机电一体化系统设计课程设计——城市护栏自动清洗机

1、x x 大学机电一体化系统设计综合课程设计计算说明书设计题目： 城市护栏自动清洗机 设计组长： 设计成员： 专 业： 班 级： 指导教师： 设计时间： 2012 年 2 月 21日 至 2012 年 6 月 8 日自动控制与机械工程学院2012年2月 任务分配小车行走装置部分x11. 齿轮、直流电动机的绘制；2. 电动机的计算、选型和相关参数；3. 传动齿轮的计算、选型、材料等参数；x21. 驱动轮、轴、轴承座、万向轮的绘制；2. 传动系统设计； 3. 轴强度的校核；4. 蓄电池的选型和相关参数；5. 蓄电池选定后计算出驱动轮电动机能持续工作的时间和整体装置能行走的距离；清洗装置部分x31.

2、毛刷、轴、水泵的绘制；2. 电动机的选型和相关参数；3. 蓄电池的选型和相关参数；4. 水泵的选型和工作电压、电流、功率、水流速度等相关参数；5. 蓄电池选定后分别计算出水泵和毛刷能持续工作的时间；x41.电动机、联轴器、轴承座的绘制；2.洗涮装置各部件和材料的选择；3.毛刷轴的强度校核；导向装置和制动部分x51. 导向装置的工作原理、与履带导向相比的优缺点，材料的选择等；2. 制动装置的设计方案和工作原理；整体设计和控制部分x61. 导向装置和机箱外体的绘制及最后的整体装配；2. 整体设计方案的拟定；3. 控制系统的设计；4. 电动机调速系统的选择5. 直流电动机启动方式、原理（降压启动）；

3、6. pwm直流脉宽调制调速的实现；7. 整体的控制的实现；目 录第1章 系统总体方案设计51.1 目前国内外同类技术的发展水平、存在的问题及趋势51.1.1 目前国内外同类技术的发展水平及应用51.1.2目前存在的问题：71.1.3 发展趋势：71.2护栏自动清洗机的经济性及市场前景71.2.1经济性71.2.2市场前景8第2章 系统总体方案设计92.1 动力源的选择92.2 驱动电机的选择102.3 直流电动机的启动方式102.4 调速器的选择112.5 导向装置的设计11第3章 机械传动系统的设计123.1 小车行走系统的总体设计123.2 小车行走系统的运动和动力参数计算133.2.1

4、电动机的选择133.2.2 确定行走装置的总传动比153.3 传动零件的设计计算163.3.1 齿轮设计163.3.2 轴的设计203.4 清洗装置的设计213.4.1 毛刷的选择与安装方式213.4.2 清洗装置的基本设计计算223.4.3 水泵的选择和计算233.4.4 洗涮装置各部件和材料的选择243.4.5 制动装置的选择25第4章 控制系统的设计274.1 毛刷的安装及转动方向的确定274.2 控制系统的设计274.3 电动机调速系统的选择284.4 报警系统的设计32第5章 结束语33参考文献34致 谢35摘 要针对城市道路护栏难以清洗的现状，提出了一种龙门框架分离式护栏清洗机本体

5、结构，作业时清洗机跨立在护栏上，实现对护栏和支墩的全面清洗。根据该清洗原理，建立了栏杆和支墩的清洗模型，并对其清洗过程进行了运动分析，同时对清洗机的机械结构和电器控制进行了阐述。该清洗机具有结构简单，操作方便，自动化程度高等优点。关键词：护栏清洗，龙门框架分离式结构，跨立式结构，控制系统abstractbased on the difficulties of how to clean the urban road guardrails, a design of road guardrails cleaning machine body is proposed, which adopts the

6、 gantry separate fame structure the machine crosses in the guardrails when it works, to achieve guardrails and pedestals are completely washed. according to this cleaning principle, the washing model of guardrail and pedestal is established and the cleaning process is analyzed, and mechanical struct

7、ure and electrical control o f the machine are described; the machine has characteristics of simple structure, easy operation and high degree of automation, and so on.key words: guardrails cleaning, separate design frame structure, across the vertical structure, control system第1章 系统总体方案设计1.1 目前国内外同类

