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免費畢業論文--多功能刷地機的設計與制作(一)
摘要
二十一世紀是清潔環保的時代，隨著我國經濟建設日新月異，環衛機械正在成為一個獨立的產業迅猛發展。今天，環衛機械已經應用到幾乎所有的工業領域以及社會生活的各個方面，直至深入到人們的日常衣食住行當中。環衛機械正在同信息、生物、材料等產業一樣成為國家具有巨大發展潛力的朝陽產業。本課題結合當前形勢,設計的一個環保型多功能自動機械。此機械主要適用于室內外各種水平光滑地面的清洗工作。目前國內外市場上已經有相類似的產品，如自動吸塵器、自動刷地機等。但它們多采用AC電源，缺少靈活性；且功能比較單一、機械過于笨重等。因此本課題設計旨在靈活性和多功能等方面尋求新的突破，所設計的機械采用DC電源裝備，主要功能包括刷地、吸塵吸水、污水過濾、污水循環利用等，旨在普及推廣到家庭或餐廳、商場等私人或公眾服務場所，幫助人們進行一系列地面的洗刷工作。
關鍵詞：環衛機械；刷地機；污水循環。
Machine design and manufacture about environmental sanitarian（second）
--the design and manufacture of multifunctional machine of clean floor
Abstract
It is a time of environment protection for 21st century. With the fast economic construction in our country, machine design and manufacture of environmental sanitarian is becoming a new independent industry. Today, it has been applied in almost all of industries and all aspects of social life, especially deep used in our daily life. Machine of environmental sanitarian is becoming one huge potential industry with the other industries such as information industry, biology industry and material industry. This topic is to design a multifunctional machine of environment protection. This machine will be mainly used to clean different kinds of slick floor insides or outsides. At present, many similar machines have been sold in the international markets, such as automatic cleaner and automatic scrub machine and so forth. But most of them use AC electrical source, lack of agility, but have few functions and are much too heavy. So, this topic will work on designing a clean machine with agility and multifunction