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免费毕业论文--多功能刷地机的设计与制作(一)
摘要
二十一世纪是清洁环保的时代，随着我国经济建设日新月异，环卫机械正在成为一个独立的产业迅猛发展。今天，环卫机械已经应用到几乎所有的工业领域以及社会生活的各个方面，直至深入到人们的日常衣食住行当中。环卫机械正在同信息、生物、材料等产业一样成为国家具有巨大发展潜力的朝阳产业。本课题结合当前形势,设计的一个环保型多功能自动机械。此机械主要适用于室内外各种水平光滑地面的清洗工作。目前国内外市场上已经有相类似的产品，如自动吸尘器、自动刷地机等。但它们多采用AC电源，缺少灵活性；且功能比较单一、机械过于笨重等。因此本课题设计旨在灵活性和多功能等方面寻求新的突破，所设计的机械采用DC电源装备，主要功能包括刷地、吸尘吸水、污水过滤、污水循环利用等，旨在普及推广到家庭或餐厅、商场等私人或公众服务场所，帮助人们进行一系列地面的洗刷工作。
关键词：环卫机械；刷地机；污水循环。
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设计内容
本课题设计的是一台带吸水喷水功能的洗地机。目前国内外已经有类似此类产品的诞生，如自动吸水机、自动刷地机和驾驶式洗地吸水车等。但是它们存在的几个主要问题就是：（1）各产品功能单一；（2）机构过于笨重，缺少灵活性，例如刷地机底盘过重，传动机构庞大，灵活性差；（3）吸水机构设计存在不足，污水吸收后不能循环利用等。我们设计的目的就是做出一台结合刷地、吸水和喷水等功能于一体，使刷地水被吸收后过滤，使水可以循环利用，供给洗地工作等综合型机械。同时，我们要改变以往产品大功率，机构笨重等缺点，旨在设计研究出一台多功能的小巧灵活的机械，可用于室内地板或者一般餐厅、商场等平整光滑地面的卫生清洗。设计并研制一台带吸水喷水功能的洗地机。我们研究的内容就是设计一台结合刷地、吸水和喷水等功能于一体，使刷地水被吸收后过滤，使水可以循环利用，供给洗地工作等的综合型环卫机械。同时，我们要改变以往产品大功率，机构笨重等缺点，旨在设计研究出一台多功能的小巧灵活的机械，可用于室内地板或者一般餐厅、商场等平整光滑地面的卫生清洗。以机械设计为主，提倡采用先进理论和先进技术，如机电一体化技术等。对产品的功能、结构、工艺制作、性能价格比、先进性、创新性等多方面进行综合评价。
1.2设计特色和要求
本课题设计的主题思想是环卫设计。环卫设计的特色就是要求设计与环境保护、资源的再利用结合在一起，在当前绿色奥运的倡导下，进行创造性的、符合自然规律的和人性化的设计。在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。对工业设计而言，环卫设计的核心是“3R”，即Reduce、Recycle、Reuse,不仅要减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并再生循环或重新利用。环卫设计源于人们对现代技术文化所引起的环境及生态破坏的反思，体现了设计师的道德和社会责任心的回归。环卫设计在一定程度上也有理想主义的色彩，要达到舒适生活与资源消耗的平衡以及短期经济利益与长期环保目的的平衡并非易事。本课题需要进行理论设计和实物制作。要以机械设计为主，采用现代先进理论和先进技术，如机电一体化技术等。首先要求所设计机械属于环卫设计类型，符合当前形式的环保趋势。其次对产品的功能、结构、工艺制作、性能价格比、先进性、创新性等多方面进行综合评价。主要任务包括以下几个方面：（1）运动方案选型，机构简图绘制。（2）三维造型零件设计。（3）电气控制设计、制作和产品制作。（4）整机调试运行。
（5）整理资料和编写设计说明书。