8、技术的发展水平、存在的问题及趋势1.1.1 目前国内外同类技术的发展水平及应用随着我国城市交通的迅速发展，公路护栏由于受日照、雨淋、车辆尾气、灰尘粘附及其它因素影响，表面受到了各种各样不同程度的污染。目前公路隔离护栏的清洗方式主要有2种：人工清洗和借助汽车所配的高压水洗刷清洗。图1-1 城市护栏由于人工清洗劳动强度大、清洗效率低，且由于清洗工人身处高速行驶的机动车辆中间，极易发生安全事故，清洗人员的安全得不到保障，而且周围空气中汽车尾气浓度很高，严重危害清洗工人的健康,故其清洗方式正被初步淘汰。图1-2 人工清洗护栏而车载式高压水洗刷清洗一次性投资过高，一般中小城市难以承受，且由于车辆行驶路线

9、不能保证与道路护栏平行，容易发生交通事故，一般清洗车体积较大，在高速行驶的公路上占用路道，容易造成交通事故及堵塞，而在实际清洗中无法清洗护栏处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，故其应用和发展受到了一定的限制。图1-3 清洗车清洗护栏然而护栏自动清洗机结合护栏的结构特点而设计，以护栏本身为导轨，结构简单、成本低、无污染，且在清洗过程中不会占用路道，甚至可以实现无人化操作，极大程度上避免了交通事故及堵塞发生的概率，与我国高等级公路养护机械节能、高效、低噪声、低污染且自动化程度高的发展相适应，具有显著的社会环境效益和经济效益。其应用逐步得到推广，具有很高的发展

10、的潜力。图1-4 城市护栏清洗机1.1.2目前存在的问题：（1）由于本产品的体积受限，故水的容积被限制，其行程和蓄水量被限制；（2）由于是在户外工作，故在本产品中电源方面采用的是直流铅酸蓄电池，其行程和工作时间受限； 总的来说，该产品的应用特点极广，但行程、蓄水量和电池容量被限制而得不到更为广泛的应用。1.1.3 发展趋势：护栏自动清洗机的应用不仅具有极大的经济型、环保性、高效性、节能性、节水性等，在大、中、小城市都有广泛的市场前景，特别是适合中、小城市的应用，相信不久之后该产品将会得到广阔的应用。1.2护栏自动清洗机的经济性及市场前景1.2.1经济性（1）改进生产工艺，节约原材料，降低生产成

11、本，提高了材料的利用率；（2）本装置结构简单、易操作、使用方便、可靠性强，使用范围广；（3）该产品生产过程中对空气无污染，对生态环境不产生影响，不存在“三废”问题，企业已在科技创新基金中采取了安全生产的必要措施和相应的技术规范。采用电能作为能量输入，无尾气排放，绿色低碳；（4）方便、环保。内部采用直流电力驱动，无污染，电动机采用pwm直流调速器调速，可通过差速调速来控制和协调两个主电动轮在直道、弯道的行驶速度和方向。应用范围广泛，功能实现方式可靠，应用广泛；（5）安全性。全自动导向装置，自主适应护栏的变化，实现无人干预、自动行走。检测装置有红外线检测，将检测到的相应数据用led方式显示，同时提

12、供报警和自动减速停止特点。1.2.2市场前景我国拥有655个大中型城市，全国各大中小城市，需要清洗的城市护栏更是数不胜数。各市、区、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300 m/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

13、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辆计算，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。结构如下图所示：第2章 系统总体方案设计2.1 动力源的选择为解决护栏自动清洗机在户外工作的先决条件，在动力源方面采用了直流蓄电池。为了实现高清洁度的清洗，设计时采用跨栏式清洗，在小车前进的同时两边的毛刷进行旋转实现护栏的清洗。小车采用后轮的驱动方式，且由于该装置采用了跨栏式清洗，故在驱动方式上采用两边驱动轮分别用小型直流伺服电机驱动，其行驶速度较小

