矩形管道的清洁Word下载.docx
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另外摄像头、照明系统、支架之间用紧定螺钉固定,可以旋松螺钉,对摄像头及照明系统进行俯仰角的调整,再拧紧固定,也能很方便可靠的根据需要调整视角范围。
如图2.1所示。
1.1.3监视器
采用10英寸彩色视频监视器,摄像头通过并行接口方便的接在监视器上,监视器还具有录像功能,记录整个清扫过程,使清扫工作有案可查。
1.2清洁装置系统
本部分的设计主要难题有两个:
(1)清洁装置的前进后退及转向控制;
(2)清洁装置高度的调整和改变功能的实现;
1.2.1清洁装置的前进后退及转向控制
为此考虑了三个比较成熟的方案[1]:
方案一:
双电机各自驱动清洁装置翼侧前轮,工作人员通过摄像头观察清洁装置在管道中的运行情况,适时调整两电机的速度,对清洁装置进行转向控制。
方案二:
单电机驱动清洁装置前轴,在清洁装置前方左右两端各安装一个导向轮系统,两导向轮的角度可调,如图2—4所示。
清扫管道之前调整导向轮之间的横向距离比管道宽度略窄,以大小相同、方向相反的转速与清洁装置驱动轮同步启停,导向轮转动线速度比驱动轮线速度略大,当某一导向轮碰到管道壁时,导向轮的切向力和电机牵引力的合力会迫使清洁装置转向,从而保证清洁装置始终运行在管道的正中央并能完成自动转向。
方案三:
双电机各驱动清洁装置两后轮,两侧电机驱动轮系统各自独立。
在清洁装置前方左右两端各安装一个接触感应开关导向系统,两接触开关触头的角度可调。
清扫管道之前调整触头之间的横向距离比管道宽度略窄,当某一接触开关碰到管道壁时与它相反侧的电机停转,而同侧电机照常转动,使清洁装置转向,从而保证清洁装置始终运行在管道的正中央并能完成自动转向。
工作人员还可以通过摄像头观察清洁装置在管道中的运行情况,适时调整两电机的启停,对清洁装置进行转向控制。
相比较而言:
方案一结构简单,控制灵活,但两电机速度差的控制不好把握,两电机启动的同步度不好控制,而且对工作人员的技术要求较高,工作人员的劳动强度较大,清洁装置的自动化程度较低;
方案二采用导向轮系统,提高了清洁装置的智能化,大大减轻了工作人员的工作量;
只是结构设计及传动系统复杂而且结构尺寸大、重量大,使清洁装置重心前移,其前倾的伸长臂和导向轮会阻碍摆动的清扫刷。
方案三使用接触开关,结构简单、在机械结构设计上是个创新,重量轻、尺寸小,并能够实现方案二导向轮的功能而克服了导向轮系统的缺点。
综合考虑这三个方案的优缺点,我决定采用第三种方案,其传动机构如图2.2所示,接触开关导向机构如图2.3所示。
另外,本次设计采用履带机构传输。
工业橡胶制履带与钢管的摩擦系数为0.8,是普通塑料轮子与钢管摩擦系数的5.8倍,是铝合金轮子与钢管摩擦系数的4.7倍,另外,履带增大了接触面积,增加了摩擦力
图2.2传动机构图
Fig.2.2Transmissionsystem
图2.3接触开关导向机构图
Fig.2.3Contactswitchguidanceorganizationchart
1.2.2清洁装置高度的调整和改变功能的实现
之所以要为清洁装置设计高度可以调整的机构,主要是因为:
由于中央空调风管的尺寸规格有一系列——好几种,那么要保证旋转刷的旋转中心一直处于风管高度方向的中心位置,就必须使清洁装置的支撑体高度可以随着风管高度尺寸的改变而改变,以达到清扫目的。
在此,我们采用了驱动轮系统与主支撑体相对独立、通过可转角桥板连接,从而使高度的改变变得简单、稳固。
其原理如图2.4所示:
图2.4高度可调机构原理示意图
Fig.2.4Highlyadjustableorganizationprinciplehint
1.3旋转刷系统
旋转刷的驱动考虑了两个较为成熟的方案[4]:
直流电机驱动,另外安装一向前吹灰尘的大功率风机,以方便收集灰尘。
气动马达驱动,在外接的螺管上加工一些斜孔,利用气动马达吹出的高压空气,向前吹灰尘,以便于集尘器收集。
在实际的设计过程中,根据旋转刷的驱动功率和转速,在网上查得各厂家的合适的产品中,电机的尺寸、质量较大,会导致清洁装置重心前移,运行平稳度不够;
而且还需要另外安装风机,不经济。
因此我决定采用第二种方案。