which uses DC electrical source. The main function is about scrubbing floor, and sopping up the water and dust, and filtrating dirty water and making use of water circularly. We hope it can be used at home, in the restaurants, and supper markets and other public service places to help people about all kinds of floor- cleaning work.
Keywords: design about environment sanitarian; scrubbing machine; dirty water circularly.
1.概 述
1.1設計內容
本課題設計的是一臺帶吸水噴水功能的洗地機。目前國內外已經有類似此類產品的誕生，如自動吸水機、自動刷地機和駕駛式洗地吸水車等。但是它們存在的幾個主要問題就是：（1）各產品功能單一；（2）機構過于笨重，缺少靈活性，例如刷地機底盤過重，傳動機構龐大，靈活性差；（3）吸水機構設計存在不足，污水吸收后不能循環利用等。我們設計的目的就是做出一臺結合刷地、吸水和噴水等功能于一體，使刷地水被吸收后過濾，使水可以循環利用，供給洗地工作等綜合型機械。同時，我們要改變以往產品大功率，機構笨重等缺點，旨在設計研究出一臺多功能的小巧靈活的機械，可用于室內地板或者一般餐廳、商場等平整光滑地面的衛生清洗。設計并研制一臺帶吸水噴水功能的洗地機。我們研究的內容就是設計一臺結合刷地、吸水和噴水等功能于一體，使刷地水被吸收后過濾，使水可以循環利用，供給洗地工作等的綜合型環衛機械。同時，我們要改變以往產品大功率，機構笨重等缺點，旨在設計研究出一臺多功能的小巧靈活的機械，可用于室內地板或者一般餐廳、商場等平整光滑地面的衛生清洗。以機械設計為主，提倡采用先進理論和先進技術，如機電一體化技術等。對產品的功能、結構、工藝制作、性能價格比、先進性、創新性等多方面進行綜合評價。
1.2設計特色和要求
本課題設計的主題思想是環衛設計。環衛設計的特色就是要求設計與環境保護、資源的再利用結合在一起，在當前綠色奧運的倡導下，進行創造性的、符合自然規律的和人性化的設計。在設計階段就將環境因素和預防污染的措施納入產品設計之中，將環境性能作為產品的設計目標和出發點，力求使產品對環境的影響為最小。對工業設計而言，環衛設計的核心是“3R”，即Reduce、Recycle、Reuse,不僅要減少物質和能源的消耗，減少有害物質的排放，而且要使產品及零部件能夠方便的分類回收并再生循環或重新利用。環衛設計源于人們對現代技術文化所引起的環境及生態破壞的反思，體現了設計師的道德和社會責任心的回歸。環衛設計在一定程度上也有理想主義的色彩，要達到舒適生活與資源消耗的平衡以及短期經濟利益與長期環保目的的平衡并非易事。本課題需要進行理論設計和實物制作。要以機械設計為主，采用現代先進理論和先進技術，如機電一體化技術等。首先要求所設計機械屬于環衛設計類型，符合當前形式的環保趨勢。其次對產品的功能、結構、工藝制作、性能價格比、先進性、創新性等多方面進行綜合評價。主要任務包括以下幾個方面：（1）運動方案選型，機構簡圖繪制。（2）三維造型零件設計。（3）電氣控制設計、制作和產品制作。（4）整機調試運行。
（5）整理資料和編寫設計說明書。
2.設計規劃及設計方案
2.1 設計流程圖（如下圖所示）：
圖1 設計流程圖
2.2 機構簡圖和機構工作原理
