購買設(shè)計請充值后下載，，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點開預(yù)覽，，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。。。有不明白之處，可咨詢QQ:1304139763
管道清洗機器人的優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計
摘要：最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道中可用的清潔機器人（稱為管道內(nèi)清潔機器人）的興趣正在增加。到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。在GACF中，當(dāng)垃圾移動時，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過使用TRIZ（俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論），我們將提出一種GACF的管道內(nèi)清潔機器人，其具有6連桿滑動機構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對于直徑為400mm的管道，機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。基于使用TRIZ的概念設(shè)計，我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機器人的初始設(shè)計。對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設(shè)計，利用機器人與管道內(nèi)表面碰撞的最大沖擊力進行模擬。當(dāng)滑動機構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時，RecurDyn?進入400毫米直徑的管道。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬最大沖擊力對滑動機構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后，將確定最佳尺寸，包括4個連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。它將被驗證與Robot Valley，Inc。專家的初步設(shè)計相比，4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的4個連桿。此外，管道內(nèi)清潔機器人的原型將進一步研究說明。
關(guān)鍵詞：管道內(nèi)清潔機器人，6連桿滑動機構(gòu)，TRIZ，優(yōu)化設(shè)計，RecurDyn?，實驗設(shè)計（DOE），ANSYS?Workbench
1引言
最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道中可操作的清潔機器人（我們將此稱之為機器人管道清潔機器人）的興趣正在增加。 盡管根據(jù)調(diào)查，韓國GACF處于初始階段，但據(jù)報道，通過解決現(xiàn)有手動拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問題（包括公寓之美），居民滿意度較高。 然而，GACF仍然存在設(shè)備安裝費用昂貴，運營費用高，食物垃圾收集率和回收率下降等問題。這意味著GACF需要提高穩(wěn)定運行的技術(shù)技能。
到目前為止，韓國垃圾收集的方式如下; 當(dāng)我們把垃圾放在塑料袋里并放在某個地方時，一輛皮卡車會繞過那個區(qū)域并撿起垃圾。 通常垃圾暴露在道路上，而狗，貓或老鼠等通常會損壞垃圾袋。 因此，城市的美麗可能會受到破壞，特別是在夏天。 此外，垃圾袋會導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭。 因此，這種垃圾處理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生。
與目前韓國垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比，GACF具有定期安裝的僅垃圾槽。 在GACF中，管道在地下構(gòu)建，使用戶能夠扔垃圾袋。 將垃圾暫時存放在插槽的底部后，將其連接到與管道連接的存儲區(qū)域。 因此，GACF不需要任何人力來拾取垃圾，并且進一步是環(huán)境友好的系統(tǒng)，垃圾不會暴露在外面。
與現(xiàn)有的人力和車輛接送方式相比，GACF擁有一個中央收集的設(shè)施，在地下建造的管道中提供約60~70km / h的高速運行空氣。 GACF可以根據(jù)垃圾的類型（易燃或不易燃）將垃圾放入垃圾焚燒爐。 加工后的垃圾可以運到集裝箱車輛的最終處置場地。圖1顯示了GACF的關(guān)鍵圖。
圖1 GACF的關(guān)鍵圖
如上所述，GACF可以快速收集生活垃圾。 此外，GACF可以將生活垃圾運送到最終處置場所，即垃圾焚燒爐。 具體而言，當(dāng)居民將家庭垃圾扔進GACF的輸入槽時，垃圾通過與收集場地相連的管道運輸。 在收集的場地，GACF操作一個與管道連接的鼓風(fēng)機，并從進氣口吸入空氣，如圖1所示。 此時，根據(jù)氣流，GACF收集生活垃圾。 為了長期穩(wěn)定地維護GACF，管道內(nèi)清潔很重要。 在不久的將來，需要開發(fā)一種具有自動運動的管道內(nèi)清潔機器人，以使管道清潔。 管道清洗機器人的使用可以使管道老化延遲，從而可以降低管道更換成本。
到目前為止，關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔。 例如，Roh等人。 開發(fā)了一種用于地下燃氣管道的差動驅(qū)動管道內(nèi)檢測機器人。 此外，Choi等人。開發(fā)了一種管內(nèi)檢查/清潔機器人，它可以通過使用帶彈簧的輪子粘在管道的內(nèi)表面上，如圖2所示。這種機器人有一個嚴(yán)重的缺點，即機器人可以與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點處無效時，管道的內(nèi)表面。
圖2管道內(nèi)檢查/清潔機器人（Choi等人）
在GACF中，當(dāng)垃圾移動時，我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì)（直徑：300mm或400mm）。 因此，在本文中，我們將開發(fā)一種GACF管道內(nèi)清潔機器人，其滑動機構(gòu)可以通過氣動壓力（不是彈簧）調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面。 所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及清潔時刷子的旋轉(zhuǎn)。 機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。 另外，對于直徑為400mm的管道，機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑。 機器人前部有一個攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷，可同時進行清潔和檢查。 此外，它可以通過使兩個刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來提高清潔效率。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第二節(jié)通過使用TRIZ（俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論）解釋了所提出的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計?；谶@種概念設(shè)計，我們將與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計，在第三節(jié)中，當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿拉伸到400mm時，使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。管道直徑。在第四節(jié)中，通過使用ANSYS?Workbench基于最大沖擊力對滑動機構(gòu)的6個連桿施加的應(yīng)力進行模擬。實驗設(shè)計（簡稱DOE）。最后，將確定最佳尺寸，包括4個連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。第五節(jié)將得出結(jié)論。
2.基于TRIZ的管道清洗機器人的基本設(shè)計
提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機器人使用TRIZ的6SC執(zhí)行如下：
A.（6SC的第1步）圖片中的問題陳述
圖3顯示了管道內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計。 問題是機器人無法裝入直徑為300mm / 400mm的管道，因為根據(jù)兩種類型的管道（直徑為300mm或400mm），它沒有任何可變機構(gòu)。
圖3管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計
B.（6SC的第2步）系統(tǒng)功能分析
為了解決上面提出的問題，我們首先進行系統(tǒng)功能分析，如圖4所示
在目標(biāo)上，機器人應(yīng)設(shè)計成適合兩種類型的管道（直徑300毫米或400毫米）。 在該圖中，保持機器人的直徑意味著保持機器人的狀態(tài)適合管道。
圖4系統(tǒng)功能分析
C.（6SC的第3步）理想的最終結(jié)果（IFR）
