機電一體化系統(tǒng)設計課程設計——城市護欄自動清洗機

1、<p><b>　　X X 大學</b></p><p>　　《機電一體化系統(tǒng)設計》綜合課程設計</p><p><b>　　計算說明書</b></p><p>　　設計題目： 城市護欄自動清洗機 </p><p>　　設計組長：

2、 </p><p>　　設計成員： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級：

3、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： 2012 年 2 月 21日 至 2012 年 6 月 8 日</p><p>　　自動控制與機械工程學院</p><p><b>　

4、　2012年2月 </b></p><p><b>　　任務分配</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 系統(tǒng)總體方案設計5</p><p>　　1.1 目前國內外同類技術的發(fā)展水平、存在的問題及趨勢5</p><p&g

5、t;　　1.1.1 目前國內外同類技術的發(fā)展水平及應用5</p><p>　　1.1.2目前存在的問題：7</p><p>　　1.1.3 發(fā)展趨勢：7</p><p>　　1.2護欄自動清洗機的經(jīng)濟性及市場前景7</p><p>　　1.2.1經(jīng)濟性7</p><p>　　1.2.2市場前景8</p

6、><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計9</p><p>　　2.1 動力源的選擇9</p><p>　　2.2 驅動電機的選擇10</p><p>　　2.3 直流電動機的啟動方式10</p><p>　　2.4 調速器的選擇11</p><p>　　2.5 導向裝置的設計11<

7、;/p><p>　　第3章 機械傳動系統(tǒng)的設計12</p><p>　　3.1 小車行走系統(tǒng)的總體設計12</p><p>　　3.2 小車行走系統(tǒng)的運動和動力參數(shù)計算13</p><p>　　3.2.1電動機的選擇13</p><p>　　3.2.2 確定行走裝置的總傳動比15</p><

8、p>　　3.3 傳動零件的設計計算16</p><p>　　3.3.1 齒輪設計16</p><p>　　3.3.2 軸的設計20</p><p>　　3.4 清洗裝置的設計21</p><p>　　3.4.1 毛刷的選擇與安裝方式21</p><p>　　3.4.2 清洗裝置的基本設計計算22<

9、;/p><p>　　3.4.3 水泵的選擇和計算23</p><p>　　3.4.4 洗涮裝置各部件和材料的選擇24</p><p>　　3.4.5 制動裝置的選擇25</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)的設計27</p><p>　　4.1 毛刷的安裝及轉動方向的確定27</p><p&

10、gt;　　4.2 控制系統(tǒng)的設計27</p><p>　　4.3 電動機調速系統(tǒng)的選擇28</p><p>　　4.4 報警系統(tǒng)的設計32</p><p>　　第5章 結束語33</p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><b>　　致 謝35&l

11、t;/b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　針對城市道路護欄難以清洗的現(xiàn)狀，提出了一種龍門框架分離式護欄清洗機本體結構，作業(yè)時清洗機跨立在護欄上，實現(xiàn)對護欄和支墩的全面清洗。根據(jù)該清洗原理，建立了欄桿和支墩的清洗模型，并對其清洗過程進行了運動分析，同時對清洗機的機械結構和電器控制進行了闡述。該清洗機具有結構簡單，操作方便，自動化

12、程度高等優(yōu)點。</p><p>　　關鍵詞：護欄清洗，龍門框架分離式結構，跨立式結構，控制系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Based on the difficulties of how to clean the urban road guardrails, a design of road gu

13、ardrails cleaning machine body is proposed, which adopts the gantry separate fame structure the machine crosses in the guardrails when it works, to achieve guardrails and pedestals are completely washed. According to thi

14、s cleaning principle, the washing model of guardrail and pedestal is established and the cleaning process is analyzed, and mechanical structure and electrical control o f the machine are descr</p><p>　　Key w

15、ords: guardrails cleaning, separate design frame structure, Across the vertical structure, control system</p><p>　　第1章 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　1.1 目前國內外同類技術的發(fā)展水平、存在的問題及趨勢</p><p>　　1.1.1

16、目前國內外同類技術的發(fā)展水平及應用</p><p>　　隨著我國城市交通的迅速發(fā)展，公路護欄由于受日照、雨淋、車輛尾氣、灰塵粘附及其它因素影響，表面受到了各種各樣不同程度的污染。目前公路隔離護欄的清洗方式主要有2種：人工清洗和借助汽車所配的高壓水洗刷清洗。</p><p>　　由于人工清洗勞動強度大、清洗效率低，且由于清洗工人身處高速行駛的機動車輛中間，極易發(fā)生安全事故，清洗人員的安全得不

17、到保障，而且周圍空氣中汽車尾氣濃度很高，嚴重危害清洗工人的健康,故其清洗方式正被初步淘汰。</p><p>　　而車載式高壓水洗刷清洗一次性投資過高，一般中小城市難以承受，且由于車輛行駛路線不能保證與道路護欄平行，容易發(fā)生交通事故，一般清洗車體積較大，在高速行駛的公路上占用路道，容易造成交通事故及堵塞，而在實際清洗中無法清洗護欄處在車行逆向的部分表面，耗水量大, 清洗效果不佳, 對城市交通也有一定影響，故其應用和

18、發(fā)展受到了一定的限制。</p><p>　　然而護欄自動清洗機結合護欄的結構特點而設計，以護欄本身為導軌，結構簡單、成本低、無污染，且在清洗過程中不會占用路道，甚至可以實現(xiàn)無人化操作，極大程度上避免了交通事故及堵塞發(fā)生的概率，與我國高等級公路養(yǎng)護機械節(jié)能、高效、低噪聲、低污染且自動化程度高的發(fā)展相適應，具有顯著的社會環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。其應用逐步得到推廣，具有很高的發(fā)展的潛力。</p><p&