2.设计规划及设计方案
2.1 设计流程图（如下图所示）：
图1 设计流程图
2.2 机构简图和机构工作原理
整个机构工作主要核心功能分为刷地、吸水、过滤和喷水四大部分.此机械通过对地面水的循环利用，实现环卫形式的室内或大面积的平面的洗刷工作。各部分动力均由直流电池提供能量。主要工作原理是当刷地电机接上电源是正常工作，从前沿看，两个刷地轮盘由外向内转动，一方面在刷地的同时，将刷地的污水汇集在水管吸口；同时，如果这时候合上吸水电机的开关，吸水电机就会驱动
风叶轮转动，污水便会从吸口吸进吸管，通过吸管到达叶轮腔体里面，然后在离心力和重力的作用下流入漏水斗，经过过滤层过滤后便会存储在容器里面；而当清洗地面需要时，又把经过处理的污水通过水泵抽取送回到吸管里面，最后又回到地面协助清洗工作。机构简图如下图所示。
图2 机构简图
3.详细设计
对此节将按顺序详细阐述整个环卫机械各部分的具体功能和具体的参数设计分析、核算等。各部分的工作原理和设计方案如下:
3.1 刷地部分
此部分采用微型减速马达为动力源,通过键连接将力矩传递给刷子,由刷子负责地面的洗刷工作。绘制的三维视图见附录零件图1和图2。
3.1.1 原理分析
由视图可以看到,此部分有两个微型电机安装在机架上面,下面分别各带一个圆形刷盘。刷盘并列安装,刷盘内向转动,在刷地的同时,可以方便将地面的水向后面排放,积聚在后面的吸水口,方便吸水,为下个吸水环节做准备.整个刷地耙头主要部分有微型电机、盖板、连接键、刷盘、两侧护沿、带弯管街头吸盘和螺栓螺母垫圈等组成。各部分具体设计、参数计算分析如下:
3.1.2 计算分析
3.1.2.1 微型电机
考虑到刷盘实际效用直径选取在65毫米左右,按65毫米计算,按足够动力估计刷盘工作时的压力在10N左右,采用10N计算,设地面与刷之间的摩擦因数u＝0.5，因为每个刷盘是受均匀压力的，故以1毫米单位长度计算，每个平方毫米为受力的小单位计算，
每个单位面积的受力是0.0008N. （1）
每个弧度径向的合扭矩
＝＝8.58 （2）
每个刷盘总的合扭矩
T=＝＝0.35 （3）
电机的传动效率约为=0.95,
故得电机所需扭拒0.35／0.95=0.368 （4）
为运行实际负荷所需扭拒=T=0.368。
根据马达的工作情况，选择刷子的转速在每秒钟2转左右，故确定电机的转速在120rpm；又由电机扭矩与功率之间的关系[1] （5）
可以算得电机需要的功率= ＝4.6 KW＝4.6W
又考虑马达计算参数较小，计算误差比较大，同时基于其他许多不可估计的因素影响，故重新考虑选取电机功率比计算功率增大30～50％较为合适，应在6瓦左右较为合适。根据以上考虑，由（3）式重新计算得新选用电机可以提供的扭矩约0.477，符合设计目的。故经计算后重新设计需要的刷地马达主要参数如下表所示[2][3]：
表1 设计刷地马达参数
型号 额定电压 电流
A 转速
RPM 转距
N·m 功率
W
微型电机 24.0V 0.25 120 0.477 6
3.1.2.2 工作轴的计算
A.扭转强度的计算
由（4）式得电机所需的扭拒是477牛毫米，
由[4]轴的抗扭截面系数 （6）
根据材料力学知识，[1]轴的扭转强度条件为 （7）
B．轴参数的确定
我们所选的电机的转轴材料为45号钢。由《机械设计》表6-3知选择45号钢材料电机的转轴扭转强度[5][6]计算如下：
=3.91mm取整d＝4mm （8）
故综上得电机转轴不小于4mm即可符合设计要求。考虑到电机转轴很小，与刷盘连接安装很苦难，故在轴端焊接一直径11mm在轴头以方便安装刷盘。最后设计的电机尺寸见下图3，三维见附录零件图3。
图3 刷地马达主要外形尺寸
3.1.2.3 键和垫圈