作為IFR，我們建議將機器人設(shè)計成適合較小直徑（即300mm）的管子，然后以可伸縮的形式裝入較大直徑（即400mm）。
D.（6SC的第4步）矛盾和分離原則
下面的句子可以表示矛盾：“兩個機器人體應(yīng)分別設(shè)計成適合兩種類型的管子（直徑300mm或400mm）。 并且，機器人應(yīng)該被設(shè)計成一個整體?！盀榱苏业矫軉栴}的解決方案，我們在下面的句子中應(yīng)用分離原則：”兩種管道的每個機器人體分別設(shè)計，然后是兩個機器人體 被放在一個機器人身上。
E.（6SC的第5步）元素 - 相互作用分析
圖5顯示了元素 - 交互分析。 在這個問題中，元素是“機器人的身體”和“管的直徑”。這個圖表明機器人的身體設(shè)計成適合兩個標(biāo)準(zhǔn)直徑（300毫米和400毫米）的管道作為可變機構(gòu)。
圖5元素相互作用分析
F.（6SC的第6步）問題解決和評估
問題的暫定解決方案可以如下：對于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道（300mm或400mm），機器人的直徑需要是可變的。 如圖6所示，本文提出的最終問題解決方案是6連桿滑動機構(gòu)，以適應(yīng)直徑為300mm / 400mm的管道。 特別地，在該解決方案中，氣動壓力用于使滑動機構(gòu)配合到管的內(nèi)表面中。 因此，機器人具有三個用于一個滑塊的6連桿滑動機構(gòu)，如圖7所示。如該圖所示，管內(nèi)清潔機器人具有總共六個6連桿滑動機構(gòu)，即前滑塊3個，后滑塊3個。
圖6 6連桿滑動機構(gòu)
圖7一個滑塊的三個6連桿滑動機構(gòu)
該問題解決方案的評估可以如下進行：當(dāng)三個六連桿機構(gòu)中的一個落入管道的分支點時，使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)可以通過保持機器人的直徑來逃離分支點（在其他 單詞，機器人的狀態(tài)適合管道，并且可以穩(wěn)定地移動，因為可以固定三個6連桿機構(gòu)中的兩個，如圖8所示。
圖8使用分支點處的氣動壓力評估6連桿滑動機構(gòu)
3.使用RECURDYN?進行動態(tài)模擬
基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計，圖9中提出了使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)的初始設(shè)計，與韓國Robot Valley公司合作。 特別是表1顯示了鏈路1至4的初始設(shè)計的長度和厚度，這些設(shè)計來自機器人谷的設(shè)計專家的經(jīng)驗知識。 對于管道清洗機器人的最佳設(shè)計，最大沖擊沖擊力通過使用RecurDyn?（多體動力學(xué)）在本節(jié)中模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系模擬程序）當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑400mm時。 特別是選擇直徑為400mm的管道而不是300mm直徑的管道，因為假設(shè)前者具有比后者更大的加速度和更長的位移。
圖9采用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)
表格1
鏈接的初始設(shè)計
Links
1
2
3
4
Length (mm)
91
91
37
145
Thickness (mm)
10
5
5
10
當(dāng)6連桿滑動機構(gòu)與初始拉伸表1的長度尺寸和厚度由于氣動，適合400毫米直徑的管道它會碰撞壓力（推動滑動連桿，即連桿5）與管道的內(nèi)壁。 那個時候，多體動態(tài)模擬程序，即RecurDyn?用于查找機器人之間碰撞的最大沖擊力和管道的內(nèi)表面。 在這個動態(tài)的第一步仿真，6連桿滑動的三維建模使用SolidWorks?的機制（如圖9所示）是導(dǎo)入RecurDyn?。
在此模擬中使用的約束條件RecurDyn?是重力，關(guān)節(jié)，固定狀態(tài)，接觸和彈簧力條件。 重力由g = 9.81m / s2提供在圖10所示的方向上，設(shè)置6個接頭RecurDyn?中的Revolute Joints，如圖10所示連接到接頭1的部分是固定的，而下部是固定的連接到第2關(guān)節(jié)不需要約束，以便它可以滑動。
圖10關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束
機器人六個6連桿滑動機構(gòu)的碰撞管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構(gòu)為方便起見，在RecurDyn?中考慮過。 2個6連桿輪滑動機構(gòu)由內(nèi)部“固體接觸”給出側(cè)面如圖11所示。另外，固體接觸條件是針對固定部件的碰撞而給出的（與接頭1連接）與滑動部分（連接到接頭2）。
圖11接觸約束
6連桿機構(gòu)的滑動運動由氣動壓力。 但沒有氣動壓力RecurDyn?計劃中的約束。 在這個模擬中，我們已賦予彈簧力氣動壓力。 的情況下氣動壓力，6連桿機構(gòu)滑動加速度為2 m / s2。 通過動態(tài)模擬RecurDyn?如圖12所示，彈簧力條件彈簧常數(shù)為5 N / mm，彈簧位移為40 mm使6連桿機構(gòu)以1.97m / s2加速度滑動。因此，氣動壓力可以用彈簧力代替常數(shù)5 N / mm，位移40 mm。
圖12彈簧力條件
圖13顯示了當(dāng)6連桿滑動機構(gòu)與管道內(nèi)側(cè)（直徑400 mm）碰撞時使用RecurDyn?模擬的沖擊力。 如該圖所示，機構(gòu)滑動1秒鐘（從彈簧力條件起作用的瞬間）。 然后我們可以看到最大沖擊力約為100N。
圖13使用RecurDyn?的沖擊力仿真結(jié)果
4. 6連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
現(xiàn)在我們處理6連桿滑動的最佳設(shè)計本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構(gòu)。 首先，最大沖擊力，即通過前一節(jié)中使用RecurDyn?的動態(tài)模擬獲得的100N，加載到6輪鏈滑動機構(gòu)的車輪1的點上，如圖14所示（3-D模型） ANSYS?Workbench）。 我們假設(shè)車輪1在動態(tài)模擬中比車輪2更早地與管道內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞，因為車輪1與6車道機構(gòu)的距離比車輪2短。然后使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析基于DOE（ 也就是說，實驗設(shè)計）以獲得4個設(shè)計變量的最佳尺寸，即如圖15所示的4個鏈節(jié)的厚度。
圖14ANSYS?Workbench的三維模型
圖15 6連桿滑動機構(gòu)（俯視圖）
DOE通常用于通過對給定設(shè)計（或性能測試）問題執(zhí)行最小模擬（或?qū)嶒灒﹣硖崛∽畲笮畔ⅰ?DOE可以幫助確定定量關(guān)于問題中每個設(shè)計（或?qū)嶒灒┮蛩兀ɑ蜃兞浚┑挠绊憽?這導(dǎo)致找到設(shè)計（或?qū)嶒灒┳兞康淖罴阎怠?在6連桿機構(gòu)的設(shè)計中，設(shè)計變量的數(shù)量（統(tǒng)計術(shù)語中的控制因子）是表4中所示的四個等級中的四個。表2顯示了機器人谷的現(xiàn)場工程師的設(shè)計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水平。 對于這種6鏈路機制，四級四設(shè)計變量的正交陣列（L16）是使用DOE（特別是MINITAB?）而不是全256（44）生成的。
表2
設(shè)計變量的水平
Level
Factor
1
2
3
4
Link1 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link2 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link3 Thickness(mm)
5
10
3
8
Link4 Thickness(mm)
5
10
3
8
基于表3的正交陣列（L16），使用ANSYS?Workbench對6連桿滑動機構(gòu)進行16次靜態(tài)分析。 4個設(shè)計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇：（1）6連桿滑動機構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達2（現(xiàn)場工程師在機器人設(shè)計中建議最佳安全系數(shù)為2） ），（2）應(yīng)盡量減少機構(gòu)的質(zhì)量。 可以以與多目標(biāo)問題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn)。 因此，該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式（1）給出。
