道路護欄桿清洗機設(shè)計
道路護欄桿清洗機設(shè)計,道路,護欄,清洗,設(shè)計
道路護欄清洗機設(shè)計
Design of Road Guardrail Cleaner
摘 要
城市發(fā)展速度越來越快，人民生活水平日益提高，現(xiàn)在家里擁有一輛車已經(jīng)不再是說夢話了，但是城市的建設(shè)遠沒有城市發(fā)展的速度快，道路上車輛越來越多，交通也變得擁堵，為了防止安全事故，道路護欄也顯得愈來愈重要，但是護欄的美觀也是城市景觀，為了保證護欄的干凈，和使用壽命，不得不花費更多的人力物力對道路護欄進行維護，定期維護成了常態(tài)?，F(xiàn)在繼續(xù)一種機械來代替人工維護，經(jīng)低成本。
以這個為目的對護欄的清洗機有了一些新的想法，對護欄清洗機進行新的設(shè)計，首先我要對目前現(xiàn)狀進行調(diào)查，然后對自己的想法進行更改，再通過三維軟件進行輔助設(shè)計和更改。設(shè)計完成后對主要零件進行計算和繪制二維視圖。
關(guān)鍵詞：護欄 清洗機 設(shè)計
Abstract
Urban development faster and faster, people's living standard is increasing day by day, now home and owning a car is no longer say talk in a dream, but the construction of city is far from urban development faster, more and more cars on the road, traffic has become congested, in order to prevent safety accidents, road barrier also appears more and more important, but the barrier is beautiful is also a city landscape, in order to guarantee the clean of guardrail, and service life, have to spend more manpower material resources to maintain a guardrail, regular maintenance has become the norm. Now to continue a machine to replace artificial.
maintenance, the low cost. For the purpose of the cleaning machine has some new ideas of guardrail, barrier washer for the new design, first of all, I want to investigating the current situation, and then to change their ideas, and then through the 3 d software aided design and change. After the completion of the design of main parts to calculate and draw 2 d view.
Keywords: Fence Washing machine design
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國內(nèi)外同類技術(shù)的發(fā)展水平及應(yīng)用 1
1.3 國內(nèi)的清掃車存在的技術(shù)差距 2
1.4現(xiàn)在的護欄清洗車的主要結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點 2
1.4.1盤刷式 2
1.4.2滾刷式 3
2 整體方案的確定 5
2.1頑固污漬清洗技術(shù)方案 5
2.2道路護欄清洗原理 5
2.3總體方案的確定 6
2.4高壓水路系統(tǒng) 6
2.5主要技術(shù)參數(shù)的確定 7
3 機械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.1對其工作原理進行詳細的介紹 10
3.2擋板的作用和設(shè)計 11
3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理 13
3.4電動機調(diào)速系統(tǒng) 13
3.5旋轉(zhuǎn)高壓噴頭的工作原理 14
4 主要零件設(shè)計 16
4.1設(shè)計要求 16
4.2毛刷的設(shè)計 16