另外,由于清洁装置要实现对矩形管道在一次行程中彻底清扫,旋转刷必须能够在行进的过程中一边旋转,一边左右摆动。
为实现这些功能而设计的旋转刷系统模型如图2.5所示。
图2.5旋转刷系统结构图
Fig.2.5Revolvingbrushesthesystemstructuredrawing
1.4集尘系统
选用大功率专用管道吸尘机收集风管内清除的尘埃、污物;
技术数据:
过滤器:
-
-
预过滤器;
式滤器Hi-Flo85%(选配);
HEPA过滤器DOP99.97%;
气流:
带过滤器,3500立方米/小时;
发动机:
1.5千瓦;
供电:
230或120伏,单相,7.0安培或380伏,3相,3.5安培;
尺寸:
长度:
940毫米
宽度:
660毫米
高度:
820毫米;
重量:
58公斤。
2机械结构部分设计计算
初定清洁装置主要参数:
箱体外形尺寸:
长×
宽×
高=310mm×
160mm×
110mm;
清洁装置前进速度:
0.05m/s(即3m/min);
旋转刷旋转速度:
10000r/min。
2.1清洁装置系统的设计计算
2.1.1清洁装置驱动系统
(1)电机的选择
小型减速交流电机具有结构紧凑、体积小、输出转速低,输出扭矩大等优点,比较符合该清洁装置的设计准则,因此优先选用[5]。
①根据外形尺寸估计清洁装置总质量M
M=箱体质量m1+履带机构质量m2+清洁装置驱动机构质量m3+旋转刷系统质量m4+接触开关质量m5+传输线质量m6+摄像头系统质量m7
=[(240×
280)+(240×
120)+(280×
120)]×
1.5×
7.9g/cm3+0.25+3+2+0.5+2.4+0.75
=2+0.25+3+2+0.5+2.4+0.75
=11(kg)
②计算驱动清洁装置所需要的牵引力F
F=履带轮摩擦力F1+旋转刷摩擦力F2
=uMg+umg
=0.8×
11×
9.8+0.8×
0.1×
9.8
=87(N)
当清洁装置拐弯履带与管道产生静摩擦时,所需牵引力为,F*=1.2×
F=1.2×
87=105(N)
③驱动清洁装置所需功率P
P=F*×
v
=105N×
0.05m/s
=5.25W
初选减速交流电机型号59TYD-D:
TYD-可逆齿轮减速同步电动机。
生产厂家网址:
宁波市鄞州立兴微特电机厂。
电动机的性能参数为:
输出功率P:
15W
电压U:
110V
频率f:
50Hz
电流I:
0.16A
旋转方向:
CCW,CW
输出转速n1:
15r/min
允许负载T:
24
电动机的外形如图3.1所示。
图3.1同步交流减速电机尺寸外形图
Fig.3.1Synchronizedexchangedecelerationelectricalmachinerysizeoutlinedrawing
(2)传动齿轮(二级传动比)的设计计算
由于齿轮传动具有传动平稳,传动效率高,结构紧凑等特点,所以二级传动采用圆柱直齿轮传动。
根据转速要求,并考虑到轴中心线与履带轮的大小距离、电机的尺寸、电机与履带轮的相对位置,以及防止根切等问题,初选二级传动比i=1.3[6]。
1材料的选取
与电机轴配合的齿轮1选用45#钢,整体淬火;
与履带轮驱动轴配合安装的齿轮选
用45#钢,调质。
2校核计算,确定主要尺寸:
精度等级:
选8级精度;
齿数Z和模数m:
初取齿轮1齿数Z1=27;
Z2=iZ1=27×
1.3=35,
所以,Z1=27,Z2=35。
取m=2。
实际分度圆直径d:
d1=mZ1=2×
27=54mm
d2=mZ2=2×
35=70mm
中心距a:
a=m(Z1+Z2)/2=2×
(27+35)/2=62mm
齿宽:
b1=ψdd1=0.2×
54=10.8mm
取b1=12mm。
齿轮1的几何参数为:
Z1=27,m=2,b1=12mm,d1=54mm,β=0°
α=20°
。
齿根圆直径:
df1=d1-2(ha+c-xm)=54-2×
(2+0.25×
2)
=54-22×
2.5
=49mm
齿顶圆直径:
da1=2a-df2-2c=2×
62-65-1
=58mm
齿轮2的几何参数为:
Z2=35,m=2,d2=70mm,β=0°
df2=d2-2(ha+c)=70-2×
