矩形管道的清洁

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1、前 言 室内空气质量不佳而引起的都市“大楼病”正危害着大众的健康，医学专家因此提出了“病态建筑”和“病态建筑综合症”等新概念，而这些病的元凶重要藏于楼宇之“肺”集中/半集中式空调管道（即我们平常所称的中央空调管道）和通风除尘管道中，这些管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌、病毒、尘螨及放射物，这些有害物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会导致上述疾病。“非典”和禽流感的浮现更引起了人们对空气质量的高度注重。对管道进行定期清洗势在必行。 国外的中央空调管道清洗已形成产业化。国内还处在起步阶段，国内某些公司生产的管道清洗机器人产品大多以仿造为主，技术性能较单一，缺少自主知识产权。国内中

2、央空调风管清洗市场通过三年多的发展，在北京、上海、广州、杭州等大中都市已经开始发展。我们提供的核心设备和技术减少清洗成本；提供的清洗设备是根据国外设备的特点，针对国内管道的特点历时三年设计完毕的，其完全可以胜任国内任何管道的清洗工作。目前国内研发的管道清洁限度已经达到国外同类装置水平，但成本仅为国外同类机器人进口价格的一半。矩形管道清洁装置就是为自动打扫中央空调风管系统而设计的。该装置对封闭的中央空调风管系统分段清洗消毒，清除垃圾细菌及有害气体后，清除了大楼综合症和细菌传染的温床，畅通了风管系统，使空调的通风效率和空气质量都得到了恢复和提高。目前，中央空调清洗市场在国内许多地方几乎是一片空白，

3、这一方面是由于人们的中央空调的清洗意识还不够，但更重要的，是由于中央空调风道清洗工程是一项专业性很强的服务项目，目前国内尚无生产这种设备的工厂，均需进口。因此亟待功能完备，构造简朴，价格低廉的国产机器人清洁系统面世。调查显示，全国目前共有约上百万台中央空调（涉及家用小型中央空调系统）亟待清洗保养，面临着这样一种大市场，中央空调风管的清洗必将形成一种大产业，潜在市场巨大。但是目前空调制造业、家电维修服务业、室内环境监测治理行业、社区服务行业，以及某些国外专业公司都开始跃跃欲试。因此虽然市场前景诱人但是竞争也很剧烈。因此要尽量缩短清洁装置的产品设计研发周期，尽快投入市场。1 矩形管道清洁装置总体设

4、计方案清洁装置有四大部分构成：监视控制系统、清洁装置系统、旋转刷系统和集尘系统。有关方案的选定，下面将逐个进行简介。1.1监视控制系统工作人员通过监视器远程监控风管内部状况，使作业前及作业后的清洗效果一目了然；并且摄像头高度可根据风管尺寸大小进行调节，并可进行俯仰控制，以达到最佳观测效果，如图2.1所示。 图2.1 摄像头系统Fig.2.1 The system of camera1.1.1摄像头的选择目前，市场上的主流摄像头使用的感光元件重要有CCD和CMOS两种。CCD是应用在照相、摄像方面的高品位技术元件，采用CCD感光元件的摄像头在各方面的性能体现都不错，具有成像敏捷度高、抗震动、体积

5、小等长处，但价格较贵。CMOS则重要应用于较低影像品质的产品中，具有价格低、响应速度快、功耗低等长处，但CMOS摄像头对光源的规定较高。目前市场上数码摄像头的连接方式有接口卡、并口和USB接口三种。通过对工作环境、图像规定以及经济性的综合考虑，决定采用SG-388彩色数码摄像机，由于管道内光线较暗，因此此外安装灯光照明系统，如图2.1所示。1.1.2 摄像头的固定和调节由于所打扫管道的高度变化范畴很大，因此需要以便的调节摄像头的高度。本设计采用摄像头螺管与清洁装置基座螺纹连接，并用紧定螺钉压紧，根据需要灵活可靠的调节摄像头及照明系统的高度。此外摄像头、照明系统、支架之间用紧定螺钉固定，可以旋松