4.2.1求尼龍絲的個數(shù)。 16
4.2.2尼龍絲的撓度公式進行求解尼龍絲所受的力F。 18
4.3洗刷桿高壓水旋轉(zhuǎn)設(shè)計 19
4.4調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 21
4.5角度調(diào)節(jié)的設(shè)計 23
4.6調(diào)節(jié)桿的設(shè)計 24
總結(jié) 26
參考文獻 28
致謝 29
附錄A 30
III
1 緒論
我國的道路建設(shè)近幾年迅猛發(fā)展，公路護欄也越來越多。公路護欄受到車輛的尾氣、灰塵黏附以及其他的影響因素，表面會有同程度的污染，現(xiàn)代城市的發(fā)展，由于人工清洗的勞動強度比較大，清洗效率低；并且負責清洗的工人身處高速行駛的機動車道路上，極易發(fā)生交通安全事故。周圍空氣中尾氣濃度比較高，嚴重危害清潔工人的身體健康。車載式高壓水清洗一次性投入太高，一般中小城市難以負擔，并且由于車輛行駛在道路上不能保證與道路護欄平行，清洗處在車行逆向部分護欄表面是會清洗不到或未清洗；耗水量比較大，清洗效果差，而且城市里一般三車道或是雙車道，清洗車嚴重影響交通。
護欄清洗機如果以護欄為導軌，不會出現(xiàn)因為脫離而未清洗的情況，機構(gòu)比較簡單、成本低、無污染，還能夠?qū)崿F(xiàn)對支墩的清洗，和我國高等級公路養(yǎng)護機械的節(jié)能、高效、低噪聲、低污染自動化程度高的發(fā)展相適應(yīng)，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。
1.1 研究背景
管理設(shè)施是一個城市的名片，標志著一個城市管理水平的高低。也是在道路上發(fā)揮著重要的作用，規(guī)范道路交通等。
現(xiàn)在城市里的車輛急劇增加，在繁忙的道路交通當中，公路街道護欄無疑發(fā)揮著其極重要的作用。而它不僅僅是在維持良好的交通秩序，提高公路交通安全性，它也是城市中一道亮麗的風景，表面容易受到空氣中的灰塵粘附、道路積水濺射、汽車尾氣等其他因素影響，表面容易被污染，影響城市美觀，而且道路工人清洗起來勞動強度比較大、效率低、容易發(fā)生危險，因此，設(shè)計一種高效的護欄清洗車是非常有必要的，不僅有廣闊的市場空間也具有較好的社會效益。國內(nèi)道路不斷的發(fā)展，機械化養(yǎng)護成了一種必然的趨勢，護欄清洗車作業(yè)簡單方便，清洗效率高，除塵效果好，相比人工清洗成本比較低。故護欄清洗機的需求呈現(xiàn)出一個快速上漲的態(tài)勢。
1.2 國內(nèi)外同類技術(shù)的發(fā)展水平及應(yīng)用
對公路隔離欄進行清洗時，護欄兩側(cè)同時擦洗。可對最高1.4米的護欄進行清洗，特別適合圖案復(fù)雜的金屬護欄?？砂醋o欄的污濁程度控制作業(yè)速度。備有清洗劑添加箱，目前采用國產(chǎn)躍進2.5噸底盤。 在兩側(cè)進行清洗，前面噴水后面清洗，清洗過后可以達到85%。它的操縱部分采用人性化的設(shè)計使操縱更加方便。作業(yè)時由駕駛員一人同時完成駕駛與操作，方便，簡潔，降低了作業(yè)成本。它的A型毛刷采用復(fù)合聚酯材料，質(zhì)地柔軟，經(jīng)久耐用。作業(yè)完畢，可快速將刷體載于特制的車架上入庫從存放。
BXH5040TQX型清洗車是新一代多功能公路設(shè)施清洗設(shè)備。它可全自動高速的擦洗城市道路各種型式的隔離護欄?？梢詫值雷o欄和兩側(cè)墻體進行清洗。還可以清洗城市當中墻上，護欄上的小廣告。
1.3 國內(nèi)的清掃車存在的技術(shù)差距
國內(nèi)的清洗車種類數(shù)量都比較多，技術(shù)發(fā)展也相對成熟，和發(fā)達國家比起來差距還很大，國內(nèi)的道路護欄清洗車的除塵效果、工作效率和工作效果與發(fā)達國家差不多，不過在除噪音、自動化、可靠性等方面還是有很大差距。外國內(nèi)的清掃車在以下幾個方面有待改進:如在高可靠性上，設(shè)備的高可靠性就是指某種設(shè)備的可靠程度，即在其正常使用當中的無故障間隔時間的長短。國產(chǎn)工程機械平均無故障間隔時間為150小時一300小時。而國外工程機械都在600小時一2000小時。我國工程機械的平均使用壽命僅為國外同類產(chǎn)品的1/2，甚至不到1/2。
1.4現(xiàn)在的護欄清洗車的主要結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點
目前國內(nèi)護欄種類比較多，大多都是由圓形截面和方形截面的鋼筋或鋼管焊接而成，再有螺母擰緊確定長度。城市當中用的比較多，圖中的護欄長3m，高度底座高度200mm如圖1-1所示。
圖 1-1方形截面焊制而成的護欄
目前國內(nèi)護欄清洗車主要有兩種：盤刷式和滾刷式。
