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

新型自動樓梯清洗機(jī)的設(shè)計及有限元分析

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，基于對實際樓梯的具體分析，設(shè)計了此樓梯清洗機(jī)器。通過電機(jī)及帶傳動帶動三葉輪上下樓梯，通過絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動刷子左右及前后運(yùn)動，通過齒輪齒條驅(qū)動水槽前后運(yùn)動完成對刷子的清洗。以最易破壞的零件進(jìn)行有限元分析，證明機(jī)器的可實現(xiàn)性。機(jī)器全程通過單片機(jī)精確控制。

自動清洗；機(jī)構(gòu)；設(shè)計；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程不穩(wěn)定；另一種是機(jī)器的設(shè)計注重于上下樓梯的過程，而忽視了機(jī)器對樓梯的清掃效果。目前大多數(shù)同類機(jī)器對樓梯的清洗僅僅只是一個干擦的過程，而沒有考慮到清洗工具的換洗，這大大降低了裝置對樓梯的清洗效果。針對這個現(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)動電機(jī)通過齒輪帶動后主軸轉(zhuǎn)動，后主軸帶動后輪系轉(zhuǎn)動。后主軸通過皮帶輪將旋轉(zhuǎn)傳遞給中間傳遞軸將轉(zhuǎn)動傳遞給前主軸，前主軸帶動前輪系轉(zhuǎn)動。車子的每個“輪子”是由三個子輪子和三根連軸組成風(fēng)車的樣式所構(gòu)成。車子上下樓梯時由兩個前輪中心位置的電機(jī)帶動風(fēng)車式的連軸轉(zhuǎn)動，從而使得周圍的三個小輪子能夠進(jìn)行有規(guī)律地轉(zhuǎn)動。當(dāng)連軸轉(zhuǎn)動一周時，整個裝置也隨之下上升或者下降一個臺階。

1、2 刷子運(yùn)動機(jī)構(gòu)

橫向絲桿帶動刷子同步左右運(yùn)動，清洗樓梯，豎向絲桿帶動刷子前后運(yùn)動，前后運(yùn)動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，從樓道中心位置開始，分別向樓道兩端清洗。另外，刷子的梯形形狀設(shè)計能夠避免一些死角的生成，盡可能地使整個樓道得以全面清洗。

1、3 水槽運(yùn)動機(jī)構(gòu)

水槽前后運(yùn)動是由齒輪轉(zhuǎn)動，帶動齒輪齒條前后運(yùn)動實現(xiàn)的，水槽中分布有噴頭，實現(xiàn)對臟后的刷子進(jìn)行清洗。

1、4 清洗刷子及水循環(huán)部分

橫向絲桿轉(zhuǎn)動帶動刷子向后運(yùn)動，同時水槽向前運(yùn)動，水槽部分區(qū)段對刷子擠壓完成對刷子的清洗。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)過過濾流回水箱，實現(xiàn)了對水的循環(huán)利用。

2、控制部分簡介

制步進(jìn)電機(jī)，可以實現(xiàn)上樓過程的精確控制，輔助電機(jī)則是采用普通直流無刷電機(jī)，可以輕松實現(xiàn)平地行走；清洗系統(tǒng)包括清洗臺階和清晰刷子兩部分，一共包括兩個直流無刷電機(jī)和一個微型水泵，利用單片機(jī)輸出控制信號實現(xiàn)各個工作部分的順序工作，達(dá)到需要實現(xiàn)的功能；自檢系統(tǒng)是本裝置的又一亮點，采用超聲波傳感器測距，實現(xiàn)機(jī)器在平地上的精準(zhǔn)定位，利用限位開關(guān)反饋到單片機(jī)的信號實現(xiàn)上樓過程輪系位置的精準(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，對它進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如下：通過分析，應(yīng)力應(yīng)變均完全符合要求，所以選擇性價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“車身”，加上四個“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)等問題。

4.2、絲桿帶動刷子運(yùn)動，這種設(shè)計方法簡單而又巧妙地實現(xiàn)了清潔工具的運(yùn)動問題，同時，所需的零部件結(jié)構(gòu)造價較低，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)簡單，刷子上儲水均勻，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)計了一個清洗槽，通過對清洗槽的形狀設(shè)計來起到脫水功能。起到自動清洗的效果，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)簡單，各個零件加工便捷，成本較低，對現(xiàn)有的絕大部分樓梯都能實現(xiàn)清洗，可大量代替人力勞動，為社會節(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，控制各個電機(jī)以及水泵的工作。如右圖所示：其中驅(qū)動系統(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)輸出脈沖信號控

圖1

圖2

圖3

圖4 應(yīng)力

圖5 應(yīng)變

5、結(jié)語

在這一次的探索、研究及設(shè)計過程中,非常感謝西南交通大學(xué)對我們研究的支持以及劉光帥老師對我們技術(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)品開發(fā)思路與實例[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 謝進(jìn),萬朝燕,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； 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；研究方向：機(jī)械工程。