19、gt;　　1.1.2目前存在的問題：</p><p>　　（1）由于本產(chǎn)品的體積受限，故水的容積被限制，其行程和蓄水量被限制；</p><p>　?。?）由于是在戶外工作，故在本產(chǎn)品中電源方面采用的是直流鉛酸蓄電池，其行程和工作時間受限；</p><p>　　總的來說，該產(chǎn)品的應用特點極廣，但行程、蓄水量和電池容量被限制而得不到更為廣泛的應用。</p>

20、<p>　　1.1.3 發(fā)展趨勢：</p><p>　　護欄自動清洗機的應用不僅具有極大的經(jīng)濟型、環(huán)保性、高效性、節(jié)能性、節(jié)水性等，在大、中、小城市都有廣泛的市場前景，特別是適合中、小城市的應用，相信不久之后該產(chǎn)品將會得到廣闊的應用。</p><p>　　1.2護欄自動清洗機的經(jīng)濟性及市場前景</p><p><b>　　1.2.1經(jīng)濟性<

21、;/b></p><p>　?。?）改進生產(chǎn)工藝，節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本，提高了材料的利用率；</p><p>　?。?）本裝置結構簡單、易操作、使用方便、可靠性強，使用范圍廣；</p><p>　?。?）該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對空氣無污染，對生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生影響，不存在“三廢”問題，企業(yè)已在科技創(chuàng)新基金中采取了安全生產(chǎn)的必要措施和相應的技術規(guī)范。采用電能作為能量輸

22、入，無尾氣排放，綠色低碳；</p><p>　?。?）方便、環(huán)保。內部采用直流電力驅動，無污染，電動機采用PWM直流調速器調速，可通過差速調速來控制和協(xié)調兩個主電動輪在直道、彎道的行駛速度和方向。應用范圍廣泛，功能實現(xiàn)方式可靠，應用廣泛；</p><p>　　（5）安全性。全自動導向裝置，自主適應護欄的變化，實現(xiàn)無人干預、自動行走。檢測裝置有紅外線檢測，將檢測到的相應數(shù)據(jù)用LED方式顯示，

23、同時提供報警和自動減速停止特點。</p><p><b>　　1.2.2市場前景</b></p><p>　　我國擁有655個大中型城市，全國各大中小城市，需要清洗的城市護欄更是數(shù)不勝數(shù)。各市、區(qū)、縣對其需求都很顯著，新型護欄清洗設備的技術優(yōu)勢和成本優(yōu)勢的運用都將降低傳統(tǒng)的人力清洗過程所造成的人力資本的耗費。本項目可以運用于城市道路護欄、高速公路護欄、公園、社區(qū)等護欄

24、的清洗，各省市區(qū)市政集團、各市區(qū)環(huán)衛(wèi)部門、物業(yè)公司、各單位后勤集團、各高速公路養(yǎng)護單位都將可能成為本項目產(chǎn)品的潛在用戶。一般情況，2-3個月護欄就需要一次清洗，如采用人工方式，按300 m/人/天，人工費0.1元/m算，若某城市的護欄總長為1000km，則每年除去耗材費用，僅人工投入就需要45萬元，我國655個城市的投入就為2.9475億元，數(shù)額巨大，并且容易引發(fā)交通事故，造成額外賠償。如采用車載式清洗方式，買臺售價都在15萬元以上，按

25、照每個城市采購10輛計算，總的投資成本9.825億元，并且耗水量大，冬季容易造成路面結冰，引發(fā)交通事故。結構如下圖所示：</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　2.1 動力源的選擇</p><p>　　為解決護欄自動清洗機在戶外工作的先決條件，在動力源方面采用了直流蓄電池。為了實現(xiàn)高清潔度的清洗，設計時采用跨欄式清洗，在小車前進的同時兩

26、邊的毛刷進行旋轉實現(xiàn)護欄的清洗。小車采用后輪的驅動方式，且由于該裝置采用了跨欄式清洗，故在驅動方式上采用兩邊驅動輪分別用小型直流伺服電機驅動，其行駛速度較小、受力較大；為提高能源的利用率和減小極限整體的尺寸，毛刷同樣采用兩個小型直流伺服電機分別驅動，其轉速較大、受力較小，所以在蓄電池的選擇方面采取分別提供動力源的方式實現(xiàn)，即驅動輪的電機由一塊蓄電池提供動力源，驅動毛刷旋轉的電機由另外一塊電池提供動力源。在裝置中還有安裝有一臺微型水泵，該

27、水泵直接接在直流蓄電池上即可工作，由該水泵將機箱內的水抽出來并噴灑在毛刷上實現(xiàn)清洗，據(jù)計算和查閱相關書籍、資料得，為毛刷提供動力源的蓄電池和為該微型水泵提供動力源的蓄電池可選為同種。</p><p>　　綜述，動力源方面采用分別兩塊蓄電池，一塊為驅動輪的電機提供動力源，另一塊為驅動毛刷的電機和水泵提供動力源。</p><p>　　2.2 驅動電機的選擇</p><p&g

28、t;　　由于護欄清洗機在戶外工作，故在驅動電機的選擇上采用直流電機。但傳統(tǒng)的直流電機的尺寸都很大，然而目前國內研制出了一種新型的小型直流伺服電動機，與傳統(tǒng)直流電動機相比，具有體積小、重量輕、力能指標高、零部件通用化程度強等特點。按激磁方式本系列電動機分為：他激（并激）、串激（C）、復激（F）三種。按使用環(huán)境條件本系列電動機分為普通型和濕熱帶型兩類.，該電機可與多種系列減速器相配合，滿足用戶對轉速、轉矩、安裝工位的不同要求。目前該類型電機