1.4.1盤刷式
如圖1-2所示中間護欄2、驅(qū)動馬達1、液壓缸4、盤刷3和噴水桿（圖中沒有）等部分組成組成了盤刷式道路護欄清洗機。
圖 1-2盤刷式護欄清洗車
車輛上攜帶水箱、低壓水泵和液壓系統(tǒng)等，安裝架固定在車架大梁上，可進行折疊和展開，清洗作業(yè)時展開，行駛時折疊。
在盤刷的前后方裝有噴水裝置，盤刷的刷毛由尼龍絲制成，工作中刷盤3夾緊護欄2，并在液壓馬達1驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，同時噴水裝置向護欄噴水。刷盤的夾緊力有液壓缸4控制，車輛向前行駛，完成清洗工作。
此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并且清洗的水漬沿著護欄的上下甩出，不易飛濺到車輛或行人的身上。不需要擋水裝置，易損件不多。
缺點：盤刷的直徑是固定的，所以他清洗的范圍有限，而且只能清洗A、C面，不能清洗B、D面（參照圖1-1），耗水量較大，工作中車輛要和護欄的距離保持基本不變，對駕駛員要求較高。
1.4.2滾刷式
如圖1-3所示中間護欄2、滾刷1、噴水桿（圖中沒有）和擋水罩3等部分組成滾刷式護欄清洗機。
圖 1-3滾刷式護欄清洗車
車輛上攜帶水箱、低壓水泵和液壓系統(tǒng)等，安裝架，可以固定在車輛的前端或側(cè)面，同樣可以折疊或伸縮，清洗作業(yè)時展開，行駛時折疊。滾刷裝在架子上面，馬達帶動滾刷旋轉(zhuǎn)，對護欄進行清洗，但是只能清洗道A面。如果一邊裝一個的話，也只能清洗A、C面。清洗中前后進行噴水浸濕。擋板3擋住滾刷1甩出來的水，防止甩出來的水影響過往車輛的正常行駛，和濺到行人的身上。
此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：清洗效果好；清洗作業(yè)時水壓低，水霧少。
缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滾刷毛易磨損，使用成本較高，耗水量大；作業(yè)時，工作中車輛要和護欄的距離保持基本不變，對駕駛員要求較高；只能清洗護欄的一面或兩面，不能清晰B、D面。
2 整體方案的確定
2.1頑固污漬清洗技術(shù)方案
雙滾刷對夾進行清洗工作的時候如果有清水進行輔助，可以清洗的更加容易更加干凈，護欄上的污漬在清水的沖擊和滾刷相互對夾的摩擦洗刷下，更容易實現(xiàn)清洗清潔。經(jīng)過研究調(diào)查，兩個立式擺放的滾刷把道路護欄夾在中間進行清洗，如果滾刷的旋轉(zhuǎn)方向和前進的方向相反，能夠保證最大限度的對道路護欄進行清洗，可以提高對道路護欄的摩擦力和沖擊力。其中的滾刷都是由高壓水流沖擊旋轉(zhuǎn)的，每根刷桶上都是由盤裝的刷毛疊加而成。在實踐中發(fā)現(xiàn)：滾刷的掃毛材料、轉(zhuǎn)速、直徑以及清洗機的前進速度是影響道路護欄清洗效果的主要因素。當直徑越大時，對夾重疊的范圍也就越多，清晰的效果也就越明顯；由于道路護欄的形狀不規(guī)則，而且不能保證是一條直線，需要掃毛材料具有很高的柔韌性來對道路護欄的輪廓進行覆蓋；轉(zhuǎn)速越大時，刷頭對污漬的作用力也越大，清楚效果越明顯，清洗車的速度如果越快，清洗的效果也會越差。通過實際模擬實驗得到結(jié)論：前進的速度為到7.5的時候，想要清洗的潔凈度達到90%以上，轉(zhuǎn)速為350r/min，掃毛材料用尼龍絲硬毛刷和尼龍軟布條組合而成。滾刷直徑應(yīng)保持在500mm到600mm之間。
清水清洗污漬的時候，污漬受到水以后，需要一段時間進行濕潤，這樣污漬和護欄表面結(jié)合水膜增厚，結(jié)合力減弱，表面張力減小，在經(jīng)過滾刷的摩擦，污漬會脫離道路護欄表面，在經(jīng)過高壓水的清洗形成污漬流，最后完成清洗。一定的浸潤時間后,再介入毛刷刷洗,低壓水噴刷。滾刷刷洗后,一些污漬雖然被刷毛剝離原表面位置,卻由于毛刷本身粘持有污漬,依然會有部分污漬以痕跡形式殘留在護欄表面;同時,在護欄下部,一些污漬流還正處于沿護欄下流的過程中。因此,在滾刷后還應(yīng)另外接力性安置1個高壓噴嘴,專門負責清理刷痕,同時驅(qū)趕和加速污漬流脫離護欄。該清洗序配是一個比較理想的高效清洗過程。筆者在研究中還發(fā)現(xiàn),滾刷前后設(shè)置低壓、高壓2組噴嘴其前、后低壓噴嘴向2個滾刷噴水,使?jié)L刷毛刷帶水作業(yè),而前、后高壓噴嘴則主要向護欄噴水,使護欄不僅在刷洗前得到預(yù)先濕潤,刷洗后也可得到有效沖洗,從而完成“預(yù)濕潤+刷洗+沖洗”的加強模式,有利于提高清洗效果。
2.2道路護欄清洗原理
護欄清洗機工作原理如圖2-1所示，
圖 2-1 護欄清洗機原理