這里sf1和sf2表示縮放因子。而且，w1和w2是加權(quán)因子。根據(jù)等式（1）選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?。由于多目?biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù)，因此0.5的值已分配給w1和w2。同時，sf1和sf2的常數(shù)分別由0.5和0.5給出，以便將客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為1.根據(jù)DOE，進行了16次分析。圖16顯示了使用ANSYS?Workbench通過靜態(tài)分析執(zhí)行的16個結(jié)果。因此，與其他15組設(shè)計變量相比，表3的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu)（對應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的最小值）設(shè)計變量。因此，鏈路1,2,3和4的最佳厚度均為5mm，而鏈路1,2,3和4的初始厚度分別為10mm，5mm，5mm，10mm，如表1所示?？梢宰⒁獾剑顑?yōu)設(shè)計（或最佳厚度）具有目標(biāo)函數(shù)的值（即0.09653），包括安全系數(shù)2.7065和質(zhì)量0.145kg，遠小于初始設(shè)計的情況，目標(biāo)值（即0.27631）功能包括安全系數(shù)3.6751和初始質(zhì)量0.241kg的情況，如表3中的第17行（下劃線為藍色）所示。特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過特殊熱處理的AL 7075-O（ss）。因此，我們可以得出結(jié)論，與Robot Valley，Inc。的專家進行的初始設(shè)計相比，4個鏈路的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及具有4個鏈路的最小質(zhì)量。 - 包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu)的管道清潔機器人如圖17所示。該原型機與Robot Valley，Inc。合作進行清潔測試。
表3
正交陣列
圖16使用ANSYS?Workbench進行靜態(tài)分析的結(jié)果之一
圖17管內(nèi)清洗機器人的原型，包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu)
5. 結(jié)論
最近，由于垃圾自動收集設(shè)施（即GACF）被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū)，因此對管道內(nèi)清潔機器人的興趣正在增加。在GACF中，當(dāng)垃圾移動時，我們必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì)管（直徑：300mm或400mm）。因此，在本文中，通過使用TRIZ（俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論），我們提出了一種GACF的管道內(nèi)清潔機器人，其具有6連桿滑動機構(gòu)，可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力（不是彈簧）。所提出的用于GACF的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前/向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn)。機器人本體應(yīng)具有適合直徑為300mm的較小管道的有限尺寸。另外，對于直徑為400mm的管道，機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑?；谶@種概念設(shè)計，我們與韓國Robot Valley公司的現(xiàn)場工程師合作，建立了機器人的初始設(shè)計。對于管道內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合直徑400mm的管道時，使用RecurDyn?模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力。 。利用基于實驗設(shè)計的ANSYS?Workbench（簡稱DOE），模擬了最大沖力對滑動機構(gòu)6連桿施加的應(yīng)力。最后確定了最佳尺寸，包括4個連桿的厚度，以便在本文中具有最佳安全系數(shù)2，并且具有4個連桿的最小質(zhì)量。經(jīng)驗證，與機器人谷公司專家進行的初步設(shè)計相比，4連桿的最佳設(shè)計具有接近2的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量為4連桿。管內(nèi)原型清潔機器人包括具有這些最佳尺寸的6連桿滑動機構(gòu)，已經(jīng)與Robot Valley，Inc。合作開發(fā)了清潔測試。為了進一步研究這個原型，現(xiàn)有的清潔工具需要重新設(shè)計成簡單有效的類型，因為其反刷的復(fù)雜機理。
管道清洗機器人的優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計 摘要 最近 由于垃圾自動收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國首爾大都市 區(qū) 因此對管道中可用的清潔機器人 稱為管道內(nèi)清潔機器人 的興趣正在增加 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動時 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 通過使用 TRIZ 俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論 我們將提出一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人 其具有 6 連桿滑動機構(gòu) 可以調(diào) 節(jié)以適合管道的內(nèi)表面使用氣動壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的管道 內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前 向后移 動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機器人本 體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對于直徑為 400mm 的管道 機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于使用 TRIZ 的概念設(shè)計 我們將與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作 建立機器人的 初始設(shè)計 對于管內(nèi)清洗機器人的優(yōu)化設(shè)計 利用機器人與管道內(nèi)表面碰撞的最 大沖擊力進行模擬 當(dāng)滑動機構(gòu)的鏈接被拉伸以適合時 RecurDyn 進入 400 毫 米直徑的管道 利用基于實驗設(shè)計的 ANSYS Workbench 簡稱 DOE 模擬最 大沖擊力對滑動 機構(gòu) 6 連桿施加的應(yīng)力 最后 將確定最佳尺寸 包括 4 個連桿 的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量 它 將被驗證與 Robot Valley Inc 專家的初步設(shè)計相比 4 連桿的最佳設(shè)計具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量的 4 個連桿 此外 管道內(nèi)清潔機器人的原型 將進一步研究說明 關(guān)鍵詞 管道內(nèi)清潔機器人 6 連桿滑動機構(gòu) TRIZ 優(yōu)化設(shè)計 RecurDyn 實驗設(shè)計 DOE ANSYS Workbench 1 引言 最近 由 于垃圾自動收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū) 因此對管道中可操作的清潔機器人 我們將此稱之為機器人管道清潔機器人 的 興趣正在增加 盡管根據(jù)調(diào)查 韓國 GACF 處于初始階段 但據(jù)報道 通過解 決現(xiàn)有手動拾取方式導(dǎo)致的環(huán)境問題 包括公寓之美 居民滿意度較高 然而 GACF 仍然存在設(shè)備安裝費用昂貴 運營費用高 食物垃圾收集率和回收率下降 等問題 這意味著 GACF 需要提高穩(wěn)定運行的技術(shù)技能 到目前為止 韓國垃圾收集的方式如下 當(dāng) 我們把垃圾放在塑料袋里并放在 某個地方時 一輛皮卡車會繞過那個區(qū)域 并撿起垃圾 通常垃圾暴露在道路上 而狗 貓或老鼠等通常會損壞垃 圾袋 因此 城市的美麗可能會受到破壞 特 別是在夏天 此外 垃圾袋會導(dǎo)致蒼蠅或有害昆蟲的惡臭 因此 這種垃圾處 理系統(tǒng)可以歸結(jié)為不衛(wèi)生 與目前韓國垃圾處理和拾取系統(tǒng)的這種不方便且不衛(wèi)生的方式相比 GACF 具有定期安裝的僅垃圾槽 在 GACF 中 管道在地下構(gòu)建 使用戶能夠扔垃圾 袋 將垃圾暫時存放在插槽的底部后 將其連接到與管道連接的存儲區(qū)域 因 此 GACF 不需要任何人力來拾取 垃圾 并且進一步是環(huán)境友好的系統(tǒng) 垃圾不 會暴露在外面 與現(xiàn)有的 人力和車 輛接送方式相比 GACF 擁有一個中央收集的設(shè)施 在地 下建造的管道中提供約 60 70km h 的高速運行空氣 GACF 可以根據(jù)垃圾的類 型 易燃或不易燃 將垃圾放入垃圾焚燒爐 加工后的垃圾可以運到 集裝箱車 輛的最終處置場地 圖 1 顯示了 GACF 的關(guān)鍵圖 圖 1 GACF 的關(guān)鍵圖 如上所述 GACF 可以快速收集生活垃圾 此外 GACF 可以將生活垃圾 運送到最終處置場所 即垃圾焚燒爐 具體而言 當(dāng)居民將家庭垃圾扔進 GACF 的輸入槽時 垃圾通過與收集場地相連的管道運輸 在 收集的場地 GACF 操 作一個與管道連接的鼓風(fēng)機 并從進氣口吸入空氣 如圖 1 所示 此時 根據(jù) 氣流 GACF 收集生活垃圾 為了長期穩(wěn)定地維 護 GACF 管道內(nèi)清潔很重要 在不久的將來 需要開發(fā)一種具有自動運動的管道內(nèi)清潔機器人 以使管道清潔 管道清洗機器人的使用可以使管道老化延遲 從而可以降低管道更換成本 到目前為止 關(guān)于管道內(nèi)機器人的研究一直專注于檢查而不是清潔 