29、在國內已得到了廣泛的應用。</p><p>　　2.3 直流電動機的啟動方式</p><p>　　直流電動機從接通電源開始轉動，直至升速到某一固定轉數(shù)穩(wěn)定運行，這一過程稱為電動機的啟動過程。直流電動機有全壓啟動、變阻器啟動和降壓啟動三種方法。</p><p>　?。?） 全壓啟動。全壓啟動就是將電動機直接接入到額定電壓的電源上啟動。由于電動機所加的是額定電源，而電動

30、機開始接通電源瞬間電樞不動，電樞反電動勢E為零，所以啟動時電流很大。啟動時電動機最大電流為正因為電動機啟動電流很大，所以啟動轉矩大，電動機啟動迅速，啟動時間短。電動機一旦開始運轉，電樞繞組就有感應電動勢產(chǎn)生，且轉數(shù)越高，電樞反電動勢就越大。隨著電動機轉數(shù)上升，電流迅速下降，電磁轉矩也隨之下降。當電動機電磁轉矩與負載阻力轉矩相平衡時，電動機的啟動過程結束而進人穩(wěn)定運行狀態(tài)。</p><p>　　全壓啟動的優(yōu)點：不需

31、其他設備，操作簡便；缺點是啟動電流大，需要提前知道設備的功率，否則很容易把設備燒掉。它只適用于小型電動機，如家用電器中的直流電動機。</p><p>　　（2） 變阻器啟動。變阻器啟動就是在啟動時將一組啟動電阻RP串接人電樞回路，以限制啟動電流，而當轉數(shù)上升到額定轉數(shù)后，再把啟動變阻器從電樞回路中切除。</p><p>　　變阻器啟動的優(yōu)點：啟動電流??；缺點是變阻器比較笨重，啟動過程中要消

32、耗很多的能量。</p><p>　?。?） 降壓啟動。降壓啟動就是在啟動時通過暫時降低電動機供電電壓的辦法來限制啟動電流，當然降壓啟動要有一套可變電壓的直流電源，這種方法只適合于大功率電動機。</p><p>　　降壓啟動的優(yōu)點：啟動保險、把穩(wěn)，對設備沒有影響；缺點：需要有一套可變電壓的直流電源。</p><p>　　綜合考慮，本裝置的電動機啟動方式采用：降壓啟動。

33、這樣不僅可以保護設備，而且可以減輕整個裝置的重量和體積。</p><p>　　2.4 調速器的選擇</p><p>　　為實現(xiàn)護欄自動清洗機功能的多樣化，在小車的行走和毛刷的轉動上都采用調速器實現(xiàn)其速度的可調、可變功能。為減小機箱整體重量和尺寸，在調速部分采用目前較為成熟、發(fā)展較快、工作較為可靠的PWM直流脈寬調制調速，不僅具有工作電壓范圍寬、外型精巧、輸出功率大、控制范圍寬、靈敏度高、調

34、速器安裝方便等優(yōu)點，而且還具有電源的能量功率和電路的效率高的特點。根據(jù)電機參數(shù)和整體裝置的實際情況，選擇24VHW-A-1040型號的PWM直流脈寬調制調速器。</p><p>　　圖2-3 PWM直流脈寬調制調速器</p><p>　　2.5 導向裝置的設計</p><p>　　護欄自動清洗機在進行清洗工作中會時常遇到護欄彎曲變形或者間隔的出現(xiàn)墩柱，這將會影響清洗

35、機的正常工作，極大程度上存在安全交通隱患。故在設計中采用了導向裝置的設計。該導向裝置不僅可以保證清洗機能正常沿著護欄前進，使所有的護欄都得到整體性的清洗，而且不會偏離護欄，保證了使用的安全性和可靠性。</p><p>　　圖2-4 導向裝置單邊結構圖</p><p>　　圖2-5 導向裝置安裝在在整體裝置中的剖視立體圖</p><p>　　第3章 機械傳動系統(tǒng)的設

36、計</p><p>　　3.1 小車行走系統(tǒng)的總體設計</p><p>　　由于是跨欄式的設計，不僅要實現(xiàn)在直線方向的行駛，而且在遇到彎道時也能轉彎，故在設計時采用了在兩邊都安裝小型直流伺服電機，通過PWM直流脈寬調制調速分別控制兩邊電機的轉速來實現(xiàn)直線行駛和轉彎。電機的選擇上采用小型直流176SYX-02型，通過電動機的轉動將其動能傳遞給一對直齒輪，同時實現(xiàn)減速的作用，在安裝有大齒輪的軸

37、上同時安裝有驅動輪，由齒輪的轉動將帶動驅動的轉動，從而驅動整個裝置的行走。</p><p>　　圖3-1 小車行走裝置單邊結構圖</p><p>　　圖3-2 小車行走裝置安裝在整體裝置中立體圖</p><p>　　3.2 小車行走系統(tǒng)的運動和動力參數(shù)計算</p><p>　　3.2.1電動機的選擇</p><p>　

38、　已知清洗時行走最大速度V=2m/s，清洗機質量m=330kg</p><p>　　（1）電動機類型和結構形式 </p><p>　?。?）選擇電動機容量</p><p><b>　　工作機所需工作功率</b></p><p><b>　　由于=Kw(1)</b></p><p

39、>　　F---工作機的工作阻力，N</p><p>　　V---工作機的線速度，m/s</p><p>　　工作機所需的工作功率由式（1）為</p><p>　　F=mg*0.4=330*10*0.4=1320N</p><p><b>　　==2.64</b></p><p><b&