圖中護欄2兩側(cè)的滾刷夾緊護欄，兩個滾刷重疊了（2-3cm），使2滾刷形成一個整體，中間不留間隙。滾筒在清洗表面的時候前后高壓噴管對刷筒進行噴水，已達到清洗的目的。滾筒旋轉(zhuǎn)的方向和清洗機前進的方向相反，這樣可以有足夠的清洗時間和清洗強度。前面的噴水裝置采用高壓噴嘴形成霧化氛圍對護欄污漬進行三維浸潤，后面的噴水裝置采用低壓噴嘴，主要對護欄進行沖洗，中間的滾刷對護欄進行清洗。從而達到良好的清洗效果。
2.3總體方案的確定
總體結(jié)構(gòu)是龍門式結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)和護欄的結(jié)構(gòu)比較貼合，這樣在行走方面可以讓護欄作為導軌，在導軌上行走，機構(gòu)簡單、成本低、無污染，且不對道路交通產(chǎn)生影響，與我國高等級公路養(yǎng)護機械節(jié)能、高效、低噪音、低污染、和自動化程度高的發(fā)展趨勢相適應(yīng)，所以采用龍門式結(jié)構(gòu)是一個比較好的選擇。利用高壓水噴射的方式和滾刷擦洗方式來清洗，不僅效率高，而且質(zhì)量好。高壓噴射只需要高壓泵提供3MPa到9MPa的壓力就可以了，然后用扇形噴口噴出。以極高的速度噴出一股能量高度集中的水柱，利用這股具有極高能量的水柱進行初步清洗。高壓水噴射清洗應(yīng)用范圍較廣，而且價格低、更加耐用，效果好，無污染，效率高。
2.4高壓水路系統(tǒng)
高壓水路系統(tǒng)由高壓水泵、高壓球閥、噴水桿、噴嘴和水箱等部件組成。高壓水泵用電動機帶動。噴水桿上有高壓噴嘴，噴嘴的數(shù)量由護欄高度決定。噴嘴噴出的水流主要有兩種形式集中水流和扇形水流。集中水流形式的噴嘴水流呈直線型噴出，水流作用力作用在一個點上，打擊力比較大，射程比較遠；扇形水霧類型的噴口其水霧作用在一條線上，作用范圍比較廣。但是射程比較近。水的速度對射程很敏感，隨著射程的增加而迅速降低。扇形噴嘴常用于路面清洗，扇形角110°和55°，使用非常廣泛，噴水桿上的噴嘴間距只要保證扇形面水流重疊即可。噴水桿上噴嘴的噴射方向和噴水桿的數(shù)量根據(jù)所清洗的護欄應(yīng)該有一些區(qū)別。比如清洗圓形截面的護欄時應(yīng)該采用圖5中的方式A，噴嘴的扇形面和護欄面垂直，方形截面護欄應(yīng)該采用圖5中的方式B，噴嘴的扇形面和護欄夾角是45°布置。左右共兩根噴水桿。擋水罩作用是防止水飛濺，高壓水會產(chǎn)生大量水霧，會影響道路旁邊經(jīng)過的汽車。
2.5主要技術(shù)參數(shù)的確定
根據(jù)護欄高度和噴水桿的數(shù)量來確定噴嘴的數(shù)量。護欄清洗時水壓為7～9MPa，距離（噴嘴離護欄的距離）為100～200mm時效果比較好，根據(jù)工作壓力，來選擇噴嘴的流量，進而確定水泵的壓力和流量。
假設(shè)噴嘴的流量為q（m3/s），壓力為p（Pa），數(shù)量為n（個）
所需水泵的流量為：
水泵壓力為：
驅(qū)動水泵的功率為：
式中：Q水泵的流量，m3/s；
水泵的壓力，Pa；
水泵的機械效率，通常為0.95左右。
由于系統(tǒng)管道比較短，忽略管道中對水的阻力和連接口的阻力損失。
護欄清洗車的優(yōu)缺點
優(yōu)點：水射流技術(shù)比較簡單，消耗件比較少，工作可靠，技術(shù)比較高端，容易實現(xiàn)，無接觸不存在磨損，可以清洗圓形截面和方形截面的護欄A、B、C、D（見圖1-1）4個面，能夠達到全方位的清洗，沒有死角，操作簡單方便，能適應(yīng)不同高度的護欄；無需駕駛；通過擋板可以對水進行回收，節(jié)約用水。
缺點：由于護欄不連續(xù)，當高壓水噴水護欄間隙時，會對擋板產(chǎn)生很大的沖擊，對擋板的要求比較高。
3 機械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖3-1所示清洗機是由機械連接件通過間距調(diào)空隙部件對稱組成，是龍門框架分離式結(jié)構(gòu)，這兩部分都具有獨自的驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。在工作的最初，車架會自動裝接，通過車架將清洗部分放在護欄上面，在高壓水泵的動力下，帶動滾刷對護欄進行清洗，并間歇向護欄進行噴水。擦洗部件是由高壓泵對其提供高壓使其轉(zhuǎn)動并提供水，在離心力的作用下水被甩出，一可以擦拭護欄，二可以帶走滾筒上的污漬。動力系統(tǒng)是在清洗車的上方，底部為四個萬向輪，上方的動力系統(tǒng)由電動機驅(qū)動，以護欄為導軌進行前進，通過PWM進行速控制。
圖 3-1主視圖
3.1對其工作原理進行詳細的介紹
圖 3-2道路護欄清洗機的結(jié)構(gòu)1
圖 3-3道路護欄清洗機的結(jié)構(gòu)2
（參照圖3-2、3-3）由高壓噴管1、水箱2、擋板3、內(nèi)架4、外架5、高壓水泵6、高壓水缸7、滾刷8、回收槽9、高壓導管10、回收水導管11、注水管12、角度調(diào)節(jié)滑桿13、彈簧14和回收水回水箱管15.
