張 野 李 彬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

電動(dòng)式自潔拖地機(jī)設(shè)計(jì)

張 野 李 彬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

為了降低清潔工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一臺(tái)電動(dòng)式自潔拖地機(jī)。電動(dòng)式自潔拖地機(jī)將除塵、拖地、自動(dòng)洗滌拖布等功能經(jīng)合理布局設(shè)計(jì)在一起，高效率、高質(zhì)量的完成地面的清潔工作，有效的節(jié)約人力、物力。通過控制車體內(nèi)部壓輥間距可調(diào)節(jié)皮帶拖布濕度，以滿足不同情況下地面清潔濕度要求，進(jìn)而更加高質(zhì)量的完成清潔工作。車輪采用星輪行星輪轉(zhuǎn)換模式，使拖地機(jī)既能平地行走，又能爬樓梯，拓展了應(yīng)用范圍。

拖地機(jī)；自潔；電動(dòng)式

目前，在對(duì)辦公場(chǎng)所以及商用場(chǎng)所室內(nèi)進(jìn)行清掃工作時(shí)一般還是以使用吸塵器為主，在對(duì)一般的室內(nèi)進(jìn)行清潔工作時(shí)仍使用掃帚和拖把這類傳統(tǒng)工具為主[1-3]。如遇到需要清潔工作的面積過大，若只使用掃帚和拖把這類傳統(tǒng)工具來進(jìn)行清潔工作，清潔人員的勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)非常大，且清潔工作效率非常低。現(xiàn)在市場(chǎng)上存在的電動(dòng)式拖地機(jī)，大多數(shù)是在前后各放一個(gè)墩布，拖地的墩布變臟后還需人工清洗，工作效率有待進(jìn)一步的提高。

本著節(jié)能、環(huán)保、高效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的原則，本文設(shè)計(jì)集各種功能為一體、環(huán)保實(shí)用、高效節(jié)能的清潔設(shè)備。該清掃裝置中，墩布通過導(dǎo)布輪循環(huán)工作，并在車體內(nèi)有分隔式清洗槽，使墩布在車體內(nèi)分別經(jīng)過粗洗、精洗幾個(gè)工序，具有自動(dòng)清洗功能，最后通過扎水輪將墩布擰干拖地從而減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。并且，本設(shè)計(jì)具有爬樓梯功能，更適合在多層建筑物中使用。

1 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)由拖地模塊、自潔模塊、清掃模塊、爬樓模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和換向模塊等組成。如圖1所示，1——前行星輪，2——電機(jī)①，3——電機(jī)②，4——皮帶①，5——導(dǎo)布輪①，6——清洗輪，7——活動(dòng)水箱，8——扎水輪，9——導(dǎo)布輪②，10——電瓶組，11——電機(jī)③，12——手扶把，13——皮帶②，14——腳踏板，15——四桿機(jī)構(gòu)，16——萬向輪，17——滾筒，18——后行星輪，19——垃圾收納室， 20——張緊輪，21——拖布，22——導(dǎo)布輪③。

①拖地模塊由電機(jī)[3]、皮帶[4]、導(dǎo)布輪[5]、張緊輪[20]、拖布[21]組成，工作時(shí)電機(jī)通過皮帶的作用帶動(dòng)導(dǎo)布輪旋轉(zhuǎn)，拖布在導(dǎo)布輪的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，拖布與地面的接觸距離由張緊輪調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)拖地的功能。

②自潔模塊由清洗輪[6]、活動(dòng)水箱[7]、扎水輪[8]組成，待拖地拖臟時(shí)，拖布在導(dǎo)布輪的帶動(dòng)下進(jìn)入水箱清洗，在清洗輪的作用下將臟污清掃，出水箱處有一扎水輪，通過扎水輪可調(diào)節(jié)拖布濕度，從而完成一系列的拖布自潔過程。

③清掃模塊由電機(jī)[11]、皮帶[13]、滾筒[17]、垃圾收納室[19]組成，工作時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，再由滾筒上的毛刷槽將垃圾帶入垃圾收納室中，實(shí)現(xiàn)了清掃垃圾功能。

④爬樓模塊由前行星輪[1]、電機(jī)[2]、電機(jī)[11]、皮帶[13]、后行星輪[18]組成。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星輪運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車輪碰到較高的障礙物時(shí)就會(huì)停止不動(dòng)，該輪系中的某一個(gè)自由度會(huì)受到限制，輪系就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾行禽喯?，然后將帶?dòng)其余的輪子作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而越過障礙，實(shí)現(xiàn)了爬樓的功能。

⑤驅(qū)動(dòng)模塊由前行星輪[1]、電機(jī)[2]、電機(jī)[11]、皮帶[13]、后行星輪[18]組成，不爬樓時(shí)不驅(qū)動(dòng)前行星輪，由后行星輪驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，在爬樓時(shí)前后行星輪都驅(qū)動(dòng)，來增加驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)爬樓的功能。