14、、受力较大；为提高能源的利用率和减小极限整体的尺寸，毛刷同样采用两个小型直流伺服电机分别驱动，其转速较大、受力较小，所以在蓄电池的选择方面采取分别提供动力源的方式实现，即驱动轮的电机由一块蓄电池提供动力源，驱动毛刷旋转的电机由另外一块电池提供动力源。在装置中还有安装有一台微型水泵，该水泵直接接在直流蓄电池上即可工作，由该水泵将机箱内的水抽出来并喷洒在毛刷上实现清洗，据计算和查阅相关书籍、资料得，为毛刷提供动力源的蓄电池和为该微型水泵提供动力源的蓄电池可选为同种。综述，动力源方面采用分别两块蓄电池，一块为驱动轮的电机提供动力源，另一块为驱动毛刷的电机和水泵提供动力源。2.2 驱动电机的选择由于护

15、栏清洗机在户外工作，故在驱动电机的选择上采用直流电机。但传统的直流电机的尺寸都很大，然而目前国内研制出了一种新型的小型直流伺服电动机，与传统直流电动机相比，具有体积小、重量轻、力能指标高、零部件通用化程度强等特点。按激磁方式本系列电动机分为：他激（并激）、串激（c）、复激（f）三种。按使用环境条件本系列电动机分为普通型和湿热带型两类.，该电机可与多种系列减速器相配合，满足用户对转速、转矩、安装工位的不同要求。目前该类型电机在国内已得到了广泛的应用。图21 小车行走驱动电动机 图2-2 毛刷旋转驱动电动机2.3 直流电动机的启动方式直流电动机从接通电源开始转动，直至升速到某一固定转数稳定运行，这

16、一过程称为电动机的启动过程。直流电动机有全压启动、变阻器启动和降压启动三种方法。（1） 全压启动。全压启动就是将电动机直接接入到额定电压的电源上启动。由于电动机所加的是额定电源，而电动机开始接通电源瞬间电枢不动，电枢反电动势e为零，所以启动时电流很大。启动时电动机最大电流为正因为电动机启动电流很大，所以启动转矩大，电动机启动迅速，启动时间短。电动机一旦开始运转，电枢绕组就有感应电动势产生，且转数越高，电枢反电动势就越大。随着电动机转数上升，电流迅速下降，电磁转矩也随之下降。当电动机电磁转矩与负载阻力转矩相平衡时，电动机的启动过程结束而进人稳定运行状态。全压启动的优点：不需其他设备，操作简便；缺

17、点是启动电流大，需要提前知道设备的功率，否则很容易把设备烧掉。它只适用于小型电动机，如家用电器中的直流电动机。（2） 变阻器启动。变阻器启动就是在启动时将一组启动电阻rp串接人电枢回路，以限制启动电流，而当转数上升到额定转数后，再把启动变阻器从电枢回路中切除。变阻器启动的优点：启动电流小；缺点是变阻器比较笨重，启动过程中要消耗很多的能量。（3） 降压启动。降压启动就是在启动时通过暂时降低电动机供电电压的办法来限制启动电流，当然降压启动要有一套可变电压的直流电源，这种方法只适合于大功率电动机。 降压启动的优点：启动保险、把稳，对设备没有影响；缺点：需要有一套可变电压的直流电源。 综合考虑，本装置

18、的电动机启动方式采用：降压启动。这样不仅可以保护设备，而且可以减轻整个装置的重量和体积。2.4 调速器的选择 为实现护栏自动清洗机功能的多样化，在小车的行走和毛刷的转动上都采用调速器实现其速度的可调、可变功能。为减小机箱整体重量和尺寸，在调速部分采用目前较为成熟、发展较快、工作较为可靠的pwm直流脉宽调制调速，不仅具有工作电压范围宽、外型精巧、输出功率大、控制范围宽、灵敏度高、调速器安装方便等优点，而且还具有电源的能量功率和电路的效率高的特点。根据电机参数和整体装置的实际情况，选择24vhw-a-1040型号的pwm直流脉宽调制调速器。 图2-3 pwm直流脉宽调制调速器2.5 导向装置的设计