40、gt;　　電動機所需工作功率</b></p><p><b>　　=kW（2）</b></p><p><b>　　=（3）</b></p><p>　　其中：、分別為齒輪、軸承的傳動效率。</p><p>　　取=0.95、=0.98，所以</p><p>　　

41、=0.95*0.98=0.931</p><p>　　所以：=kW==2.8357kW</p><p>　?。?）確定電動機的額定功率</p><p>　　=（1~1.3）=（1~1.3）*2.8357=2.8357~3.0641</p><p>　　取電動機的額定功率=3.5kw</p><p>　　（4）確定電動機

42、轉速</p><p>　　n===238.74r/min</p><p>　　按機械設計課程設計指導書中表1推薦的傳動比的合理范圍，圓柱齒輪減速器傳動比</p><p>　　i=3~7，所以電動機轉速的可選范圍為</p><p>　　=i*n=（3~7）*238.74=716.22~1671.18r/min</p><p&

43、gt;　　根據(jù)容量和轉速，由有關手冊查出有2種適用的電動機型號，因此有二種傳動方案，如下表3-1：</p><p>　　綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、價格，可見方案2比較適合，參數(shù)如下表3-2：</p><p>　　電動機主要外形和安裝方式如下圖3-3，安裝尺寸如下表3-3：</p><p>　　圖3-3 電動機的安裝方式</p><p&

44、gt;<b>　　表3-3：</b></p><p>　　3.2.2 確定行走裝置的總傳動比</p><p>　　由選定的電動機滿載轉速和工作機的主動軸轉速n,可得傳動裝置總傳動比為</p><p><b>　　===6.28</b></p><p>　　3.2.3 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)&l

45、t;/p><p><b>　　（1）軸的轉速</b></p><p>　　===238.74r/min</p><p><b>　　(2)軸的輸入轉矩</b></p><p><b>　　電動機的輸入轉矩</b></p><p>　　=9550=9950=1

46、8.054N.m</p><p><b>　　軸的輸入轉矩</b></p><p>　　= N.m ==0.950.98=0.931</p><p>　　所以 =18.0546.280.931=105.56N.m</p><p>　　軸的輸出轉矩為軸的輸入轉矩乘軸承效率0.98，所以軸的輸出轉矩為&l

47、t;/p><p>　　=0.98=105.560.98=103.45 N.m</p><p><b>　　（3）軸的輸入功率</b></p><p>　　= kw ==0.950.98=0.931</p><p>　　=2.83570.931=2.64 kw </p><

48、p>　　運動和動力參數(shù)計算結果整理于下表：</p><p>　　3.3 傳動零件的設計計算</p><p>　　3.3.1 齒輪設計</p><p>　?。?）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)</p><p>　?、龠x用直齒圓柱齒輪傳動</p><p>　?、诖搜b置一般工作機器，速度不高，，選用7級精度<

49、/p><p>　?、鄄牧线x擇：選擇小齒輪材料為45鋼（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為240HBS。二者材料硬度差為40HBS。</p><p>　　④選小齒輪齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù)，所以取=120</p><p>　　（2）按齒面接觸強度設計</p><p>　　由設計計算公式（10-9a）進行試算，即</p&g

50、t;<p>　?、俅_定公式內的各計算數(shù)值</p><p><b>　　試選載荷系數(shù) </b></p><p>　　計算小齒輪傳遞的轉矩 </p><p>　　由表10-7選取齒寬系數(shù) </p><p>　　有表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) </p><p>　　由

51、圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限；</p><p>　　由式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)</p><p>　　由圖10-19查得結束疲勞壽命系數(shù) </p><p>　　計算接觸疲勞許用應力</p><p>　　取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得</p><

52、p><b>　?、谟嬎?lt;/b></p><p>　　1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值</p><p><b>　　=28.371mm</b></p><p><b>　　2）計算圓周速度v</b></p><p><b>　　3）計算尺寬b: </

53、b></p><p>　　4）計算尺寬與齒高比b/h</p><p>　　模數(shù) </p><p>　　齒高 </p><p><b>　　5）計算載荷系數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)，七級精度，由圖10-8查得動載系數(shù)</p><

54、p>　　直齒輪，假設。由表10-3查得</p><p>　　由表10-2查得使用系數(shù)</p><p>　　有表10-4查得七級精度，小齒輪相對支承非對稱布置式</p><p>　　由b/h=8.469,查圖10-13得，故載荷系數(shù)</p><p>　　6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得</p>

55、<p><b>　　7）計算模數(shù)m</b></p><p>　?。?）按齒根彎曲強度設計</p><p>　　由式（10-5）得彎曲強度的設計公式為</p><p>　?、俅_定公式內的各計算數(shù)值</p><p>　　由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限；</p>

56、<p>　　由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù),;</p><p>　　計算彎曲疲勞許用應力</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式（10-12）得</p><p><b>　　4)計算載荷系數(shù)K</b></p><p><b>　　5)查取齒形系數(shù)</b></p

57、><p>　　由表10-5查得 ；</p><p>　　6）查取應力校正系數(shù)</p><p>　　由表10-5查得 ； </p><p>　　7）計算大、小齒輪的并加以比較</p><p><b>　　0.01510</b></p><p>　　所以大齒輪的數(shù)值大。</

58、p><p><b>　?、谠O計計算：</b></p><p>　　對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數(shù)1.7457并就近圓整為標準值m=2.2mm，按接觸強度算得分度圓直徑，算

59、出小齒輪齒數(shù)z1=21</p><p>　　大齒輪齒數(shù) 取=132</p><p>　　這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。</p><p><b>　?。?）幾何尺寸計算</b></p><p><b>　?、儆嬎惴侄葓A直徑</b>