例如 Roh 等人 開發(fā)了一種用于地下燃氣管道的差動驅(qū)動管道內(nèi)檢測機器人 此外 Choi 等人 開發(fā)了一種管內(nèi)檢查 清潔機器人 它可以通過 使用帶彈簧的輪子粘 在管道的內(nèi)表面上 如圖 2 所示 這種機器人有一個嚴(yán)重的缺點 即機器人可以 與 當(dāng)一個輪子在管道的分支點處無效時 管道的內(nèi)表面 圖 2 管道內(nèi)檢查 清潔機器人 Choi 等人 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動時 我們必須去除粘在管道內(nèi)表面上的雜質(zhì) 直 徑 300mm 或 400mm 因此 在本文中 我們將 開發(fā)一種 GACF 管道內(nèi)清潔 機器人 其滑動機構(gòu)可以通過氣動壓力 不是彈簧 調(diào)節(jié)到適合管道內(nèi)表面 所 提出的用于 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人本身可以具有向前 向后移動以及清潔時 刷子的旋轉(zhuǎn) 機器人本體應(yīng)具有適合直徑為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另 外 對于直徑為 400mm 的管道 機器人的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道 的直徑 機器人前部有一個 攝像頭和一個旋轉(zhuǎn)刷 可同時進行清潔和檢查 此 外 它可以通過使兩個刷子彼此反向旋轉(zhuǎn)來提高清潔效率 本文的結(jié)構(gòu)如下 第二節(jié)通過使用 TRIZ 俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理 論 解釋了所提出 的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計 基于這種概念設(shè)計 我們將 與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工程師合作 建立機器人的初始設(shè)計 對于管道 內(nèi)清潔機器人的優(yōu)化設(shè)計 在第 三節(jié)中 當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿拉伸到 400mm 時 使用 RecurDyn 模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 管道直徑 在第四節(jié)中 通過使用 ANSYS Workbench 基于最大沖擊力對滑動機構(gòu)的 6 個 連桿施加的應(yīng)力進行模擬 實驗設(shè)計 簡稱 DOE 最后 將確定最佳尺寸 包 括 4 個連桿的厚度 以便在本文中具有最佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個連桿的最 小質(zhì)量 第五節(jié)將得出結(jié)論 2 基于 TRIZ 的管道清洗機器人的基本設(shè)計 提出的管道內(nèi)清潔的概念設(shè)計機器人使用 TRIZ 的 6SC 執(zhí)行如下 A 6SC 的第 1 步 圖片中的問題 陳述 圖 3 顯示了管道內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計 問題是機器人無法裝入直徑為 300mm 400mm 的管道 因為根據(jù)兩種類型的管道 直徑為 300mm 或 400mm 它沒有任何可變機構(gòu) 圖 3 管內(nèi)清潔機器人的簡單設(shè)計 B 6SC 的第 2 步 系統(tǒng)功能分析 為了解決上面提出的問題 我們首先進行系統(tǒng)功能分析 如圖 4 所示 在目標(biāo)上 機器人應(yīng)設(shè)計成適合兩種類型的管道 直徑 300毫米或 400毫米 在該圖中 保持機器人的直徑意味著保持機器人的狀態(tài)適合管道 圖 4 系統(tǒng)功能分析 C 6SC 的第 3 步 理想的最終結(jié)果 IFR 作為 IFR 我們建議將機器人設(shè)計成適合較小直徑 即 300mm 的管子 然后以可伸縮的形式裝入較大直徑 即 400mm D 6SC 的第 4 步 矛盾和分離原則 下面的句子可以表示矛盾 兩個機器人體應(yīng)分別設(shè)計成適合兩種類型的管 子 直徑 300mm 或 400mm 并且 機器人應(yīng)該被設(shè)計成一個整體 為了找 到矛盾問題的解決方案 我們在下面的句子中應(yīng)用分離原則 兩種管道的每個 機器人體分別設(shè)計 然后是兩個機器人體 被放在一個機器人身上 E 6SC 的第 5 步 元素 相互作用分析 圖 5 顯 示了 元素 交互分析 在這個問題中 元素是 機器人的身體 和 管 的直徑 這個圖表明機器人的身體設(shè)計成適合兩個標(biāo)準(zhǔn)直徑 300 毫米和 400 毫米 的管道作為可變機構(gòu) 圖 5 元素相互作用分析 F 6SC 的第 6 步 問題解決和評估 問題的暫定解決方案可以如下 對于兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)化管道 300mm 或 400mm 機器人的直徑需要是可變的 如圖 6 所示 本文提出的最終問題解決 方案是 6 連桿滑動機構(gòu) 以適應(yīng)直徑為 300mm 400mm 的管道 特別地 在該 解決方案中 氣動壓力用于使滑動機構(gòu)配合到管的內(nèi) 表面中 因此 機器人具 有三個用于一個滑塊的 6 連桿滑動機構(gòu) 如圖 7 所示 如該圖所示 管內(nèi)清潔機 器人具有總共六個 6 連桿滑動機構(gòu) 即前滑塊 3 個 后滑塊 3 個 圖 6 6 連桿滑動 機構(gòu) 圖 7 一個滑塊的三個 6 連桿滑動機構(gòu) 該問題解決方案的評估可以如下進行 當(dāng)三個六連桿機構(gòu)中的一個落入管道 的分支點時 使用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu)可以通過保持機器人的直徑來逃離 分支點 在其他 單詞 機器人的狀態(tài)適合管道 并且可以穩(wěn)定地移動 因為可 以固定三個 6 連桿機構(gòu)中的兩個 如圖 8 所示 圖 8 使用分支點處的氣動 壓力評估 6 連桿滑動機構(gòu) 3 使用 RECURDYN 進行動態(tài)模擬 基于第二節(jié)中介紹的管道內(nèi)清潔機器人的概念設(shè)計 圖 9 中提出了使用氣動 壓力的六連桿滑動機構(gòu)的初始設(shè)計 與韓國 Robot Valley 公司合作 特別是表 1 顯示了鏈路 1 至 4 的初始設(shè)計的長度和厚度 這些設(shè)計來自機器人谷的設(shè)計專家 的經(jīng)驗知識 對于管道清洗機器人的最佳設(shè)計 最大沖擊沖擊力 通過使用 RecurDyn 多體動力學(xué) 在本節(jié)中模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的關(guān)系 模擬程 序 當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合管道直徑 400mm 時 特別是選擇 直徑為 400mm 的管道而不是 300mm 直徑的管道 因為假設(shè)前者具有比后者更大的加速 度和更長的位移 圖 9 采用氣動壓力的六連桿滑動機構(gòu) 表格 1 鏈接的初始設(shè)計 Links 1 2 3 4 Length mm 91 91 37 145 Thickness mm 10 5 5 10 當(dāng) 6 連桿滑動機構(gòu)與初始 拉伸表 1 的長度尺寸和厚度 由于氣動 適合 400 毫米直徑的管道 它會碰撞壓力 推動滑動連桿 即連桿 5 與管道的內(nèi)壁 那 個時候 多體 動態(tài)模擬程序 即 RecurDyn 用于查找 機器人之間碰撞的 最大沖 擊力和管道的內(nèi)表面 在這個動態(tài)的第一步 仿真 6 連桿滑動的三維建模 使用 SolidWorks 的機制 如圖 9 所示 是 導(dǎo)入 RecurDyn 在此模擬中使用的約束條件 RecurDyn 是重力 關(guān)節(jié) 固定狀態(tài) 接觸和 彈簧力條件 重力由 g 9 81m s2 提供 在圖 10 所示的方向上 設(shè)置 6 個接頭 RecurDyn 中的 Revolute Joints 如圖 10 所示 連接到接頭 1 的部分是固定的 而 下部是固定的 連接到第 2 關(guān)節(jié)不需要約束 以便它可以滑動 圖 10 關(guān)節(jié)和固定狀態(tài)的約束 機器人六個 6 連 桿滑動機構(gòu)的碰撞 管道內(nèi)表面只有一個六連桿滑動機構(gòu)為 方便起見 在 RecurDyn 中考慮過 2 個 6 連桿輪 滑動機構(gòu)由內(nèi)部 固體接觸 給出側(cè)面如圖 11 所示 另外 固體接觸 條件是針對固定部件的碰撞而給出的 與 接頭 1 連接 與滑動部分 連接到接頭 2 圖 11 接觸約束 6 連桿機構(gòu)的滑動運動由 氣動壓力 但沒有氣動壓力 RecurDyn 計劃中的 約束 在這個模擬中 我們 已賦予彈簧力氣動壓力 的情況下 氣動壓力 6 連 桿機構(gòu)滑動 加速度為 2 m s2 通過動態(tài)模擬 RecurDyn 如圖 12 所示 彈簧力 條 件 彈簧常數(shù)為 5 N mm 彈簧位移為 40 mm 使 6 連桿機構(gòu)以 1 97m s2 加速度 滑動 因此 氣動壓力可以用彈簧力代替常數(shù) 5 N mm 位移 40 mm 圖 12 彈簧力條件 圖 13 顯示了當(dāng) 6 連桿滑動機構(gòu)與管道內(nèi)側(cè) 直徑 400 mm 碰撞時使用 RecurDyn 模擬的沖擊力 如該圖所示 機構(gòu)滑動 1 秒鐘 從彈簧力條件起作 用的瞬間 然后我們可以看到最大沖擊力約為 100N 圖 13 使用 RecurDyn 的沖擊力仿真結(jié)果 4 6 連桿滑動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 現(xiàn)在 我們處理 6 連桿滑動的最佳設(shè)計 本節(jié)中的管道內(nèi)清潔機器人的機構(gòu) 首先 最大沖擊力 即通過前一節(jié)中使用 RecurDyn 的動態(tài)模擬獲得的 100N 加載到 6 輪鏈滑動機構(gòu)的車輪 1 的點上 如圖 14 所示 3 D 模型 ANSYS Workbench 我們假設(shè)車輪 1 在動態(tài)模擬中比車輪 2 更早地與管道內(nèi) 側(cè)發(fā)生碰撞 因為車輪 1 與 6 車道機構(gòu)的距離比車輪 2 短 然后使用 ANSYS Workbench 進行靜態(tài)分析基于 DOE 也就是說 實驗設(shè)計 以獲得 4 個設(shè)計變量的最佳尺寸 即如圖 15 所示的 4 個鏈節(jié)的厚 度 圖 14ANSYS Workbench 的三維模型 圖 15 6 連桿滑動機構(gòu) 俯視圖 DOE 通常用于通過對給定設(shè)計 或性能測試 問題執(zhí)行最小模擬 或?qū)嶒?