⑥換向模塊由14腳踏板、15四桿機(jī)構(gòu)、16萬向輪組成。當(dāng)清潔車需要轉(zhuǎn)向的時(shí)候，用腳踏下踏板使四桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)一個(gè)角度，將萬向輪降下來代替后面的行星輪，從而實(shí)現(xiàn)清潔車轉(zhuǎn)向的功能。

圖1 設(shè)計(jì)方案

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中共用到了兩種傳動(dòng)：帶傳動(dòng)（撓性傳動(dòng)）和齒輪傳動(dòng)（剛性傳動(dòng)）[4]。拖布旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過V型帶傳動(dòng)，后行星輪及滾筒也是由V型帶來轉(zhuǎn)動(dòng)的，前行星輪是由一對(duì)錐齒輪來傳遞動(dòng)力。

帶傳動(dòng)是利用中間撓性帶，靠摩擦力在主、從動(dòng)輪軸間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。傳動(dòng)時(shí)可以緩和沖擊和振動(dòng)。帶傳動(dòng)中心距較大，可以通過打滑，提高設(shè)備的防過載的能力。帶輪的工作表面應(yīng)光滑，以減少帶的摩擦；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻。

V帶帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)帶輪應(yīng)滿足以下條件：應(yīng)使帶輪具有足夠的強(qiáng)度，重量輕，結(jié)構(gòu)工藝性好，便于制造，無過大鑄造內(nèi)應(yīng)力；當(dāng)帶輪的圓周速度v>5m/s時(shí)，應(yīng)進(jìn)行靜平衡，當(dāng)v≥25m/s時(shí)則應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡。

在本設(shè)計(jì)中，前行星輪驅(qū)動(dòng)使用兩組直齒圓錐齒輪，由于直齒圓錐齒輪的輪齒剖面從大端到小端逐漸縮小，齒輪大端的模數(shù)、剛度均大，小端的則小，所以載荷沿齒寬分布是不均勻的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般假定載荷是集中作用在節(jié)錐線上齒寬的中點(diǎn)上，近似認(rèn)為錐齒輪的強(qiáng)度與一個(gè)當(dāng)量齒輪的強(qiáng)度相當(dāng)，然后用直齒輪的強(qiáng)度理論和公式來分析錐齒的轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)主動(dòng)軸上小齒輪傳遞功率P1=600W，轉(zhuǎn)速n1=320r/m，并作懸臂布置。傳動(dòng)比i=u=2，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到直齒錐齒的加工多采用刨削，故宜選用軟齒面。小齒輪選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，平均硬度280HB，大齒輪選用35CrMo，調(diào)質(zhì)處理，平均硬度240HB。

3 驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方式是由蓄電池供電，采用直流電機(jī)。它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、控制簡(jiǎn)單、具有優(yōu)良的控制等諸多特性。在早期的清潔車上也多采用直流電動(dòng)機(jī)，盡管直流電機(jī)具有成本低，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處如長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，散熱困難限制了電機(jī)的速度和過載能力的進(jìn)一步提升，降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量[5]。

蓄電池是儲(chǔ)蓄電能的一種裝置。它的作用包括蓄電池能接受充電，能將電能存儲(chǔ)起來，還包括向電機(jī)提供電能，并由電機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。綜上所述，本拖地機(jī)選擇36V120AH的USP電池。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求：電機(jī)的功率P=600W，拖地機(jī)行進(jìn)的速度為0.1～0.5m/s，根據(jù)規(guī)定電動(dòng)機(jī)用電流36V直流，選用由寧波市北侖恒峰電機(jī)制造有限公司制造的直流電機(jī)。

圖2 低盤結(jié)構(gòu)圖

4 滾筒軸設(shè)計(jì)

在傳軸上裝一滾筒，通過在滾筒上間距安裝滾刷軸，通過電機(jī)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后使其跟著軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，下面我們就對(duì)軸進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)算。

本設(shè)計(jì)的清潔滾筒載荷不是很大。軸段根據(jù)所受到的扭矩來進(jìn)行初步的計(jì)算，通過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，初步確定軸的最小軸徑dmin=20mm[6]。

為便于裝配，采用階梯軸，軸的直徑從軸的兩端向中間逐漸增大，這樣就可以從軸的左端依次安裝齒輪、套筒、左端軸承、軸承蓋和帶輪；另一滾動(dòng)軸承則從軸的右端安裝。零件安裝在軸上面，要保證其在軸上的準(zhǔn)確位置。為保證清潔滾筒的結(jié)構(gòu)緊湊，可以依據(jù)零件的寬度以及各零件之間的距離來確定軸上的各段長(zhǎng)度。對(duì)于不允許有軸向移動(dòng)的零件，零件受力后要保證不會(huì)改變其位置，即在軸上的定位要準(zhǔn)確固定并可靠。為保證零件在軸上的定位可靠，一般取與輪轂配合的長(zhǎng)度一般比輪轂長(zhǎng)度要短2～3mm。清潔滾筒軸結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。按設(shè)計(jì)要求，滾筒軸上所要支撐的零件主要有帶輪、行星輪、滾刷筒、滾動(dòng)軸承。