60、</p><p><b>　?、谟嬎阒行木?lt;/b></p><p><b>　　mm</b></p><p><b>　?、塾嬎泯X輪寬度</b></p><p><b>　　??； </b></p><p>　　3.3.2 軸的設計&

61、lt;/p><p>　　（1）計算軸的相關參數(shù)</p><p>　　P軸=Pd*η齒=2.6885KW</p><p>　　T軸=Td*i*η齒=107.710NM</p><p>　　N軸=Nm/i=238.853</p><p>　　由上得知大齒輪的分度圓直徑為：（其中α為標準齒20度）</p><

62、p>　　Ft=2T/d=727.273N</p><p>　　Fr=Fttanα=264.707N</p><p>　　Fn=Ft/cosα=773.948N</p><p>　　（2）初定軸的最小直徑</p><p>　　選軸的材料為45鋼，調質處理，查表15—3取A0=112得：</p><p>　　Dmin

63、=A0* =25.1mm</p><p>　　由于是開槽 d=25.1（1+5%）=26.356mm</p><p>　　軸上的最大轉矩為，Ka=1.3</p><p>　　Tca=KaT=140.023nmm</p><p>　　W==2388.9mm</p><p>　　因為是在機械底部固定，滿足定位要求1-2軸和

64、4-5軸處制一個軸肩，取d=20mm,兩端固定取擋圈D=30mm，3軸處取d3=45mm。L4=L1=30mm和L2=L4=45mm，L3=6mm。</p><p><b>　?、儆嬎阒Х戳?lt;/b></p><p><b>　　水平面的支反力</b></p><p>　　M中點=0 FnB*28.5+Fn*28=0

65、 FnB=760.370N</p><p>　　M中點=0 FrB*28.5+Fr*28=0 FrB=260.063N</p><p>　　MA=0 FrB*28.5+FrD*160-Fr103.5 =0 FrD=124.909N</p><p>　　MD=0 -FrA*160-FrB*103.5+Fr*55.5=0

66、 FrA=118.119N</p><p>　　MD=0 FnA*160-FnB*103.5+Fn*55.5=0 FnA=223.401N</p><p>　　MA=0 FnD*160-Fn*103.5+FnB*55.5=0 FnD=236.894N</p><p><b>　?、谟嬎銖澗?lt;/b></p>&l

67、t;p><b>　　1）B處</b></p><p><b>　　水平面彎矩</b></p><p>　　左： Mn1=FnA*55.5=12398.756nm</p><p>　　右： Mn2=FnD*103.5=24518.539nm</p><p><b>　　垂直：</

68、b></p><p>　　左： Mr1=FrA*55.5=6555.604nm</p><p>　　右： Mr2=FrD*103.5=12928.082nm</p><p><b>　　合成彎矩</b></p><p>　　左： M1==14025.16nm</p><p>　　右： M2=

69、=277181.118nm</p><p><b>　　計算轉矩：</b></p><p>　　T=T1=107.710NM </p><p><b>　　2）C處</b></p><p><b>　　水平面彎矩</b></p><p>　　左： Mn

70、1=FnA*103.5=23122.003nm</p><p>　　右： Mn2=FnD*55.5=13147.617nm</p><p><b>　　垂直：</b></p><p>　　左： Mr1=FrA*55.5=6555.6045nm</p><p>　　右： Mr2=FrD*55.5=6932.45nm<

71、/p><p><b>　　合成彎矩</b></p><p>　　左： M1==24033.372nm</p><p>　　右： M2==14863.334nm</p><p>　　計算轉矩： T=T1=107.710NM</p><p>　　3）彎矩合成應力校核軸的強度</p><

72、p>　　由上數(shù)據(jù)得到，B處右端的彎矩最大，為危險截面，根據(jù)15-5的α=20，軸的計算應力Бac得：</p><p>　　Бac===2.034MPa≤[Б-1]=60MPa</p><p>　　綜述：軸的設計安全，可選用。</p><p>　　3.4 清洗裝置的設計</p><p>　　3.4.1 毛刷的選擇與安裝方式</p&g

73、t;<p>　　清洗作業(yè)時, 護欄兩對側面滾刷將護欄欄桿􀀁夾擊" 在中間, 刷毛相互重疊( 2 ~ 3cm) ,使兩滾刷形成一個整體, 中間不留間隙，兩滾刷刷高速旋轉, 在護欄表面刮擦, 同時, 沿護欄豎向表面噴水, 從而實現(xiàn)清洗。兩滾根據(jù)采集所得數(shù)據(jù), 護欄柵格之間的最大距離是170 mm, 最小距離是120 mm, 護欄所用鋼管直徑22 mm， 為了使?jié)L刷與護欄表面有效發(fā)生摩擦，利用相切的原

74、理設計滾刷直徑( 包括毛長) , 通過分析驗證, 滾刷直徑為260 mm 時, 清洗效果好, 不留清洗死角. 當兩滾刷轉相反時, 可使臟物或臟水沿著箭頭方向甩出去, 兩滾刷的刷毛在重疊處移動方向相同, 可加快刷子的轉速, 滾刷兩邊各布置一個噴水嘴, 這樣可將飛濺的水珠帶到護欄板面上, 節(jié)約用水, 達到良好的清洗效果。</p><p>　　圖3-4 毛刷驅動裝置的安裝</p><p>　　圖

75、3-6 清洗裝置的整體安裝</p><p>　　3.4.2 清洗裝置的基本設計計算</p><p>　　根據(jù)毛刷的轉速選定電機的大小和功率，由于毛刷是通過軸，聯(lián)軸器和電機連在一起的。所以選定好毛刷的轉速即可以確定電機的轉速，根據(jù)周圍環(huán)境和灰塵的特點，為保證能夠把護欄清洗干凈，再根據(jù)裝置的大小，選定電機的轉速為500/min ，即毛刷的轉速就是500r/min.所選定的電機。</p&g

