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新型多功能清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

2019-09-10 07:22蔣國(guó)平諶炎輝

蔣國(guó)平 諶炎輝

摘? ? 要:針對(duì)廣告清洗機(jī)構(gòu)清洗功能單一,清洗效率較低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種新型多功能清洗機(jī)構(gòu),并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)不同直徑的待清洗物體的自適應(yīng)支撐驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu).在完善清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,根據(jù)支撐驅(qū)動(dòng)輪工作受力情況,對(duì)驅(qū)動(dòng)輪主軸和中間起到連接作用的彈性滑桿組件進(jìn)行了力學(xué)分析和理論計(jì)算;并通過(guò)SOLIDWORKS進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建,利用有限元軟件workbench對(duì)支撐驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)特性仿真.仿真結(jié)果與力學(xué)分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了支撐驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,為新型多功能清洗機(jī)構(gòu)的后續(xù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考經(jīng)驗(yàn).

關(guān)鍵詞:廣告清洗;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);力學(xué)分析;靜力仿真

中圖分類號(hào):TH122;TH693.9? ? ? ? ? ?DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.01.008

0? ? 引言

小廣告胡亂張貼現(xiàn)象在日常生活中普遍存在,與當(dāng)今社會(huì)所提倡的給市民塑造干凈、整潔的生活環(huán)境理念背道而馳,極大損害了一座城市的文化底蘊(yùn).相關(guān)部門采取了宣傳教育、人工清理等方式解決上述問(wèn)題,卻收效甚微.由于小廣告具有低成本、制作張貼容易、數(shù)量巨大、張貼形式多樣等特點(diǎn),給人工清理帶來(lái)了極大挑戰(zhàn).因此,開(kāi)發(fā)一種能夠有效清除小廣告的清洗機(jī)構(gòu)尤為重要.

國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)清洗機(jī)構(gòu)展開(kāi)了相關(guān)研究.Li 等[1]對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤盤頭清洗機(jī)展開(kāi)了研究,利用真空保持盤頭代替格柵,并結(jié)合噴淋清洗、擦洗等方式提高硬盤盤頭的清潔度.李鐵騎等[2]對(duì)清洗機(jī)的清洗方式、清洗原理等展開(kāi)了研究,最終選擇多種清洗方式組合使用并將其成功應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的清洗機(jī)研制.馬士偉等[3]針對(duì)高樓玻璃與室內(nèi)高墻,設(shè)計(jì)了一種多功能六足清潔機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)在玻璃與墻面上的垂直行走,既可以清洗玻璃,又可以清掃墻面.苗玉剛等[4]針對(duì)高樓大廈頂部玻璃清潔設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)避障、路徑導(dǎo)航、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能一體的清潔設(shè)備.徐丹等[5]采用鉸接方式連接多節(jié)清洗裝置構(gòu)成清洗機(jī)整體,有效解決了模仿拱狀棚頂弧形的難點(diǎn),同時(shí)還可以自適應(yīng)清洗凹凸不平的薄膜表面.王曉琳等[6]研制了一種新型碳纖維爬索機(jī)器人,有效解決了機(jī)器人沿繩索攀爬困難的問(wèn)題.

當(dāng)前清除小廣告的主要方法有兩種:一種是純粹依靠人工利用簡(jiǎn)易刮鏟進(jìn)行廣告鏟除作業(yè);另一種是利用輔助設(shè)備進(jìn)行清除廣告作業(yè).第一種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、清除效果不好且長(zhǎng)時(shí)間工作易使工作人員手臂麻木,有害健康. 第二種方式勞動(dòng)強(qiáng)度有所下降,但清除效果依然不理想且耗費(fèi)水資源、在清除過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染.為了解決當(dāng)前清除廣告過(guò)程中存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、清除不干凈、耗費(fèi)能源、不能很好的清洗圓柱曲面類墻面、清洗過(guò)程中易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題,根據(jù)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)際使用需求設(shè)計(jì)了一種新型多功能清洗機(jī)構(gòu),并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)支撐驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu),以幫助其更好的適應(yīng)不同直徑的圓柱曲面等特殊墻體的清洗工作.

