机械创新设计作业-修订编选

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1、机械创新设计课程作业 题题 目：目： 护栏清洁机护栏清洁机 院院 （部）：（部）： 机电工程学院机电工程学院 专专 业：业： 机械工程及自动化机械工程及自动化 班班 级：级： 小小 组：组： 2 组组 小组成员：小组成员： 指导教师：指导教师： 沈孝芹沈孝芹 完成日期：完成日期： 2015.06 护栏清洁机 II 目 录 1 前 言 1.1 课题的意义目的及背景 1.2 国内外研究概况及发展趋势 1.3 课题的指导思想 1.4 所要解决主要问题 2 原理方案设计 2.1 功能设计法的简介 2.2 功能分析 2.3 功能原理分析 2.4 功能分解并列出功能树 2.5 功能求解列出功能元解形态学矩

2、阵 2.6 组合形成几种可用原理方案 2.7 建立评价目标进行方案评价 3 机构设计 3.1 机构设计原则的运用与讨论 3.2 机构的选型 3.3 机构方案评价 3.4 机构的构型 4 结构设计 4.1 概述 4.2 结构方案的变异设计 4.3 设计结果介绍 5 结论 6 谢辞 7 附件 护栏清洁机 III 摘 要 工业化的建设使城市人口和车辆逐年增多， 人、 车道路交通产生很大的矛盾， 几乎所有道路拥挤的地方都安上了护栏隔离， 城市公路中央护栏可以引导驾驶员 的视线，以防车辆驶出路外造成交通事故。隔离护栏经过日晒雨淋，经常是脏兮 兮的，不仅影响路容的整洁美观，而且护栏本身容易损耗。城市公路中

3、央护栏的 清洗，不仅是为了整洁的市容，而且能够延长护栏的使用寿命。为了保持城市公 路中央护栏良好的引导视线功能和清洁美观，需要对护栏进行定期清洗。人工清 洗护栏的劳动强度大，清洗效率低，每人每天大约只能清洗 600 米左右。白天车 流量很大， 人工清洗护栏不安全且影响交通， 一般在晚上车流量相对较小时清洗， 而晚上清洗时经常有发生车撞环卫工人的事故。 于是城市公路中央护栏清洗机的 出现具有实际的意义。 关 键 词：护栏清洁；智能化；环卫 护栏清洁机 1 1 前 言 1.1、 课题的意义目的及背景 目前，针对城市道路护栏的清洗方式主要有两种：人工清洗和借助汽车所配 高压水洗刷清洗。但人工清洗环卫

4、工人的劳动强度大、清洗效率低，一般每人每 天只能清洗 300 米左右的护栏；且环卫工人作业时身处于高速行驶的机动车辆中 间，容易发生安全事故，尤其是在交通道路比较狭窄的地段危险系数更高；经常 身处汽车噪音大、 车量尾气浓度高的工作环境下对工人的身心健康也造成了很大 的损害。车载式高压水洗刷清洗一次性投入过高，一般中小城市难以承受；且由 于车辆行驶路线不能保证与道路护栏平行， 无法清洗护栏处就目前国内的情况来 看，绝大部分城市的道路护栏的清洗工作依然靠人来清洗。在车行逆向的部分表 面；耗水量大，清洗效果不佳，对城市交通也有一定影响。 我国拥有 655 个大中型城市，全国各大中小城市，需要清洗的城

5、市护栏更。 各市、各区、各县对其需求都很显著，新型护栏清洗设备的技术优势和成本优势 的运用都将降低传统的人力清洗过程所造成的人力资本的耗费。 本项目可以运用 于城市道路护栏，高速公路护栏、公园、社区等护栏的清洗，各省市区市政集团 各市区环卫部门、物业公司、各单位后勤集团、各高速公路养护单位都将可能成 为本项目产品的潜在用户。 一般情况，2-3 个月护栏就需要一次清洗，如采用人 工方式，按 300m/人/天，人工费 0.1 元/m 算，若某城市的护栏总长为 1000km， 则每年除去耗材费用，仅人工投入就需要 45 万元，我国 655 个城市的投入就为 2.9475 亿元，数额巨大，并且容易引发