19、护栏自动清洗机在进行清洗工作中会时常遇到护栏弯曲变形或者间隔的出现墩柱，这将会影响清洗机的正常工作，极大程度上存在安全交通隐患。故在设计中采用了导向装置的设计。该导向装置不仅可以保证清洗机能正常沿着护栏前进，使所有的护栏都得到整体性的清洗，而且不会偏离护栏，保证了使用的安全性和可靠性。图2-4 导向装置单边结构图图2-5 导向装置安装在在整体装置中的剖视立体图第3章 机械传动系统的设计3.1 小车行走系统的总体设计由于是跨栏式的设计，不仅要实现在直线方向的行驶，而且在遇到弯道时也能转弯，故在设计时采用了在两边都安装小型直流伺服电机，通过pwm直流脉宽调制调速分别控制两边电机的转速来实现直线行驶

20、和转弯。电机的选择上采用小型直流176syx-02型，通过电动机的转动将其动能传递给一对直齿轮，同时实现减速的作用，在安装有大齿轮的轴上同时安装有驱动轮，由齿轮的转动将带动驱动的转动，从而驱动整个装置的行走。图3-1 小车行走装置单边结构图图3-2 小车行走装置安装在整体装置中立体图3.2 小车行走系统的运动和动力参数计算3.2.1电动机的选择已知清洗时行走最大速度v=2m/s，清洗机质量m=330kg（1）电动机类型和结构形式 （2）选择电动机容量工作机所需工作功率由于=kw(1)f-工作机的工作阻力，nv-工作机的线速度，m/s工作机所需的工作功率由式（1）为f=mg*0.4=330*10

21、*0.4=1320n=2.64电动机所需工作功率=kw（2）=（3）其中：、分别为齿轮、轴承的传动效率。取=0.95、=0.98，所以=0.95*0.98=0.931所以：=kw=2.8357kw（3）确定电动机的额定功率=（11.3）=（11.3）*2.8357=2.83573.0641取电动机的额定功率=3.5kw（4）确定电动机转速n=238.74r/min按机械设计课程设计指导书中表1推荐的传动比的合理范围，圆柱齿轮减速器传动比i=37，所以电动机转速的可选范围为=i*n=（37）*238.74=716.221671.18r/min 根据容量和转速，由有关手册查出有2种适用的电动机型号

22、，因此有二种传动方案，如下表3-1：方案型号规格额定功率（n.m）额定转矩（n.m）额定转速（rpm）额定电压（v）额定电流（a）1176syx-133.5301500350152176syx-023.523.3150016025.8综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格，可见方案2比较适合，参数如下表3-2：型号规格额定功率（n.m）额定转矩（n.m）额定转速（rpm）额定电压（v）额定电流（a）176syx-023.523.3150016025.8电动机主要外形和安装方式如下图3-3，安装尺寸如下表3-3： 图3-3 电动机的安装方式表3-3：型 号nh2h3mpsd1ldel4fgd

23、d2e2l12f1g2d2重量(kg)不大于 (h7)-(h12)(0.15)-(h14)-(h6)-+0.005-0.015 (h11)(h11)(h6)-+0.005-0.015 (h11)(h11)176syx-02545360725.5741146141624.3751213.523.371.53.2.2 确定行走装置的总传动比由选定的电动机满载转速和工作机的主动轴转速n,可得传动装置总传动比为=6.283.2.3 计算传动装置的运动和动力参数（1）轴的转速=238.74r/min(2)轴的输入转矩电动机的输入转矩=9550=9950=18.054n.m轴的输入转矩= n.m =0.9

24、50.98=0.931所以 =18.0546.280.931=105.56n.m轴的输出转矩为轴的输入转矩乘轴承效率0.98，所以轴的输出转矩为=0.98=105.560.98=103.45 n.m（3）轴的输入功率= kw =0.950.98=0.931=2.83570.931=2.64 kw 运动和动力参数计算结果整理于下表：轴名效率p（kw） 转矩t（n.m） 转速n（rad/min） 传动比 i效率 n输入 输出 输入 输出电动机轴2.835718.0541500 6.28 0.931齿轮轴2.642.59 105.56 103.45 238.74 3.3 传动零件的设计计算3.3.1