因为传动部分的轴端直径d=11mm,故查[7]《机械零件手册表》GB/T 1096-1979得具体尺寸如下图8所示;垫圈用在螺栓连接,由于螺栓直径d=3mm,故由3.1.2.8查表GB/T 848的垫圈的具体设计参数,见图4和图5。
图5 键 图6 垫圈
3.1.2.4 盖板
盖板是吸盘的主要安装架体,是微型的电机的工作台，也是连接整个吸盘的两个侧沿，吸口的把头部分的重要元件。连接统一采用螺栓连接。主要主要考虑其性能及安装尺寸，其他没有什么特别要求。尺寸如图6所示。
图6 盖板设计尺寸
3.1.2.5 刷盘
主要考虑工作效率，即受力情况、具体的工作面积和与电机转轴的连接等，中间设计有壑位，保证健的安装和转轴传动。零件尺寸如图7。
图7 刷盘尺寸
3.1.2.6 侧护沿
高度是一个比较重要的因素，影响到刷子的地面接触情况，过高不能保证刷子正常工作，过低则污水向两侧大量流失，导致吸起困难。同时结合吸盘高度和安装的因素考虑，具体设计尺寸见图8。
图8 侧附沿
3.1.2.7 吸盘
吸盘地下有一个方格式吸口,在靠近刷盘侧端开有小口,相当于密封一个房子的小门,主要作用是吸水,其主体连接水管和整个刷地装置部分,并且在装置移动工作时起到支架作用. 具体设计尺寸如图9～12所示或附录参考零件图。
三视图（为了看的清楚一些，将3个视图分别放大如下）
图9 吸盘
B.主视图
图10 吸盘主视图
C.俯视图
图11 吸盘俯视图
D.左视图
图12 吸盘左视图
3.1.2.8 联接螺栓螺母和螺钉
A.马达的固定螺栓和螺母
刷地马达驱动刷地论盘工作，自身主要受到刷地摩擦力一个反转矩的作用。故马达的固定螺栓主要是一个受转矩作用的螺栓组连接。因为电机功率比较小，我们在电机的两翼只设计两个普通固定螺栓。见示受力意图13，拧紧两螺栓使其受相同的预紧拉力，旋转力矩T与结合面的摩擦力矩平衡。设[1]单个螺栓处产生的切向摩擦力且集中作用于各螺栓的中心，所以螺栓组的平衡条件为 (9)
式中，，为相应序号螺栓轴线到螺栓组型心即马达轴心的回转半径（mm）；T为受到的作用转矩（）；为可靠性系数，按荷载是否平稳及工作条件等确定，一般取。此处取1.1。取支支承面的摩擦因数f＝0.15
算得螺栓的预紧力也即轴向拉力＝50.76N。
又由螺栓的强度条件 （10）
其中，s为安全系数，取s＝1.5，45号钢属于中炭钢，极限应力约180MPa，
算得=0.84mm。
图13 固定马达螺栓受力示意图 图14 吸水盘头螺栓的受力示意图
B.安装板与吸水盘头的连接螺栓的计算
首先，由测量得整个吸盘部分重量不到1kg，我们用1kg计算。此部分的受力示意图如图14所示，盘体主要受到一个自身重力的向下翻转的力矩的作用。由平衡条件得： （11）
其中L＝110mm是吸盘重心到螺栓轴线的距离；～分别为各螺栓轴线至吸盘头边缘即翻转地方的距离，都是35mm；F为各螺栓受到轴向拉力。
算得各螺栓的轴向受力为F=5.14N
又单个螺栓只受拉伸工作荷载的强度条件为 （12）
同理（8），算得＝=0.47mm （13）
由上面两部分的计算可见，固定部分受力都比较小，所以本部分结合受力分析，决定采用直径的d＝3mm的螺栓。螺栓有效长度根据《机械零件手册》表6－12再按螺纹标准和紧固件标准可以选取6～30mm，但此处结合实际工作环境考虑，防止固定马达螺栓过长卡住刷盘，又刚好穿过电机侧翼3mm的厚度和安装板8mm厚度。选取长度L1=12mm，具体尺寸如图15。三维图见附录4。
图18 螺栓设计尺寸
3.2 吸水吸尘部分
3.2.1 工作原理