圖3 清潔滾筒軸結(jié)構(gòu)

5 自潔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自潔功能是本設(shè)計(jì)中的一大創(chuàng)新點(diǎn)，設(shè)計(jì)的拖地機(jī)將拖地、清洗、擰干這三道工序全部有機(jī)結(jié)合在一起。

拖地的主體是拖布，通過拖布作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來清潔地面，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由導(dǎo)布輪帶動(dòng)，拖地時(shí)為了實(shí)現(xiàn)拖布與地面的接觸程度可以通過張緊輪調(diào)節(jié)壓力，如圖4所示。

圖4 張緊輪

通過擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)彈簧的松緊狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)拖布與地面接觸的狀態(tài)。

拖布在導(dǎo)布輪的作用下，進(jìn)入活動(dòng)水箱前要經(jīng)過一個(gè)清潔滾輪，通過清潔滾輪將拖布上的臟物刷下來，然后進(jìn)入活動(dòng)水箱中，從而完成了自潔的這一過程。

拖布在導(dǎo)布輪的作用下，出活動(dòng)水箱時(shí)要經(jīng)過一個(gè)扎水滾輪，扎水滾輪的作用是調(diào)節(jié)拖布的干濕程度，對(duì)于不同的環(huán)境里通過調(diào)節(jié)扎水滾輪的間隙，實(shí)現(xiàn)拖布的干濕程度。

6 爬樓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬樓模塊是由兩組行星輪組成，每個(gè)行星輪都由前行星架、后行星架、太陽輪、行星輪組成。為使拖地機(jī)適應(yīng)在平地與爬樓兩種情況下工作，前后行星輪都由各自的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在平地時(shí)，拖地機(jī)的后行星輪為主驅(qū)動(dòng)輪，前行星輪的電機(jī)不工作；爬樓時(shí)由于需要更大的功率，前后行星輪一起工作，實(shí)現(xiàn)爬樓的功能，并在爬樓的過程中由于水箱設(shè)計(jì)成活動(dòng)式的在重力的作用下，水箱中的水面一直保持水平的狀態(tài)，在爬樓的過程中水箱里的水不會(huì)灑出來。

行星輪可以兼顧平地行走與爬樓的功能，并且具有體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高以及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是一種比較理想的爬樓方案。圖5為行星輪結(jié)構(gòu)圖。

圖5 行星輪結(jié)構(gòu)圖

7 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中由于爬樓的功能，使得前后的行星輪都是由直軸連接而成，造成了拖地機(jī)的換向困難，設(shè)計(jì)以下方案來避免換向難的問題：由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，當(dāng)拖地機(jī)清潔地面時(shí)，萬向輪是升起來的，當(dāng)拖地機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，通過腳踏板的作用將萬向輪降下來使后面的行星輪離開地面，從而來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能，結(jié)構(gòu)如圖6所示。操作過程如圖7所示。

圖6 四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖7 操作過程簡(jiǎn)圖

8 滾筒設(shè)計(jì)

在滾筒圓周上間隔的均分毛刷，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這些毛刷將交替的進(jìn)行清掃，通過毛刷將垃圾帶入到垃圾箱中，保證清掃質(zhì)量。毛刷的基底為梯形長(zhǎng)條，裝在圓筒的梯形槽內(nèi)，保證不會(huì)在工作中出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，這樣的安裝也給毛刷的更換帶來很大的方便，如圖8所示。

圖8 滾筒工作簡(jiǎn)圖

9 結(jié)論

為了更好的減輕人們?nèi)粘Ｇ鍜吖ぷ?，提高工作效率，本設(shè)計(jì)集拖地、清洗、擰干三道工序于一體。驅(qū)動(dòng)方式采用電動(dòng)方式，在傳動(dòng)系統(tǒng)中通過電機(jī)帶動(dòng)帶輪來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。自潔功能由內(nèi)部活動(dòng)水箱以及導(dǎo)布輪來完成。爬樓功能由兩組行星輪來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向裝置是由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)制造成本底，工作效率高，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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Design of electric self-cleaning floor mopping machine

In order to reduce the labor intensity of workers cleaning the ground, one can climb stairs self-cleaning mopping machine was designed. Self-cleaning mopping machine, mopping the floor, washing mop dry ground, and automatic functions design together, high efficiency and high quality completion of the ground mopping work, effectively save manpower and material resources. By controlling the body internal pressure roller spacing adjustable belt mop humidity, to meet the requirements of different situations and ground cleaning humidity, more high quality finished mopping. By using the star wheel planet wheel conversion mode, the floor mopping machine not only can walking, and can climb stairs, expanding the scope of application.

Floor mopping machine; self-cleaning; electric

TP242

A

1008-1151(2015)01-0079-03

2014-12-12

2013年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310066023）。

張野，供職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。