道路護欄清洗機進行清洗工作的時候，道路護欄從整個結(jié)構(gòu)中心穿過。整個結(jié)構(gòu)中，高壓噴管1總共有4個呈對稱分布，均勻分布在滾刷8的前后，工作時，滾刷8前面的兩個高壓噴管1對護欄進行第一次沖洗。經(jīng)過調(diào)查，護欄上的污漬經(jīng)過第一遍的沖洗之后，
污漬被水浸泡之后會變得松軟，比較容易刷掉。在清洗技術(shù)上，我采用的是“高壓霧化濕潤+滾刷擦洗+高壓水沖洗”組合清洗方式。這樣清洗效果可以達到95%以上。
在滾刷上我選用的是高壓水帶動滾刷旋轉(zhuǎn)，采用這種方式的好處是：1.在清洗的過程中滾刷會沾有污漬，雖然會甩出去，但不一定可以甩干凈。所以高壓水在提供完動力的同時會有一部分水流入到滾刷當中對滾刷進行清洗，水會把滾刷上的污漬帶走。2.前后高壓噴水管可以用同一個電機帶動，如果滾刷也用電動機帶動的話比較耗電，而且也會增加成本。滾刷在旋轉(zhuǎn)的過程中，其旋轉(zhuǎn)的方向是和前進的方向相反的，因為這樣能夠保證最大限度的對道路護欄進行清洗，可以提高對道路護欄的摩擦力和沖擊力。而且污漬會甩到前方，不會對已經(jīng)清洗完成的部分造成影響。而且在設(shè)計的時候也對刷桶設(shè)計了一定的傾斜角度，由活動可鎖定桿13控制。在角度的作用下，滾刷旋轉(zhuǎn)的時候會出現(xiàn)最低點，重力加上離心力的作用，會使最低的成為最容易甩出的位置。甩出以后，會直接甩到兩側(cè)的擋板3上面.高壓噴頭噴出的水絕大部分會噴到擋板上。
3.2擋板的作用和設(shè)計
當高壓水和滾筒的污漬噴到擋板上以后會貼在擋板上，擋板不是一塊通板，它像百葉窗一樣，當水和污漬噴到上面去以后會從另一面流下去，流到底部水的回收槽當中，這樣既可以對水進行回收利用，又不會因為噴出的高壓水影響到過往的車輛及行人。板子的材料采用普通的鋁合金，可以減輕質(zhì)量，而且硬度也可以達到要求。
清洗機的支架有兩個，外架5和內(nèi)架4，內(nèi)架主要是對高壓噴管和滾刷進行固定和角度固定.內(nèi)架4和外架5的組合主要是為了提供滾刷的上下運動，在彈簧14的作用下形成上下運動。滾刷的上下運動是為了模仿工人清洗護欄的動作，這樣可以清洗的更加干凈。內(nèi)架4的設(shè)計是為了固定清洗結(jié)構(gòu)。外架5的設(shè)計主要依據(jù)是工作設(shè)備的輔助設(shè)備安裝，是經(jīng)過一點一點的修改最終確定的結(jié)構(gòu)。
圖 3-4 擋板
圖 3-5回收槽
工作第一步是高壓水泵6對水箱2進行充壓，水箱2中的水在氣壓的作用下經(jīng)過注水管12到達高壓水缸7，高壓水缸7在高壓泵6的充壓作用下產(chǎn)生高壓經(jīng)過高壓管10到達高壓噴管1，高壓噴管1噴射霧狀水滴對護欄進行浸濕，滾刷8進行刷洗，所產(chǎn)生的水和污水噴在擋板3上，水順著擋板3留到底部的回收槽9，回收槽9（參見圖3-5）中有一個沉淀池1將污水沉淀后溢出到另一個積水池2，因為主要污漬是灰塵顆粒，所以只需要沉淀就可以。積水池達到一定高度以后高壓水泵6會將積水池中的水抽出，經(jīng)過水回收管11、高壓水泵6和回水箱管15回到水箱2當中。
圖 3-6外架
3.3控制系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理
控制系統(tǒng)由幾部分組成，其中包括單片機、檢測部分、警報裝置、電源部分、電動機驅(qū)動部分等。整個系統(tǒng)是由2個12V-60A的鉛蓄電池提供電源，處理器采用51單片機，主要控制各個部分的啟動、停車、轉(zhuǎn)速、躲避障礙等。為了有效降低電動機頻繁的正反轉(zhuǎn)時驅(qū)動芯片發(fā)熱的程度。檢測裝置有紅外線檢測裝置，還有警報裝置。
3.4電動機調(diào)速系統(tǒng)
本系統(tǒng)中電動機的調(diào)速方法都是PWM調(diào)速，其中水泵的啟停、調(diào)速和行進動力電機分別進行了PWM調(diào)速，他們輸入的PWM信號都是相同的；控制噴嘴的開關(guān)采用的電磁閥，也是通過單片機進行控制。
相對于其他類型的電機，直流電機具有很多優(yōu)點，其速度的可控性，啟動、制動的穩(wěn)定性，調(diào)速的平滑性和經(jīng)濟性等。所以直流電機應(yīng)用最為廣泛。改變電機回路電阻的方法，會有很大一部分電能轉(zhuǎn)化為熱量釋放掉，這會造成極大的浪費；使用控制勵磁的方法，控制功率和能量浪費比較少，但是電動機一旦做好，磁通都是固定的。所以，生活當中都是改變電樞兩端電壓來實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速的。
