管和集料管下方设置辅助支撑轮，防止集风管和集料管与路面发生硬摩擦。

本发明优选的，所述集风管还包括设置在集风口和喷吹口之间的人字形连接管；

所述人字形连接管的两条支管分别设置在车架的两侧。利用人字形连接管连接集风口和喷吹口，保证集风口和喷吹口能够沿车辆宽度方向连续设置而不间断，增加了集风口的迎风面积以及喷吹口的清洁面积；并通过将人字形连接管的两条支管分别设置在车架的两侧，避免了对车辆底盘传动系统的布置造成干扰，减少了对现有车辆底盘结构的影响。

本发明优选的，还包括设置在车架上的升降装置，所述升降装置用于控制集风管、集料管和垃圾仓的下端面相对于车架上下运动。为便于车辆的通行和维护，在不平顺的路面，集风管、集料管和垃圾仓的下端面均可通过升降装置实现上下运动，将集风管、集料管和垃圾仓的下端面提升至不影响通行的高度。

本发明优选的，所述集风口呈喇叭状；

所述喷吹口和集料口的宽度均不小于清洁车本体的宽度。将集风口设计为喇叭状，便于气流的收集，喷吹口和集料口的宽度均不小于清洁车本体的宽度，从而实现对高速公路路面更高效率的清洁作业。

本发明优选的，所述除尘装置包括多个设置在尘仓上方的除尘布袋或过滤筒；

所述排气口设置在尘仓后侧，所述排气口的朝向与车辆行驶的方向相反；

所述排气口上设置有装饰帘。利用除尘布袋或过滤筒对气流进行过滤，保证了排出气体的干净，除尘布袋或过滤筒方便更换和清理；排气口的朝向与车辆行驶的方向相反，减少了对车辆的阻力，通过在排气口上设置装饰帘，避免飞鸟等外物进入尘仓。

本发明优选的，以车辆行驶方向为前侧，所述罩状清洁区位于清洁车本体前后轮之间或位于清洁车本体后轮的后侧。将罩状清洁区设置在清洁车本体前后轮之间，使车辆在高速行驶过程中更加稳定；而将罩状清洁区设置在清洁车本体后轮的后侧，则能够有效避免后轮造成的二次扬尘。

本发明优选的，所述尘仓包括相互连通的缓冲室和除尘室，所述缓冲室和除尘室之间设置有分隔板，所述除尘装置设置在除尘室内，所述上升通道与缓冲室相连。缓冲室和除尘室之间设置隔板，在除尘室和垃圾仓之间形成迷宫结构，使气流中的灰尘有足够的时间和空间在缓冲室进行沉降，以减少过滤件的负担，延长过滤件的寿命。

本发明还公开了一种高速公路清洁方法，利用上述的高速风力清洁车，将高速风力清洁车开到预设速度，利用集风管对气流进行加速；

加速后的气流从喷吹口吹向路面，将路面的垃圾从集料口送入垃圾仓；

重量较大的垃圾留存在垃圾仓，重量较轻的垃圾随气流由上升通道进入尘仓，气流经除尘装置除尘后排出尘仓。

本发明的原理：本发明采用风力驱动，风力为车辆行驶过程中产生。与现有的负压清扫作业的原理不同之处在于，本发明的风力发生结构为集风管，车辆经过后，空气经由集风口进入风道并逐渐被带动和压缩，到达下方喷吹口时产生速度较高的气流。高速气流被喷吹口导向路面，将路面上的垃圾（以高速道路上的砂石最大当量直径为例）带动并归集到后方的垃圾仓内，本发明将垃圾仓和尘仓分离设置，因为垃圾仓设置在车架下方，所以，将垃圾吹入垃圾仓需要克服的势能较小，即所需的气流速度要求较低，本发明无需设置其他动力装置，只需将集料管倾斜设置，保证重量较重的垃圾沿集料管滚入垃圾仓即可。

垃圾进入垃圾仓后，大的垃圾颗粒沉降在垃圾仓底部，轻飘灰尘等重量较轻的垃圾随着气流上升进入车架上方的尘仓，尘仓内设有除尘装置，除尘装置将灰尘过滤并归集和沉降在尘仓内，干净的空气排出车外，不会产生二次扬尘。集料管与垃圾仓的连接处高于垃圾仓的底部，能有效防止垃圾从垃圾仓中溢出，不断从集料管送入的高速气流也抑制了垃圾从垃圾仓溢出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在传统燃油或新能源底盘上加装本发明的集风管、垃圾仓、集料管和尘仓，并在尘仓内设置除尘装置，借用高速行驶的车辆对空气的带动和压缩，不加装任何动力，就能对路面上的垃圾进行归集和清运，整体研发、制造和使用成本较低。