76、t;<p>　　電機型號為：110SZ10H5，電機參數(shù)表如下：</p><p>　　電機主要外形及基本安裝尺寸：</p><p>　　電機的基本參數(shù) 蓄電池的基本參數(shù)</p><p>　　3.4.3 水泵的選擇和計算 </p><p>　?。?）水泵的工作原理<

77、/p><p>　　電機的圓周運動，通過機械裝置使水泵內部的隔膜做往復式運動，從而壓縮、拉伸泵腔(固定容積)內的空氣，在單向閥作用下，在排水口處形成正壓(實際輸出壓力大小跟泵排水口受到的助力和泵的特性有關)；在抽水口處形成真空，從而與外界大氣壓間產(chǎn)生壓力差。在壓力差的作用下，將水壓入進水口，再從排水口排出。在電機傳遞的動能作用下，水持續(xù)不斷的吸入、排出，形成較穩(wěn)定的流量。</p><p><

78、;b>　　（2）水泵的選擇</b></p><p>　　由于此裝置受到水，電機，毛刷等裝置的限制，還有必須控制水的流量，以免造成水的浪費。因此，所選的水泵不能過大，水的流量也必須符合要求，不能造成水的浪費，同時能保證水能從箱體里順利抽出，所以，選定的水泵揚程必須大于箱體的高度。</p><p>　　根據(jù)工作需求，要使得裝一次水能夠有效工作至少一小時，水箱容積大小為250L

79、,所以選擇的水泵流量最多為每小時250L/H，查得型號為CD1245型號的泵能滿足需求，而且經(jīng)濟實惠，故選擇泵的型號為CD 1245。</p><p><b>　　基本參數(shù)如下：</b></p><p>　?。?）為水泵提供動力源的蓄電池基本參數(shù)</p><p>　?。?）毛刷工作時間計算：</p><p><b&

80、gt;　　根據(jù)：P=UI</b></p><p>　　通過電機的電流的大小取最大電流為4.8A</p><p>　　充滿一次電能持續(xù)工作時間 T=Q/4.8 =9/4.8=1.875h</p><p>　　所以充一次電能持續(xù)工作時間為1.875小時</p><p>　?。?）水泵的工作時間計算：</p><p&

81、gt;　　通過水泵的電流：I=2A</p><p>　　充滿一次電能持續(xù)工作時間T=Q/I-9/2=4.5h</p><p>　　所以充一次電能持續(xù)工作時間為4.5小時</p><p>　　3.4.4 洗涮裝置各部件和材料的選擇</p><p>　?。?）連軸器的選型: T（ca）=KT=893.88</p><p&g

82、t;　　T為名義轉矩 T（ca）為計算轉矩 k 為工具情況系數(shù)</p><p><b>　　查手冊選K為1.3</b></p><p>　　T=9550*p/n</p><p>　　(據(jù)電機型號) T=9550*0.0 36/500 =0.6876</p><p>　　T(ca)=0.6876*1.3=0.

83、894</p><p>　?。?）毛刷的選型 ：</p><p>　　材料： 毛刷為直徑1mm左右的尼龍絲做成尼龍束，并將尼龍束固定在鋼片上，鋼片再套在毛刷軸上。</p><p>　　毛刷轉速650 r/min 毛刷直徑為：260 長度為：1000 </p><p>　　3.4.5 制動裝置的選擇</p><p

84、>　?。?）由于護欄清洗機的最大運動速度約為2m/s，需要的制動力不大，所以采用小型電磁制動裝置；</p><p>　?。?）該裝置主要配合后輪安裝，即護欄清洗機的制動裝置為后輪電磁制動；</p><p>　?。?）經(jīng)查相關資料，考慮經(jīng)濟適用原則選擇DMZX系列DMZX-0.5電磁失電制動器。</p><p>　?。?）該電磁制動裝置的原理和構成部分：<

85、/p><p>　　電磁制動（electromagneticbrake）是使機械中的運動件停止或減速的機械零件。俗稱剎車、閘。制動器主要由制動架、制動件和操縱裝置等組成。有些制動器還裝有制動件間隙的自動調整裝置。為了減小制動力矩和結構尺寸，制動器通常裝在設備的高速軸上，但對安全性要求較高的大型設備(如礦井提升機、電梯等)則應裝在靠近設備工作部分的低速軸上。有些制動器已標準化和系列化，并由專業(yè)工廠制造以供選用。</

86、p><p>　　基本組成：電機端蓋；安裝螺釘；聯(lián)結板；制動盤；銜鐵；軸套；磁軛組件。</p><p>　?。?）DMZX-0.5電磁失電制動器具體參數(shù)如下：</p><p>　　圖3-9 PLC 控制電控板電路圖</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　4.1 毛刷的安裝及轉動方向的確定</

87、p><p>　　毛刷安裝在裝置的后部，由左、右兩邊為了提高清洗護欄的作業(yè)功能，滾刷的旋轉方向與清洗車的行駛方向應是順洗（即順洗旋轉的切線方向與車的行駛方向相同），因此，毛刷只需要單向旋轉即可。</p><p>　　4.2 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　控制系統(tǒng)采用模塊化設計，主要包括電源模塊、電動機驅動模塊、PWM直流脈寬調制調速模塊、檢測報警模塊和顯示模塊等，整