25、 齿轮设计（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动此装置一般工作机器，速度不高，选用7级精度材料选择：选择小齿轮材料为45钢（调质），硬度为280hbs，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240hbs。二者材料硬度差为40hbs。选小齿轮齿数为，大齿轮齿数，所以取=120（2）按齿面接触强度设计 由设计计算公式（10-9a）进行试算，即 确定公式内的各计算数值1） 试选载荷系数 2） 计算小齿轮传递的转矩 3） 由表10-7选取齿宽系数 4） 有表10-6查得材料的弹性影响系数 5） 由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限；6） 由

26、式10-13计算应力循环次数 7） 由图10-19查得结束疲劳寿命系数 8） 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数s=1，由式（10-12）得 计算1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值=28.371mm2）计算圆周速度v 3）计算尺宽b: 4）计算尺宽与齿高比b/h 模数 齿高 5）计算载荷系数 根据，七级精度，由图10-8查得动载系数直齿轮，假设。由表10-3查得由表10-2查得使用系数有表10-4查得七级精度，小齿轮相对支承非对称布置式 由b/h=8.469,查图10-13得，故载荷系数 6)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得 7）计算模数m （

27、3）按齿根弯曲强度设计 由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 确定公式内的各计算数值1） 由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限；2） 由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数,;3） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数s=1.4,由式（10-12）得 4)计算载荷系数k 5)查取齿形系数 由表10-5查得 ； 6）查取应力校正系数由表10-5查得 ； 7）计算大、小齿轮的并加以比较 0.01510所以大齿轮的数值大。设计计算： 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力

28、，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.7457并就近圆整为标准值m=2.2mm，按接触强度算得分度圆直径，算出小齿轮齿数z1=21大齿轮齿数 取=132 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。（4）几何尺寸计算 计算分度圆直径 计算中心距 mm计算齿轮宽度 取； 3.3.2 轴的设计（1）计算轴的相关参数 p轴=pd*齿=2.6885kw t轴=td*i*齿=107.710nm n轴=nm/i=238.853由上得知大齿轮的分度圆直径为：（其中为标准齿20度） ft

29、=2t/d=727.273n fr=fttan=264.707n fn=ft/cos=773.948n（2）初定轴的最小直径 选轴的材料为45钢，调质处理，查表153取a0=112得： dmin=a0* =25.1mm 由于是开槽 d=25.1（1+5%）=26.356mm 轴上的最大转矩为，ka=1.3 tca=kat=140.023nmm w=2388.9mm因为是在机械底部固定，满足定位要求1-2轴和4-5轴处制一个轴肩，取d=20mm,两端固定取挡圈d=30mm，3轴处取d3=45mm。l4=l1=30mm和l2=l4=45mm，l3=6mm。计算支反力水平面的支反力m中点=0 fnb

30、*28.5+fn*28=0 fnb=760.370nm中点=0 frb*28.5+fr*28=0 frb=260.063nma=0 frb*28.5+frd*160-fr103.5 =0 frd=124.909nmd=0 -fra*160-frb*103.5+fr*55.5=0 fra=118.119nmd=0 fna*160-fnb*103.5+fn*55.5=0 fna=223.401nma=0 fnd*160-fn*103.5+fnb*55.5=0 fnd=236.894n计算弯矩1）b处水平面弯矩 左： mn1=fna*55.5=12398.756nm 右： mn2=fnd*103.5

31、=24518.539nm垂直： 左： mr1=fra*55.5=6555.604nm 右： mr2=frd*103.5=12928.082nm合成弯矩 左： m1=14025.16nm 右： m2=277181.118nm计算转矩： t=t1=107.710nm 2）c处水平面弯矩 左： mn1=fna*103.5=23122.003nm 右： mn2=fnd*55.5=13147.617nm垂直： 左： mr1=fra*55.5=6555.6045nm 右： mr2=frd*55.5=6932.45nm合成弯矩 左： m1=24033.372nm 右： m2=14863.334nm计算转矩：