來提取最大信息 DOE 可以幫助確定定量 關(guān)于問題中每個設(shè)計 或?qū)嶒?因素 或變量 的影響 這導(dǎo)致找到設(shè)計 或?qū)嶒?變量的最佳值 在 6 連桿機構(gòu) 的設(shè)計中 設(shè)計變量的數(shù)量 統(tǒng)計術(shù)語中的控制因子 是表 4 中所示的四個等級 中的四個 表 2 顯示了機器人谷的現(xiàn)場工程師的設(shè)計經(jīng)驗所產(chǎn)生的每個因素的水 平 對于這種 6 鏈路機制 四級四設(shè)計變量的正交陣列 L16 是使 用 DOE 特 別是 MINITAB 而不是全 256 44 生成的 表 2 設(shè)計變量的水平 Level Factor 1 2 3 4 Link1 Thickness mm 5 10 3 8 Link2 Thickness mm 5 10 3 8 Link3 Thickness mm 5 10 3 8 Link4 Thickness mm 5 10 3 8 基于表 3 的正交陣列 L16 使用 ANSYS Workbench 對 6 連桿滑動機構(gòu) 進行 16 次靜態(tài)分析 4 個設(shè)計變量的最優(yōu)值可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)選擇 1 6 連桿 滑動機構(gòu)的安全系數(shù)應(yīng)高達 2 現(xiàn)場工程師在機器人設(shè)計中建議最佳安全系數(shù)為 2 2 應(yīng)盡量減少機構(gòu)的質(zhì)量 可以以與多目標(biāo)問題類似的方式指定標(biāo)準(zhǔn) 因此 該多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)由等式 1 給出 這里 sf1 和 sf2 表示縮放因子 而且 w1 和 w2 是加權(quán)因子 根據(jù)等式 1 選擇適當(dāng)?shù)闹亓亢捅壤蜃又?由于多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)必須是線性組合函數(shù) 因此 0 5 的值已分配給 w1 和 w2 同時 sf1 和 sf2 的常數(shù)分別由 0 5 和 0 5 給出 以便將 客觀標(biāo)準(zhǔn)的最大值的上限值設(shè)置為 1 根據(jù) DOE 進行了 16 次分析 圖 16 顯示 了 使用 ANSYS Workbench 通過靜態(tài)分析執(zhí)行的 16 個結(jié)果 因此 與其他 15 組設(shè)計變量相比 表 3 的最后一列顯示了紅色下劃線的最優(yōu) 對應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的 最小值 設(shè)計變量 因此 鏈路 1 2 3 和 4 的最佳厚度均為 5mm 而鏈路 1 2 3 和 4 的初始厚度分別為 10mm 5mm 5mm 10mm 如表 1 所示 可以注意到 最優(yōu)設(shè)計 或最佳厚度 具有目標(biāo)函數(shù)的值 即 0 09653 包括安全系數(shù) 2 7065 和質(zhì)量 0 145kg 遠小于初始設(shè)計的情況 目標(biāo)值 即 0 27631 功能包括安全系 數(shù) 3 6751 和初始質(zhì)量 0 241kg 的情況 如表 3 中的第 17 行 下劃線為藍色 所 示 特別是鏈節(jié)的材料是經(jīng)過特殊熱處理的 AL 7075 O ss 因此 我們可以 得出結(jié)論 與 Robot Valley Inc 的專家進行的初始設(shè)計相比 4 個鏈路的最佳 設(shè)計具有接近 2 的最佳安全系數(shù)以及具有 4 個鏈路的最小質(zhì)量 包括 具有這 些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構(gòu)的管道清潔機器人如圖 17 所示 該原型機與 Robot Valley Inc 合作進行清潔測試 表 3 正交陣列 圖 16 使用 ANSYS Workbench 進行靜態(tài) 分析的結(jié)果之一 圖 17 管內(nèi)清洗機器人的原型 包括最佳尺寸的六連桿滑動機構(gòu) 5 結(jié)論 最近 由于垃圾自動收集設(shè)施 即 GACF 被廣泛安裝在韓國首爾大都市區(qū) 因此對管道內(nèi)清潔機器人的興趣正在增加 在 GACF 中 當(dāng)垃圾移動時 我們 必須去除粘附在垃圾內(nèi)表面的雜質(zhì) 管 直徑 300mm 或 400mm 因此 在本 文中 通過使用 TRIZ 俄語縮寫中的問題解決的發(fā)明理論 我們提出了一種 GACF 的管道內(nèi)清潔機器人 其具有 6 連桿滑動機構(gòu) 可以調(diào)節(jié)以適合管道的內(nèi) 表面使用氣動壓力 不是彈簧 所提出的用于 GACF 的 管道內(nèi)清潔機器人本身 可以具有向前 向后移動以及刷子在清潔中的旋轉(zhuǎn) 機器人本體應(yīng)具有適合直徑 為 300mm 的較小管道的有限尺寸 另外 對于直徑為 400mm 的管道 機器人 的連桿應(yīng)通過滑動機構(gòu)伸展以適應(yīng)管道的直徑 基于這種概念 設(shè)計 我們與韓國 Robot Valley 公司的現(xiàn)場工 程師合作 建立了機器人的初始設(shè)計 對于管道內(nèi)清 潔機器人的優(yōu)化設(shè)計 當(dāng)滑動機構(gòu)的連桿伸展到適合直徑 400mm 的管道時 使 用 RecurDyn 模擬機器人與管道內(nèi)表面之間的最大碰撞沖擊力 利用基于實 驗設(shè)計的 ANSYS Workbench 簡稱 DOE 模擬了最大沖力對滑動機構(gòu) 6 連桿 施加的應(yīng)力 最后確定了最佳尺寸 包括 4 個連桿的厚度 以便在本文中具有最 佳安全系數(shù) 2 并且具有 4 個連桿的最小質(zhì)量 經(jīng)驗證 與機器人谷公司專家進 行的初步設(shè)計相比 4 連桿的最佳設(shè)計具有接 近 2 的最佳安全系數(shù)以及最小質(zhì)量 為 4 連桿 管內(nèi)原型清潔 機器人包括具有這些最佳尺寸的 6 連桿滑動機構(gòu) 已經(jīng) 與 Robot Valley Inc 合作開發(fā)了清潔測試 為了進一步研究這個原型 現(xiàn)有的 清潔工具需要重新設(shè)計成簡單有效的類型 因為其反刷的復(fù)雜機理 城市道路鋼護欄清洗箱設(shè)計
目 錄
目 錄 ……………………………………………………………………………1
第一章 緒論……………………………………………………………………2
第二章 總體設(shè)計………………………………………………………………3
第三章 清洗箱設(shè)計……………………………………………………………6
3.1設(shè)計要求……………………………………………………………………6
3.2設(shè)計參數(shù)……………………………………………………………………6
3.2.1橫梁…………………………………………………………………7
3.2.2伸縮桿………………………………………………………………7
3.2.3轉(zhuǎn)軸…………………………………………………………………10
3.2.4軸承的選取…………………………………………………………10
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………11
4.1系統(tǒng)的設(shè)計要求……………………………………………………………11
4.1.1工況分析……………………………………………………………11
4.1.2液壓缸的主要參數(shù)的確定…………………………………………12
4.2液壓系統(tǒng)圖的擬訂…………………………………………………………14
4.2.1液壓回路的選擇……………………………………………………14
4.2.2擬定液壓系統(tǒng)圖……………………………………………………15
4.2.3液壓元件的選擇……………………………………………………15
4.3液壓系統(tǒng)的性能驗算………………………………………………………17
4.3.1回路壓力損失驗算…………………………………………………17
4.3.2系統(tǒng)動作過程分析…………………………………………………17
設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………19
參考文獻……………………………………………………………………………20
摘要:
本文就現(xiàn)有城市道路鋼護欄設(shè)備所存在的一些問題對其進行重新設(shè)計.主要設(shè)計了清洗車清洗箱液壓系統(tǒng)及清洗箱機械結(jié)構(gòu)部分.重點是對其運動所需控制系統(tǒng),機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算.包括箱體結(jié)構(gòu)尺寸計算.液壓零件選取等.
