自動墻壁清洗機設(shè)計
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
目錄
1引言 1
1.1清洗建筑表面的意義 1
1.2目的和現(xiàn)實意義 1
1.3研究現(xiàn)狀 2
2 方案評價與選擇 3
2.1高樓外墻清潔機的結(jié)構(gòu)和工作 3
2.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁 3
2.1.2支撐纜繩 4
2.1.3乘載用掛籠 4
2.1.4動作馬達 4
2.1.5升降結(jié)構(gòu) 5
2.1.6清洗刷 5
2.2方案評價與選擇 5
3 運動學(xué)及結(jié)構(gòu)方案的確定 6
3.1運動學(xué)參數(shù)選定 6
3.2計算總傳動比和分配各級傳動比 8
3.3計算傳動裝置運動和動力參數(shù) 8
4 傳動零件的設(shè)計計算 10
4.1 第一級齒輪傳動設(shè)計計算 10
4.1.1.初步計算 10
4.1.2校核計算 10
4.2第二級齒輪傳動設(shè)計計算 14
4.2.1.初步計算 14
4.2.2校核計算 14
4.2.3確定傳動主要尺寸 16
4.3 畫簡圖 18
4.3.1 初估軸徑 18
4.3.2 初選聯(lián)軸器 19
4.3.3 初選軸承 19
5軸的校核計算 20
5.1高速軸受力分析 20
5.2中間軸校核計算 20
6高速軸軸承驗算 28
致 謝 30
參考文獻 31
30
1引言
1.1 清洗建筑表面的意義
隨著人類社會的不斷發(fā)展進步，城市規(guī)模不斷擴大，城市建筑更加規(guī)范，完美。千姿百態(tài)的各式建筑，尤其是高層建筑外墻都用各種建筑材料進行裝飾，如粘帖各色墻磚，瓷磚，馬賽克，或涂上涂料，但是，自然界的風(fēng)吹雨打，日光輻射，塵埃污染，以及一些人為或偶然事故等原因，一段時間過后，建筑表面都將不同程度地變得污濁灰暗，破舊不堪，在環(huán)境差的地區(qū)，污染或損壞還相當(dāng)嚴重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清潔，就需要經(jīng)常清洗，整理。為此，世界發(fā)達國家和地區(qū)，對保持建筑表面的清潔非常重視，并以法律的形式明確規(guī)定，每年必須定期清洗，否則將受到處罰。近年來，我國各級政府部門的環(huán)境保護意識已發(fā)生了很大改變，國內(nèi)一些大，中城市，特別是旅游，開放城市，旅游景點，為保持建筑表面清潔，也制定出臺了相應(yīng)的法規(guī)，全國范圍的衛(wèi)生評比活動，把保持建筑表面清潔列為考核的重要指標之一，其中高層建筑的外墻，醒目，突出，自然也就成為檢查的重中之重。
有信息表明，十·五期間國家用于環(huán)境保護的投資將由九·五期間國民生產(chǎn)總值的1.5%翻倍增加至4%，同時還伴隨以產(chǎn)業(yè)政策的優(yōu)惠。所以，隨著我國改革開放的不斷深入，政府，公民的環(huán)保意識的不斷加強，建筑表面清潔問題必將引起各方面的高度重視，建筑清洗行業(yè)必然具有廣泛的發(fā)展前景，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益.