6、螺钉，对摄像头及照明系统进行俯仰角的调节，再拧紧固定，也能很以便可靠的根据需要调节视角范畴。如图2.1所示。1.1.3监视器采用10英寸彩色视频监视器，摄像头通过并行接口以便的接在监视器上，监视器还具有录像功能，记录整个打扫过程，使打扫工作有案可查。 1.2清洁装置系统本部分的设计重要难题有两个：（1） 清洁装置的迈进后退及转向控制；（2） 清洁装置高度的调节和变化功能的实现；1.2.1 清洁装置的迈进后退及转向控制为此考虑了三个比较成熟的方案1：方案一：双电机各自驱动清洁装置翼侧前轮，工作人员通过摄像头观测清洁装置在管道中的运营状况，适时调节两电机的速度，对清洁装置进行转向控制。方案二：单电

7、机驱动清洁装置前轴，在清洁装置前方左右两端各安装一种导向轮系统，两导向轮的角度可调，如图24所示。打扫管道之前调节导向轮之间的横向距离比管道宽度略窄，以大小相似、方向相反的转速与清洁装置驱动轮同步启停，导向轮转动线速度比驱动轮线速度略大，当某一导向轮遇到管道壁时，导向轮的切向力和电机牵引力的合力会迫使清洁装置转向，从而保证清洁装置始终运营在管道的正中央并能完毕自动转向。方案三：双电机各驱动清洁装置两后轮，两侧电机驱动轮系统各自独立。在清洁装置前方左右两端各安装一种接触感应开关导向系统，两接触开关触头的角度可调。打扫管道之前调节触头之间的横向距离比管道宽度略窄，当某一接触开关遇到管道壁时与它相反

8、侧的电机停转，而同侧电机照常转动，使清洁装置转向，从而保证清洁装置始终运营在管道的正中央并能完毕自动转向。工作人员还可以通过摄像头观测清洁装置在管道中的运营状况，适时调节两电机的启停，对清洁装置进行转向控制。相比较而言：方案一构造简朴，控制灵活，但两电机速度差的控制不好把握，两电机启动的同步度不好控制，并且对工作人员的技术规定较高，工作人员的劳动强度较大，清洁装置的自动化限度较低；方案二采用导向轮系统，提高了清洁装置的智能化，大大减轻了工作人员的工作量；只是构造设计及传动系统复杂并且构造尺寸大、重量大，使清洁装置重心前移，其前倾的伸长臂和导向轮会阻碍摆动的打扫刷。方案三使用接触开关，构造简朴、

9、在机械构造设计上是个创新，重量轻、尺寸小，并可以实现方案二导向轮的功能而克服了导向轮系统的缺陷。综合考虑这三个方案的优缺陷，我决定采用第三种方案，其传动机构如图2.2所示，接触开关导向机构如图2.3所示。此外，本次设计采用履带机构传播。工业橡胶制履带与钢管的摩擦系数为0.8，是一般塑料轮子与钢管摩擦系数的5.8倍，是铝合金轮子与钢管摩擦系数的4.7倍，此外，履带增大了接触面积，增长了摩擦力图2.2 传动机构图Fig.2.2 Transmission system 图 2.3 接触开关导向机构图Fig.2.3 Contact switch guidance organization chart1

10、.2.2 清洁装置高度的调节和变化功能的实现之因此要为清洁装置设计高度可以调节的机构，重要是由于：由于中央空调风管的尺寸规格有一系列好几种，那么要保证旋转刷的旋转中心始终处在风管高度方向的中心位置，就必须使清洁装置的支撑体高度可以随着风管高度尺寸的变化而变化，以达到打扫目的。在此，我们采用了驱动轮系统与主支撑体相对独立、通过可转角桥板连接，从而使高度的变化变得简朴、稳固。其原理如图2.4所示：图2.4 高度可调机构原理示意图Fig.2.4 Highly adjustable organization principle hint1.3 旋转刷系统旋转刷的驱动考虑了两个较为成熟的方案4：方案一：

11、直流电机驱动，此外安装历来前吹灰尘的大功率风机，以以便收集灰尘。方案二：气动马达驱动，在外接的螺管上加工某些斜孔，运用气动马达吹出的高压空气，向前吹灰尘，以便于集尘器收集。在实际的设计过程中，根据旋转刷的驱动功率和转速，在网上查得各厂家的合适的产品中，电机的尺寸、质量较大，会导致清洁装置重心前移，运营平稳度不够；并且还需要此外安装风机，不经济。因此我决定采用第二种方案。此外，由于清洁装置要实现对矩形管道在一次行程中彻底打扫，旋转刷必须可以在行进的过程中一边旋转，一边左右摆动。为实现这些功能而设计的旋转刷系统模型如图2.5所示。图2.5 旋转刷系统构造图Fig.2.5 Revolving bru