整個機構工作主要核心功能分為刷地、吸水、過濾和噴水四大部分.此機械通過對地面水的循環利用，實現環衛形式的室內或大面積的平面的洗刷工作。各部分動力均由直流電池提供能量。主要工作原理是當刷地電機接上電源是正常工作，從前沿看，兩個刷地輪盤由外向內轉動，一方面在刷地的同時，將刷地的污水匯集在水管吸口；同時，如果這時候合上吸水電機的開關，吸水電機就會驅動
風葉輪轉動，污水便會從吸口吸進吸管，通過吸管到達葉輪腔體里面，然后在離心力和重力的作用下流入漏水斗，經過過濾層過濾后便會存儲在容器里面；而當清洗地面需要時，又把經過處理的污水通過水泵抽取送回到吸管里面，最后又回到地面協助清洗工作。機構簡圖如下圖所示。
圖2 機構簡圖
3.詳細設計
對此節將按順序詳細闡述整個環衛機械各部分的具體功能和具體的參數設計分析、核算等。各部分的工作原理和設計方案如下:
3.1 刷地部分
此部分采用微型減速馬達為動力源,通過鍵連接將力矩傳遞給刷子,由刷子負責地面的洗刷工作。繪制的三維視圖見附錄零件圖1和圖2。
3.1.1 原理分析
由視圖可以看到,此部分有兩個微型電機安裝在機架上面,下面分別各帶一個圓形刷盤。刷盤并列安裝,刷盤內向轉動,在刷地的同時,可以方便將地面的水向后面排放,積聚在后面的吸水口,方便吸水,為下個吸水環節做準備.整個刷地耙頭主要部分有微型電機、蓋板、連接鍵、刷盤、兩側護沿、帶彎管街頭吸盤和螺栓螺母墊圈等組成。各部分具體設計、參數計算分析如下:
3.1.2 計算分析
3.1.2.1 微型電機
考慮到刷盤實際效用直徑選取在65毫米左右,按65毫米計算,按足夠動力估計刷盤工作時的壓力在10N左右,采用10N計算,設地面與刷之間的摩擦因數u＝0.5，因為每個刷盤是受均勻壓力的，故以1毫米單位長度計算，每個平方毫米為受力的小單位計算，
每個單位面積的受力是0.0008N. （1）
每個弧度徑向的合扭矩
＝＝8.58 （2）
每個刷盤總的合扭矩
T=＝＝0.35 （3）
電機的傳動效率約為=0.95,
故得電機所需扭拒0.35／0.95=0.368 （4）
為運行實際負荷所需扭拒=T=0.368。
根據馬達的工作情況，選擇刷子的轉速在每秒鐘2轉左右，故確定電機的轉速在120rpm；又由電機扭矩與功率之間的關系[1] （5）
可以算得電機需要的功率= ＝4.6 KW＝4.6W
又考慮馬達計算參數較小，計算誤差比較大，同時基于其他許多不可估計的因素影響，故重新考慮選取電機功率比計算功率增大30～50％較為合適，應在6瓦左右較為合適。根據以上考慮，由（3）式重新計算得新選用電機可以提供的扭矩約0.477，符合設計目的。故經計算后重新設計需要的刷地馬達主要參數如下表所示[2][3]：
表1 設計刷地馬達參數
型號 額定電壓 電流
A 轉速
RPM 轉距
N·m 功率
W
微型電機 24.0V 0.25 120 0.477 6
3.1.2.2 工作軸的計算
A.扭轉強度的計算
由（4）式得電機所需的扭拒是477牛毫米，
由[4]軸的抗扭截面系數 （6）
根據材料力學知識，[1]軸的扭轉強度條件為 （7）
B．軸參數的確定
我們所選的電機的轉軸材料為45號鋼。由《機械設計》表6-3知選擇45號鋼材料電機的轉軸扭轉強度[5][6]計算如下：
=3.91mm取整d＝4mm （8）
故綜上得電機轉軸不小于4mm即可符合設計要求。考慮到電機轉軸很小，與刷盤連接安裝很苦難，故在軸端焊接一直徑11mm在軸頭以方便安裝刷盤。最后設計的電機尺寸見下圖3，三維見附錄零件圖3。
圖3 刷地馬達主要外形尺寸
3.1.2.3 鍵和墊圈
因為傳動部分的軸端直徑d=11mm,故查[7]《機械零件手冊表》GB/T 1096-1979得具體尺寸如下圖8所示;墊圈用在螺栓連接,由于螺栓直徑d=3mm,故由3.1.2.8查表GB/T 848的墊圈的具體設計參數,見圖4和圖5。
圖5 鍵 圖6 墊圈
3.1.2.4 蓋板