32、 t=t1=107.710nm3）弯矩合成应力校核轴的强度由上数据得到，b处右端的弯矩最大，为危险截面，根据15-5的=20，轴的计算应力ac得： ac=2.034mpa-1=60mpa综述：轴的设计安全，可选用。3.4 清洗装置的设计3.4.1 毛刷的选择与安装方式清洗作业时, 护栏两对侧面滚刷将护栏栏杆夹击 在中间, 刷毛相互重叠( 2 3cm) ,使两滚刷形成一个整体, 中间不留间隙，两滚刷刷高速旋转, 在护栏表面刮擦, 同时, 沿护栏竖向表面喷水, 从而实现清洗。两滚根据采集所得数据, 护栏栅格之间的最大距离是170 mm, 最小距离是120 mm, 护栏所用钢管直径22 mm， 为了

33、使滚刷与护栏表面有效发生摩擦，利用相切的原理设计滚刷直径( 包括毛长) , 通过分析验证, 滚刷直径为260 mm 时, 清洗效果好, 不留清洗死角. 当两滚刷转相反时, 可使脏物或脏水沿着箭头方向甩出去, 两滚刷的刷毛在重叠处移动方向相同, 可加快刷子的转速, 滚刷两边各布置一个喷水嘴, 这样可将飞溅的水珠带到护栏板面上, 节约用水, 达到良好的清洗效果。图3-4 毛刷驱动装置的安装 图3-5 毛刷的安装方式图3-6 清洗装置的整体安装3.4.2 清洗装置的基本设计计算根据毛刷的转速选定电机的大小和功率，由于毛刷是通过轴，联轴器和电机连在一起的。所以选定好毛刷的转速即可以确定电机的转速，根据

34、周围环境和灰尘的特点，为保证能够把护栏清洗干净，再根据装置的大小，选定电机的转速为500/min ，即毛刷的转速就是500r/min.所选定的电机。电机型号为：110sz10h5，电机参数表如下：电机主要外形及基本安装尺寸：中心高度外形尺寸底脚安装尺寸地脚螺栓孔直径轴伸尺寸安装部件尺寸36197.5x72x7283x831022.5x1216x9.5 型号 12v-9电压12v净重2.13kg电容9ah规格150mmx95mmx60mm电机的基本参数 蓄电池的基本参数型号110sz10h5转速500r/min功率36w转矩686mn.m最大电流4.8a3.4.3 水泵的选择和计算 （1）水泵的

35、工作原理电机的圆周运动，通过机械装置使水泵内部的隔膜做往复式运动，从而压缩、拉伸泵腔(固定容积)内的空气，在单向阀作用下，在排水口处形成正压(实际输出压力大小跟泵排水口受到的助力和泵的特性有关)；在抽水口处形成真空，从而与外界大气压间产生压力差。在压力差的作用下，将水压入进水口，再从排水口排出。在电机传递的动能作用下，水持续不断的吸入、排出，形成较稳定的流量。（2）水泵的选择图3-7 水泵由于此装置受到水，电机，毛刷等装置的限制，还有必须控制水的流量，以免造成水的浪费。因此，所选的水泵不能过大，水的流量也必须符合要求，不能造成水的浪费，同时能保证水能从箱体里顺利抽出，所以，选定的水泵扬程必须大

36、于箱体的高度。根据工作需求，要使得装一次水能够有效工作至少一小时，水箱容积大小为250l,所以选择的水泵流量最多为每小时250l/h，查得型号为cd1245型号的泵能满足需求，而且经济实惠，故选择泵的型号为cd 1245。基本参数如下：型号cd 1245功率13.5w扬程最高4.5m流量200l/h尺寸及重量83x68x48 250g进水口径3.8mm出水口径3.8mm驱动方式无刷 磁力隔离 直流供电寿命大于30000小时供电蓄电池 12v（3）为水泵提供动力源的蓄电池基本参数型号12v-9电压12v净重2.13kg电容9ah规格150mmx95mmx60mm（4）毛刷工作时间计算：根据：p=