12、shes the system structure drawing1.4 集尘系统 选用大功率专用管道吸尘机收集风管内清除的尘埃、污物；技术数据：过滤器：- -预过滤器；- -式滤器Hi-Flo 85%（选配）；- -HEPA过滤器DOP 99.97%；气流：带过滤器，3500立方米/小时；发动机：1.5千瓦；供电：230或120伏，单相，7.0安培或380伏，3相，3.5安培；尺寸：长度：940毫米宽度：660毫米高度：820毫米；重量：58公斤。2 机械构造部分设计计算初定清洁装置重要参数：箱体外形尺寸：长宽高 =310mm 160mm 110mm；清洁装置迈进速度：0.05 m/s (即

13、3m/min)；旋转刷旋转速度：10000 r/min。2.1 清洁装置系统的设计计算2.1.1清洁装置驱动系统（1）电机的选择小型减速交流电机具有构造紧凑、体积小、输出转速低，输出扭矩大等长处，比较符合该清洁装置的设计准则，因此优先选用5。 根据外形尺寸估计清洁装置总质量MM= 箱体质量m1+履带机构质量m2+清洁装置驱动机构质量m3+旋转刷系统质量m4+接触开关质量m5+传播线质量m6+摄像头系统质量m7= (240280)+（240120）+(280120) 1.57.9g/cm3 +0.25+3+2+0.5+2.4+0.75= 2+0.25+3+2+0.5+2.4+0.75=11（kg

14、） 计算驱动清洁装置所需要的牵引力FF= 履带轮摩擦力F1+旋转刷摩擦力F2= uMg + umg= 0.8119.8+0.80.19.8=87(N)当清洁装置拐弯履带与管道产生静摩擦时，所需牵引力为， F*=1.2F=1.287=105(N) 驱动清洁装置所需功率PP= F* v= 105N 0.05 m/s = 5.25 W初选减速交流电机型号59TYD-D：TYD-可逆齿轮减速同步电动机。生产厂家网址： 。电动机的性能参数为：输出功率P：15 W 电压 U： 110 V频率f：50 Hz电流I：0.16 A旋转方向：CCW，CW输出转速n1：15 r/min容许负载 T：24 电动机的外

15、形如图3.1所示。图3.1 同步交流减速电机尺寸外形图Fig.3.1 Synchronized exchange deceleration electrical machinery size outline drawing（2）传动齿轮（二级传动比）的设计计算 由于齿轮传动具有传动平稳，传动效率高，构造紧凑等特点，因此二级传动采用圆柱直齿轮传动。根据转速规定，并考虑到轴中心线与履带轮的大小距离、电机的尺寸、电机与履带轮的相对位置，以及避免根切等问题，初选二级传动比 i =1.36。 材料的选用与电机轴配合的齿轮1选用45#钢，整体淬火；与履带轮驱动轴配合安装的齿轮选用45#钢，调质。 校核计算

16、，拟定重要尺寸：精度级别：选8级精度；齿数Z和模数m：初取齿轮1齿数Z1=27；Z2=iZ1=271.3=35， 因此，Z1=27, Z2=35。 取 m=2。 实际分度圆直径d：d1= m Z1=227 = 54 mm d2= m Z2=235 = 70 mm中心距a：a=m(Z1 + Z2)/2 = 2(27+35)/2 = 62mm齿宽：b1= dd1=0.254=10.8mm 取b1=12mm。齿轮1的几何参数为：Z1=27, m = 2, b1 = 12mm, d1 = 54 mm, =0, =20。齿根圆直径： df1=d1-2(ha + c - xm)=54-2(2+0.252)

17、=54-2 22.5=49 mm齿顶圆直径： da1=2a- df2-2c=262-65-1=58 mm 齿轮2的几何参数为：Z2=35, m = 2, d2 = 70 mm, =0, =20。齿根圆直径： df2=d2-2(ha + c)=70-2(2+0.252)=70-22.5=65 mm 齿顶圆直径： da2=2a- df1-2c=262-49-1=74 mm 齿宽b2： b2=dd2=0.270=14.0mm由于本设计中齿轮转速极小、传动力也很小，因此齿轮宽度稍微减小不会影响传动的作用。为了使清洁装置的外形尺寸尽量减小，因此取b2 = b1=11 mm。开式传动齿轮的重要失效形式是弯