=70-2×
=65mm
da2=2a-df1-2c=2×
62-49-1
=74mm
齿宽b2:
b2=ψdd2=0.2×
70=14.0mm
由于本设计中齿轮转速极小、传动力也很小,所以齿轮宽度稍微减小不会影响传动的作用。
为了使清洁装置的外形尺寸尽量减小,因此取b2=b1=11mm。
开式传动齿轮的主要失效形式是弯曲疲劳折断(减少齿数,增大模数)和磨粒磨损。
经过弯曲疲劳强度校核验证,齿轮满足强度要求。
硬质面齿轮采用表面淬火,软齿面齿轮采用正火或调质处理来提高其表面质量,有效防止磨粒磨损[2]。
那么再计算小车前进速度:
v=πd轮w/i=3.1415926×
80×
15/1.3=0.049m/s≈0.05m/s。
(3)驱动履带轴1的设计计算
轴的材料选用45#碳素钢。
①初选轴径
由于轴为传动轴,主要受转矩,受很小的弯矩,所以利用切应力公式,根据
得,
,取d=17mm。
②轴的结构设计
由于履带轮直径较小,轴的直径也很小,而且轴的宽度和履带轮的宽度也很小,所以做成一体,如图3.2所示。
图3.2驱动带轮轴1结构示意图
Fig.3.2Actuationbeltwheelaxlestructureschematicdrawing
③强度校核
根据轴的受力图,画出转矩图,并校核轴径得知该轴符合强度要求。
④刚度校核
轴承受载荷小,主要受扭转变形,对其扭角进行校核,得出轴完全符合刚度要求。
⑤轴上零件的固定
)轴上齿轮的固定
在此采用键连接来固定轴上齿轮,可多次装卸。
)轴承的固定
由于轴跨距较短(L<
400mm),在常温下工作,所以支点采用两端单向固定的方式,轴承两端各用轴肩固定内圈,利用驱动轮系统外侧板来固定外[7]。
(4)驱动履带轮轴2的设计计算
②轴的结构设计,如图3.3所示。
图3.3驱动带轮轴2结构示意图
Fig3.3Actuationbeltwheelaxlestructureschematicdrawing
③轴的刚度、强度校核
轴2与轴1所取参数完全相同,而且不须传递齿轮的扭矩,故强度和刚度的校核计算在此省略。
④轴上零件的固定
轴承的固定方式与轴1上轴承的固定方式完全相同,在此亦不再赘述。
(4)轴承的选择
由于滚动轴承与滑动轴承相比,具有摩擦阻力矩较小;
径向有隙较小、运转精度较高;
结构紧凑简单等优点,而轴承主要须传递径向载荷,所以选用应用广泛的深沟球轴承。
根据轴径选取型号:
四对型号为6201的深沟球轴承。
轴承强度校核
由于轴承转速较低,所以只需进行静强度计算,两对轴承中,轴1上轴承受力大,所以只需对该对轴承进行校核即可。
根据C0′=S0P0得,
C0′=1×
1.15kN=1.15kN<
C0=3.05kN
即该组轴承满足强度要求。
2.2旋转刷系统的设计计算
由于清洁装置要能实现对矩形管道在一次行程中彻底清扫,其旋转刷必须能够在行进的过程中一边旋转一边左右摆动。
中央空调通风管道尺寸规格:
高,宽、高差值(单位mm)
高差值宽×
高差值
400×
200200400×
250150
32080400×
4000
500×
200300500×
250250
320180500×
400100
5000630×
250380
630×
320310630×
400230
500130630×
6300
800×
320480800×
400400
500300800×
630170
80001000×
320680
1000×
4006001000×
500500
6303701000×
800200
10000
由上列数据,除去正方形截面的管道,则矩形管道截面宽高的差值为:
200,150,80,300,250,180,100,380,310,230,130,480,400,300,170,680,600,500,370,200。
对这组数据的比较可以看出:
差值最小为80mm,最大为680mm;
数值主要集中在200mm至300mm。
根据这一现象,我决定将旋转刷系统设计为清扫时左右摆动距离在80mm到250mm——这样几乎所有尺寸规格的管道都可以得到均匀的、一次清扫。
其工作原理如下图3.4所示:
图3.4旋转刷平行摆动原理图
Fig.3.4evolvingbrushestheparallelswingingschematicdiagram