蓋板是吸盤的主要安裝架體,是微型的電機的工作臺，也是連接整個吸盤的兩個側沿，吸口的把頭部分的重要元件。連接統一采用螺栓連接。主要主要考慮其性能及安裝尺寸，其他沒有什么特別要求。尺寸如圖6所示。
圖6 蓋板設計尺寸
3.1.2.5 刷盤
主要考慮工作效率，即受力情況、具體的工作面積和與電機轉軸的連接等，中間設計有壑位，保證健的安裝和轉軸傳動。零件尺寸如圖7。
圖7 刷盤尺寸
3.1.2.6 側護沿
高度是一個比較重要的因素，影響到刷子的地面接觸情況，過高不能保證刷子正常工作，過低則污水向兩側大量流失，導致吸起困難。同時結合吸盤高度和安裝的因素考慮，具體設計尺寸見圖8。
圖8 側附沿
3.1.2.7 吸盤
吸盤地下有一個方格式吸口,在靠近刷盤側端開有小口,相當于密封一個房子的小門,主要作用是吸水,其主體連接水管和整個刷地裝置部分,并且在裝置移動工作時起到支架作用. 具體設計尺寸如圖9～12所示或附錄參考零件圖。
三視圖（為了看的清楚一些，將3個視圖分別放大如下）
圖9 吸盤
B.主視圖
圖10 吸盤主視圖
C.俯視圖
圖11 吸盤俯視圖
D.左視圖
圖12 吸盤左視圖
3.1.2.8 聯接螺栓螺母和螺釘
A.馬達的固定螺栓和螺母
刷地馬達驅動刷地論盤工作，自身主要受到刷地摩擦力一個反轉矩的作用。故馬達的固定螺栓主要是一個受轉矩作用的螺栓組連接。因為電機功率比較小，我們在電機的兩翼只設計兩個普通固定螺栓。見示受力意圖13，擰緊兩螺栓使其受相同的預緊拉力，旋轉力矩T與結合面的摩擦力矩平衡。設[1]單個螺栓處產生的切向摩擦力且集中作用于各螺栓的中心，所以螺栓組的平衡條件為 (9)
式中，，為相應序號螺栓軸線到螺栓組型心即馬達軸心的回轉半徑（mm）；T為受到的作用轉矩（）；為可靠性系數，按荷載是否平穩及工作條件等確定，一般取。此處取1.1。取支支承面的摩擦因數f＝0.15
算得螺栓的預緊力也即軸向拉力＝50.76N。
又由螺栓的強度條件 （10）
其中，s為安全系數，取s＝1.5，45號鋼屬于中炭鋼，極限應力約180MPa，
算得=0.84mm。
圖13 固定馬達螺栓受力示意圖 圖14 吸水盤頭螺栓的受力示意圖
B.安裝板與吸水盤頭的連接螺栓的計算
首先，由測量得整個吸盤部分重量不到1kg，我們用1kg計算。此部分的受力示意圖如圖14所示，盤體主要受到一個自身重力的向下翻轉的力矩的作用。由平衡條件得： （11）
其中L＝110mm是吸盤重心到螺栓軸線的距離；～分別為各螺栓軸線至吸盤頭邊緣即翻轉地方的距離，都是35mm；F為各螺栓受到軸向拉力。
算得各螺栓的軸向受力為F=5.14N
又單個螺栓只受拉伸工作荷載的強度條件為 （12）
同理（8），算得＝=0.47mm （13）
由上面兩部分的計算可見，固定部分受力都比較小，所以本部分結合受力分析，決定采用直徑的d＝3mm的螺栓。螺栓有效長度根據《機械零件手冊》表6－12再按螺紋標準和緊固件標準可以選取6～30mm，但此處結合實際工作環境考慮，防止固定馬達螺栓過長卡住刷盤，又剛好穿過電機側翼3mm的厚度和安裝板8mm厚度。選取長度L1=12mm，具體尺寸如圖15。三維圖見附錄4。
圖18 螺栓設計尺寸
3.2 吸水吸塵部分
3.2.1 工作原理
本部分主要包括電機、風機、和吸盤,吸盤已在刷地裝置詳細分析),見附錄圖16，設計原理主要參照通風機的工作原理（見圖5），主要由電機提供動力,電動機高速驅動風機旋轉,風葉輪強力抽取空氣,造成機箱內外很大的壓力差,在吸嘴處產生很強的氣流,將攪打起來的污水和沙塵被留在儲存容器內,而空氣則經過風葉組,由風機側沿的出風口噴出.負壓差越大,風量越大,則吸塵吸水能力越強。在此葉輪機械中，污水等流體先是沿著葉輪軸線方向進入葉輪，然后由軸向轉向徑向，并沿葉片流動。在這個流動過程中，風壓和流速不斷增大。