18、曲疲劳折断（减少齿数，增大模数）和磨粒磨损。通过弯曲疲劳强度校核验证，齿轮满足强度规定。硬质面齿轮采用表面淬火，软齿面齿轮采用正火或调质解决来提高其表面质量，有效避免磨粒磨损2。那么再计算小车迈进速度：v=d轮w/i3.14159268015/1.3 = 0.049 m/s0.05m/s。（3）驱动履带轴1的设计计算轴的材料选用45#碳素钢。 初选轴径由于轴为传动轴，重要受转矩，受很小的弯矩，因此运用切应力公式，根据得， ，取 d = 17mm。 轴的构造设计由于履带轮直径较小，轴的直径也很小，并且轴的宽度和履带轮的宽度也很小，因此做成一体，如图3.2所示。 图3.2 驱动带轮 轴1构造示意图

19、Fig.3.2 Actuation belt wheel axle structure schematic drawing 强度校核根据轴的受力图，画出转矩图，并校核轴径得知该轴符合强度规定。 刚度校核轴承受载荷小，重要受扭转变形，对其扭角进行校核，得出轴完全符合刚度规定。 轴上零件的固定i）轴上齿轮的固定在此采用键连接来固定轴上齿轮，可多次装卸。ii）轴承的固定由于轴跨距较短（L400mm），在常温下工作，因此支点采用两端单向固定的方式，轴承两端各用轴肩固定内圈，运用驱动轮系统外侧板来固定外7。（4）驱动履带轮轴2的设计计算轴的材料选用45#碳素钢。 初选轴径由于轴为传动轴，重要受转矩，受很

20、小的弯矩，因此运用切应力公式，根据得，取 d = 17mm。 轴的构造设计，如图3.3所示。 图3.3 驱动带轮轴2构造示意图Fig3.3 Actuation belt wheel axle structure schematic drawing 轴的刚度、强度校核轴2与轴1所取参数完全相似，并且不须传递齿轮的扭矩，故强度和刚度的校核计算在此省略。 轴上零件的固定轴承的固定方式与轴1上轴承的固定方式完全相似，在此亦不再赘述。（4）轴承的选择由于滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力矩较小；径向有隙较小、运转精度较高；构造紧凑简朴等长处，而轴承重要须传递径向载荷，因此选用应用广泛的深沟球轴承。 根

21、据轴径选用型号： 四对型号为 6201 的深沟球轴承。 轴承强度校核由于轴承转速较低，因此只需进行静强度计算，两对轴承中，轴1上轴承受力大，因此只需对该对轴承进行校核即可。根据 C0=S0 P0得，C0 = 11.15 kN = 1.15 kN C0 =3.05 kN即该组轴承满足强度规定。 2.2 旋转刷系统的设计计算由于清洁装置要能实现对矩形管道在一次行程中彻底打扫，其旋转刷必须可以在行进的过程中一边旋转一边左右摆动。中央空调通风管道尺寸规格：宽高，宽、高差值 （单位mm）宽高差值 宽高差值 400200200 40025015040032080 4004000500200300 5002

22、50250500320180 5004001005005000 630250380630320310 630400230630500130 6306300800320480 800400400800500300 8006301708008000 10003206801000400600 10005005001000630370 1000800200100010000由上列数据，除去正方形截面的管道，则矩形管道截面宽高的差值为：200，150，80，300，250，180，100，380，310，230，130，480，400，300，170，680，600，500，370，200。对这组数据的

23、比较可以看出：差值最小为80mm，最大为680mm；数值重要集中在200mm至300mm。根据这一现象，我决定将旋转刷系统设计为打扫时左右摆动距离在80mm到250mm这样几乎所有尺寸规格的管道都可以得到均匀的、一次打扫。其工作原理如下图3.4所示：图3.4 旋转刷平行摆动原理图Fig.3.4 evolving brushes the parallel swinging schematic diagram在上图中，1点、2点固定在清洁装置主支撑体上。由摆动杆1、摆动杆2和旋转刷组件杆在1、2、3、4点框内构成一种平行四边形曲柄摇杆机构。由于1点与2点和3点与4点之间的距离长度相等（都是L），根