建筑表面清洗主要包括外墻清洗和中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，目前外墻清洗是采用傳統(tǒng)的“蜘蛛人”清洗，這是以犧牲生命為代價的非人工作，部分城市頒布了建筑表面清洗條例； 由于非典事件，公共衛(wèi)生得到了高度的重視，特別是中央空調(diào)風(fēng)管的清洗，最近有關(guān)中央空調(diào)的清洗條例很快出臺；因此對于建筑表面清洗提供一個完備的解決方案，必然打破一個傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)格局，改變了人們的工作方式，用機器人清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清洗或無法清洗，是必然的發(fā)展趨勢。
1.2 目的和現(xiàn)實意義
洗墻機的功能主要在于清洗大樓窗戶、外墻等外部結(jié)構(gòu)，然而礙于在清洗大樓時清洗后廢水的處理，清洗的效果、效率等等，目前市面上尚無自動的大樓洗墻機。
改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，高層式建筑如雨后春筍般的拔地而起。高樓外墻的外觀保養(yǎng)和清潔成為樓宇管理不可缺少的一部份。有需求就由市場，高樓外墻的清潔必將成為一種經(jīng)濟效益高，前景廣闊的行業(yè)。在中國，這種行業(yè)正在逐漸興趣。我國高墻清潔主要采取兩種形式。
1.3研究現(xiàn)狀
綜觀目前市面上可見的洗墻機，清洗方式主要還是以人工清洗為主，所以都是以掛籠垂降，再以人工方式清洗墻面；然而垂掛以及掛籠的升降方式便較具變化。傳統(tǒng)的是人手清潔，用繩把人系住和定位，逐層清潔。這種方式人在半空吊來吊去的（好象攀崖運動員下山時那樣），勞動強度高，效率低，因為主體是人，所以帶有一定的危險性。
現(xiàn)代的機器人清潔，現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人代替人手工作是必然的趨勢，在國外和我國的一些清潔公司已經(jīng)采用了機器人來進行高樓外墻的清潔工作，但是這些機器人構(gòu)造復(fù)雜，操作復(fù)雜，功能繁多（有些功能是很少用到或在某些場合不會用到），造成成本高（如果是一些由人工智能的機器人就更加不用說了）和資源浪費的現(xiàn)象。針對這個問題，我們設(shè)計了一個操作簡單，經(jīng)濟實用的高樓外墻清潔機器。
2方案評價與選擇
2.1高樓外墻清潔機的結(jié)構(gòu)和工作
現(xiàn)代高樓外墻自動清洗機的結(jié)構(gòu)主要分為下面幾種:
2.1.1設(shè)置于頂樓的支撐突梁
以下為一些常見的支撐突梁：
（1）固定式如圖2.1所示：
（A）F型突梁 (B) L型突梁
圖2.1 固定式突梁
(2)活動式：
設(shè)有活動滑軌,如圖2.2為一種滑軌：
圖2.2 滑軌
滑軌式的作動情形如圖2.3所示：
圖2.3 滑軌式的作動情形
滑軌有多種形式如圖2.4所示：
A.水平式滑軌 B.自走平臺 C.垂直式滑軌
圖2.4 多種形式的滑軌
直接將大型起降車設(shè)置于頂樓，方便隨時清洗，亦有助施工維修，但成本高昂且占空間。
2.1.2支撐纜繩
纜繩能承受高度張力，目前專用纜繩就可達到需求。
2.1.3乘載用掛籠
小型掛籠如圖2.5所示：
圖2.5 小型掛籠
中型掛籠如圖2.6所示：
圖2.6 中型掛籠
2.1.4 動作馬達
對于馬達，一般來說有以下要求：
A.高扭力、低轉(zhuǎn)速。
B.斷電自動煞車。
C.機械煞車裝置。
D.靜定功能。
2.1.5升降結(jié)構(gòu)
對于升降的結(jié)構(gòu)，目前計劃主要依現(xiàn)有一般市面上可見的機構(gòu)加以改良，作為自動洗墻機的作動裝置，裝在樓頂?shù)牟竭M電動機帶動卷桶控制鋼絲繩的收放，使的刷子部分的執(zhí)行機構(gòu)能在高墻上縱向移動。在這里,選擇卷揚機類似的機構(gòu),加以改進。
2.1.6清洗刷
考慮到刷子受到的摩擦力很小 ，刷子的轉(zhuǎn)動動力由小電機提供，如圖所示
刷子部分采用紅外線測距。當(dāng)墻上的玻璃窗等與墻的豎直距離不等時，刷子不能很好的清洗玻璃等凹或凸出來的部分。所以從機器采用紅外線測距， 使刷子能更好的工作，即使有突出的墻沿，也可以通過機器自己調(diào)節(jié)(線圈產(chǎn)生的磁場和彈簧力來調(diào)節(jié))
刷子由一個獨立的電動機帶動。
為了使機器在刷子往返運動中，不會使機構(gòu)左右搖擺，所以采用一些輔助機構(gòu)來減少左右搖擺，如圖所示，采用末端加有一個輪，此輪與墻接觸。當(dāng)機器向下運動時，輪與墻之間是滾動摩擦，使機器向下運動時，可以使機器與墻之間保持一定的距離，從而不會撞到墻或者玻璃，當(dāng)墻左右搖晃時，這時，輪與墻之間產(chǎn)生滑動摩擦，對機器左右搖擺有一定的抑制作用。
還有一些輔助機構(gòu)使得清潔機在墻上工作更加平穩(wěn)。
2.2方案評價與選擇
根據(jù)任務(wù)書的要求，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工作效率高，故選用，水平式滑軌，支撐纜繩，小型掛籠，升降機構(gòu)采用類似卷揚機機構(gòu)，工作部，利用工作電動，經(jīng)減速器減速，帶動清洗刷轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)清洗功能。
3運動學(xué)及結(jié)構(gòu)方案的確定