37、ui通过电机的电流的大小取最大电流为4.8a充满一次电能持续工作时间 t=q/4.8 =9/4.8=1.875h所以充一次电能持续工作时间为1.875小时（5）水泵的工作时间计算：通过水泵的电流：i=2a充满一次电能持续工作时间t=q/i-9/2=4.5h所以充一次电能持续工作时间为4.5小时3.4.4 洗涮装置各部件和材料的选择（1）连轴器的选型: t（ca）=kt=893.88t为名义转矩 t（ca）为计算转矩 k 为工具情况系数查手册选k为1.3t=9550*p/n(据电机型号) t=9550*0.0 36/500 =0.6876t(ca)=0.6876*1.3=0.894（2）毛刷的选

38、型 ： 材料： 毛刷为直径1mm左右的尼龙丝做成尼龙束，并将尼龙束固定在钢片上，钢片再套在毛刷轴上。毛刷转速650 r/min 毛刷直径为：260 长度为：1000 3.4.5 制动装置的选择（1）由于护栏清洗机的最大运动速度约为2m/s，需要的制动力不大，所以采用小型电磁制动装置；（2）该装置主要配合后轮安装，即护栏清洗机的制动装置为后轮电磁制动；（3）经查相关资料，考虑经济适用原则选择dmzx系列dmzx-0.5电磁失电制动器。（4）该电磁制动装置的原理和构成部分：电磁制动（electromagneticbrake）是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。俗称刹车、闸。制动器主要由制动架、

39、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的大型设备(如矿井提升机、电梯等)则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。基本组成：电机端盖；安装螺钉；联结板；制动盘；衔铁；轴套；磁轭组件。（5）dmzx-0.5电磁失电制动器具体参数如下：d1d2dh1h2lhabm58486332853m4额定力矩(n.m)额定功率p20(w)额定电压 (vdc)接通时间 (ms)断开时间 (ms)工作最高转速 (rpm)型号0.5999/2445395000dmz

40、x-0.5图3-8 弹簧抱闸示意图1-电磁铁 2-制动瓦 3-弹簧 4-制动轮 图3-9 plc 控制电控板电路图第4章 控制系统的设计4.1 毛刷的安装及转动方向的确定毛刷安装在装置的后部，由左、右两边为了提高清洗护栏的作业功能，滚刷的旋转方向与清洗车的行驶方向应是顺洗（即顺洗旋转的切线方向与车的行驶方向相同），因此，毛刷只需要单向旋转即可。4.2 控制系统的设计控制系统采用模块化设计，主要包括电源模块、电动机驱动模块、pwm直流脉宽调制调速模块、检测报警模块和显示模块等，整个系统由两块铅酸蓄电池提供电源。主要实现控制各个组成部分的启动、暂停、急停、调速和水泵供水开关等。检测装置采用红外线检

41、测，将检测到的相应数据用led方式显示，同时提供报警。（1）控制实现的基本功能：设有“急停”按钮和制动装置，在紧急情况下可以快速停车；当工作负载增大或蓄电池输出电压低于23v不能保证其正常工作所需时，能够实现自动报警并减速停车；能够自动检测机箱内水位，当水位低于50mm时提示报警并减速停车；能够自动检测前方的障碍物, 当机箱距前方障碍物的距离低于20cm时自动报警并减速停车。其控制流程图如图4-1。（2）控制流程：开启电源开关；图4-1 控制流程图检测装置自动检测输出口电压，并判断u23v？如果u23v则发出“电压过低”报警提示，否则检测下一项，并阻止电动机的运行；检测装置自动检测机箱水位，并

42、判断d50mm?如果d50mm则发出“水位过低”报警提示，否则检测下一项，并阻止电动机的运行；检测装置自动检测距前方障碍物的距离，并判断s20cm?，如果s20cm则发出“前方障碍”报警提示，否则等待控制面板信号的输入；如果此时控制面板有信号输入则读取该信号，并按依次检测毛刷电动机和对应pwm直流脉宽调制调速器、水泵开关、驱动轮电动机和对应pwm直流脉宽调制调速器的输入信号，然后检测是否有“开始工作”的信号输入，如果有则清洗机开始工作，如果没有则继续等待该信号的输入并不断检测毛刷电动机和对应pwm直流脉宽调制调速器、水泵开关、驱动轮电动机和对应pwm直流脉宽调制调速器是否有新的输入信号，并不断