當葉輪隨軸旋轉時，葉片間的流體也隨葉輪旋轉而獲得離心力，并使其從葉片之間的出口處被甩出，進入到過濾裝置中。污水等混合流體被甩以后，葉輪中心部分的壓強降低，外部吸口處的其他污水就會從吸盤的吸入口通過吸管和葉輪前盤中央的孔口源源不斷的吸入。吸入口還有集水集氣的作用。葉片流道的壓力和相對速度分布有如下特點[8]：最小和最大壓力不是發生在葉片壁上，而是出現在流道的中央。最小的壓力幾乎集中在進口截面中部，而最大壓力則是處于出口區域葉片工作面略前一點的地方。相對速度的最大值不是進口而是葉片背面的中部附近，而中間流線的相對速度在整個流道中是幾乎不變的。實際運動示意圖如圖19所示；葉輪進出口處速度矢量分析見圖20。
圖19 葉輪運轉示意圖 圖20 葉輪進出口處速度矢量分析圖
3.2.2計算分析
3.2.2.1葉輪機械的設計
本部分主要根據一般風機的設計方法進行設計，其中主要的不同點是一般風機都是利用葉輪軸向的某一側作為采風范圍，采風面積比較大，流量自然也比較大；但是本課題設計所需的采風口只需在軸端一側平面的一個小口，設普通風機進口半徑為R，小口的半徑為r，則葉輪機械的流量只是是風機的，根據本題設計，這個比值估算約在1：20左右。具體設計必要時講此值代入。
A. 計算葉輪的主要參數
參考一般風機[9]，選取葉輪機靜壓＝12000Pa；
葉輪機流量Q＝0.01m3/s;
葉輪機進口溫度T=；
給定葉輪轉速n＝3000rpm。
流體密度：1000kg/m3
葉輪機全壓：
葉輪機全壓包括靜壓和動壓：， （14）
其中= ＝12073Pa。 （15）
選取風機出口速度＝12m/s。故算得全壓H=24073Pa。
葉輪機的比轉速：
31.26 （16）
選擇葉片出口角：
（17）
估算全壓系數：
由全壓系數計算公式 （18）
算得1.04
估算葉輪外圓周速度
=16.62 （19）
算得
估算葉輪外緣出口直徑D2：
=0.105m, （20）
可見參數較小，考慮全壓和流量的選擇偏差及各種不可預知的因素的影響，將計算結果約增大30％，確保風機有足夠能力。選=0.135m （21）
選擇葉輪進口直徑D0:
選擇懸臂式葉輪，d＝0。參考表2—10，選擇污水進口速度＝15m/s
算得= ＝0.029m （22）
核查=0.32，不符合表2－10要求。調整取=0.6即＝0.08m （23）
葉片進口直徑：
＝1.1 ＝＝0.088m （24）
確定葉片入口幾何角：
＝ （25）
確定葉片進口寬度：
＝0.044m 進口直徑的調整影響，將b增加一倍取整b＝0.09m （26）
式中�。�16.5m/s。 （27）
選葉片數目Z:
==21.14，選取Z=21。 （28）
確定葉片圓弧半徑：
＝＝0.04m （29）
具體尺寸圖見圖21。三維圖見附錄10。
圖21 葉輪
B. 計算蝸殼的主要參數
選擇窩殼寬度B：
因為B必須大于，故選取B＝0.1m。 （30）
確定窩殼張開度A：
選取A＝B/2＝0.05m （31）
確定窩殼繪制半徑（采用不等基元）：
a=0.15A＝0.008m；b=0.1333A＝0.007m；c=0.1167A＝0.006m；d=0.1A＝0.005m
＝0.0675＋0.05－0.008＝0.1095m （32）
＝0.0675＋0.0375－0.007＝0.098m （33）
＝0.0675＋0.025－0.006＝0.064m （34）
＝0.0675＋0.0012－0.005＝0.063m （35）
窩殼出口長度C：
取即C/A＝1.2，得C=0.072m （36）
窩殼出口速度：=＝ 1.39m/s （37）
窩舌間隙t和窩舌頂端圓半徑r在繪圖中確定。
