榮必賢 林敏 成一楠 王玨 雷雪媛

西南交通大學(xué)，四川 成都 611756

新型自動(dòng)樓梯清洗機(jī)的設(shè)計(jì)及有限元分析

榮必賢 林敏 成一楠 王玨 雷雪媛

西南交通大學(xué)，四川 成都 611756

為了減輕人力，基于對(duì)實(shí)際樓梯的具體分析，設(shè)計(jì)了此樓梯清洗機(jī)器。通過(guò)電機(jī)及帶傳動(dòng)帶動(dòng)三葉輪上下樓梯，通過(guò)絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刷子左右及前后運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)水槽前后運(yùn)動(dòng)完成對(duì)刷子的清洗。以最易破壞的零件進(jìn)行有限元分析，證明機(jī)器的可實(shí)現(xiàn)性。機(jī)器全程通過(guò)單片機(jī)精確控制。

自動(dòng)清洗；機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)；控制；分析

樓梯是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚脑O(shè)備。目前社會(huì)上的相關(guān)樓梯清潔機(jī)器主要存在兩種缺陷。一種是裝置的上下樓過(guò)程不穩(wěn)定；另一種是機(jī)器的設(shè)計(jì)注重于上下樓梯的過(guò)程，而忽視了機(jī)器對(duì)樓梯的清掃效果。目前大多數(shù)同類機(jī)器對(duì)樓梯的清洗僅僅只是一個(gè)干擦的過(guò)程，而沒(méi)有考慮到清洗工具的換洗，這大大降低了裝置對(duì)樓梯的清洗效果。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，我們?yōu)闃翘萸鍧嵭l(wèi)士配套了刷子的清洗功能和廢水處理功能，大大增加了裝置對(duì)樓梯的清洗質(zhì)量，徹底取代人力。

1、機(jī)構(gòu)及原理介紹

1、1 上下樓梯機(jī)構(gòu)

主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)后主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，后主軸帶動(dòng)后輪系轉(zhuǎn)動(dòng)。后主軸通過(guò)皮帶輪將旋轉(zhuǎn)傳遞給中間傳遞軸將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給前主軸，前主軸帶動(dòng)前輪系轉(zhuǎn)動(dòng)。車子的每個(gè)“輪子”是由三個(gè)子輪子和三根連軸組成風(fēng)車的樣式所構(gòu)成。車子上下樓梯時(shí)由兩個(gè)前輪中心位置的電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)車式的連軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得周圍的三個(gè)小輪子能夠進(jìn)行有規(guī)律地轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)連軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，整個(gè)裝置也隨之下上升或者下降一個(gè)臺(tái)階。

1、2 刷子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

橫向絲桿帶動(dòng)刷子同步左右運(yùn)動(dòng)，清洗樓梯，豎向絲桿帶動(dòng)刷子前后運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng)一是為了清除掃在一起的垃圾，二是為了配合水槽的前后運(yùn)動(dòng)而清洗刷子。清潔機(jī)器的主要清潔工具為兩把以海綿為主要材料的刷子，從樓道中心位置開(kāi)始，分別向樓道兩端清洗。另外，刷子的梯形形狀設(shè)計(jì)能夠避免一些死角的生成，盡可能地使整個(gè)樓道得以全面清洗。

1、3 水槽運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

水槽前后運(yùn)動(dòng)是由齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪齒條前后運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，水槽中分布有噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)臟后的刷子進(jìn)行清洗。

1、4 清洗刷子及水循環(huán)部分

橫向絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刷子向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水槽向前運(yùn)動(dòng)，水槽部分區(qū)段對(duì)刷子擠壓完成對(duì)刷子的清洗。在后主軸上方安放水箱，采用12V小型水泵進(jìn)行抽水及噴水，噴頭安放于水槽旁壁，水槽后端有專門的回收水管，回收后的水經(jīng)過(guò)過(guò)濾流回水箱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的循環(huán)利用。