本发明的高速风力清洁车的工作车速高，满足货车在高速公路上60km/h~100km/h的时速要求，作业车速不受扫刷、水和风机等限制，能够达到最高行驶车速，而且能够将垃圾收集的更干净，保证高速公路车辆行驶的安全性，且环保节能，兼具经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明实施例1所述高速风力清洁车的结构示意图；

图2为本发明所述高速风力清洁车的立体图；

图3为本发明实施例所述高速公路清洁方法的示意图；

图4为本发明实施例2所述高速风力清洁车的结构示意图；

图中，1清洁车本体、11驾驶室、12车架；

2集风管、21集风口、22喷吹口、23人字形连接管；

3垃圾仓、4集料管、41集料口；

5尘仓、51排气口；

6除尘装置、7上升通道、8柔性板、9耐磨板、10储物仓；

100罩状清洁区；

501缓冲室、502除尘室、503分隔板。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和图2所示，一种高速风力清洁车，包括清洁车本体1、集风管2、垃圾仓3、集料管4和尘仓5。

所述清洁车本体1包括驾驶室11和车架12，所述驾驶室11位于车架12前端上方。

所述集风管2包括集风口21和喷吹口22，所述集风口21朝向车辆行驶的方向设置，所述喷吹口22位于车架12下方并倾斜朝向路面。本实施例中，所述集风口21设置在驾驶室11上方，高于驾驶室11设置。

所述集风口21的横截面积大于喷吹口22的横截面积。

所述垃圾仓3位于车架12的下方，所述集料管4分别与集风管2和垃圾仓3相连，所述集料管4设置有倾斜朝向路面的集料口41，所述集料口41与喷吹口22相对设置形成罩状清洁区100。具体的，所述集料管4的下端面呈铲板状，所述集料管4的下端面由路面方向倾斜向上设置。集料管4的下端面为铲型结构，有利于垃圾的进入，铲型结构尾部凸起，使垃圾进入垃圾仓3后可以较好的归集和停留。

所述集料管4的下端面与垃圾仓3的连接处高于垃圾仓3的底部。

所述尘仓5位于车架12的上方，并通过上升通道7与垃圾仓3相连。

本实施例中，以车辆行驶方向为前侧，所述罩状清洁区100位于清洁车本体1前后轮之间。如图1所示，集风管2从驾驶室11顶部延伸到车架12下方，而上升通道7由车架12下方延伸到车架12上方并与尘仓5顶部的入口相连。本实施例中，如图1所示，在集风管2和上升通道7之间还设置有储物仓10，用于放置工具、备件、高速救援应急装备等物品。

所述尘仓5内设置有除尘装置6，所述尘仓5设置有与除尘装置6相连的排气口51。集风口21的截面形状包括但不限于矩形，集风管2的风道可以根据情况进行截面形状变化，但是后方的截面积须小于前方的截面积。

所述集风口21横截面积与喷吹口22横截面积的比值为3：1~5：1。本发明可通过改变集风口21或喷吹口22的大小，调节集风口21与喷吹口22横截面积的比值，以适用于不同的车速，实现路面垃圾的高效回收（具体结构图中未示出）。

所述喷吹口22与路面的夹角为30°~60°，所述集料口41与路面的夹角为7°~18°。

所述集风管2和集料管4下方均设置有辅助支撑轮（具体结构图中未示出）。

所述集风管2主体和集料管4主体的下端面与路面的距离为30~60mm。

所述集风管2下端面设置有与路面接触的柔性板8，所述集料管4下端面设置有耐磨板9，所述耐磨板9与路面的距离为3~8mm。柔性板8采用橡胶材料，耐磨板9采用尼龙或碳纤维板等非金属防撞耐磨材料。

所述集风管2还包括设置在集风口21和喷吹口22之间的人字形连接管23。

所述人字形连接管23的两条支管分别设置在车架12的两侧。

高速风力清洁车还包括设置在车架12上的升降装置，所述升降装置用于控制集风管2、集料管4和垃圾仓3的下端面相对于车架12上下运动。升降装置在图中没有绘制细节结构，喷吹口和垃圾仓的升降可以分别通过将人字形连接管23和上升通道7设置为内外套管相对运动的结构或采用软连接的方式（如：波纹管）实现，动作执行件包括但不限于固定在车架12上的气缸、液压缸、电动推杆等。