1? ? 清洗機(jī)設(shè)計(jì)方案分析

1.1? ? 清洗機(jī)構(gòu)工藝要求

通過(guò)對(duì)當(dāng)前人工清理方式、借助輔助清理設(shè)備進(jìn)行清理小廣告的方式進(jìn)行清掃機(jī)理研究,發(fā)現(xiàn)清洗小廣告的過(guò)程大致為:清洗前的潤(rùn)濕處理、滾刷清洗、打掃清洗下來(lái)的碎屑這幾個(gè)步驟.通過(guò)對(duì)城市大街小巷實(shí)地走訪調(diào)查,發(fā)現(xiàn)城市中被粘貼小廣告的圓柱曲面主要是電線桿、路燈桿、指示牌立柱等.電線桿的表面材質(zhì)大多為混凝土材質(zhì);路燈桿、指示牌立柱表面大多為卷鋼材質(zhì).通過(guò)對(duì)圖1所示幾種城市主流的圓柱墻體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格意義上這些都不屬于圓柱類,是帶有一定錐度(錐度為[1∶75])的類圓柱墻體,這就為清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難,需要將清洗機(jī)的主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu),保證沿著圓柱墻體攀爬或下降的過(guò)程中清洗機(jī)的主從動(dòng)輪始終能夠緊緊貼合在墻面上.

廣告清洗機(jī)的工藝要求為:清洗過(guò)程中,機(jī)器能夠穩(wěn)固在圓柱墻體上不會(huì)受自重的影響出現(xiàn) “掉落”現(xiàn)象;能夠根據(jù)自身工作需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)爬升或下降的功能需求;能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)繞圓柱墻體軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱墻體表面清洗的全覆蓋功能;能夠?qū)崿F(xiàn)清洗工作與碎屑收集的同步進(jìn)行功能.

1.2? ? 方案分析

廣告清洗機(jī)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感檢測(cè)、嵌入式控制、人機(jī)操作終端等組成.其中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括了清洗機(jī)的外框機(jī)架、主從動(dòng)輪組件、滾刷清洗組件、碎屑收集組件、集水組件等.清洗機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

清洗機(jī)設(shè)計(jì)方案的完整工作過(guò)程規(guī)劃如下:首先,根據(jù)待清洗件的具體情況,例如,圓柱墻體的直徑大小、廣告粘貼的形式以及緊密程度等合理選擇滾刷的種類、外框安裝板的大小.確定條件后開(kāi)始打開(kāi)清洗機(jī)外框的活動(dòng)鉸鏈,將清洗機(jī)套在圓柱墻體周圍,最后閉合活動(dòng)鉸鏈,完成啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作.按下人機(jī)操作終端上的啟動(dòng)按鈕,清洗機(jī)微控制器開(kāi)始控制清洗機(jī)主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作[7-8],帶動(dòng)主動(dòng)輪沿著圓柱墻體爬升.清洗機(jī)上面裝有傳感檢測(cè)模塊,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墻體表面是否有小廣告等異物,當(dāng)傳感器檢測(cè)到小廣告的存在時(shí),反饋一個(gè)電信號(hào)至微控制器,微控制器通過(guò)植入的程序啟動(dòng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)、滾刷的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水泵電機(jī)、碎屑收集裝置電機(jī)等同時(shí)運(yùn)作.在此過(guò)程中水泵將水抽出并通過(guò)噴嘴噴撒在墻體上,完成對(duì)小廣告清洗前的潤(rùn)濕處理工作;滾刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)滾刷高速旋轉(zhuǎn),開(kāi)始清掃工作;主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪主軸完成旋轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作,然后由主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn),這樣就完成了整機(jī)繞圓柱墻體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而完成了對(duì)墻體外表面的全覆蓋清洗.碎屑收集裝置在此過(guò)程中完成對(duì)碎屑的收集工作,避免碎屑掉落對(duì)周圍環(huán)境造成二次污染.當(dāng)傳感器檢測(cè)不到墻體表面的小廣告時(shí),控制器控制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)回轉(zhuǎn)90°,使主動(dòng)輪繼續(xù)沿著圓柱墻體爬升[9],傳感器繼續(xù)檢測(cè)重復(fù)完成上述工作,直至檢測(cè)到指定高度,控制器控制主動(dòng)輪電機(jī)回轉(zhuǎn),完成清洗機(jī)沿著圓柱墻體下降收回的工作過(guò)程.整個(gè)裝置設(shè)計(jì)方案的工作規(guī)劃過(guò)程[10]詳見(jiàn)流程圖,如圖3所示.

