【文章內容簡介】 cleaning device for analysis and parison in the corridor finalized a better cleaner design, and according to the specific structure of the programme design, structure and make the device more pact and reliable. After determining the size of various body parts and models, and check to ensure that it can meet the design requirements. Because the parts are relatively general ease of manufacture of the equipment, so the equipment lower manufacturing cost, economical corridor is an ideal tool for cleaning. Key words: Sweeper。 Disc brushes。 Rolls brushes。 Production cost 1 前 言 清掃工具的現(xiàn)狀和發(fā)展前景 從 20世紀 60 年代我國研制生產路面清掃機械開始（指大型清掃機的研制），已有40 多年的生產歷史，然而中小型清掃機的研制開發(fā)則剛剛起步。相對于發(fā)達國家，我國地面清掃機在銷售規(guī)模、技術水平、清掃效果等方面都存在一定的差距。 隨著公共環(huán)境衛(wèi)生、工廠清潔機械市場的迅猛發(fā)展， 2021 年之后，國內地面清掃機開始呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。但與國外相比，國內還停留在市場的初級發(fā)展階段。 我國已逐步進入現(xiàn)代化社會， 陳舊、落后的清掃方式及設備，已不能滿足社會進步的需要。對于自動化掃地器具，人們常見的是馬路上的掃地車，它能進行大面積街道清掃、工作效率高，并且節(jié)約人力。然而，小面積區(qū)域的清掃工具還主要沿用傳統(tǒng)手工掃地工具：掃帚，工作效率低、清掃效果不夠理想、浪費人力資源。而工作效率高的省時省力的龐然大物掃地車在比如廠區(qū)、居住小區(qū)、機關、學校、醫(yī)院、小街小巷、走廊等場所，確是英雄無用武之地。隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快及居住面積的增大，家居地面的清掃工作也越來越繁重，嚴重干擾了人們的生活。因此急需開發(fā)一種成本低、節(jié)約人力物力、清掃 效果良好的適應院落、小區(qū)、小巷、走廊等小區(qū)域場所的小 8 型清掃設備。 目前，許多國家研制的清潔機器人應時而生。日本，美國，歐洲各大廠商競相開發(fā)，有些產品甚至很超前。例如，有一種 具有高效吸塵除灰功能的清潔機器人，可遙控也可自主運作，能轉向，躲避障礙物，有很高的實用價值，可對家居、廠礦企業(yè)等地面進行清潔，幫助人們從繁雜的勞動中解放出來。 在國外清潔設備的擁有率和洗衣機幾乎相當，甚至要高（有公用洗衣房，專業(yè)洗衣店的緣故）。在這方面，國內的研發(fā)步伐較慢，但是隨著國家城市化的進程不斷加大和經濟的發(fā)展，許多新興的中小城市正在 崛起，城市化規(guī)模不斷擴大，現(xiàn)代化的工廠不斷建成，機關、小區(qū)、醫(yī)院、學校和公共場不斷建設機械化清掃已經成為一種必然，地面的清潔養(yǎng)護及工廠清潔生產已經越來越重要。