本部分主要包括电机、风机、和吸盘,吸盘已在刷地装置详细分析),见附录图16，设计原理主要参照通风机的工作原理（见图5），主要由电机提供动力,电动机高速驱动风机旋转,风叶轮强力抽取空气,造成机箱内外很大的压力差,在吸嘴处产生很强的气流,将搅打起来的污水和沙尘被留在储存容器内,而空气则经过风叶组,由风机侧沿的出风口喷出.负压差越大,风量越大,则吸尘吸水能力越强。在此叶轮机械中，污水等流体先是沿着叶轮轴线方向进入叶轮，然后由轴向转向径向，并沿叶片流动。在这个流动过程中，风压和流速不断增大。当叶轮随轴旋转时，叶片间的流体也随叶轮旋转而获得离心力，并使其从叶片之间的出口处被甩出，进入到过滤装置中。污水等混合流体被甩以后，叶轮中心部分的压强降低，外部吸口处的其他污水就会从吸盘的吸入口通过吸管和叶轮前盘中央的孔口源源不断的吸入。吸入口还有集水集气的作用。叶片流道的压力和相对速度分布有如下特点[8]：最小和最大压力不是发生在叶片壁上，而是出现在流道的中央。最小的压力几乎集中在进口截面中部，而最大压力则是处于出口区域叶片工作面略前一点的地方。相对速度的最大值不是进口而是叶片背面的中部附近，而中间流线的相对速度在整个流道中是几乎不变的。实际运动示意图如图19所示；叶轮进出口处速度矢量分析见图20。
图19 叶轮运转示意图 图20 叶轮进出口处速度矢量分析图
3.2.2计算分析
3.2.2.1叶轮机械的设计
本部分主要根据一般风机的设计方法进行设计，其中主要的不同点是一般风机都是利用叶轮轴向的某一侧作为采风范围，采风面积比较大，流量自然也比较大；但是本课题设计所需的采风口只需在轴端一侧平面的一个小口，设普通风机进口半径为R，小口的半径为r，则叶轮机械的流量只是是风机的，根据本题设计，这个比值估算约在1：20左右。具体设计必要时讲此值代入。
A. 计算叶轮的主要参数
参考一般风机[9]，选取叶轮机静压＝12000Pa；
叶轮机流量Q＝0.01m3/s;
叶轮机进口温度T=；
给定叶轮转速n＝3000rpm。
流体密度：1000kg/m3
叶轮机全压：
叶轮机全压包括静压和动压：， （14）
其中= ＝12073Pa。 （15）
选取风机出口速度＝12m/s。故算得全压H=24073Pa。
叶轮机的比转速：
31.26 （16）
选择叶片出口角：
（17）
估算全压系数：
由全压系数计算公式 （18）
算得1.04
估算叶轮外圆周速度
=16.62 （19）
算得
估算叶轮外缘出口直径D2：
=0.105m, （20）
可见参数较小，考虑全压和流量的选择偏差及各种不可预知的因素的影响，将计算结果约增大30％，确保风机有足够能力。选=0.135m （21）
选择叶轮进口直径D0:
选择悬臂式叶轮，d＝0。参考表2—10，选择污水进口速度＝15m/s
算得= ＝0.029m （22）
核查=0.32，不符合表2－10要求。调整取=0.6即＝0.08m （23）
叶片进口直径：
＝1.1 ＝＝0.088m （24）
确定叶片入口几何角：
＝ （25）
确定叶片进口宽度：
＝0.044m 进口直径的调整影响，将b增加一倍取整b＝0.09m （26）
式中取＝16.5m/s。 （27）
选叶片数目Z:
==21.14，选取Z=21。 （28）
确定叶片圆弧半径：
＝＝0.04m （29）
具体尺寸图见图21。三维图见附录10。
图21 叶轮
B. 计算蜗壳的主要参数
选择窝壳宽度B：
因为B必须大于，故选取B＝0.1m。 （30）
确定窝壳张开度A：
选取A＝B/2＝0.05m （31）
确定窝壳绘制半径（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）
窝壳出口长度C：
取即C/A＝1.2，得C=0.072m （36）
窝壳出口速度：=＝ 1.39m/s （37）
窝舌间隙t和窝舌顶端圆半径r在绘图中确定。
窝壳作为一个扩压元件，它的作用是将离开叶轮的流体集中、导流，并将其部分动能变为静压能。在理想状况时，叶轮出口圆周上的流体均匀分布且无轴向速度分量，窝壳出口的流体是均匀的。因为本设计中的主要流体是污水，所以窝壳中流体一部分沿基本窝壳曲壁运动，一部分由于重力作用直接进入过滤装置，蜗舌附近没有明显漩涡。窝壳出口面积的增大减缓了流体中气流的流出速度，有利于造成窝壳内外部的高压差状态，有利于后面的流体更易被叶轮吸附到窝壳中来。窝壳的具体尺寸见下图22。三维图见附录9。