脈寬調(diào)制方法（pulse width modulation），PWM是改變電樞兩端電壓方法的一種。工作的原理就是通控制電樞兩端電壓的通斷時間（也是線圈兩端電壓的占空比）來控制直流電機的速度，通電時加速，斷電時在負載的作用下減速，通過一個固定的時間通斷，就可以保證輸出一個穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度，從而達到調(diào)速的目的。利用這種方法，我用單片機進行PWM調(diào)速。旋轉(zhuǎn)高壓噴頭的工作原理
汽車發(fā)動機通過減速器帶動高壓水泵，水泵從水箱中吸水，輸出80-120kg/cm2壓力的高壓進入高壓軟管中。高壓軟管經(jīng)過卷筒1、3進入下水道4中。高壓軟管末端的高壓旋轉(zhuǎn)噴頭對下水道進行清洗。
3.5旋轉(zhuǎn)高壓噴頭的工作原理
汽車發(fā)動機通過減速器帶動高壓水泵，水泵從水箱中吸水，輸出80-120kg/cm壓力的高壓進入高壓軟管中。高壓軟管經(jīng)過卷筒1、3進入下水道4中。高壓軟管末端的高壓旋轉(zhuǎn)噴頭對下水道進行清洗。
我設(shè)計的刷桶也是利用高壓旋轉(zhuǎn)原理，所以依據(jù)圖3-8對其原理進行簡單介紹。
圖 3-7滾刷
圖 3-8高壓旋轉(zhuǎn)頭
旋轉(zhuǎn)噴頭是由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子和不轉(zhuǎn)動的軸心兩個部分組成。其中轉(zhuǎn)子部分是由動力輪5和鉸頭1組成，軸心是由軸心3、軸心6、導軸承塊2和推力軸承4組成。
從高壓泵出來的高壓水，一部分經(jīng)過軸心6和軸心3，通過Фb的沖擊動力輪，動力輪將部分水流的動能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)的機械能，推動轉(zhuǎn)子做功。
4 主要零件設(shè)計
4.1設(shè)計要求
1.清洗高度80-120cm
2.清洗速度為每小時至少10公里/小時
3.清潔度98%以上
4.工作是主要有兩個動作，旋轉(zhuǎn)運動和豎直運動
5.質(zhì)量不能太高，但結(jié)構(gòu)要滿足強度要求。
4.2毛刷的設(shè)計
根據(jù)毛刷的工作條件，毛刷選用的是國產(chǎn)的尼龍66做成的尼龍絲均勻的分布在旋轉(zhuǎn)軸桶之上。分布間隙設(shè)計為0.3mm，彈性模量E=5×103MPa
4.2.1尼龍絲的個數(shù)N可以采用先把整體軸在高度分層，再求每層的尼龍絲的個數(shù)。
具體計算如下：
初定旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑為，長度為L=1500mm，尼龍絲的直徑定為4mm，間隙為0.2均勻分布在旋轉(zhuǎn)軸上；
a.軸一周內(nèi)尼龍絲的個數(shù)n
b.旋轉(zhuǎn)軸分布的尼龍絲層數(shù)c
得：尼龍絲總數(shù)N是:
在工作的時候，尼龍絲會變形，變形的尼龍絲清洗一周，OA到OC的變形如圖4-1所示，變形最大的時候是護欄離旋轉(zhuǎn)軸中心距離為17mm時。
圖 4-1最大變形區(qū)
所以O(shè)A=OC=20mm，OB=17mm
在這一瞬間發(fā)生變形的尼龍絲數(shù)為為：
抽取任意一根作為研究對象如圖4-2所示：
圖 4-2撓度變形分析
圖 4-3滾刷刷盤
4.2.2可以假設(shè)尼龍絲是懸臂梁，在自由端受到力F的作用，用如圖所示的撓度公式進行求解尼龍絲所受的力F。
同時：
尼龍絲的轉(zhuǎn)動慣量I為：
L=0.2m
a=0.17m
得出
假設(shè)尼龍絲與護欄接觸的過程中，都發(fā)生了最大變形，則在旋轉(zhuǎn)軸上，參與變形的尼龍絲數(shù)量與F的積為洗刷裝置的工作，高壓旋轉(zhuǎn)噴頭所需要提供的徑向力為F，所以總的徑向力為：
旋轉(zhuǎn)軸的力矩M為：
（其中r是護欄離中心的距離）
設(shè)計如圖所示
4.3洗刷桿高壓水旋轉(zhuǎn)設(shè)計
是根據(jù)動量矩定律：單位時間內(nèi)水流對動力輪的動量矩的改變，等于作用在該水流上的外力對同一軸的力矩。
如圖所示取動力輪內(nèi)的水流分為許多小的流束，用其中的一個微小流束進行研究
圖 4-4推導方程式所用
并在動力論進口前和出口后截取1-1和2-2（如圖4-4所示），斷面的絕對速度和可以當作是軸對稱，這樣的話，我們可以列出微小水流束定常運動的動量矩方程式。
在以動力軸為Z坐標軸的坐標系中，任何一點的絕對速度V都可以分為（圓周方向）和（徑向）和（軸向）三個分量。很明顯，能在Z軸上產(chǎn)生動量矩的只有圓軸分量。假設(shè)微小流束在時間內(nèi)，1-1斷面的水流質(zhì)點運動到了1’-1’斷面，2-2斷面的水流質(zhì)點運動到了2’-2’斷面。顯然整個微小水流束1-1和2-2的界面運動到了1’-1’和2’-2’截面的動量矩的改變，等于2-2’段與1-1’段兩個微小水流的動量矩之差。兩段微小水流的體積都為，所以在單位時間內(nèi)小水流束動量改變?yōu)椋?