24、据平行摇杆的特殊轨迹原理，旋转刷组件的运动轨迹就会像图式那样，保持平行方向。这就保证了旋转刷在旋转工作的同步，其轴线始终与管道的轴线平行（之因此这样设计，而不直接让旋转刷与摆动杆1固定摆动的因素已通过具体计算分析，限于篇幅在此不再赘述）。下面是对摆动臂各段长度，和摆动角度等有关设计尺寸的计算。取摆动角度： = 45，摆动宽度： b = 250mm时，摆动臂1上2点到4点的长度： L1 = （b/2）x =176.75mm，取 L1=180mm；旋转刷在中央位置时与摆动到最大角度位置时的前后伸缩，即图中的高度h： h = 180-b/2 =180-125 =55mm；1、2点的距离(和3、4点距

25、离相等)l： 取l = 20mm；根据清洁装置重要设计尺寸选用圆心6点到点5的长度R： 取 R =40mm；b = 80mm时，摆动臂1上2点到4点的长度： L1 = （b/2）x =56.56mm，取 L1=60mm；旋转刷在中央位置时与摆动到最大角度位置时的前后伸缩，即图中的高度h： h = L1 -b/2 =60-40 =20mm。 根据上面的计算得出旋转刷的前后伸缩值在20mm55mm之间，因此只要保证旋转刷的刷头部分到清洁装置最前段部件的距离超过55mm，就不会产生干涉。摆动的动力采用减速电机驱动，初选减速交流电机型号59TYD-D。生产厂家网址：8。根据电机转速w1 =0.5r/s

26、（w1 =30 r/min）和小车行进速度v=0.005m/s，得电机每1秒转1/2转，摆动杆摆动一种单程（旋转刷摆动一种单程）；同步小车迈进5cm。即小车每迈进10cm的距离，旋转刷摆动一种回程，这样就可以完毕设计的重要目的对中央空调管道在小车一次打扫中完毕彻底、均匀的打扫。气动马达参数：压缩空气300升/分钟；供电：230V，50Hz；转速10000 r/min。结 论本次毕业设计通过收集有关图片资料，提出了多种自己独特的方案，多次比较论证并通过实践考察后拟定的新的设计总方案。通过了一种比较漫长的过程，也让我学到了诸多此前没接触过或者不曾认真思考过的东西。方案拟定后我通过整体的构造分析和尺

27、寸计算拟定了个个零部件的基本构造形式尺寸。然后进行各个零部件的设计及选购并附有两张装配图，十六张零件图。本次设计通过大量整体协调性的验算，提高了我的全局设计概念，和对整体的把握能力。最后运用工程绘图软件AutoCAD对该装置进行了二维工程图纸的绘制，较好地锻炼了我的计算机绘图能力，目前我可以非常纯熟的运用AutoCAD进行零件，装配，绘图等模块的操作。由于时间仓促，有些部分的具体尺寸和细节问题尚有许多地方需要不断的改善和完善。致 谢本课题是在导师张洪丽的精心指引下完毕的,导师渊博的知识、严谨的治学态度和精益求精的工作态度使我受益非浅，张教师对我的生活也予以诸多关怀和照顾，在此本人致以由衷的感谢

28、。同步，在这四年的大学学习生活时间里，学校的诸多同窗和教师对我予以了真诚的关怀和协助，在此一并道谢。最后，对本论文审视的专家们表达感谢。参 考 文 献1 中国机械工程学会，中国机械设计大典编委会编著. 中国机械设计大典第四卷，江西科学技术出版，1月 2 Carroll R J. FHWA Technical Report No. FHWA 2MC2992136. http: fhwa.dot.gov, 19993 FHWA report number: FHWA 2MC297. http: fhwa.dot.gov, 1997. 104 郑家骧，陈桂英主编.机械制图及计算机绘图，机械工业出版社，8月5 邱宣怀主编. 机械设计第四版，高等教育出版社，5月6 黄珊秋主编. 机械设计课程设计，机械工业出版社，1999年8月7 矫培山，俞惠芬主编. 互换性与技术测量，山东大学出版社，1997年8月8 山东大学机械原理及零件教研室编著. 机械设计常用原则，山东大学出版社，11月