關(guān)鍵詞:
清洗箱,液壓系統(tǒng),液壓零件.
Abstract:
This text as to it's the current city road steel column equipments a some problem for exsitting proceed design afresh.The main design settles to wash the car washes a liquid presses the system and washes a machine construction the part.Point is as to it's exercise need to control the system, the machine construction proceed the design the calculation.Include a construction size calculation.The liquid presses the spare parts selects by examinations etc..
Key word:
Wash box, the liquid presses the system, the liquid presses the spare parts.
第一章 緒論
目前,城市道路隔離帶護欄的清洗多數(shù)是用人工清洗,勞動強度大,效率低,而且還存在著人身安全問題。偶爾也有個別地方在灑水車的側(cè)面或前面加上一個可以低速旋轉(zhuǎn)的毛刷在噴淋情況下刷洗護欄,但是,由于毛刷不能橫向移動,也不能升降運動,所以刷洗面很有限,刷洗效果也欠佳。
城市道路護欄,多為鋼制焊接成各種網(wǎng)格圖案,幾十種形狀及尺寸使鋼護欄難以規(guī)范和統(tǒng)一。近年來,鑄鐵鋼花護欄、不銹鋼護欄也十分普遍。清洗城市道路鋼護欄,一般采用人工刷洗或涂漆蓋污的方法,但由于街道行駛車輛多,人工在此環(huán)境下刷洗很不安全、且洗潔率極低,無法達到城市環(huán)衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)。我國部分城市(如北京,上海,廣州,成都等地)研制使用的護欄清洗車,有如下缺陷:由于車輛行駛線路不能適時與道路曲線平行,無法刷到車行逆向的平面;而多種規(guī)格的網(wǎng)孔花紋圖案加之車速過快,使刷子無法“伸入”網(wǎng)格內(nèi)清洗;凡此種種,最終的洗潔率約為35%。為此,我設(shè)計了采用雙液壓規(guī)避機構(gòu)，可橫向與上下升降運動的城市道路鋼護欄清洗車的清洗箱。
第二章 總體設(shè)計
護欄清洗車由底盤、水罐、清洗液水箱、橫向水平伸縮機構(gòu)、垂直舉升機構(gòu)、柱刷及驅(qū)動機構(gòu)、液壓傳動及控制系統(tǒng)、水路系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成,其外形如圖2-1示．
圖2-1
該車采用載重為2.75T的東風(fēng)EQ1061G2D2汽車底盤改制而成,取力器的離合采用推拉軟軸控制,伸縮機構(gòu)手柄、舉升機構(gòu)手柄、水泵控制手柄及柱刷控制手柄均集中分布在駕駛室內(nèi)。整車參數(shù)如下：
整車外形尺寸（長×寬×高）：6480×2200×2850mm
工作尺寸（長×寬×高）：6480×3100×3140mm
水箱最大容積：3m3
水箱額定容積：2.3m3
清洗液箱容積：0.1m3
液壓系統(tǒng)額定壓力：6.3MPa
柱刷橫向伸縮距離：700mm
柱刷上下往復(fù)距離：600mm
整車整備質(zhì)量：5000kg
滿載總質(zhì)量：7800kg
工作尺寸（長×寬×高）：6480×3100×3140mm
水路壓力：0.5MPa
清洗道路護欄車速：3~4km/h
發(fā)動機功率：88Kw/2800r/min
發(fā)動機額定扭矩：343N.m/1500～1800r/min
輪距（前/后）：1750/1586
發(fā)動機型號：EQD6102-1型
底盤型號：EQ1061G2D2
軸距：3650mm
水箱及清洗液水箱
水箱為鋼板焊接件,設(shè)計最大容積為3ｍ3,額定容積為2 3ｍ3,其橫斷面為橢圓形。箱體前左側(cè)呈凹狀缺口,以利于安裝垂直舉升機構(gòu)及柱形毛刷。箱內(nèi)焊接有三道防波板,以減少因行駛時水流對箱的沖擊力。在水箱后頂部設(shè)有人孔及爬梯,以方便對箱體內(nèi)部檢修及清洗工作。水箱內(nèi)部還涂有防銹涂層,以減少水對箱體腐蝕。清洗液水箱利用不銹鋼板焊接而成,能有效避免清洗劑本身對金屬的腐蝕。箱內(nèi)設(shè)計有防波層,其設(shè)計容積為0.1m3。
水箱外觀如圖2-2所示：
圖2-2
清洗液箱采用全不銹鋼焊制，外觀如圖2-3所示：
圖2-3
液壓油箱采用鋼板焊制而成。
清洗箱結(jié)構(gòu)見后。
第三章 清洗箱設(shè)計
3.1設(shè)計要求
系統(tǒng)工作環(huán)境為城市道路由于外界的影響，所以非常不穩(wěn)定。而且系統(tǒng)由于清洗對象具有多樣性，可以針對不同的護欄進行清洗，所以在設(shè)計時只須確定最大工作強度對其進行校核。
3.2設(shè)計參數(shù)
系統(tǒng)清洗箱裝配圖主視圖（草圖）如圖3-1所示：
圖3-1
其俯視圖（草圖）如圖3-2所示：
圖3-2
3.2.1橫梁
對橫梁，由于安裝尺寸的需要，必須裝上兩馬達且要安裝在兩伸縮桿上,設(shè)計尺寸為[長寬高=930150120（mm）],用45號鋼機械加工造成，零件圖見附圖。橫梁上只有兩個柱刷清洗系統(tǒng)重量為：G3 =24.502+2070kg
由經(jīng)驗可知其強度與剛度遠遠大雨所須強度與剛度，故無須校核。
3.2.2伸縮桿
對伸縮桿進行設(shè)計校核：
由于行程為伸縮距離700mm，故初定尺寸如圖3-3示：
圖3-3
其尺寸為：[長寬高=17808080（mm）]
工件由45號鋼機械加工而成。
對其強度進行校核：
其受力圖如圖3-4所示：
液壓馬達選取為：ZM-40 ，質(zhì)量：15.68kg。
所以有：G橫梁=（930150120）7.8103130kg=1300N
所以G1=G橫梁＋G馬達＋G附＝1300+156.82+N2000N
G2=0.08*0.08*1*7.8X103=5000N
f=1000N
G3=0.08*0.08*0.7*7.8*103=350N
由力矩平衡可得平衡方程：
f0.8+G11+G20.5=G30.35+FB0.7
帶入得：10000.8+20001+5000.5=3500.35+FB0.7
解得 FB＝4182N
又FA=FB+G1+G2+G3
所以 FA=7032N
圖3-4
故：
?。蚼ax=f0.8+20001+5000.5=3050 N.m
其中安全系數(shù)為２．
所以滿足設(shè)計強度要求．
3.2.3轉(zhuǎn)軸
對轉(zhuǎn)軸設(shè)計校核：
一般護欄高度為1.2m以下，故設(shè)計時毛刷長度為1400mm，其草圖如圖3-5：
圖3-5
