自动沙袋机设计说明书

1、第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组（2010）设计说明书第四届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组设 计 说 明 书 参赛学校：中国地质大学（武汉）设计者：张步阳 王进 赵海波 毕鹏江 方程 指导老师： 童志伟 曾小慧目 录第一章设计背景2第二章创新构思3第三章创新设计的功能指标4第四章创新设计的工作原理及运动分析4（一）运动模块4（二）取沙模块4（三）取袋模块4（四）自动开口模块6（五）自动装沙模块8（六）自动封口模块9（七）自动卸袋模块10第五章实用化的可能性11第六章创新设计与相近产品的异同与创新之处11第七章应用前景展望11参考文献12附页（作品照片）13一设计背景自古以来，洪涝灾害一

2、直是困扰人类社会发展的自然灾害。据统计，我国有洪泛区近100万平方公里，全国60%以上的工农业产值，40%的人口，35%的耕地，600多座城市，主要铁路、公路、油田以及许多工矿企业受到洪水灾害的威胁。但是，从洪涝灾害的发生机制来看，洪涝具有明显的季节季节性、区域性和可重复性，它仍具有可防御性。当前政府在各地设立防汛部门，并修筑了很多水库，堤坝，一般情况下可以防止洪涝灾害的发生。但当遇到特殊情况，如台风，特大暴雨或防汛工程年久失修等的情况下，堤坝也会出现问题，不足以抵挡洪涝的入侵。遇到险情时，防汛部门一般会采用沙袋加固堤坝的方法。见图1.1另外我国幅员辽阔地震、泥石流等地质灾害频发，地震过后房屋

3、被毁公路路面断裂，而泥石流可直接埋没车站，铁路、公路，摧毁路基、桥涵等设施，致使交通中断。为了尽快打通救援通道，救援人员经常采取在摧毁的道路上铺沙袋的方法修复摧毁路基。见图1.2无论是抗洪固堤还是铺路，装沙的快慢直接影响着灾区人民的生命和财产安全。而到目前为止装沙过程绝大多数采用两人配合，一人装沙一人撑袋的方式，耗费人力较多，且速度慢，效率低下，见图1.3。在救援机械中已经出现了少数装沙机械，但仍需要很多人力，不能实现自动化，效果仍然不够显著，见图1.4。 图1.1抗洪中需要大量沙袋 图1.2泥石流摧毁道路和桥梁，战士们用沙袋铺路 图1.3 传统的装沙方式 图1.4现有装沙机械仍需大量人力二、

4、创新构思1.本全自动灌沙机可实现连续取沙，对沙袋的自动提取，自动开口，自动装沙，自动封口，自动卸袋。框图如图2.1所示2.当沙袋机由于断电突然停机时，各机构将停在断电时的位置，为了能使通电时机器工作，需设置初始化程序使机器各机构位置复位。图2.1 装沙流程图根据以上设计思路，本全自动灌沙机由运动模块，取沙模块，取袋模块，自动开口模块，自动装沙模块，自动封口模块和自动卸袋模块组成，整体照片如图2.2所示。 图2.2 全自动灌沙机整体照片三、创新设计的功能指标接口板输入电压9V，输入电流 1.5A接口板的空载电流消耗为50毫安9个9V直流马达（向前，向后，停止，八级调速），连续运行电流250毫安，

5、带短路保护四、创新设计的工作原理及运动分析（一）运动模块该模块由一个减速比为50：1的电机驱动用于实现装沙机移动。（二）取沙模块该模块由一个小电机驱动，经齿轮传动从而带动传送带上下移动，再经链条传动，从而使取沙机旋转“挖沙”。机构运动简图如图4.21所示，该模块照片如图4.22所示。图4.21取沙模块机构运动简图1. 取沙机 2.齿轮 3.传送带滚筒 4.传送带 5.齿轮（接电机） 6.链轮 7.链条 8.链轮图4.22 取沙模块照片（三）取袋模块本模块为二自由度机械臂，可在水平面和竖直面内各转90°。具有可将放在平台上的沙袋吸起后放到漏沙口下端的功能。当和拉口机构配合实现开口时，起