所述集风口21呈横截面积前大后小的喇叭状。

所述喷吹口22和集料口41的宽度均不小于清洁车本体1的宽度。

所述除尘装置6包括多个设置在尘仓5上方的除尘布袋或过滤筒。

所述排气口51设置在尘仓5后侧，所述排气口51的朝向与车辆行驶的方向相反。

所述排气口51上设置有装饰帘。装饰帘可以为活页结构，也可以为软质材料（不能阻挡风的排放）的装饰结构，美观的同时具有阻拦作用，防止非工作时鸟兽等小动物进入或轻飘物飞入。

所述尘仓5包括相互连通的缓冲室501和除尘室502，所述缓冲室501和除尘室502之间设置有分隔板503，所述除尘装置6设置在除尘室502内，所述上升通道7与缓冲室501相连。

一种高速公路清洁方法，利用上述的高速风力清洁车，如图3所示，将高速风力清洁车开到预设速度，利用集风管2对气流进行加速。

加速后的气流从喷吹口22吹向路面，将路面的垃圾从集料口41送入垃圾仓3。

重量较大的垃圾留存在垃圾仓3，重量较轻的垃圾随气流由上升通道7进入尘仓5，气流经除尘装置6除尘后排出尘仓5。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）、《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30）的标准，高速公路砂石最大粒径为16-26.5mm（沥青）或31.5mm（混凝土），石子密度按2.5×10³kg/m³计算。

如图3所示，本实施例以设计时速为100km/h（≈27.78m/s）（参照系：路面）、垃圾参数为当量直径以31.5mm为例。

1、根据伯努利方程（不可压缩流体，空气流速远低于音速、约343m/s时近似成立）——

伯努利方程（忽略高度变化和粘性损伤）：

（1）

式（1）中，v₁代表集风口的空气流速，v₂代表喷吹口的空气流速。

代入v₂后，静压变化为：

（2）

式（2）中，A₁代表集风口的截面积，A₂代表喷吹口的截面积，由于A₁＞A₂，结果为负值，表明出口静压降低。

2、应用连续性方程（质量守恒）；

集风口21的截面积A₁与喷吹口22的截面积A₂的比值为3:1，即A₁/A₂=3。在不可压缩流体假设下，出口流速相对于车为：

——车载集风口21的设计通常用于局部气流加速（如散热、负压抽吸），面积比极少超过3:1，以避免超音速效应和结构不稳定性。本实施例中比值3：1是按最大车速100km/h（高速公路货车限值）设计的，如需要设定范围可更改为3：1~5：1（按照高速公路规定车辆行驶速度范围下限60km/h计算）。

3、参考系转换（由空气与集风口21相对转换为空气与路面相对）。

车参考系：空气从喷吹口22以83.33m/s向后喷出（与车运动方向相反）。

路面参考系：空气的实际速度为车速度（向前）与喷出速度（向后）的矢量叠加：

式（4）中，负号表示方向与车运动相反（即向后），绝对值为55.55m/s。

4、单位转换与结果（将出口流速转换为km/h）

55.55m/s×3.6≈200km/h

——理论上出口空气流速（路面参考系）200km/h（≈56m/s），方向与车运动方向相反。

5、能量耗散

空气高速流动时，摩擦、激波等能量损失会进一步降低实际流速。实际应用中，该数值需根据可压缩性和能量损失进行修正，根据不同的应用场景可设置经验系数值，在此为了方便计算，忽略能量的耗散。

6、根据动压公式——

动压（Pv）计算公式：

（5）

参数说明：式（5）中，Pv代表石子所受动压，ρ代表空气密度，v代表风速。

ρ：ρ空气密度（单位：kg/m³），标准条件下（20℃，1个大气压）约为1.2kg/m³。

v：风速（单位：m/s）。

单位：计算结果单位为帕斯卡（Pa），1Pa=1N/m²。

根据式（5），石子所受动压Pv=0.5×1.2×56²=1881.6Pa

石子迎风面积S_石=πr²=π×（31.5/1000/2）²=7.8×10^-4m²（6）

石子受力F=PvS_石=1881.6×7.8×10^-4=1.47N（7）

石子自重m=ρ_石V_石=2.5×10³×4/3×π×（31.5/1000/2）³=0.041kg（8）

石子重力G=0.041kg×9.8N/kg=0.40N（9）

7、总结

由于石子受力1.47N＞石子重力0.40N，说明喷吹口的出风可以吹动石子，即可以克服石子的重力，使石子动起来，进而随气流沿集料管4进入车架12下方的垃圾仓3内，其他重量较轻的垃圾同样也更容易随气流进入垃圾仓3。