图22 叶轮涡轮外壳设计尺寸
3.2.2.2吸水电机
A. 叶轮叶片上的受力分析
叶轮工作时任一微点在水中受到压力 （38）
其中h为微点在水中的深度,故单片叶轮在水中受到的压力为
=1000×9.81×0.02×0.02×0.09=0.35 N （39）
考虑整个叶轮正常工作时的状况,设有3片叶轮受到水的压力,故叶轮的阻力f1=3P≈1.1N （40）
由动量定理 （41）
单位时间内与单个叶片发生撞击的质量 （42）
其中为空气密度1.23kg/m3, s为叶片的受风面积。
（43）
转速=17.51m/s （44）
叶轮中间截面处与径向的夹角约为，故切向的风力速度
＝12.38m /s (45)
将R2=0.0625m，r1＝0.044m联立（42）～（45）式得代入F=0.42N
故总受力＝mF＋f＝21×0.42+1.1=9.77N 取=10N (46)
B．计算电机转轴尺寸
图23 电机轴剖面图
故轴受到的转矩是＝10×0.05325＝0.5325＝532.5 （47）
由于叶轮与轴连接采用螺栓压溃的形式，采用类似轴有一个键位计算由《机械设计》表6－4得轴的抗扭转截面系数 （48）
由《机械设计》表6－3选择轴的扭转强度条件为＝35计算，代入（5）式算得轴的抗扭截面系数＝15.93mm3。 （49）
按实际装配情况取b＝3mm，t＝3mm，联立代入（48）式算得轴的直径
d＝4.5mm （50）
故轴的直径在选择电机时，选择大于4.5mm即可。具体模型外形参数图24。
三维图见附录5。
图24 吸水电机外形尺寸
C．计算叶轮机的所需功率，也即原动机的输出功率。
利用欧拉涡轮机方程[10][11]
流量Q可表示为
（51）
分别是进口处流体绝对速度的径向分量。
又根据计算得的叶片外缘半径R2=0.0675m,内缘半径r1=0.044m,故
＝0.056m （52）
又由叶片进口处安装角，出口处安装角，气流经过叶轮前固定的导向叶轮后，在叶轮进口处的绝对速度与轴向的夹角，叶轮转速n＝3000rpm。故 （53）
画出叶片的进出口速度图如图25所示，在处
17.51m/s nbsp; 图8 设计叶轮
图9 过滤装置设计图 图10 过滤装置实物图
图11 软管
图12 直管 图13 喷水管
图13 M3螺母 14 螺钉M3×30
图16 刷地机三维图
图17 制作实物图A
图18 制作实物图B
图19 吸盘把头零件图
参考文献：
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[20] 大连理工大学工程画教研室.画法几何.高等教育出版社
致谢
首先我要衷心的感谢陈少克老师！在本次毕业设计中，由始至终陈老师都给予我很多设计上的启发和指导，很好的引导我完成了这个毕业设计。尽管我个人能力有限，对整个设计的领悟可能还不够透切，导致设计中仍然存在很多值得改进和修正的地方，但老师严谨的治学作风，依然给我留下了深刻的印象和使我获得很大的动力！其次，我要感谢张自强老师和陈少波老师对我毕业设计提出的质疑和指导意见，他们宝贵的意见使我对自己的设计论文有了更深刻的认识，使论文得到进一步的完善和修正！最后我要感谢我的毕业设计课题合作伙伴谢远想，是他和我一起努力，任劳任怨的付出，最终完成了整个课题的设计！
最后一次感谢以上的老师和同学，还有在设计中帮助过我们的同班同学谢荣生和林耀辉，谢谢！祝大家好运！
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