作用在水流束上的外力有：動力輪葉片作用的小水流的力；作用在1-1和2-2界面上的壓力；小水流束本身的重力。由于水壓對動力輪的作用是對稱的，其合力一定通過軸心，所以總力矩為零，而且可以把重力忽略不計。得出作用在小水流上的外力矩只有動力輪葉片上的作用力矩
即，小水流的動量矩方程為：
無數(shù)的小水流組成了動輪的總流。對其兩端進行積分，即：
通過轉(zhuǎn)輪的總流量，即：
動力輪葉片微小水流作用力的總和為：
綜合三個公式得：
知道了旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)扭矩M，電機帶動，電機帶動兩個軸旋轉(zhuǎn)。
由M=2Q
Q=356.27
我們選用大力矩電動機來驅(qū)動，電機型號為重量為10kg輸出力矩完全符合要求。
4.4調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
我們大三主要學習了單片機對電動機的控制，在這里我的控制方式也采用單片機，用的芯片是AT89S51，通過放大電壓來控制單片機，利用PWM信號控制通斷時間來控制電壓的占空比。以達到調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速的目的，來控制道路護欄清洗車的前進速度和高壓噴管的壓力。前進由兩個電機左右同時驅(qū)動，用單片機單片機控制加速、減速，高壓水泵有兩個組成要分別控制，抽水泵要持續(xù)工作，高壓缸的充氣泵是間歇工作，而且清洗和前進是分開控制的，可一直前進不清洗。模塊上由四個鍵組成，可分別控制啟動、停止、加速和減速等操作。
程序設(shè)計
由于需要幾個電機，程序控制也都相同，只寫一遍。
#include “reg51.h”
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define out P2
sbit pos=P0^0; //定義檢測正轉(zhuǎn)控制位P0.0
void dolayms(uint);
uchar code turn []={
0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x01,0x03};//步進脈沖數(shù)組
void main(void)
{
uchar i;
out=0x03;
while(1)
{
if(!pos) //如果正轉(zhuǎn)按鍵按下
{
i=i<8 ?i+1:0; //如果i<8，則i=i+1;否則，則i=7
out=turn[i];
delayms(50);
}
else if(!neg)
{
i=i>0 ?i-1:1; //如果i>0，則i=i-1;否則，則i=1
out=turn[i]; //向P2輸出脈沖數(shù)
delayms(50); //延時
}
}
}
void delayms(uint j) //延時函數(shù)
{
uchar i;
for(;j>0;j--);
{
i=250;
while(--i);
i=249;
while(--i);
}
}
30
4.5角度調(diào)節(jié)的設(shè)計
圖4-5角度調(diào)節(jié)示意
道路護欄清洗機的角度調(diào)節(jié)范圍在0°到30°之間，道路護欄的內(nèi)架總高度為1300mm，當噴管處于垂直狀態(tài)的時候手動調(diào)節(jié)桿的長度為l，洗刷桿的長度定a為1120mm。由圖可知手動調(diào)節(jié)桿另一固定端距離噴管支架的高度b為177mm，長度為為了保證傾斜的角度經(jīng)過繪圖計算利用余弦公式得出：
三個公式聯(lián)立可得：
l為585mm，α為23.3°，x為1350。
圖4-6角度調(diào)節(jié)計算參考
4.6調(diào)節(jié)桿的設(shè)計
圖4-6調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)
角度調(diào)節(jié)桿的工作原理：
角度調(diào)節(jié)桿包括滑桿1、卡槽桿2、卡環(huán)3、外壓環(huán)4和鋼球5。
圖4-7調(diào)節(jié)桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)
其工作原理類似于快速換刀頭，當想要改變桿的伸長長度時，撥上動外壓環(huán)4在卡槽桿2中的鋼球5就會受外力跑到外壓環(huán)4和卡槽桿2的縫隙當中，使滑桿1處于脫離狀態(tài)，可以任意調(diào)節(jié)其長度，當?shù)竭_想要的角度的時候，撥下外壓環(huán)4將鋼球5擠壓回到卡槽桿當中去，卡住滑桿1進行鎖定?？ōh(huán)3的作用是為了固定外壓環(huán)4，這樣外壓環(huán)4就不會輕易掉出來.當要拆卸的時候要先卸掉卡環(huán)3才可以順利拆除。