根據(jù)任務(wù)書要求，一小時可以清洗墻面600-800平方米，考慮到結(jié)構(gòu)簡單，直接單向進給，故只考慮升降，而且要達到600-800平方米，所以要選用大型號的清洗刷。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：
圖3.1 清洗刷結(jié)構(gòu)圖
3.1運動學(xué)參數(shù)選定
初選卷揚機，根據(jù)GB/T 1995-2002，選用雙卷快速快溜放卷揚機，額定速度為20m/min-25min，額定載荷為25KN。
根據(jù)初選的卷揚機，則定清洗刷直徑應(yīng)500mm。
清洗刷與墻面的摩擦力
查機械設(shè)計手冊得工程塑料的動摩擦因數(shù)在之間，因為，清洗刷基本上靠自動壓在墻面上，又要考慮到清洗干凈，故選用動摩擦因數(shù)較大的工程塑料，選定其動摩擦因數(shù)為，估算清洗裝置，故
工作機所需輸入功率：
各部件的傳動效率：
工作機的效率：
傳動裝置中各部分的效率,查機械手冊得
8級精度的一般齒輪傳動效率：
彈性聯(lián)軸器傳動效率：
齒式聯(lián)軸器傳動效率：
球軸承傳動效率：
滾子軸承：
電動機至工作機之間傳動裝置的總效率：
所需電動機功率
由
,得
查表13-2,得圓柱齒輪傳動單級傳動比常值為3～5,故電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍:
對Y系列電動機通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1000r/min或1500r/min的電動機,故選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。
選用Y100L2-4,額定功率3KW,滿載轉(zhuǎn)速1430r/min,電動機極數(shù)為4，軸伸尺寸。其具體參數(shù)如下：
型號: Y100L2-4
額定功率/kW: 3.0
鐵心長度/mm: 135
氣隙長度/mm: 0.3
定子外徑/mm: 155
定子內(nèi)徑/mm: 98
定子線規(guī)nc-dc: 1-1.18
每槽線數(shù): 31
并聯(lián)支路數(shù): 1
繞組型式: 單層交叉
節(jié)距: 1～9/2～10/18～11
槽數(shù)Z1/Z2: 36/32
轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m^2): 0.0067
質(zhì)量/kg: 38
3.2 計算總傳動比和分配各級傳動比
傳動裝置的總傳動比要求為
式中： —電動機滿載轉(zhuǎn)速,r/min.
一般推薦展開式二級圓柱齒輪減速器高速級傳動比,取。
3.3 計算傳動裝置運動和動力參數(shù)
該傳動裝置從電動機到工作機有三軸,依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸,則:
3.3.1 各軸轉(zhuǎn)速
式中: —為電動機滿載轉(zhuǎn)速,r/min；
、、—分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉(zhuǎn)速,r/min;Ⅰ為高速軸,Ⅲ為低速軸.
3.3.2 各軸功率
式中: Pd —為電動機輸出功率,KW;
PⅠ、PⅡ、PⅢ —分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸輸入功率,KW；
3.3.3 各軸轉(zhuǎn)矩
4 傳動零件的設(shè)計計算
4.1 第一級齒輪傳動設(shè)計計算
因傳動無嚴格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度241HB～286HB,平均取為260HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度為229HB～286HB,平均取為240HB.齒輪采用非對稱支承結(jié)構(gòu)安裝。計算步驟如下:
齒面接觸強度計算
4.1.1 初步計算
轉(zhuǎn)矩T1 ,
齒寬系數(shù) ,由表12.13,取
Ad值,由表12.16,估計,取
接觸疲勞極限,由圖12.17c,得
初步計算的許用接觸應(yīng)力:
傳動比i,
初步計算小齒輪直徑d1 ,,取
初步齒寬b ,
4.1.2 校核計算
圓周速度,
精度等級 由表12.6，選用8級
齒數(shù)Z1、模數(shù)和螺旋角:
，取Z2=105
,由表12.3,取
(和估計值接近)
使用系數(shù)KA 由表12.9,,
動載系數(shù)Kv,由圖12.9,
齒間載荷分配系數(shù)
由此得
齒向載荷分布系數(shù),由表12.11,
載荷系數(shù),
彈性系數(shù),由表12.12,
節(jié)點區(qū)域系數(shù),由圖12.16,
重合度系數(shù) ,由式12.31,因故
螺旋角系數(shù),
接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠)
總工作時間,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
接觸壽命系數(shù),由圖12.18, ,
許用接觸應(yīng)力:
驗算
計算結(jié)果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調(diào)整。
4.1.3 確定傳動主要尺寸
中心距
實際分度圓直徑,
齒寬,
齒根彎曲疲勞強度驗算
齒形系數(shù):
由圖12.21, ,
應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,,
重合度系數(shù) ,
螺旋角系數(shù),
(當(dāng).)