6、到固定沙袋的作用。机械臂水平面内转动的实现：由于转动角度（90°）较小，若水平旋转速度过高，则在水平面内机械臂可能出现突然启动和突然停止，从而导致沙袋的掉落，因此采用减速设计保证转动的平稳性。又考虑到要在水平旋转平台上搭建竖直旋转取袋臂，因此采用减速比为8：1的直流电机驱动，齿轮传动部分采用齿数为 58的蜗（齿）轮和与之配合的蜗杆，这样就保证了适合的旋转速度。机械臂竖直平面内转动的实现：由于竖直旋转取袋臂自重较重，因此其旋转的实现采用减速比为50：1的直流电机驱动，同时采用齿数为30 和齿数为20 的两齿轮啮合，从而获得较大的转矩。机构运动简图如4.31所示：图4.31 机械臂机构运

7、动简图 机械臂提袋设计：抗洪救灾中大都采用塑料编织袋装沙，我们现在采用透明塑料袋代替。在工业中经常使用真空吸盘或粘性吸附装置将袋子吸起，考虑到慧鱼材料的限制，现采用电磁铁将两边贴有铁片的袋子吸起，从而模拟代替工业中的取袋过程。其中电磁铁固定在竖直旋转取袋臂上。机械臂整体照片如图4.32所示：789432165图4.32 机械臂整体照片1.磁传感器 2.竖直旋转电机 3.蜗(齿)轮（水平旋转平台）4.碰触开关 5.水平旋转电机 6.蜗杆 7. 电磁铁8.竖直旋转取袋臂 9.磁铁工作流程及传感器布置：水平电机驱动蜗轮（3）顺时针旋转90°，到达指定位置后，竖直旋转取袋臂（8）旋转90&#

8、176;，同时电磁铁通电，然后竖直旋转臂反向旋转，将袋子吸起，当其上的磁铁（9）碰到磁传感器（1）后停止旋转，于此同时水平电机驱动蜗轮逆时针旋转90°，袋子到达指定位置。程序设计如图4.33所示：图4.33 取袋模块程序（四）自动开口模块：自动开口模块用于模拟人手将袋子撑开等待灌装的过程。撑口机构通过电机驱动的齿轮箱与齿条的啮合实现水平移动。由上文知取袋机械臂的前部安装电磁铁，当电磁铁通电时，可以将袋子的一侧吸紧，袋子的另一侧被安装有电磁铁的齿条吸紧，这样当齿条水平后移时，就可以将袋子拉开了。当沙子装满时，电磁铁断电，袋子由于重力作用落到已经停在下面的小车上，然后小车开动将袋子运走。

9、机构运动简图如图4.41所示，整体照片如图4.42所示。 袋口未开 袋口被拉开图4.41自动开口模块机构运动简图43125图4.42 自动开口模块照片1.2.电磁铁 3.齿轮箱 4.齿条5.碰触开关工作流程及传感器布置：当沙袋到达指定位置后，电机带动齿轮箱(3)使齿条(4)移动一定距离，齿条（3）上的电磁铁（1）吸附住袋子后反向移动，当电机碰到碰触开关（5）时，电机停止运动，撑开的袋子等待灌沙。当沙子装满时，两电磁铁断电，袋子由于重力作用落到已经停在下面的小车上，然后小车开动将袋子运走。程序设计如图4.43所示：图4.43自动开口模块程序图（五）自动装沙模块：自动装沙模块由传送带、沙箱、挡沙门

10、、漏沙槽组成，可实现对多个沙袋的定量灌装。传送带将挖好的沙子运到沙箱中以备取用，沙箱为一边高一边低的结构。在沙箱上开有一漏沙口，漏沙口的下端有一挡沙门，当挡沙门打开时，沙子从沙箱漏到呈倾斜状的漏沙槽中，然后漏到沙袋中，一段时间后挡沙门关闭，从而停止灌沙。其中挡沙门与齿条固连，齿条与齿轮啮合实现挡板的水平运动。机构运动简图如图4.51所示，整体照片如图4.52所示。 挡沙门关闭 挡沙门打开图4.51 挡沙门机构运动简图653142图4.52 挡沙门机构整体照片1.直流电机 2.挡沙门3.碰触开关 4.齿条 5.碰触开关 6.齿轮挡沙门工作流程及传感器布置：当挡沙门接到开启指令时，电机转动，齿条（