2? ? 清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 外框組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)清洗機(jī)設(shè)計(jì)需求,外框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足以下幾個(gè)基本條件:第一,清洗機(jī)能夠適應(yīng)一定范圍不同直徑的待清洗件;第二,清洗機(jī)外框能夠開(kāi)閉,操作簡(jiǎn)單;第三,外框結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單、重量輕.為了達(dá)到上述要求,借用多邊形內(nèi)切圓的原理將裝置外框整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成多邊形的形式,如圖4所示.每塊安裝板上都打有上下對(duì)稱的螺紋孔,通過(guò)帶有U型槽的活動(dòng)鉸鏈進(jìn)行連接,由于U型槽具有一定的長(zhǎng)度,可以在一定范圍內(nèi)拓展外框多邊形的邊長(zhǎng),進(jìn)而使外框可以適應(yīng)更大范圍直徑的墻體.

2.2? ?主從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由清洗機(jī)的設(shè)計(jì)需求可知,主動(dòng)輪必須設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)以便于適應(yīng)圓柱墻體的錐度,不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)殄F度的存在導(dǎo)致攀爬或下降時(shí)輪子與墻面貼合不緊密的現(xiàn)象[11].主動(dòng)輪由主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向電機(jī)軸、緊固螺栓、鎖緊螺母、外滑套、高壓彈簧、內(nèi)套桿、小型電機(jī)安裝板、電機(jī)固定套、蝸輪蝸桿減速裝置、橡膠滾輪、擋泥板、擋泥板直角安裝板、電機(jī)安裝座組成,如圖5所示.高壓彈簧、滑動(dòng)套桿的存在保證了清洗機(jī)在工作時(shí)輪子與圓柱墻面的緊密貼合;小型電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)的組合使用主要是給橡膠滾輪提供一個(gè)低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定動(dòng)力;主動(dòng)輪中間的緊固螺栓、鎖緊螺母起到傳遞換向伺服電機(jī)帶來(lái)的扭矩和動(dòng)力的作用.從動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了與主動(dòng)輪同樣的結(jié)構(gòu),僅缺少了與二級(jí)連接傳動(dòng)軸相連接的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī),滾輪軸處缺少了與之相連的蝸輪蝸桿減速裝置、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)安裝板等部分,總體結(jié)構(gòu)相對(duì)更為簡(jiǎn)單.

2.3? ?洗刷組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)洗刷組件由小型步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)安裝座、圓柱直齒輪、滾子軸承、軸承座、滾刷軸、軸套、滾刷、緊固螺栓組成,如圖6所示.清洗機(jī)正常工作時(shí),控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)傳遞動(dòng)力和扭矩給滾刷軸,進(jìn)而由滾刷軸帶動(dòng)滾刷做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),完成洗刷作業(yè)[12-13].設(shè)計(jì)用直齒輪傳動(dòng)還能起到節(jié)約空間的作用,讓裝置更為緊湊[14].此外將滾刷做成內(nèi)空心的結(jié)構(gòu)既可以起到減重的作用,還能方便更換滾刷起到便于維修保養(yǎng)的作用.

2.4? ?碎屑收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)碎屑收集裝置由一層過(guò)濾網(wǎng)、碎屑收集槽、二層過(guò)濾網(wǎng)、小型立柱、電機(jī)安裝板、小型直流電機(jī)、小型離心風(fēng)扇組成,如圖7所示.保證了清洗機(jī)在工作時(shí)清掃下來(lái)的廣告碎屑被離心風(fēng)扇的吸力直接吸收到裝置過(guò)濾網(wǎng)后方的收集槽內(nèi),避免了清洗過(guò)程中因碎屑掉落所造成的二次污染現(xiàn)象.電機(jī)安裝板設(shè)計(jì)為對(duì)稱異形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了裝置減輕重量的要求.

