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环保型扫地机的研发
2014-09-13 来源:
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摘要

    设计制作一款多功能、智能化、环保型扫地机。介绍了设计总体方案和工作原理,详细设计了机械结构和控制装置,并运用UG进行三维建模、虚拟装配和运动仿真,获得了最优化结构参数,最终制造出扫地机样机。

    扫地机作为环卫设备之一,是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备,广泛应用于公路、机场、市政广场、城市住宅区等重要场所的清扫保洁。1904年英国出现第一台马拉扫地机,发展已近百年,较有名的扫地机生产企业有英国Ohnston公司、Schmidt公司、美国Elginl公司、德国Faun-Kuka公司、日本Kato公司、富士公司等。从20世纪60年代开始,我国开始研制生产路面扫地机,但相比于国外发达国家,在销量规模、技术水平、清扫效果等方面都存在一定的差距。

    扫地机的尾气污染和噪音污染较大,影响人们的生活质量。随着国家对环保要求越来越高、人们的环保意识普遍增强,现有扫地机在清扫效率、耗时等方面不能满足人们的需求。因此开发一款多功能、智能化、环保型扫地机已是大势所趋。在结合国内外现有扫地机发展现状和存在不足的基础上,设计了一款电机驱动的,集扫地、吸尘、洒水、拖地、擦干五大功能于一体的,既能手工控制又能远程遥控的,新型多功能、智能化、环保型扫地机。

1 总体方案

    根据扫地机作业特点,按扫地机作业功能分成行走、洒水、扫地、吸尘、拖地、擦干及控制等七个子功能,采用电机驱动以实现手工和遥控两种控制方式。该扫地机属扫地、吸尘、拖地功能结合吸空式扫地机,由机械部分和电路部分组成,如图1所示:机械部分由行走驱动系统、转向系统、扫地系统、吸尘系统、洒水系统、拖地系统和擦干系统组成,是该设计的核心部分;电控系统由蓄电池、电机、单片机和遥控装置组成。

   

2 系统设计与仿真建模

    该扫地机的行走、转向和工作装置分别由三个电动机提供动力:行走电机通过齿轮有级减速带动车体的行走;转向电机带动转向机构驱动前轮转向;工作电机输出动力分成两条路线,一路经减速机构和曲柄滑块结构驱动拖地机构作往复运动,而另一路则经带传动后,通过直齿圆锥齿轮换向,以驱动扫地机构作水平旋转运动,轻松实现产品扫地及拖地功能。运用汽车换档原理,设计了两个滑移轴套以控制滑移轴套与齿轮啮合或断开,实现扫地与拖地间的独立或配合动作。工作原理如图2所示。

   

2.1 机械部分

    (1)行走驱动系统。驱动电机经过减速装置2减速后带动车轮转动,实现车体的行走;由电机正反转来控制车体的前进与后退。

    (2)拖地系统。拖地系统由工作电机驱动;滑套装置6啮合时,减速装置5的齿轮与轴8连接,运动传到轴上,从而带动飞轮转动,拖把头通过连杆与飞轮连接起来,利用曲柄滑块原理实现拖把的往复运动;滑套装置6分开时,减速装置5的齿轮与轴断开,齿轮空转,实现拖把运动停止。

    (3)扫地系统。扫地系统由工作电机驱动;滑套装置12啮合时,减速装置5的齿轮与轴13连接,运动传到轴上,从而带动皮带轮转动,带动锥齿轮组转动实现扫盘水平向内转动,将路面垃圾扫拢至中部;滑套装置12分开时,减速装置5的齿轮与轴13断开,齿轮空转实现扫盘停止运动。

    (4)洒水系统。扫地机采用湿式、清扫结合方案,扫盘处设有喷雾式喷嘴,以减少扬尘、降低二次污染。洒水系统由水泵、水箱、控制阀门、过滤器和喷嘴组成。

    (5)吸尘系统。吸尘系统采用气力输送原理抽吸垃圾,通过风机高速旋转将垃圾箱抽吸成强负压状态,产生高速气流将垃圾吸入垃圾箱。

    (6)转向系统。转向电机转动带动转片转动,转片通过连杆带动支架转动,实现车轮的转向;电机停止转动时,在复位弹簧作用下车轮自动复位。

    (7)擦干系统。擦干系统由连杆21、支架和滚筒组成。滚筒随着车体的行走而滚动,将多余水分吸入吸水海绵。

2.2 电控部分

    电控系统采用单片机控制系统,由单片机各输出端口分别控制电磁继电器的通断电、拖动滑移装置与齿轮机构的啮合与分离,实现扫地及拖地的独立或配合工作。同时采用红外遥控装置实现远距离控制。电控系统结构和原理图如图3、图4所示。

   

   

    (1)供电系统。整个电路电源由两个12 V蓄电池串联提供:单片机电源由78L05降压提供,电机由两个的电源串联供电,继电器和电磁铁由12 V的电源提供。

    (2)遥控系统。手持遥控器设有行走驱动开关、转向开关、洒水阀门开关、扫地、拖地开关,与车载电子线路的控制信号相匹配。

    (3)单片机电路。单片机系统由键盘、复位电路、时钟电路等组成。由单片机各口线控制相应的驱动器和继电器。

2.3 三维建模与运动仿真

    根据设计方案载荷要求,对各机构进行运动分析和详细计算,确定主要部件和元件型号及设计尺寸。在此基础上,根据零件初始设计参数,利用UG软件进行三维实体建模,生成零件加工图纸,并依照装配关系进行虚拟装配,最后进行运动模拟仿真,分析各系统的空间运动轨迹,参照设计要求对方案进行最优化设计,其虚拟样机模型如图5所示。

    

3 样机制造与调试

    依照设计零件图,加工出扫地机的各个零件,根据装配图进行整车组装。同时将电控部分进行组装(图6),实现机电结合,对其各项性能进行调试,最终实现了方案设计预期所有功能,基本上能达到性能要求指标。扫地机实物图如图7所示。

   

   

4 结论

    项目组在借鉴与比较国内外各类清洁车特点的基础上,提出了产品设计的工作原理和总体方案,对扫地机各功能组成分解,确定机械系统和控制系统的设计框架。其次,应用UG软件对虚拟样机三维建模与仿真,优化设计产品性能。最后,通过样机加工、装配和性能调试,成功研制了一款多功能智能环保型清洁车。 该扫地机集扫地、吸尘、洒水、拖地、擦干、控制功能于一体,采用直流电机驱动,降低了尾气、噪声等污染,提高了扫地机的综合作业效率,实现智能化、节能、环保,符合环卫车辆的发展方向。

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