一些零件的參數(shù)滑桿1的直徑為25mm，卡槽桿的內(nèi)徑為25mm，外徑為30mm?？ōh(huán)的內(nèi)徑為30mm，外徑為35mm，鋼球的直徑為3mm外壓環(huán)的內(nèi)徑有三個，分別是30mm、30.92mm和35mm。
總結(jié)
在本次的設(shè)計當中，一開始并沒有什么頭緒，雖然平時生活中觀察了很多道路護欄清洗機的結(jié)構(gòu)，但是如果讓我自己進行設(shè)計也和道路上的護欄清洗機的結(jié)構(gòu)差不多。在實習的構(gòu)成中，跟馬老師討論了一下，決定用汽車拖動，但是當我回來以后，在網(wǎng)上尋找資料以后驚呆了。因為網(wǎng)上的設(shè)計百分之八十都是用汽車拖動的，而且都比較完善。我就想著用龍門式的結(jié)構(gòu)，但是有考慮到驅(qū)動和帶水量，有些猶豫，道路護欄清洗機不能經(jīng)常進行加水和充電，這樣需要經(jīng)常維護，成本比較高。國家現(xiàn)在大力發(fā)展電動車行業(yè)，而且在電池和電動機領(lǐng)域都有突破。我決定用電動機驅(qū)動，響應(yīng)號召，促進城市環(huán)保。網(wǎng)上關(guān)于龍門式的道路護欄清洗機的文獻并不多，所以我只能拼湊知識點，運用我大學所學的知識，對龍門式的護欄清洗機進行設(shè)計。一開始的設(shè)想是四個滾筒進行刷洗，有電動機分別帶動。設(shè)計的過程當中遇到了一些問題，滾筒需要注水，電動機帶動的話注水口不好找。然后去找老師進行討論，老師給我的解決方式是用高壓水進行驅(qū)動，這樣可以解決注水問題，而且只需要一個電動機帶動水泵即可，更加節(jié)省成本。確定了主體結(jié)構(gòu)之后，開始在網(wǎng)上查找資料。通過對文獻的閱讀思考，了解到高壓清洗可以達到百分之九十八以上的潔凈度，所以在本次設(shè)計中運用了高壓清洗和滾刷相結(jié)合的清洗方式。研究了目前道路護欄清洗機的發(fā)展和優(yōu)缺點之后，覺得汽車懸掛式的道路護欄清洗機不環(huán)保，對水資源浪費比較嚴重。而且，車輛清洗過程中，汽車要和護欄保持平行，對駕駛員的要求比較嚴格。在現(xiàn)代大都市中堵車已經(jīng)成為了常態(tài)，道路窄小，一般都是雙車道，有的地方甚至是單車道。如果開車去進行護欄清洗不僅行走不便，還嚴重影響交通。所以我決定采用龍門式的護欄清洗方式，因為它可以占更小的空間可以總同樣的事情，在清洗裝置上我采用高壓清洗和滾刷清洗相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，高壓清洗在滾刷前面對護欄進行濕潤和初步?jīng)_刷，滾刷則負責刷洗和帶走污漬，因為滾筒內(nèi)部可以注水，可以一直保持滾刷的清潔，龍門式的結(jié)構(gòu)架的外殼上裝有擋板，一是避免高壓噴出的水霧影響道路汽車的交通，二是對水進行回收利用，滿足環(huán)保要求。龍門式護欄清洗機的驅(qū)動是以電動機為驅(qū)動方式，電動機比較環(huán)保、便宜、可以多驅(qū)動，省去了很多傳動部分，減少能量浪費。龍門式的護欄清洗機可以自動行走，只需要人工把他推到護欄上，打開開關(guān)便可以自動進行清潔，方便簡單，可以一人控制多臺機器，當整段護欄清洗結(jié)束后，護欄清洗機會自動停止，等待工作人員進行回收。工作人員只需一輛車就可以，不會對老路造成影響，簡化工作人員的勞動輕度和工作性質(zhì)，不需要什么技術(shù)性挑戰(zhàn)。
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致謝
近兩個月的畢業(yè)設(shè)計過程讓自己感觸良多，在最終完成設(shè)計交上這份論文時，我想對那些在此過程中幫助過我的人致以最真誠的謝意。
首先要感謝的是指導我畢業(yè)設(shè)計的導師，她學識極其豐富但又極為嚴格，這讓我再本次設(shè)計中絲毫不敢馬虎對待，同時她也能一針見血的指出我設(shè)計中存在的問題，避免了我多走許多彎路。我作為一個設(shè)計新人，各位教師的指導也帶給了我很多設(shè)計經(jīng)驗，這價值是難以估量的，對此我表示由衷的謝意！
其次要感謝地是幫助我的舍友，作為我們的老師，他豐富的設(shè)計經(jīng)驗讓我在遇到設(shè)計困難時能有非?？煽康那笾撸嵊训南ば闹笇τ诖舜卧O(shè)計的順利進行功不可沒，在此我深表感謝！
最后，讓我對與我共同奮斗完成這次畢業(yè)設(shè)計的同學們表達出我的感謝，我們互相鼓勵互相出謀劃策才構(gòu)成了這次完整的設(shè)計，任何一個部分都是不可或缺的。
當然了，身為一位即將畢業(yè)的本科生，我也要對母校致以真誠的謝意，學校的教學氛圍，每一位學識淵博的老師都讓我有動力在機械電子工程這個專業(yè)里深入的學習，將設(shè)計進行下去。
附錄A
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