6、交通事故，造成额外赔偿。如采用车载 式清洗方式，买台售价都在 15 万元以上，按照每个城市采购 10 两车计算，总的 投资成本 9.825 亿元，并且耗水量大，冬季容易造成路面结冰，引发交通事故。 因此本项目具有广阔的市场前景。 护栏清洁机 2 1.2 国内外研究概况及发展趋势 （1）国内现状及发展趋势： 从国内情况看，随着城市道路里程的不断增加，对护栏养护工作提出了新的、 更高的要求，其研制开发工作因而也备受重视，在引进、消化、吸收国外先进技 术的基础上,近几年来获得了一定成都的发展。 目前已实现市场销售的护栏清 洗机械主要有：北京科力威清洁机械厂生产的永江牌护栏清洗车、山西省交通科 学研究

7、院开发研制的 HXC300 型高等级公路护栏清洗车，采用液压机构驱动自 动调控的立体高速滚刷，可同时刷洗护栏两面，并根据护栏的高矮宽窄，自动进 行伸缩调整，最高可对 1.6 米的护栏进行清洗，但浪费水资源，成本太高，价钱 最低也在三十五万元人民币以上。 目前处于研究状态的的有海军工程大学举行 第三届全国大学生机械创新大赛上获一等奖的浙江大学的作品新型高速公路护 栏清洗装置和华中科技大学的作品护栏清洗机，能过实现自动化清洗，但没有设 置避障系统， 同时护栏尺寸发生变化时难以适应， 并没有在实际生产中得到应用。 所以开发一种适合中国国情的低成本、 高效率的护栏清洗装置具有一定的现实意 义和良好的市

8、场前景。 （2）国外现状及发展趋势 从国外情况看，上世纪 80 年代中期新建公路速度趋于平缓，道路护栏养护工 作已经提到十分重要的位置(如美国每年要花费150亿美元维护本国400万km公 路网；法国国营及 A 级道路中国道里程共 29700km，用于国道养护的机械、车辆 就达 6 万多台)。为适应养护工作需要，国外工业发达的国家将大量的资本和开 发精力开始投向养护机械的研制生产，从而使国外养护机械得到了迅速发展。其 产品类型和技术均达到了比较完善的高度。 护栏清洁机 3 1.3 课题的指导思想 护栏清洗机以护栏为导轨，采用履带侧边驱动前进，结合平行四边形机构实 现越障;两对清洗刷刷和水循环系统

9、有效地保证良好的清洗效果。 1.4 所要解决主要问题 （1）建议机构制作问题 （2）自动导向装置问题 （3）实现无人干预、自动行走设计 护栏清洁机 4 2 原理方案设计 2.1 功能设计法的简介 方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思， 搜索解决问题的物理 效应和工作原理，并利用机构运动简图、液路图、电路图等表达构思内容。 原理方案设计对于产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大的 影响。方案设计是决定产品水平和竞争能力的关键环节，因此原理方案的创新设 计有着举足轻重的作用。 工程设计的内容错综复杂，如果孤立静止地分析其某方面的问题，得出的结 论往往是片面的、局限的。系统工程方

10、法是将事物当作一个整体系统来研究，分 析系统各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系， 是较全面的综合研 究方法。在原理方案设计过程中，往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问 题。 原理方案的设计是“发散收敛”的过程。此过程中，往往是通过功能设 计法来入手的。 功能设计法的目的在于，按照能量流、物质流、信息流将产品开发的内容分 解，从而在设计的初始阶段明确产品设计所要求的功能。用功能设计法进行原理 方案设计是紧紧围绕功能的分析、求解和组合实施的。 功能是产品或技术系统特定的工作能力抽象化的描述。 它与产品的用途、 能、 性能等概念不尽相同。功能的描述要准确、简洁，合理地抽象，抓住其本质

11、，避 免带有倾向性的提法，这样能避免方案构思时形成种种框框，使思路更为开阔。 本组创新设计既是按照功能设计法的一般步骤进行了原理方案设计。 分为总 功能分析、工作原理分析与功能描述、功能元求解、系统求解、优化系统解。 2.2 功能分析 总功能分析遵循一些基本原则： a.能量守恒原则，即任何流入系统的能量等于系统输出和存储的能量。 b.物质守恒原则，即任何流入系统的质量等于系统流出和储存的质量。 c.列出所有与系统相互作用的对象或系统界面。 d.用动词来表达总功能中的能量流、物质流和信息流。 总功能分析常用方法为黑箱法，本设计的黑箱法描述如图 2.1 所示。 护栏清洁机 5 总功能：护栏清洗 图