需要有清潔水與清潔液從轉(zhuǎn)軸中流出,故選擇如上圖所示工件,工件由45號鋼加不銹鋼無縫管焊接而成，中間鉆有一些小孔以便清潔液的流出。故計算是需要有大的保險系數(shù)，我們選擇為3。
最大摩擦力為F=1000N。
則其最大轉(zhuǎn)矩為：
由
所以
故零件尺寸滿足工作需求。
3.2.4軸承的選取
選用兩種軸承分別為：向心軸承（GB273.3-82）直徑系列為1，寬度系數(shù)為0的正常型軸承。其中
雙向推力軸承（GB273.2-81），直徑系列2。寬度正常的軸承。
其中
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計
4.1 系統(tǒng)的設(shè)計要求
此系統(tǒng)主要完成對城市道路鋼護欄的清洗工作。所須完成動作包括橫向水平運動、垂直上下運動與旋轉(zhuǎn)運動。在橫向運動時，由于汽車運動時與護欄的平行度不能保持絕對一致，故柱刷與護欄之間存在碰撞與分離現(xiàn)象，設(shè)計中必須消除這兩種情況的發(fā)生，為此設(shè)計液壓自動規(guī)避裝置。前后兩液壓油缸在壓力作用下可自動發(fā)生規(guī)避。以達到清洗的潔度與保護裝置。
液壓系統(tǒng)的工作壓力在一定范圍內(nèi)均為可調(diào)，以滿足對不同護欄的清洗工作。由于主要完成清洗工作，故系統(tǒng)精度要求一般。對于系統(tǒng)穩(wěn)定性，因工作環(huán)境差，外界干擾大，故系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定要求。
4.1.1 工況分析
系統(tǒng)工作時主要工作工況為橫向伸縮、垂直升降、旋轉(zhuǎn)運動。其各部分工作所需最大負載如表4-1所示：
表4-1 工況分析
工況
負載組成
負載值
負載/
水平移動
F=f+f’
1000+100=1100N
1200N
垂直升降
F=G
2000+500+350=2850N
3170N
旋轉(zhuǎn)
M=f.R
0.21000=200N.m
220N.m
注：１、液壓缸的機械效率?。?.9
２、不考慮滑臺在導(dǎo)桿上的顛覆力作用，不計導(dǎo)套與導(dǎo)桿之間的摩擦。
4.1.2 液壓缸主要參數(shù)的確定
由[1]《液壓傳動與氣壓傳動》第二版（華中科技大學(xué)出版社）P270表９－２先選取執(zhí)行元件工作壓力．則P1=4MPa．
水平移動缸由于要使其在一定的壓力下可以自動調(diào)節(jié),所以缸應(yīng)采用兩桿結(jié)構(gòu),因為對稱結(jié)構(gòu)可以在兩端壓力不對稱時調(diào)節(jié)更為快捷與方便。
伸縮克服最大力設(shè)定為F＝1000N,在水平作用時，系統(tǒng)須保持一定的轉(zhuǎn)軸對護欄的壓力，也要使儲能器有一定的壓力以便在儲能器中有一定的液壓油使得當(dāng)在壓力達到一定程度時系統(tǒng)對轉(zhuǎn)軸進行一定的緩沖，從而保護轉(zhuǎn)軸不受到撞擊而受到損壞．又要使其能在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，所以選用一調(diào)壓閥作為背壓閥。調(diào)壓閥最大背壓為：。在工作進油時，因液壓缸工作為可調(diào)，故在進油前也必須使用一調(diào)壓閥對伸縮桿對護欄工作壓力進行調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)壓力為：
垂直升降缸，對其進油設(shè)定一單向閥，防止在回油時由于系統(tǒng)自重而使得液壓油回流．系統(tǒng)最大壓力為：．采用單桿缸．系統(tǒng)提供壓力為：
所以，液壓缸選取為：
水平伸縮缸：
采用長江液壓件廠的型號為：ＨＳＧＬ－６３／dＥ
公稱壓力：10MPa 液壓缸外徑：Ｄ１＝１０２mm
缸徑： D=80mm 桿徑：d=45.
行程： L=800mm 速比：1.46
垂直液壓缸：
采用首鋼液壓機械廠的型號為：ＳＤＧ－８０／５０Ａ－e
缸徑：Ｄ＝９０mm 桿徑：d＝４５mm
推力：８２００Ｎ 拉力：８９５０Ｎ
行程：Ｌ＝８００mm 速比：1.46
對于轉(zhuǎn)動馬達，采用天津液壓件廠的觸式通軸馬達；其尺寸如圖4-1所示：圖4-1
排量：25／(Ml/r) 壓力：６.3/MPa
轉(zhuǎn)速范圍：Rmin=30(r/min) R額定＝1500(r/min) Rmax=2000(r/min)
5MPa時轉(zhuǎn)矩：24.50(N.m)
容積效率： 總效率：
質(zhì)量：15.78kg
4.2 液壓系統(tǒng)圖的擬訂
4.2.1液壓回路的選擇
4.2.1.1選擇調(diào)速回路。
由系統(tǒng)要求可知，柱刷在清洗過程中對于不同的工作對象需要有不同的轉(zhuǎn)速，所以馬達的轉(zhuǎn)速必須為可調(diào)，在轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動效率小，轉(zhuǎn)速低，工作負載的變化在橫向系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)下工作負載小，故可采用進口節(jié)油。
4.2.1.2水平伸縮機構(gòu)。
由于用兩個柱刷，排列在同一橫桿上，當(dāng)出現(xiàn)護欄轉(zhuǎn)角或者當(dāng)汽車出現(xiàn)移動路線與護欄之間有一定的角度時，則前后兩伸縮桿之間的壓力將發(fā)生差異，故前后兩伸縮桿分別采用獨立的壓力提供系統(tǒng)，使其兩者發(fā)生差異時不會發(fā)生互相干涉。并且當(dāng)不同的情況下兩者可以獨立調(diào)節(jié)以滿足更多的工作場合。在橫向伸縮過程中，由于需要移動的速度非常小，故系統(tǒng)的流量低，壓力低。采用進口節(jié)油，用雙聯(lián)葉片泵的小流量與小壓力泵提供壓力油。在伸縮缸自動調(diào)節(jié)時，為防止在在回油時造成吸入空氣的現(xiàn)象，在出口設(shè)置一儲能器，采用調(diào)壓閥背壓，同時可以進一步保證伸縮缸的工作的穩(wěn)定性。在進口處設(shè)置一可調(diào)先導(dǎo)溢流閥，也可以調(diào)整柱刷對護欄之間的壓力。當(dāng)出現(xiàn)異常情況下時可作為備用系統(tǒng)。
4.2.1.3垂直升降機構(gòu)。
垂直升降機構(gòu)由于所需壓力大，但在工作時不發(fā)生移動，并不需要提供液壓油設(shè)計為與柱刷馬達由同一泵提供液壓油。采用單向閥可以防止以外情況下升降臺由于自重而發(fā)生壓力油的回流而損壞泵且發(fā)生碰撞的情況發(fā)生。所需提供壓力大，采用出口節(jié)流的調(diào)速方式。
4.2.2擬訂液壓系統(tǒng)圖
綜合上述分析和所擬訂的方案，將各種回路合理地組合成為該系統(tǒng)的工作原理圖如圖4-2所示：（詳圖見附圖）
圖4-2
4.2.3液壓元件的選擇
4.2.3.1液壓泵
液壓缸在整個工作循環(huán)中的最大工作壓力為4MPa，進油壓力損失取為1MPa（調(diào)節(jié)范圍），背壓損失取為0.5MPa，則壓力?。?