勞動力成本的不斷提高，清掃設備的市場前景日漸看好。 由于人們對環(huán)境污染問題越來越重視，燃油車在很大程度上受到限制。 政府 大力提倡綠色能源設備。近日國家出臺燃油含稅的政策，給電動掃地車帶來福音 。小型清掃設備因其 實用性強、 垃圾清掃率高 、污染小、成本底、結構緊湊、操作簡單 、 維修方便等特點 具有廣泛的市場前景和實用價值，它的出現(xiàn)和使用，將極大減輕人們繁瑣的家務 勞動，節(jié)省寶貴的時間，提高了人們的生活質量。小型清掃設備現(xiàn)在正是一個高速發(fā)展的時期，有著極其廣闊的發(fā)展空 ]1[ 。 清掃設備的概述 清掃設備的分類 清掃設備按大小可分為大型清掃設備和中小型清掃設備。大型清掃設備主要是清掃車，由于本課題主要研究的是小型清掃設備大型的清掃設備在此不再多述。而現(xiàn)有的小型清掃設備主要有兩大類分別為掃地機和清潔機器人。 （ 1）清潔機器人：清潔機器人技術的發(fā)展，應該說是科學技術發(fā)展的一個綜合性的結果，它集機械學、電子技術、傳感器技術、 計算機技術、控制技術、機器人技術、人工智能等諸多學科為一體。 清潔機器人是能夠在房間中自動清潔地面，保持家庭衛(wèi)生的一種機器人。它集機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、機器人技術、人工智能等諸多學科為一體。包括有地面真空吸塵機器人、地面清掃機器人、壁面清洗機器人、泳池清洗機器人和一些特種清洗機器人，可用于各種場合的清潔工作。這方面的研究從上世紀 80 年代起，開始受到人們的注意，不過由于清潔的環(huán)境基本上是結構、半結構性的，但要清除的垃圾則完全是非結構性的，造成一定困難。清潔機器人具有如下的特點： ①清潔機器人自帶電源，小巧輕便、操作簡單、自主性強、具有很強的實用性。 9 ②清潔機器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，但要求有較好的環(huán)境適應性。③清潔機 器人的任務是清掃地面，工作的對象是地面的灰塵、紙屑以及其他一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為清潔機器人的處理對象?？紤]到安全因素，清潔機器人必須對人及家庭物品等不構成任何危害，同時清潔機器人還必須具備自我保護的能力。就現(xiàn)有的技術而言清潔機器人的發(fā)展受到了很大的局限，它的推廣也得到了一定的限制。 （ 2）掃地機：掃地機是現(xiàn)有技術下的最為經濟實用的小型清掃設備。掃地機涉 及地板上小面積地面覆蓋物的清掃機械領域，是一種小型家庭、工廠、小區(qū)、機關用的掃地機械。它的一般是由車架、車輪、罩殼和手把組成的手推小車。在車前側裝設立掃帚；車架、罩殼下方裝設橫掃帚，通過半交叉皮帶和齒輪等傳動件由車輪旋轉動力帶動掃帚將垃圾掃入車架前端設置的撮箕內。從而避免了灰塵和廢氣污染與機動噪聲。結構簡單、操作方便。不清掃時能將掃帚抬起脫離地面。掃地速度在 3— 6 公里／時左右，掃地寬度在 1～ 2 米。以圓盤刷為工具的新型掃地機，主要用于家庭以及公共場所地板或室內地面上覆蓋物的清掃 ]2[ 。 我國清掃機械的發(fā)展趨勢 雖然國產清掃機的生產技術水平已有了一定的進步，價格性能比優(yōu)于進口產品，但在以下幾個方面尚待進一步提高，這也是今后我國清掃機械技術的發(fā)展趨勢。 （ 1）提高工作可靠性 目前國產清掃機工作可靠性不及進口機，其原因主要有三，一是國產基礎件不過關，如動力裝置及其傳動系統(tǒng)、工作裝置的耐用性及材料的熱處理工藝等有待提高；二是制造工藝及加工精度較低；三是某些技術和整機結構設計尚待完善等。 （ 2）研發(fā)多功能清掃機 目前的清掃機基本是單一清掃功能，不能進行拖地、灑水和清洗護欄 等。