实施例2

如图4所示，与实施例1不同之处在于，以车辆行驶方向为前侧，所述罩状清洁区100位于清洁车本体1后轮的后侧。

本实施例中，所述集风口21设置在驾驶室11的后方，并位于车架12的上方，集风口21的上边缘高于驾驶室11的顶部，集风管2由车架12上方延伸到车架12的下方，在驾驶室11和集风管2之间设置储物仓10，垃圾仓3、集料管4和上升通道7设置在尘仓5正下方，所述垃圾仓3直接通过上升通道7与尘仓5底部相连。

集风管2的集风口21斜朝上设置，从而更有利于收集车辆正面的气流。

Claims (10)

1.一种高速风力清洁车，其特征在于：包括清洁车本体（1）、集风管（2）、垃圾仓（3）、集料管（4）和尘仓（5）；

所述清洁车本体（1）包括驾驶室（11）和车架（12），所述驾驶室（11）位于车架（12）前端上方；

所述集风管（2）包括集风口（21）和喷吹口（22），所述集风口（21）朝向车辆行驶的方向设置，所述喷吹口（22）位于车架（12）下方并倾斜朝向路面；

所述集风口（21）的横截面积大于喷吹口（22）的横截面积；

所述垃圾仓（3）位于车架（12）的下方，所述集料管（4）分别与集风管（2）和垃圾仓（3）相连，所述集料管（4）设置有倾斜朝向路面的集料口（41），所述集料口（41）与喷吹口（22）相对设置形成罩状清洁区（100）；

所述集料管（4）与垃圾仓（3）的连接处高于垃圾仓（3）的底部；

所述尘仓（5）位于车架（12）的上方，并通过上升通道（7）与垃圾仓（3）相连；

所述尘仓（5）内设置有除尘装置（6），所述尘仓（5）设置有与除尘装置（6）相连的排气口（51）。

2.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述集风口（21）横截面积与喷吹口（22）横截面积的比值为3：1~5：1。

3.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述喷吹口（22）与路面的夹角为30°~60°，所述集料口（41）与路面的夹角为7°~18°；

所述集风管（2）和集料管（4）下方均设置有辅助支撑轮；

所述集风管（2）下端面设置有与路面接触的柔性板（8），所述集料管（4）下端面设置有耐磨板（9），所述耐磨板（9）与路面的距离为3~8mm。

4.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述集风管（2）还包括设置在集风口（21）和喷吹口（22）之间的人字形连接管（23）；

所述人字形连接管（23）的两条支管分别设置在车架（12）的两侧。

5.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：还包括设置在车架（12）上的升降装置，所述升降装置用于控制集风管（2）、集料管（4）和垃圾仓（3）的下端面相对于车架（12）上下运动。

6.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述集风口（21）呈喇叭状；

所述喷吹口（22）和集料口（41）的宽度均不小于清洁车本体（1）的宽度。

7.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述除尘装置（6）包括多个设置在尘仓（5）上方的除尘布袋或过滤筒；

所述排气口（51）设置在尘仓（5）后侧，所述排气口（51）的朝向与车辆行驶的方向相反；

所述排气口（51）上设置有装饰帘。

8.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：以车辆行驶方向为前侧，所述罩状清洁区（100）位于清洁车本体（1）前后轮之间或位于清洁车本体（1）后轮的后侧。

9.根据权利要求1所述的高速风力清洁车，其特征在于：所述尘仓（5）包括相互连通的缓冲室（501）和除尘室（502），所述缓冲室（501）和除尘室（502）之间设置有分隔板（503），所述除尘装置（6）设置在除尘室（502）内，所述上升通道（7）与缓冲室（501）相连。

10.一种高速公路清洁方法，利用权利要求1~9任一所述的高速风力清洁车，其特征在于：将高速风力清洁车开到预设速度，利用集风管（2）对气流进行加速；

加速后的气流从喷吹口（22）吹向路面，将路面的垃圾从集料口（41）送入垃圾仓（3）；

重量较大的垃圾留存在垃圾仓（3），重量较轻的垃圾随气流由上升通道（7）进入尘仓（5），气流经除尘装置（6）除尘后排出尘仓（5）。