窩殼作為一個擴壓元件，它的作用是將離開葉輪的流體集中、導流，并將其部分動能變為靜壓能。在理想狀況時，葉輪出口圓周上的流體均勻分布且無軸向速度分量，窩殼出口的流體是均勻的。因為本設計中的主要流體是污水，所以窩殼中流體一部分沿基本窩殼曲壁運動，一部分由于重力作用直接進入過濾裝置，蝸舌附近沒有明顯漩渦。窩殼出口面積的增大減緩了流體中氣流的流出速度，有利于造成窩殼內外部的高壓差狀態，有利于后面的流體更易被葉輪吸附到窩殼中來。窩殼的具體尺寸見下圖22。三維圖見附錄9。
圖22 葉輪渦輪外殼設計尺寸
3.2.2.2吸水電機
A. 葉輪葉片上的受力分析
葉輪工作時任一微點在水中受到壓力 （38）
其中h為微點在水中的深度,故單片葉輪在水中受到的壓力為
=1000×9.81×0.02×0.02×0.09=0.35 N （39）
考慮整個葉輪正常工作時的狀況,設有3片葉輪受到水的壓力,故葉輪的阻力f1=3P≈1.1N （40）
由動量定理 （41）
單位時間內與單個葉片發生撞擊的質量 （42）
其中為空氣密度1.23kg/m3, s為葉片的受風面積。
（43）
轉速=17.51m/s （44）
葉輪中間截面處與徑向的夾角約為，故切向的風力速度
＝12.38m /s (45)
將R2=0.0625m，r1＝0.044m聯立（42）～（45）式得代入F=0.42N
故總受力＝mF＋f＝21×0.42+1.1=9.77N 取=10N (46)
B．計算電機轉軸尺寸
圖23 電機軸剖面圖
故軸受到的轉矩是＝10×0.05325＝0.5325＝532.5 （47）
由于葉輪與軸連接采用螺栓壓潰的形式，采用類似軸有一個鍵位計算由《機械設計》表6－4得軸的抗扭轉截面系數 （48）
由《機械設計》表6－3選擇軸的扭轉強度條件為＝35計算，代入（5）式算得軸的抗扭截面系數＝15.93mm3。 （49）
按實際裝配情況取b＝3mm，t＝3mm，聯立代入（48）式算得軸的直徑
d＝4.5mm （50）
故軸的直徑在選擇電機時，選擇大于4.5mm即可。具體模型外形參數圖24。
三維圖見附錄5。
圖24 吸水電機外形尺寸
C．計算葉輪機的所需功率，也即原動機的輸出功率。
利用歐拉渦輪機方程[10][11]
流量Q可表示為
（51）
分別是進口處流體絕對速度的徑向分量。
又根據計算得的葉片外緣半徑R2=0.0675m,內緣半徑r1=0.044m,故
＝0.056m （52）
又由葉片進口處安裝角，出口處安裝角，氣流經過葉輪前固定的導向葉輪后，在葉輪進口處的絕對速度與軸向的夾角，葉輪轉速n＝3000rpm。故 （53）
畫出葉片的進出口速度圖如圖25所示，在處
17.51m/s nbsp; 圖8 設計葉輪
圖9 過濾裝置設計圖 圖10 過濾裝置實物圖
圖11 軟管
圖12 直管 圖13 噴水管
圖13 M3螺母 14 螺釘M3×30
圖16 刷地機三維圖
圖17 制作實物圖A
圖18 制作實物圖B
圖19 吸盤把頭零件圖
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[20] 大連理工大學工程畫教研室.畫法幾何.高等教育出版社
致謝
首先我要衷心的感謝陳少克老師！在本次畢業設計中，由始至終陳老師都給予我很多設計上的啟發和指導，很好的引導我完成了這個畢業設計。盡管我個人能力有限，對整個設計的領悟可能還不夠透切，導致設計中仍然存在很多值得改進和修正的地方，但老師嚴謹的治學作風，依然給我留下了深刻的印象和使我獲得很大的動力！其次，我要感謝張自強老師和陳少波老師對我畢業設計提出的質疑和指導意見，他們寶貴的意見使我對自己的設計論文有了更深刻的認識，使論文得到進一步的完善和修正！最后我要感謝我的畢業設計課題合作伙伴謝遠想，是他和我一起努力，任勞任怨的付出，最終完成了整個課題的設計！
最后一次感謝以上的老師和同學，還有在設計中幫助過我們的同班同學謝榮生和林耀輝，謝謝！祝大家好運！
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