若能開發(fā)一專多能的清掃機，則其功能會進一步拓展，也更為實用。 （ 3）注重環(huán)保的多功能清掃機 目前大多數(shù)機型，揚塵比較嚴重。隨著國家對環(huán)境保護的要求越來越高，開發(fā)環(huán)保型清掃機非常必要。 （ 4） 根據(jù)需要生產不同種類和配置的清掃機械 清掃涉及各種不同等級的地面，它所需要的清掃機械也是不同的。如高檔場所和對地面要求較高的地方要求清掃機械必須具備很低的噪音和良好的清潔效果，當然其相應采購和使用成本較高。等級較低的其它普通走廊地面的清掃要求較低，相應生產和使用成本較低。根據(jù)不同等級地面需要配置不同種類的清掃機械， 以便降低地面總 10 成本的投入，因此開發(fā)和生產不同種類和配置的清掃機械是必要的 ]3[ 。 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑 本課題要求是設計一種簡單，經濟實用的走廊清掃機，其關鍵問題就在于如何很好的實現(xiàn)清掃功能。尤其使傳動系統(tǒng)、整體結構、工作裝置的設計。由于清潔器是一種出現(xiàn)比較晚的機械產品，因此在其設計過程中，不可避免的出現(xiàn)了很多未解決得難點疑點，總結其難點如下： 由于清掃機是一新興產品，掃地功能的實現(xiàn)結構還不成熟，很難查到相關的資料。因此掃地功能的實現(xiàn)是設計工作的一個很大的難點。 清掃機工作時所產生的二次揚塵污染、漏垃圾、噪音大和產品可靠性等方面也較難解決的問題。清掃范圍的大小不僅與清掃機的各部分的尺寸有關，并與它的總體設計構形式有關。機構太小工作效率就會降低，清掃范圍也就變小滿足不了走廊的清掃要求，機構太大則設備就會太大從而增加轉彎半徑。使清掃機在走廊中轉彎困難。因此合理的選擇機構的大小及機構布置極為重要且比較困難。 為了更好的了解所作題目，查閱已有文獻資料是十分重要的，由于走廊清掃機的資料很少的。因此，在設計過程中，廣泛的搜集資料，并借鑒了清潔機器人的一些數(shù)據(jù)資料對我的設計工作起 了很大的幫助。通過閱讀“清潔機器人概述”（哈爾濱工程大學機電學院李金山等著），“清潔機器人研究發(fā)展現(xiàn)狀”（哈爾濱工程大學機電學院 李金山等著），“清潔機器人及其應用”（趙臣等著）等許多相關論文，觸類旁通對清潔機器的設計有了一定的認識，在這些文獻綜述中，詳細的介紹了清潔機器人的一般設計思路，如外形的設計，機器人的驅動方式如何，具體結構等等，都對我即將所作的設計提供了很大的幫助，此外，為了更好的設計清掃機的內部結構，在軸，齒輪等重要元件的設計過程中保證其結構的準確性，又對機械設計等專業(yè)課本進行了系統(tǒng)的復習，但是， 由于清掃機出現(xiàn)時間晚，產品數(shù)量少，一些關鍵技術受專利所限，因此，很多關鍵技術是不會公布在資料之中的。所以，我參考用的資料并不能解決我在設計過程中所遇到的所有難點，有許多的問題是根據(jù)我自己的想法來做的。因為我的這些想法并不成熟，沒有太多的實踐性，所以，在解決一些棘手問題時并不能夠很好的解決。在今后的設計中，還需要通過實踐，對其一步一步的進行改進 ]4[ 。 課題需要完成的任務 設計主要內容 本課題要求設計出的走廊清掃機能完成普通清掃的功能。完成走廊清掃機的方案設計，以及結構組成，并對走廊清掃機結構進行受力計算，使其結構布局和受力更加 11 合理。 其主要設計內容為： （ 1） 進行原理的分析及方案的比較 （ 2） 進行總體結構設計 （ 3） 進行傳動部分設計 （ 4） 進行執(zhí)行部分設計 （ 5） 進行必要的設計計算（含動力參數(shù)、運動學分析、剛度計算、強度計算等） 設計工作基本要求 （ 1） 完成至少 3張 A0圖紙 （ 2）完成約 （ 3）查閱參考文獻 20篇以上 （ 4）圖紙及說明書符合規(guī)范要求并提交電子檔 2 總體方案的設計 設計主要技術要求 驅動方式：汽油機或者電力驅動。