,故
齒間載荷分配系數(shù) ,
前已求得,故
齒向載荷分配系數(shù) ,由圖12.14, ,
載荷系數(shù),
彎曲疲勞極限,由圖12.23c,,
彎曲最小安全系數(shù),由表12.14,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù),
彎曲壽命系數(shù),由圖12.24, ,
尺寸系數(shù),由圖12.25,
許用彎曲應(yīng)力
驗算
傳動無嚴重過載,故不做靜強度校核。
4.2 第二級齒輪傳動設(shè)計計算
因傳動無嚴格限制,生產(chǎn)批量小,故小齒輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為280HB;大齒輪用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,硬度取為260HB。齒輪采用非對稱支承結(jié)構(gòu).計算步驟如下:
齒面接觸強度計算
4.2.1 初步計算
轉(zhuǎn)矩T2 ,
齒寬系數(shù) ,由表12.13,取
Ad值,由表12.16,估計,取
接觸疲勞極限,由圖12.17c,得
初步計算的許用接觸應(yīng)力:
傳動比,
初步計算小齒輪直徑 ,
初步齒寬b ,
4.2.2 校核計算
圓周速度,
精度等級 選用8級
齒數(shù)、模數(shù)和螺旋角:
,由表12.3,取
(和估計值接近)
使用系數(shù)KA ,表12.9,,
動載系數(shù),由圖12.9,
齒間載荷分配系數(shù)
由此得
齒向載荷分布系數(shù),由表12.11,
載荷系數(shù),
彈性系數(shù),由表12.12,
節(jié)點區(qū)域系數(shù),由圖12.16,
重合度系數(shù) ,由式12.31,因,故
螺旋角系數(shù),
接觸最小安全系數(shù),由表12.14,得(一般可靠)
總工作時間,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
接觸壽命系數(shù),由圖12.18, ,
許用接觸應(yīng)力
驗算
計算結(jié)果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調(diào)整.
4.2.3 確定傳動主要尺寸
中心距
實際分度圓直徑
齒寬 ,取
齒根彎曲疲勞強度驗算
齒形系數(shù):
由圖12.21, ,
應(yīng)力修正系數(shù) ,由圖12.22,,
重合度系數(shù)，
螺旋角系數(shù),
(當(dāng).)
，故
齒間載荷分配系數(shù),
前已求得,故
齒向載荷分配系數(shù),由圖12.14,,
載荷系數(shù),
彎曲疲勞極限,由圖12.23c, ,
彎曲最小安全系數(shù),由表12.14,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù),,
彎曲壽命系數(shù),由圖12.24, ,
尺寸系數(shù),由圖12.25,
許用彎曲應(yīng)力
驗算
傳動無嚴重過載,故不做靜強度校核。
表1 傳動零件設(shè)計計算小結(jié)
名稱
材料
硬度
齒數(shù)
齒寬
mn
β
分度圓直徑
齒輪Ⅰ
40Cr
260HB
22
55mm
2
12°6′5′′
45.000mm
齒輪Ⅱ
45
240HB
105
45mm
2
12°6′5′′
215.190 mm
齒輪Ⅲ
40Cr
280HB
28
82 mm
2.5
13°32′10′′
72.000mm
齒輪Ⅳ
45
260HB
96
72mm
2.5
13°32′10′′
254.952 mm
4.3 畫簡圖
142
58
71
70.5
57.5
71
128
圖4.1 簡圖
4.3.1 初估軸徑
在畫裝配草圖前需初估軸徑,從而提高設(shè)計效率,減少重復(fù)設(shè)計的工作量,并盡可能的降低生產(chǎn)成本。三根軸都選用40Cr材料。
由<<機械設(shè)計>>式16.2,得各軸的最小直徑分別為:
式中: C為軸強度計算系數(shù),40Cr所對應(yīng)的系數(shù)為102
考慮到實際情況,可將這三軸的最小軸徑定為25mm,50mm和35mm。
4.3.2 初選聯(lián)軸器
聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外,有些還具有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。電動機軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較高,為減小啟動載荷,緩和沖擊,應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動慣量和具有彈性的聯(lián)軸器,該設(shè)計選用彈性柱銷聯(lián)軸器。減速器低速軸與工作機聯(lián)接用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較低,不必要求具有較小的轉(zhuǎn)動慣量,但傳遞轉(zhuǎn)矩較大,又因減速器與工作機不在同一底座上,要求具有較大的軸線偏移補償,因此選用鼓形齒式聯(lián)軸器。根據(jù)上述分析并考慮到實際情況,聯(lián)軸器選擇如下: 電動機軸和減速器高速軸聯(lián)接用的聯(lián)軸器選用LT4聯(lián)軸器 。