在上图中,1点、2点固定在清洁装置主支撑体上。
由摆动杆1、摆动杆2和旋转刷组件杆在1、2、3、4点框内组成一个平行四边形曲柄摇杆机构。
由于1点与2点和3点与4点之间的距离长度相等(都是L),根据平行摇杆的特殊轨迹原理,旋转刷组件的运动轨迹就会像图式那样,保持平行方向。
这就保证了旋转刷在旋转工作的同时,其轴线一直与管道的轴线平行(之所以这样设计,而不直接让旋转刷与摆动杆1固定摆动的原因已经过详细计算分析,限于篇幅在此不再赘述)。
下面是对摆动臂各段长度,和摆动角度等相关设计尺寸的计算。
取摆动角度:
θ=45º
,
摆动宽度:
b=250mm时,
摆动臂1上2点到4点的长度:
L1=(b/2)x=176.75mm,取L1=180mm;
旋转刷在中央位置时与摆动到最大角度位置时
的前后伸缩,即图中的高度h:
h=180-b/2=180-125=55mm;
1、2点的距离(和3、4点距离相等)l:
取l=20mm;
根据清洁装置主要设计尺寸选取圆心6点到点5的长度R:
取R=40mm;
b=80mm时,
L1=(b/2)x=56.56mm,取L1=60mm;
h=L1-b/2=60-40=20mm。
根据上面的计算得出旋转刷的前后伸缩值在20mm——55mm之间,因此只要保证旋转刷的刷头部分到清洁装置最前段部件的距离超过55mm,就不会产生干涉。
摆动的动力采用减速电机驱动,初选减速交流电机型号59TYD-D。
宁波市鄞州立兴微特电机厂[8]。
根据电机转速w1=0.5r/s(w1=30r/min)和小车行进速度v=0.005m/s,得
电机每1秒转1/2转,摆动杆摆动一个单程(旋转刷摆动一个单程);
同时小车前进5cm。
即小车每前进10cm的距离,旋转刷摆动一个回程,这样就可以完成设计的主要目的——对中央空调管道在小车一次清扫中完成彻底、均匀的清扫。
气动马达参数:
压缩空气300升/分钟;
230V,50Hz;
转速10000r/min。
结论
本次毕业设计经过搜集相关图片资料,提出了多种自己独特的方案,多次比较论证并经过实践考察后确定的新的设计总方案。
经过了一个比较漫长的过程,也让我学到了很多以前没接触过或者不曾认真思考过的东西。
方案确定后我经过整体的结构分析和尺寸计算确定了个个零部件的基本结构形式尺寸。
然后进行各个零部件的设计及选购并附有两张装配图,十六张零件图。
此次设计经过大量整体协调性的验算,提高了我的全局设计概念,和对整体的把握能力。
最后利用工程绘图软件AutoCAD对该装置进行了二维工程图纸的绘制,很好地锻炼了我的计算机绘图能力,目前我能够非常熟练的运用AutoCAD进行零件,装配,绘图等模块的操作。
由于时间仓促,有些部分的具体尺寸和细节问题还有许多地方需要不断的改进和完善。
致谢
本课题是在导师张洪丽的精心指导下完成的,导师渊博的知识、严谨的治学态度和精益求精的工作态度使我受益非浅,张老师对我的生活也给予很多关心和照顾,在此本人致以由衷的感谢。
同时,在这四年的大学学习生活时间里,学校的很多同学和老师对我给予了真诚的关心和帮助,在此一并致谢。
最后,对本论文审阅的教授们表示感谢。
参考文献
[1]中国机械工程学会,中国机械设计大典编委会编著.中国机械设计大典第四卷,江西科学技术出版,2002年1月
[2]CarrollRJ.FHWATechnicalReportNo.FHWA2MC2992136.http:
∥fhwa.dot.gov,1999
[3]FHWAreportnumber:
FHWA2MC2972001.http:
∥fhwa.dot.gov,1997.10
[4]郑家骧,陈桂英主编.机械制图及计算机绘图,机械工业出版社,2000年8月
[5]邱宣怀主编.机械设计第四版,高等教育出版社,2002年5月
[6]黄珊秋主编.机械设计课程设计,机械工业出版社,1999年8月
[7]矫培山,俞惠芬主编.互换性与技术测量,山东大学出版社,1997年8月
[8]山东大学机械原理及零件教研室编著.机械设计常用标准,山东大学出版社,2000年11月
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