汽油驅動型適合 院落、停車場等戶外清掃作業(yè)；電瓶驅動型因其噪音低，污染小，適合室內清掃作業(yè)。 每小時清掃面積不低于 1000 平方米。垃圾箱容量不低于 30L。 總體方案的確定 由于工作的場合對環(huán)境要求較高因動力裝置都選為噪音低，污染小環(huán)保的電驅動。 最初設計了許多的方案，最終綜合考慮認為其中三種方案最為有可能實現(xiàn)我們的課題要求，在此僅對這三種方案進行分析說明。 方案一： 12 圖 1 方案一簡圖 Fig 1 Numbel one diagram 工作原理：殼體 l 的前上部設有電機 2 和電池，殼體 1 的前下部設有滾刷 3， 電機 2 通過傳動帶帶動滾刷 3。工作時，滾刷 3 掃起的灰塵直接進入垃圾斗 6 中；同時，殼體l 的底板上的垃圾斗 6 的前部設有導向斜面 垃圾斗 7 的下沿設有向后傾斜的小斜面5 ，導向斜面 小斜面 5 將灰塵導入垃圾斗 4 中。 方案二： 圖 2 方案二簡圖 Fig 2 Numbel two diagram 工作原理：推動車體前進，電機通過傳送帶將運動傳遞給帶輪 滾筒軸 3 ，從而帶動毛刷滾筒 3 作逆時針轉動；同時，主動帶輪通過傳送帶將運動傳給帶輪 齒輪 10 再傳給齒輪 6 最后傳給輸送輪 7，再帶動傳送 帶 5 作順時針轉動。在毛刷和刮鏟 4 的共同作用下，通過傳送帶 5 以及卸料板將垃圾送到垃圾箱 7 中。 方案三： 13 圖 3 方案三簡圖 Fig 3 Numbel three diagram 工作原理：推動清掃機前進，電機 1 將運動傳給帶輪 2 再有帶傳動傳給帶輪 3 從而使同一根軸上的帶輪 7 和錐齒輪 9 旋轉。帶輪 7 將運動傳給帶輪 8，帶輪 8 帶動主刷 13 作逆時針旋轉，通過傾斜的導向刮板 12 將垃圾送入垃圾箱內。同時錐齒輪 9 帶動錐齒輪 10 轉動，再有帶傳動將運動傳給兩側刷 1 14 使側刷 11 作 順時針轉動，側刷 14 作逆時針轉動，將兩側的垃圾掃到中間，傳給主刷 13 由主刷將垃圾掃入垃圾箱內。 方案對比： 方案一：此方案結構簡單、設備體積小。適合小面積的清掃工作，但此清掃機垃圾箱容量小、進塵口小而且此清掃機的電池容量不易過大，容量低，不適合長時間的清掃工作，并且不適合較大些垃圾的清理。 方案二：此方案清掃機可以清掃大型的垃圾雜物，而且垃圾容量大，可配置較大容量的電池，適合長時間的工作，并可作為院落、工廠、小區(qū)等較大面積區(qū)域的清掃工具。但此方案的清掃機由于帶的存在可能使此設備的尺寸較大，且不 易用于清掃灰塵等細微輕小物質。由于清掃機兩邊存在清掃死角，不能清掃墻角和靠近障礙物的地方。 方案三：此方案彌補了前兩種方案的缺陷，可以對各種大小的垃圾進行清理，兩側的清掃刷可方便的清掃墻角及靠近障礙物的地方。并且由于兩側的清掃刷的存在，相對于第二種方案大大的增加了清掃寬度，而且轉彎半徑不變。并且配置了大容量的電池和大容量垃圾箱，大大提高了工作效率和清掃效果，可進行長時間的工作。除作 14 為走廊清掃工具外，也可作為院落、工廠、小區(qū)等較大面積區(qū)域的清掃工具。此方案是一種理想的經濟實用的走廊清掃機設計方案。 因此綜合考 慮選擇第三種方案作為最終設計方案。其實體外形如下圖： 圖 4 整體示意圖 Fig 4 Whole diagram 3 動力裝置的確定 蓄電池的選擇 選用蓄電池型號 清掃機所使用的蓄電池要求在使用過程中能夠完全放電，不排放有害氣體，不污染環(huán)境。 