43、对新信号的输入进行实时更新现有数据； 图4-2 控制面板如果此时控制面板没有信号输入，则系统不断反复执行步的操作；如果清洗机已开始工作，则系统将不断检测控制面板是否有“暂停/停止/急停”信号的输入，如果有则系统立即启用制动装置，实时保护人员和清洗机的安全；如果没有，则系统返回重复执行的操作。（3）装置的控制面板如图4-2所示。4.3 电动机调速系统的选择（1）pwm直流脉宽调制调速器原理：pwm直流调速器是一种低损耗pwm技术。工作原理：是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100变化、从而改变负载/电动机速度。利用脉宽调制(pwm)方式实现调速，还具有电源的能量功率和电路的效

44、率高的特点。例如：当输出为50的方波时，脉宽调制(pwm)电路输出能量功率也为50，即几乎所有的能量都转换给负载。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大50的功率，电源必须提供71以上的输出功率，这其中21消耗在电阻的压降及热耗上。大部分能量在电阻上被消耗掉了，剩下的才是输出的能量，转换效率非常低。如下图4所示，pwm信号从光耦4n35的1脚输入，4脚输出。当pwm信号占空比不为0时，场效应管irf3205触发，触发时间的长短取决于pwm信号占空比的大小。开关s1有3个挡位：上、中、下,当开关s1处于上挡位时电机正转，当开关s1处于下挡位时电机反转，当开关s1处于中间挡位时电机不接通

45、。将 a/ d 模块的参考电压设为 05 v, 通过电位器调节参考电压就能控制pwm的占空比，电机由此实现调速的目的。如图5所示，在pwm 调速系统中，在电源电压ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，即改变占空比的值可以改变电枢端电压 u0的平均值, 从而达到调速的目的。电枢端电压：u0=t1/(t1+t2)ud=t1/t*ud =at*ud（式中at占空比, 0 at 1）（2）接线示意图如图4-3所示： 图4-3电机枢绕组两端的电压波形 图4-4 pwm直流调速器接线原理图（3）pwm调速器使用方法：本pwm直流电机调速电路器采用交直流电源供电，电源电压在12v400vd

46、c之间都可以正常工作，使用时可以直接采用变压器或者开关电源提供。但由于驱动电动机的额定电压超过30v，需要采用双路电源输入（其中一路为电路供电，一路为电机供电）。采用输出电流较低的开关电源时，可能会因为电机电流过大而导致开关电源自保护。接入电机供电，一般要高于电机额定电压的1.5倍。图4-5 直流电机pwm调速电路原理图具体使用方法：当需要为额定电压为1230v（10a）的直流电机进行调速时，只需要单路电源输入，只需把电机供电与电路供电并联一起。当需要为额定电压为30v-300v（10a）的直流电机进行调速时，需要双路电源输入，如上图所示，需在“电机电源输入”端子处输入一组符合电机功率要求的电

47、源，为电机供电，另外需要在“控制板电源输入”端子处输入一组12-30v（1a以上）的直流电源。调速的使用：本调速器有手动模式和自动模，手动模式利用电位器手动调节输入电压从5v到0v，转速从0到最大无级调速。若停止状态下收到维宏卡或电脑并口信号自动转为自动模式，这时手动模式失效，自动模式下当控制信号关闭后自动停止，紧急情况下可用急停开关停止。急停开关的使用：如接线图所示，急停按钮应为自锁按钮，接常开，当急停按钮按下也就是导通后，电机处于急停状态，（当不使用电机时，请按下急停开关，以预防误操作）急停开关接口已带光耦，可通过电脑并口输出控制。（4）调速器型号的选择：由于pwm直流调速器具有如此多的优点，且考虑到护栏自动清洗