11、4）向左运动，当碰到碰触开关（5）后电机停止转动3秒钟，然后电机反转，当齿条（4）碰到碰触开关（3）时电机停止转动。程序设计如图4.53所示：图4.53 挡沙门程序（六）自动封口模块 在装满沙子之后，由小车托运沙袋到滚子处进行封口，滚子设计为由齿轮组带动的车轮，由于滚子的速度有一定的要求，速度太快则滚子的挤压力不够，容易造成封口不严，太慢了又浪费了时间，同时还要保证滚子的线速度与小车速度基本相同。经过多次试验，我们选择了用减速比为50：1的直流电机，齿数为30 和齿数为10 的齿轮组及蜗杆来获得合适的传动比。车轮设计为双层轮叠加封口，这样可以保证即使袋子有一定的高度差异或袋子在行进过程中发生了

12、一定的倾斜也可以满足封口要求。机构运动简图4.61所示，整体照片如图4.62所示。沙袋即将封口 沙袋正在被封口 沙袋封口完成图4.61 自动封口模块机构运动简图4231图4.62 自动封口模块机构运动简图1.蜗杆 2.滚子 3.小齿轮 4.大齿轮（蜗轮）工作流程及传感器布置：当接到指令时，电机旋转3秒钟，当接到停止命令时停止转动。（七） 自动卸袋模块本模块可将小车上的沙袋卸倒在平地上以供取用。当小车从挡块下面经过后，挡块下移，小车反向移动，装满沙子的袋子因为受到阻挡而从小车上落下，然后挡块上移的初始位置。挡块的竖直运动采用丝杠传动，由于丝杠传动速度慢，而又希望挡块快速下落，因此驱动丝杠的电机采

13、用减速比最小（8：1）的大功率直流电机，并经齿数为30和齿数为20的两齿轮的增速传动来进一步提高速度。与电机相连的齿数为30的齿轮位于齿数为20的两齿轮的中间，从而实现一个电机驱动两丝杠的作用。机构运动简图如图4.71所示，整体照片如图4.72所示。 沙袋到达指定位置 挡块下移小车反向移动沙袋被挡块挡落图4.71自动卸袋模块机构运动简图7412653图4.72 卸袋模块整体照片1.碰触开关 2.丝杠 3.挡块 4.碰触开关 5.直流电机 6.小齿轮 7.大齿轮工作流程及传感器布置：挡块（3）在丝杠（2）的传动下向下移，当碰到碰触开关（4）后直流电机（5）反向转动，从而实现挡块（3）上移，当碰到

14、碰触开关（1）后，电机停止转动。程序设计如图4.73所示：图4.73 卸袋模块程序五、实用化的可能性在装置设计的过程中，我们充分考虑了装置实用化的可能性，做到用慧鱼材料尽量模拟实物的工作原理。对于取沙可通过专门的取沙机实现，如图5.1所示。电磁铁吸附过程可以通过现在工业上使用的真空吸附实现，该吸附动作在面粉灌装、水泥灌装中都有应用，技术相对比较成熟，如图5.2所示；滚子封口部分可通过现有的线封口机封口，封口机图如图5.3所示。图5.1 沙场中的取沙机 图5.2 真空吸盘 图5.3 线封口机 在整个过程中起传送作用的小车则可以通过普通的传送带实现，通过将传送带的末端倾斜可使装好的沙袋自动滑落，从

15、而代替了现有的卸袋机构。通过以上分析该装置完全可以实现实用。六、创新设计与相近产品的异同与创新之处现有的抗洪救援机械中的螺旋式装沙机功能单一，只是将沙子取上，流到出口，出口的袋子是人工放置，整个装沙过程都要有人工协助才可以完成。与之相比，我们的设计就显现出明显的优势其创新点如下：1.本全自动灌沙机具有机动性，能在第一时间到达受灾现场。2.实现了在受灾现场对沙袋的全自动连续灌装，节省了大量的时间和人力资源。3.本模型所涉及的机械机构与电路控制部分，在现有工业水平下完全可以转化成实物，实用性高。七、应用前景展望与现行的依靠人力装沙和一些其他的装沙机械相比，我们设计的自动沙带机实现了从取袋到最后的整袋下机器的全自动化，大大提高了工作效率和可操作性，能够做到及时有效的灌装沙袋，为防汛、治汛、救援铺路工作争取宝贵的时间。由于本机器具有机动性、体积较小、质量较轻适合于多种复杂地形的工作，大大提高了适应能力，给防汛、治汛工作带来了极大地便利。由于市场尚未出现这样的装置，因此该装置的市场前景广阔，适合