由此針對此設計選用鉛蓄電池，型號為： 3DAW250 有關性能為： 標準電壓為 12V 其比能量達 250w? h/kg 使用壽命為充放電 1200 次 放電深度為 75% 外形尺寸為：長 寬 高 =120mm70mm70mm 重量約為： 5kg 此蓄電池外形圖 為： 15 圖 5 蓄電池 Fig 5 Battery 此蓄電池的性能 ： （ 1）該電池為全密封閥控式（可維護）電動車專用蓄電池，具有全密封防泄露設計、安全可靠、自放電小、容量大、比能量高等優(yōu)點。 （ 2）污染少，噪聲小?？蓽p少排污 97%，甚至可做到零排污 （ 3）節(jié)約能源，為普通蓄電池耗能的 2/3 （ 4）結構簡單、控制方便，易于操作和維修 （ 5）使 用時間長，充電后每次可用 15 小時 （ 6）有足夠的功率供清掃機達到每小時清掃面積不低于 1000 平方米的要求。 （ 7）使用壽命長，一般可充電 700 次左右 3. 2 電動機的選擇 （ 1）電動機類型和結構型式 電動機類型和結構型式可以根據(jù)電源的種類、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點（性質、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。 在移動的設備中和蓄電池配套的較常使用的電機有直流電動機和步進電動機。 直流電動機的優(yōu)點：容易購得，型號多，功率大，接口簡單，適合大型機器。 直流電動機的缺點：太快需要齒輪減速器， 電流通常較大，較難與車輪裝配，控制復雜。 步進電動機的優(yōu)點：精確的速度控制，型號多，適合室內機器人的速度，接口簡單，便宜。 步進電動機的缺點 : 功率與自重比小，電流通常較大，體積大，較難與車輪裝配，負載能力低，功率小，控制復雜，運動時產生震動 ]5[ 。 16 清掃機多在室內環(huán)境下工作，要求控制較簡單，運行平穩(wěn)，因此選擇直流電動機。 （ 2）直流齒輪減速電動機的選擇 齒輪減速電機有時叫做齒輪馬達或減速電機。它們通常由轉軸上帶有減速器的直流電動機有刷電機組成。如果一個電機看上去明顯由兩個 不同的部分連接而成，那么就可以認定它是齒輪減速電機。齒輪減速電機通常通過減小電機速度來增加旋轉能力。 因為直流電動機仍然從內部伸出兩個相同的插頭，所以齒輪減速電機與普通電機一樣使用方便。與最后一級齒輪相連的是一根轉軸。這個新轉軸的末端伸出減速器的頂部，便于輪子和其他元件與其相接。這個伸出減速器的新轉軸代替了伸出電動機的老轉軸。當查看電動機時，如果轉軸沒有從中心伸出，那么這個電動機可能是齒輪減速電動機。 選擇普通直流電動機所用的標準仍然適合用來選擇齒輪減速直流電動機，即檢查電壓，尺寸，重量和 RPM。在大轉矩應 用場合，常選用帶有金屬齒輪和金屬減速器機架的行星輪減速器。塑料齒輪具有非常輕的質量，更適合低轉矩，需要反應迅速的應用場合。本設計中選用金屬齒輪的減速電機 ]6[ 。 （ 3）電機功率的計算 電動機容量（功率）選得合適與否，對電動機的工作和經濟性都有影響，當容量小于工作要求的時候，電動機不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；容量過大則電動機價格高，能量充分利用，經常處于不滿載運行，其效率和功率因數(shù)都降低，增加電能消耗造成很大浪費。 電動機容量主要根據(jù)電動 機運行的發(fā)熱條件來決定。電動機的發(fā)熱與其運行狀態(tài)有關。對于長期連續(xù)運轉，載荷不變或變化很小，常溫下工作的機械，只要所選電動機的額定功率 Pm 等于或大于所需電動機功率 P0，即 Pm=P0，電動機在工作時就不會過熱，而不必校驗發(fā)熱和起動力矩 ]7[ 。 清掃機清掃材料選用尼龍材料。設計圓盤毛刷受力約為 F1 =50N，轉速為 n1 =60r/min.滾筒清掃受力約為 F=75N,轉速為 n=