橫向伸縮缸由于工作壓力小，且移動速度慢，v=1cm/s
所以流量為
馬達的流量為：
根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品目錄，最后確定選取YB-4/25型雙聯(lián)葉片泵.
4.2.3.2閥類元件及輔助元件
根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力和通過各個閥類元件的實際流量,可選出這些元件的型號及規(guī)格，表4-2表示了所選出的一種方案。
表4-2 各元件選取
序號
元件名稱
估計通過流量
/（L.min-1）
型號
規(guī)格
調(diào)節(jié)壓力/MPa
1
液壓油箱
100L
2
濾油器
42
XU-J6380
3
雙聯(lián)葉片泵
YB-4/25
6.3MPa25和4L/MPa
4
二位二通電磁閥
30
GB2514-AA-02-4-A
5
單向閥
10
A-Ha10-L
6
升降油缸
10
SDG-80/50A-e
L=800
7
調(diào)壓閥
OF3-E6XB
1
8
溢流閥
1
YF3-10L
9
轉(zhuǎn)軸油馬達
15
ZM-40
10
水泵
YB-A6B
11
橫向升縮缸
HSGL-63/DE
12
三位四通電磁閥
VE1D-RK/DC36/V/B/CM
13
油馬達
20
PV2R1-6
14
蓄能器
HXQ-B4.0D
4L 耐壓25.5MPa
15
先導(dǎo)溢流閥
FBG-03-124-11
1
4.3液壓系統(tǒng)的性能驗算
4.3.1回路壓力損失驗算
由于系統(tǒng)的具體管路布置尚未確定，整個回路的壓力損失無法估算，僅只閥類元件對壓力損失所造成的影響可以看得出來，供調(diào)定系統(tǒng)中某些壓力值時參考，這里估算從略。
4.3.2系統(tǒng)動作過程分析
清洗箱的動作過程見附圖。系統(tǒng)工作流程如圖4-3所示：
圖4-3
在調(diào)節(jié)中，各部分調(diào)節(jié)旋扭、開關(guān)均在駕駛室內(nèi)，工作人員可以隨時對于壓力，馬達轉(zhuǎn)速，清潔劑提供垂直高度等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，各部分可分別調(diào)節(jié)，也可以同時調(diào)節(jié)。以滿足不同工作環(huán)境對于系統(tǒng)的需要。車的倒后鏡對準(zhǔn)兩柱刷,在橫桿上裝有照明燈,當(dāng)光線不良時打開照明系統(tǒng)以便觀察,便于隨時對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié).在正常情況下，車輛邊行走邊擦洗護欄,遇有特別臟的地方，放慢車速甚至可停下來，直到清洗干凈為止。在清洗過程中，要邊噴水、邊清洗,噴水嘴噴水主要起三方面作用：(1)降溫作用。刷子高速轉(zhuǎn)動，擦洗護欄，使刷毛與刷毛之間、刷毛與護欄之間摩擦起熱,如不進行噴水降溫，將使刷毛變形,損壞材料,影響清洗效果。(2)去塵作用。刷毛是用樹脂做成的，光滑柔軟，用水噴洗刷子，刷毛上的塵土?xí)詣与x去；刷子擦洗完護欄，護欄上仍留有擦起來但未離去的灰塵，用水噴洗護欄，灰塵就會隨水流走。(3)壓塵作用。噴水清洗，塵土不會飛揚，作業(yè)環(huán)境得到改善，清洗效果得到保證。
設(shè)計總結(jié)
近三個月的畢業(yè)設(shè)計終于結(jié)束了，通過這些天的設(shè)計學(xué)習(xí)，自己的專業(yè)知識和獨立思考問題的能力有了很大的提高，對我走向社會從事專業(yè)工作有著深遠的影響?，F(xiàn)在就談?wù)剬Ρ敬萎厴I(yè)設(shè)計過程中的認識和體會。
首先，我學(xué)會了查閱資料和獨立思考。我的課題是城市道路鋼護欄清洗車清洗箱設(shè)計。當(dāng)開始拿到畢業(yè)設(shè)計題目時，心里面是一片迷茫，不知從何入手，幸好在趙老師的指導(dǎo)下及時理清了頭緒，避免了走很多的彎路。認真翻閱相關(guān)資料，由于圖書館相關(guān)資料非常少，并且在Internet上也很少有相關(guān)資料的發(fā)布，所以同時也學(xué)會了怎樣檢索文件，這也是此次設(shè)計的一個收獲之一．
在設(shè)計過程中，我有進入公司參加工作，在工作過程中，我通過對相關(guān)知識的接觸與思考，學(xué)會了日式設(shè)計風(fēng)格：通用性，獨立性的設(shè)計手法．在設(shè)計中多處用到很多的通用元件，使得系統(tǒng)在制造過程中的制作過程更加的方便，同時獨立設(shè)計手法可以讓系統(tǒng)更加的便于維護與使用．方便了在使用過程中對于問題出現(xiàn)的處理．
進行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計。由于圖冊上已有一定的結(jié)構(gòu)，我要做的結(jié)構(gòu)方面就只是把尺寸確定下來，然后把自己的一些思想設(shè)計進去，做適當(dāng)?shù)母倪M。使結(jié)構(gòu)更合乎門口要求。每一個設(shè)計都是一個創(chuàng)新、完善的過程。在設(shè)計過程中運用所掌握的知識，發(fā)揮自己的想象力，完美原有的結(jié)構(gòu)。這個過程也是一個學(xué)習(xí)的過程。
其次，認識到實踐的重要性。這次設(shè)計我做了很多重復(fù)工作、無用功，但是這些重復(fù)工作和無用功積累了設(shè)計經(jīng)驗。同時也認識到設(shè)計不能只在腦子里想其結(jié)構(gòu)、原理，必須進行實際操作。另外，也應(yīng)從多個角度來思考問題的所在，嘗試其它的方法，以求找到最佳方法，因為即使想的很完美，但到實際的設(shè)計時會遇到很多想不到的實際問題。
在設(shè)計的過程中，也出現(xiàn)了一些客觀不足的問題，就是模具結(jié)構(gòu)、注射機只能靠想象，沒有實踐條件，不能根據(jù)實際的情況來作合適、客觀地修改，這樣做出來的，難免有些缺點和不足，由于諸多原因，本次設(shè)計存在一些不足和有待改善的地方，希望老師能夠提出寶貴修改意見。
最后，衷心感謝劉教授、招老師、陳老師對我的悉心指導(dǎo)，使我在大學(xué)里最后一段時間里學(xué)習(xí)到了很多有用的東西。
參考文獻
1 何存興主編．液壓傳動與氣壓傳動．－武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000
2 雷天覺主編．新編液壓工程手冊．－北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.1
3 楊培元，朱福元主編．液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊－北京：機械工業(yè)出版社，1999.12重印
4 合肥通用機械研究所編．閥門產(chǎn)品樣本．－北京：機械工業(yè)出版社，2002.11
5 中國石油物資公司編．軸承手冊．－北京：石油工業(yè)出版社，1991.5
6 吳根茂主編．機械設(shè)計手冊．－北京：機械工業(yè)出版社，2002.11
7 路甬祥主編．液壓氣動技術(shù)手冊．－北京：機械工業(yè)出版社
20