12、 2.1 黑箱法示意图 总功能分析的黑箱法对本组设计的整体概述即是将对护栏进行清洗并行走， 在黑箱里实现护栏的清洗，同时实现机器的行走。黑箱内具体的内容将会在功能 设计法接下来的步骤中构思出来。 2.3 功能原理分析 清洗装置设有动力源，清洗装置至少包括动力源、升降机构、伸缩机构、推 杆式装夹机构、和清洗机构，动力源为液压缸与升降机构和伸缩机构铰接传递动 力，装夹机构的推杆一端与动力源液压缸用销轴固定，另一端与装夹机械手用销 轴固定，清洗机构的清洗刷与机械手连接。 机车上设有水源， 机车侧设有安装座， 清洗装置安装在安装座上。 如下图 2. 2 图 2.2 护栏清洗 所述的升降机构包括机座、升

13、降油缸；所述的升降油缸固定安装在机座上。 所述的伸缩机构包括固定底座、大臂、小臂、液压缸；固定底座下表面与 升降机构用销轴连接，上表面与大臂销轴连接，大臂液压缸用销轴与固定底座连 接，大臂与小臂销轴连接，小臂液压缸固定连接在大臂上，小臂一端与小臂液压 缸销轴连接，小臂另一端与装夹机构连接。如图 2.3 黑箱 位置 1 清洗 清洗机构 位置 2 清洗 护栏清洁机 6 图 2.3 所述的推杆式装夹机构包括装夹固定机座、推杆、机械手、液压缸；装夹固 定机座上表面与伸缩机构的小臂销轴连接，下表面设有机械手固定架，并与机械 手销轴连接， 推杆与装夹固定机座中心孔配合， 一端与装夹机构液压缸销轴连接， 另

14、一端与机械手销轴连接。 清洗机构包括清洗刷及固定销轴；清洗刷为一对长方体形，相向布置，与 机械手固定连接。如图 2.4 护栏清洁机 7 图 2.4 本发明提供的护栏清洗机，它主要是搭载在现有的洒水车上，由所搭载的 机车提供前进的动力和水源。通过其装在车身侧面的升降机构、伸缩机构、推杆 式装夹机构及清洗机构的清洗刷对道路护栏进行清洗和保养，当清洗工作结束 后，可将升降机构降下，将伸缩机构收缩放置在车身的一侧。这样在非工作状态 可以正常行驶而不会影响交通，使用方便。 本发明的清洗机构有效的解除了城市道路人工清洗的繁杂劳动，弥补了目 前其他清洗车的不足，而且具有结构合理，成本低，效率高，节能，自动化

15、程度 高，操作简单，安全性高。 护栏清洁机 8 首先清洗机功能在机器操纵下即可进行，并无特异之处，但可以考虑在夹持 装置上设计一下改变夹持动作和加持机构。如图 2.5 图 2.5 所述清洗组件由滚刷支架和分别固定于所述滚刷支架上的柱状滚刷和防溅 罩组成,其特征在于：所述调节机构包括活动连接于所述固定架和所述清洗组件 之间的连接架、设置于所述连接架上、用于调节所述清洗组件上下位置的升降油 缸、用于调节所述清洗组件在正常范围内上下位移的斜置式伸缩油缸、用于调节 清洗组件左右摆动幅度的水平向摆动调节油缸；以及用于调节清洗组件垂直面前 倾、上仰的垂直向摆动调节油缸组。本实用新型适用于公路护栏的清洗。

16、手部它具有人手某种单一动作的功能，由于抓取物件的形状不同，手部有夹 持式和吸附式等形式。 夹持式手部是由手指和传力机构所组成，手指是直接与物件接触的机构，常 用的手指运动形式有回转型和平移型。 吸附式手部有负压吸盘。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压 吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔 的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力有 护栏清洁机 9 直流电磁铁和交流电磁铁产生。 由于清洗栏杆时，不适合用吸附式，所以我们采用的是夹持式的构件。 2.4 功能分解并列出功能树 一般技术系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。可利用系统 工程方法通过分解功能元解的有机组合求得技术系统解。 功