88、個系統(tǒng)由兩塊鉛酸蓄電池提供電源。主要實現(xiàn)控制各個組成部分的啟動、暫停、急停、調速和水泵供水開關等。檢測裝置采用紅外線檢測，將檢測到的相應數(shù)據(jù)用LED方式顯示，同時提供報警。</p><p>　?。?）控制實現(xiàn)的基本功能：</p><p>　?、僭O有“急?！卑粹o和制動裝置，在緊急情況下可以快速停車；</p><p>　　②當工作負載增大或蓄電池輸出電壓低于23V不能保

89、證其正常工作所需時，能夠實現(xiàn)自動報警并減速停車；</p><p>　?、勰軌蜃詣訖z測機箱內水位，當水位低于50mm時提示報警并減速停車；</p><p>　?、苣軌蜃詣訖z測前方的障礙物, 當機箱距前方障礙物的距離低于20cm時自動報警并減速停車。其控制流程圖如圖4-1。</p><p><b>　?。?）控制流程：</b></p>

90、<p><b>　?、匍_啟電源開關；</b></p><p>　　②檢測裝置自動檢測輸出口電壓，并判斷U<23V？如果U<23v則發(fā)出“電壓過低”報警提示，否則檢測下一項，并阻止電動機的運行；</p><p>　?、蹤z測裝置自動檢測機箱水位，并判斷d<50mm?如果d<50mm則發(fā)出“水位過低”報警提示，否則檢測下一項，并阻止電動機

91、的運行；</p><p>　?、軝z測裝置自動檢測距前方障礙物的距離，并判斷s<20cm?，如果s<20cm則發(fā)出“前方障礙”報警提示，否則等待控制面板信號的輸入；</p><p>　?、奕绻藭r控制面板有信號輸入則讀取該信號，并按依次檢測毛刷電動機和對應PWM直流脈寬調制調速器、水泵開關、驅動輪電動機和對應PWM直流脈寬調制調速器的輸入信號，然后檢測是否有“開始工作”的信號輸入

92、，如果有則清洗機開始工作，如果沒有則繼續(xù)等待該信號的輸入并不斷檢測毛刷電動機和對應PWM直流脈寬調制調速器、水泵開關、驅動輪電動機和對應PWM直流脈寬調制調速器是否有新的輸入信號，并不斷對新信號的輸入進行實時更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)；</p><p><b>　　圖4-2 控制面板</b></p><p>　　⑦如果此時控制面板沒有信號輸入，則系統(tǒng)不斷反復執(zhí)行②③④步的操作；&l

93、t;/p><p>　?、嗳绻逑礄C已開始工作，則系統(tǒng)將不斷檢測控制面板是否有“暫停/停止/急停”信號的輸入，如果有則系統(tǒng)立即啟用制動裝置，實時保護人員和清洗機的安全；如果沒有，則系統(tǒng)返回重復執(zhí)行②③④⑤⑥⑦的操作。</p><p>　　（3）裝置的控制面板如圖4-2所示。</p><p>　　4.3 電動機調速系統(tǒng)的選擇</p><p>　?。?

94、）PWM直流脈寬調制調速器原理：</p><p>　　PWM直流調速器是一種低損耗PWM技術。工作原理：是通過改變輸出方波的占空比使負載上的平均電流功率從0-100％變化、從而改變負載/電動機速度。利用脈寬調制(PWM)方式實現(xiàn)調速，還具有電源的能量功率和電路的效率高的特點。例如：當輸出為50％的方波時，脈寬調制(PWM)電路輸出能量功率也為50％，即幾乎所有的能量都轉換給負載。而采用常見的電阻降壓調速時，要使負

95、載獲得電源最大50％的功率，電源必須提供71％以上的輸出功率，這其中21％消耗在電阻的壓降及熱耗上。大部分能量在電阻上被消耗掉了，剩下的才是輸出的能量，轉換效率非常低。</p><p>　　如下圖4所示，PWM信號從光耦4N35的1腳輸入，4腳輸出。當PWM信號占空比不為0時，場效應管IRF3205觸發(fā)，觸發(fā)時間的長短取決于PWM信號占空比的大小。開關S1有3個擋位：上、中、下,當開關S1處于上擋位時電機正轉，當

96、開關S1處于下?lián)跷粫r電機反轉，當開關S1處于中間擋位時電機不接通。將 A/ D 模塊的參考電壓設為 0～5 V, 通過電位器調節(jié)參考電壓就能控制PWM的占空比，電機由此實現(xiàn)調速的目的。如圖5所示，在PWM 調速系統(tǒng)中，在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，即改變占空比的值可以改變電樞端電壓 U0的平均值, 從而達到調速的目的。</p><p>　　電樞端電壓：U0=t1/(t1+t2)

97、Ud=t1/T*Ud =aT*Ud（式中aT占空比, 0 ≤aT ≥1）</p><p>　　（2）接線示意圖如圖4-3所示： 圖4-3電機樞繞組兩端的電壓波形</p><p>　　圖4-4 PWM直流調速器接線原理圖</p><p>　?。?）PWM調速器使用方法：</p><p>　　本PWM直流電機調速電路器

98、采用交直流電源供電，電源電壓在12V～400VDC之間都可以正常工作，使用時可以直接采用變壓器或者開關電源提供。但由于驅動電動機的額定電壓超過30V，需要采用雙路電源輸入（其中一路為電路供電，一路為電機供電）。采用輸出電流較低的開關電源時，可能會因為電機電流過大而導致開關電源自保護。接入電機供電，一般要高于電機額定電壓的1.5倍。</p><p><b>　　具體使用方法：</b></

99、p><p>　?、佼斝枰獮轭~定電壓為12～30V（10A）的直流電機進行調速時，只需要單路電源輸入，只需把電機供電與電路供電并聯(lián)一起。</p><p>　?、诋斝枰獮轭~定電壓為30V-300V（10A）的直流電機進行調速時，需要雙路電源輸入，如上圖所示，需在“電機電源輸入”端子處輸入一組符合電機功率要求的電源，為電機供電，另外需要在“控制板電源輸入”端子處輸入一組12-30V（1A以上）的直流