2、控制部分簡(jiǎn)介

制步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)上樓過(guò)程的精確控制，輔助電機(jī)則是采用普通直流無(wú)刷電機(jī)，可以輕松實(shí)現(xiàn)平地行走；清洗系統(tǒng)包括清洗臺(tái)階和清晰刷子兩部分，一共包括兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)和一個(gè)微型水泵，利用單片機(jī)輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)各個(gè)工作部分的順序工作，達(dá)到需要實(shí)現(xiàn)的功能；自檢系統(tǒng)是本裝置的又一亮點(diǎn)，采用超聲波傳感器測(cè)距，實(shí)現(xiàn)機(jī)器在平地上的精準(zhǔn)定位，利用限位開(kāi)關(guān)反饋到單片機(jī)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)上樓過(guò)程輪系位置的精準(zhǔn)控制。

3、有限元分析

機(jī)構(gòu)中受扭力最大的零件是前后主軸與前后輪系的連接件，對(duì)它進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如下：通過(guò)分析，應(yīng)力應(yīng)變均完全符合要求，所以選擇性價(jià)比較高的材料合金鋼是十分合理的。其它機(jī)構(gòu)中的零件更能滿足要求。

4、創(chuàng)新性及發(fā)展前景

4.1、樓梯清潔器主體裝置呈現(xiàn)的是一輛車子的形狀，一個(gè)“車身”，加上四個(gè)“輪子”，使得本產(chǎn)品的穩(wěn)定性大大得以提高，從而解決了滑移、傾斜、失穩(wěn)等問(wèn)題。

4.2、絲桿帶動(dòng)刷子運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單而又巧妙地實(shí)現(xiàn)了清潔工具的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)，所需的零部件結(jié)構(gòu)造價(jià)較低，符合廣大人民群眾的需求。

4.3、刷子本身使用的是海綿材料，具有材質(zhì)柔軟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，刷子上儲(chǔ)水均勻，釋放也較為均勻，清洗效果較好。

4.4、清潔機(jī)器的車廂上設(shè)計(jì)了一個(gè)清洗槽，通過(guò)對(duì)清洗槽的形狀設(shè)計(jì)來(lái)起到脫水功能。起到自動(dòng)清洗的效果，能始終保持刷子上的海綿清潔狀態(tài)。

此機(jī)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)零件加工便捷，成本較低，對(duì)現(xiàn)有的絕大部分樓梯都能實(shí)現(xiàn)清洗，可大量代替人力勞動(dòng)，為社會(huì)節(jié)約資源，所以它的前景非?？捎^。

控制部分是采用STC89C52RC單片機(jī)為核心，控制各個(gè)電機(jī)以及水泵的工作。如右圖所示：其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是使得機(jī)器上樓以及在平地上行走，采用步進(jìn)電機(jī)作為主軸電機(jī)，利用單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)控

圖1

圖2

圖3

圖4 應(yīng)力

圖5 應(yīng)變

5、結(jié)語(yǔ)

在這一次的探索、研究及設(shè)計(jì)過(guò)程中,非常感謝西南交通大學(xué)對(duì)我們研究的支持以及劉光帥老師對(duì)我們技術(shù)上的指導(dǎo),才讓我們的作品得以完善。特此感謝！

[1] 梁桂明,等.創(chuàng)造學(xué)與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)思路與實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 謝進(jìn),萬(wàn)朝燕,杜立杰.機(jī)械原理.高等教育出版社,2010.

[3] 肖世德,等.機(jī)電一體化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制[M].西南交大出版社，2011.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.089

榮必賢； 性別：男； 出生年月：1989年10月；籍貫：四川廣安；學(xué)歷：本科 ； 職稱：無(wú)； 研究方向：機(jī)械工程。

林敏；性別：男； 出生年月：1989年01月；籍貫：福建莆田；學(xué)歷：本科 ； 職稱：無(wú)；研究方向：機(jī)械工程。