3? ? 力學(xué)分析與靜力結(jié)構(gòu)仿真

3.1? ?力學(xué)分析

為了保證設(shè)計(jì)的清洗機(jī)產(chǎn)品能夠滿足使用過(guò)程中的承載要求,對(duì)清洗機(jī)關(guān)鍵受力零部件支撐主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析.分析發(fā)現(xiàn),主動(dòng)輪同時(shí)受到了彎矩、軸向壓力、扭矩的作用,屬于復(fù)合受力狀態(tài).清洗機(jī)主要受到自身重力G1、主從動(dòng)輪滾輪與圓柱墻面的摩擦力f1、圓柱墻面對(duì)主從輪的支反力FN2的作用.主動(dòng)輪還受到轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)提供的扭矩T1作用、裝置外框軸承對(duì)主動(dòng)輪主軸軸肩的一個(gè)壓緊力FN1的作用、清洗機(jī)滾刷高速旋轉(zhuǎn)與圓柱墻體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的摩擦力f21,并最終通過(guò)反作用力作用在主動(dòng)輪上,而墻體則會(huì)對(duì)主動(dòng)輪裝置產(chǎn)生一個(gè)反作用力f22.滾輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)對(duì)滾輪作用一個(gè)驅(qū)動(dòng)扭矩T2,具體受力狀態(tài)如圖8所示.電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩可根據(jù)所選電機(jī)型號(hào)參數(shù)查得,裝置總重量可以根據(jù)所選材料、體積利用SOLIDWORKS自帶質(zhì)量屬性功能求得.

此處圓形截面的主動(dòng)輪軸的靜矩SZ為d3/12,代入已知數(shù)值求得d22≥15.766 mm.

當(dāng)考慮受扭狀態(tài)時(shí),由扭矩公式:

為保證主動(dòng)輪在多種受力狀態(tài)下均能滿足強(qiáng)度使用要求,從d11、d22、d31取d的求解相對(duì)最大值并取整數(shù),即d為16 mm.

3.2? ?靜力結(jié)構(gòu)仿真

為了對(duì)清洗機(jī)主動(dòng)輪承載能力及受力分析過(guò)程進(jìn)行直觀的驗(yàn)證,利用有限元軟件workbench進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析.為減少有限元后處理的計(jì)算工作量,主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化[15].將滑動(dòng)套桿處及其兩端的螺栓連接觸進(jìn)行剛化處理.直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分通過(guò)蝸輪蝸桿傳遞扭矩至主動(dòng)輪滾輪處,可將扭矩作用載荷直接加載至主動(dòng)輪并略去電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分的具體結(jié)構(gòu).將簡(jiǎn)化后的主動(dòng)輪三維模型保存為IGES格式,并導(dǎo)入到workbench的geometry中,然后進(jìn)行材料的選擇、網(wǎng)格的劃分,在重點(diǎn)受力部位、形狀突變處進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理.并根據(jù)前面的受力分析完成對(duì)有限元模型的加載處理,最后進(jìn)行有限元求解,得到主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D,如圖9所示.

通過(guò)有限元仿真發(fā)現(xiàn)主動(dòng)輪主軸的變形顯示為深藍(lán)色,幾乎無(wú)變形;滾輪選用的為橡膠材質(zhì),擋泥板選用的塑料材質(zhì),受到擠壓力的作用有略微變形,但是在安全范圍內(nèi)滿足使用要求;主動(dòng)輪最大應(yīng)力為1.712 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.650 9,均在安全工作范圍.通過(guò)云圖發(fā)現(xiàn),清洗機(jī)的重要受力零部件主動(dòng)輪能夠承受工作過(guò)程中的載荷,可以滿足正常使用需求,也驗(yàn)證了通過(guò)力學(xué)分析的主動(dòng)輪軸的設(shè)計(jì)合理性,滿足強(qiáng)度要求.

4? ? 結(jié)論

1)根據(jù)清洗機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝要求設(shè)計(jì)了外框組件,能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同導(dǎo)桿的直徑,具體范圍值與外框安裝板上U型槽的長(zhǎng)度直接相關(guān).

2)通過(guò)創(chuàng)新式設(shè)計(jì)提出了一種自適應(yīng)支撐驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu),并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和靜力結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明該主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,能夠滿足清洗機(jī)構(gòu)正常使用的強(qiáng)度要求.

3)為了保證清洗機(jī)構(gòu)功能的多樣化,裝置還設(shè)計(jì)了碎屑收集機(jī)構(gòu),避免了清洗機(jī)在清洗過(guò)程中產(chǎn)生清洗垃圾,造成二次污染的問(wèn)題.

4)該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)于新型多功能清洗機(jī)的后續(xù)開(kāi)發(fā)、樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化有很好的參考價(jià)值.對(duì)于清洗過(guò)程中,清洗機(jī)的圓周旋轉(zhuǎn)速度、沿桿爬升或下降的軸向速度、滾刷的轉(zhuǎn)速、滾刷末端與墻體的接觸長(zhǎng)度等幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的耦合關(guān)系對(duì)最終廣告清潔度的影響,還需在今后實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探究.

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