100、電源。</p><p>　?、壅{速的使用：本調速器有手動模式和自動模，手動模式利用電位器手動調節(jié)輸入電壓從5V到0V，轉速從0到最大無級調速。若停止狀態(tài)下收到維宏卡或電腦并口信號自動轉為自動模式，這時手動模式失效，自動模式下當控制信號關閉后自動停止，緊急情況下可用急停開關停止。</p><p>　?、芗蓖ｉ_關的使用：如接線圖所示，急停按鈕應為自鎖按鈕，接常開，當急停按鈕按下也就是導通后，電

101、機處于急停狀態(tài)，（當不使用電機時，請按下急停開關，以預防誤操作）急停開關接口已帶光耦，可通過電腦并口輸出控制。</p><p>　　（4）調速器型號的選擇：</p><p>　　由于PWM直流調速器具有如此多的優(yōu)點，且考慮到護欄自動清洗機在工作時不會占用路道，其體積應盡可能小。故在調速模塊選擇目前較為成熟、可靠性較高的PWM直流脈寬調制調速。</p><p>　　為

102、滿足本裝置、系統(tǒng)的要求，并根據(jù)電機參數(shù)和整體裝置的實際情況，選擇24VHW-A-1040型號的PWM直流脈寬調制調速器。系統(tǒng)中電機的調速方法均采用PWM直流脈寬調制調速，其中一對主驅動輪電動機采用一個PWM直流脈寬調制調速器，一對毛刷電動機采用一個PWM直流脈寬調制調速器。</p><p>　　該大功率有刷直流電機調速器的特點：</p><p><b>　　①交直流電源通用；&l

103、t;/b></p><p>　　②適應多種不同電壓的直流電機最高可調400V直流電機；</p><p>　?、圻^載短路保護，有軟啟動功能啟動時對電源無充擊；</p><p>　?、軓姶蟮倪m用性集成手動調速，模擬電壓調速，維宏卡控制調速，</p><p>　　基本參數(shù)如下：

104、 圖4-6 PWM直流調速器</p><p>　　4.4 報警系統(tǒng)的設計</p><p>　　如上所述，當接通電源后，系統(tǒng)將會自動檢測電源電壓、機箱水位和裝置距前方障礙物距離，如果低于所設定值將會發(fā)出報警并阻止電機的轉動，以免發(fā)生事故。在該系統(tǒng)中采用與非門組成雙音報警，其原理電路圖如下：</p><p>　　圖4-7 與非門組成雙音報警線路圖&

105、lt;/p><p><b>　　第5章 結束語</b></p><p>　　針對城市道路護欄清洗的難題，設計的機械本體結構為龍門框架分離式結構的自動護欄清洗機,作業(yè)時清洗機跨立在護欄上，以護欄本身為導軌,通過刷洗和擦干實現(xiàn)對護欄欄桿和支墩的全方位自動化清洗。模塊化的電器控制系統(tǒng)和多種工作模式的程序控制保證了清洗機的在無人操控下的智能運行，從而在清洗護欄過程中保證了交通順

106、暢和作業(yè)人員的安全。護欄自動清洗機結合護欄的結構特點而設計，結構簡單、成本低、無污染，且在清洗過程中不會占用路道，甚至可以實現(xiàn)無人化操作，極大程度上避免了交通事故及堵塞發(fā)生的概率，與我國高等級公路養(yǎng)護機械節(jié)能、高效、低噪聲、低污染且自動化程度高的發(fā)展相適應，具有顯著的社會環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。其應用逐步得到推廣，具有很高的發(fā)展的潛力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p&

107、gt;<p>　　[1]《機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計》主編：楊家軍；武漢：華中科技大學出版社，2000</p><p>　　[2]《高等機械設計》主編：吳宗澤；北京：清華大學出版社, 1991.1</p><p>　　[3]《機械設計》主編：吳昌林 姜柳林；武漢：華中科技大學，2005</p><p>　　[4]《機械原理》主編：楊家軍；武漢：華中科技大學，20

108、05</p><p>　　[5]《畫法幾何及機械制圖（第三版）》主編：常明；武漢：華中科技大學，2004</p><p>　　[6]《中國機械設計大典數(shù)據(jù)庫》（電子版）；主編：王啟義;</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在此次的機電一體化課程設計中，非常感謝所有幫助過我們的老師和同學，特別

109、要感謝的是孫老師，從最初的定題、到資料收集到寫作、修改、到論文定稿，孫老師給了我們組耐心的指導和無私的幫助。為了使我們能順利完成此次的課程設計，孫老師放棄了自己的休息時間，在老師精心、耐心、細心的知道下我們組順利完成了本次課程設計，在此特向所有幫助過我們的老師、同學表示我們誠摯的謝意。</p><p>　　通過大家的共同努力，我們組的《城市護欄自動清洗機》的課程設計終于完成了。通過這次的團隊合作，使我們組的關系更

110、加融洽，我們組作為一個團隊來完成這次的課程設計，不管是誰都應該盡全力來完成，更要相互幫助，不能出現(xiàn)相互擠兌對方的現(xiàn)象，各組員都積極參與到課程設計中來。除了我們自身的努力外，與各位老師和同學的支持和鼓勵是分不開的。</p><p>　　在本論文的寫作過程中，我們的指導老師孫艷萍老師給了我們大量的幫助，從選題到最后的出稿，一遍又一遍的指出每稿中的具體問題，嚴格把關，循循善誘，在此我表示衷心感謝。</p>