4.3.3 初選軸承
軸承是支承軸頸的部件。由于該傳動裝置采用兩對斜齒輪傳動，經(jīng)比較選擇，采用兩對角接觸球軸承和深溝球軸承。從高速軸到低速軸，選用的軸承分別為7307C、30210、30210，均為成組使用，面對面安裝。
5軸的校核計算
5.1高速軸受力分析
高速軸受力情況如下：
圖5.1 高速軸受力情況
水平受力分析:
對點取矩,則有
對點取矩,則有
垂直面受力分析:
對點取矩,則有:
對點取矩,則有:
5.2 中間軸校核計算
中間軸結(jié)構(gòu)和受力分析圖如下:
中間軸材料選用40Cr調(diào)質(zhì), 。軸的彎曲應(yīng)力校核步驟如下:
計算齒輪受力
齒輪Ⅱ所受的力():
圓周力
徑向力
軸向力
轉(zhuǎn)矩
齒輪Ⅲ所受的力:( )
圓周力
徑向力
軸向力
計算支承反力
水平面反力
垂直面反力
水平面受力圖,如f圖所示
垂直面受力圖,如h圖所示
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖,如g圖所示，圖
垂直面彎矩圖,如i圖所示，圖
合成彎矩圖,如j圖所示，合成彎矩
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩圖, 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩圖，如圖k所示
許用應(yīng)力
用插入法由表16.3,查得
應(yīng)力校正系數(shù)
畫當(dāng)量彎矩圖
當(dāng)量彎矩:
在齒輪Ⅲ中間處
在齒輪Ⅱ(軸頭)中間處
當(dāng)量彎矩圖,見圖l
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
經(jīng)檢驗軸所用尺寸合格。
中間軸安全系數(shù)校核計算如下：
以齒輪Ⅲ端面處危險截面為例進行安全系數(shù)校核。
對稱循環(huán)疲勞極限
脈動循環(huán)疲勞極限
等效系數(shù)
截面3-3上的應(yīng)力
水平面彎矩
垂直面彎矩
合成彎矩
彎曲應(yīng)力幅
彎曲平均應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力
應(yīng)力集中系數(shù)
有效應(yīng)力集中系數(shù)
因在此截面處，有軸徑變化，過渡圓角半徑r=1mm，由和，從附錄表1中查出。
表面狀態(tài)系數(shù) 由附錄5查出
尺寸系數(shù) 由附錄6查出
安全系數(shù)
彎曲安全系數(shù) 設(shè)為無限壽命，，由式16.5得
扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)
復(fù)合安全系數(shù)
經(jīng)檢驗軸所用尺寸合格。
軸承驗算
6高速軸軸承驗算
查手冊 7307c軸承主要性能參數(shù)如下：
壽命計算
左邊軸承徑向力
右邊軸承徑向力
軸向力 ，方向向左
附加軸向力 查表18.4，可得
，
因，故左邊軸承被壓緊
軸承軸向力
X,Y值 ，故
，故
沖擊載荷系數(shù) 考慮中等沖擊查表18..8得
當(dāng)量動載荷
軸承壽命 因，只計算軸承1的壽命
故高速級軸承滿足壽命要求。
靜載荷計算
X0、Y0 查表18.12，得，
當(dāng)量靜載荷
安全系數(shù)S0 正常使用角接觸球軸承，查表18.14，得
計算額定靜載荷
(因)
許用轉(zhuǎn)速驗算
載荷系數(shù)
載荷分布系數(shù)
許用轉(zhuǎn)速N
均大于工作轉(zhuǎn)速1430r/min。
經(jīng)檢驗該軸承合格。
致 謝
本論文是在楊世平老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。在整個設(shè)計過程中，不僅在學(xué)業(yè)上得到了老師細致、耐心的教導(dǎo)和講解，使自己鞏固、完善了所學(xué)知識，并且治學(xué)嚴謹、塌實沉穩(wěn)的學(xué)風(fēng)給人以深厚影響，在我的學(xué)習(xí)、待物中產(chǎn)生了積極作用，也使得本次設(shè)計能夠順利完成。
再此衷心感謝在這過程中幫助及指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)，讓我開闊了眼界，增加了學(xué)識。
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