毕业设计（论文）-多功能便携式家用吸尘器结构设计

1、多功能便携式家用吸尘器结构设计全套图纸加V信153893706或扣 3346389411摘 要随着生活水平的不断提高，吸尘器成为家庭中必不可少的一件利用率非常高的电器产品。近些年来，许多用户被便携式吸尘器的便携、空间占有率小等优点所吸引并购买。而目前市面上的便携式吸尘器大多使用集尘袋过滤的方式实现吸尘器的吸尘功能，这种方式会随着时间的推移而使集尘袋上的小尺寸微尘堵死集尘袋造成吸尘器吸力下降。本课题将在吸尘器内设计旋风分离器来解决这一问题。本课题运用SolidWorks等软件进行计算机辅助设计，在设计的过程中先绘制草图，再进行详细的计算，将所得的数据进行了多次三维建模，最终得出吸尘器的整体结构模

2、型。关键词 吸尘器；旋风分离器；结构设计Structure design of multifunctional portable household vacuum cleanerAbstractWith the continuous improvement of living standards, vacuum cleaners have become an indispensable household electrical product with high utilization rate. In recent years, many users are attracted and pu

3、rchased by the advantages of portable vacuum cleaners, such as small space occupation and so on. At present, most of the portable vacuum cleaners on the market use the way of dust bag filtration to realize the dust collection function of the vacuum cleaner. This way will cause the small size dust on

4、 the dust bag to block the dust bag and reduce the suction of the vacuum cleaner with the passage of time. This topic will design the cyclone separator in the vacuum cleaner to solve this problem.In this project, SolidWorks and other software are used for computer-aided design. In the process of des

5、ign, the sketch is drawn first, and then the detailed calculation is carried out. The data obtained are modeled in three dimensions for many times, and finally the overall structure model of the vacuum cleaner is obtained. Keywords Vacuum cleaner; cyclone separator; structure design目 录 TOC o 1-3 h z

6、 u HYPERLINK l _Toc41661380 一 绪论 一 绪论（一） 引言在吸尘器刚刚出现在大家的视野中的时候，电力还不是它的动力来源，风箱则成为了吸尘器完成吸尘功能的原动力，这样的吸尘装置往往体积笨重。到了1901年，来自英国的布斯工程师来到英国伦敦参观在这里举办的一种车箱除尘器的展览。这个车箱除尘器的原理仅仅是用压缩过的空气把灰尘吹入容器内。在布斯看来这样的做法未免有点过于简单，因为这样做的吸尘效率极低，许多灰尘都没能顺利的吹入集尘器内。他回去之后经过再三的思考，用逆向思维的方法思考问题，想让除尘器变成真正的吸尘器。于是，他做了个实验：他将一块手帕覆盖在口鼻之上，再向内吸气，等

7、他拿下手帕之后发现再手帕的表面竟然附上了一层灰尘。于是，他便运用这个原理制成了吸尘器。这便是最早的吸尘器的雏形。现在，吸尘器已经融入到每个家庭中，不同价位不同品牌不同功能的吸尘器能够满足各个家庭的不同需求。吸尘器已经融入了千家万户的生活之中，它也已经被列入国家的统计项目中成为了排名第三位的家用电器，排在洗衣机和冰箱之后。由此可见，吸尘器的需求量是巨大的，市场潜力也是巨大的，吸尘器已经在我们的日常生活中占据了十分重要的地位。（二） 课题背景放眼国际市场，中国是世界上最大的吸尘器制造基地。据统计，吸尘器出口量在所有白色家电之中以3000万台的成绩排在前三位。如果算上中国香港、中国台湾等地区的企业出

8、口量，则出口量达到了5000万台。与这个数字形成鲜明对比的是，国内吸尘器的销量只有300万台左右，和其他的日常使用家电的销量相比相差甚远。从吸尘器的出口量和销量的对比中我们可以看到，吸尘器出口量和销量的巨大差距并不能说明国内消费者没有能力购买或者消费吸尘器，只能说明国内消费者对吸尘器的认知和理解还不到位，对它的用途及功能的理解比较浅显。只有当消费者能够清楚的明白吸尘器的用途及功能的时候，吸尘器的市场才会逐渐打开，我们也将会迎来吸尘器的消费高潮。放眼如今的吸尘器市场，其价格定位和价格区间相对于国内消费者的消费能力来说还是比较合理的，由此可以看出吸尘器的价格并不是吸尘器销量不佳的原因。那么为何面对

9、中国这样庞大的市场，唯独吸尘器的市场迟迟打不开局面。其一是国内消费者所根深蒂固的清扫理念没有得到改变。现在的中国家庭可能还不能做到每家都有吸尘器，但是每个家庭肯定都有扫帚拖把等基本的清洁工具。其二是消费者对于吸尘器的清洁能力和功能了解的比较片面，他们对吸尘器的理解还是仅仅停留在吸尘器只能吸尘这一个方面，然而现在市面上在售的很多的吸尘器还有除螨等其他功能。发达国家的情况与我们恰恰相反，每个家庭可能不止拥有一台吸尘器，他们会根据不同的需求配备各种各样的吸尘器。消费者的思想与习惯在很大程度上影响着消费市场。1 国内吸尘器现状从1968年开始，上海就有企业开始进行吸尘器的专业化生产。换句话说，国内吸尘

10、器生产的起步不是很晚，但由于当时普遍生产技术达不到要求，造成吸尘器的产量很低，所以国内使用吸尘器的企业与个人还是比较少，只有一些对环境清洁有所要求的场所在使用吸尘器。在当时，吸尘器这个家电还没有真正的融入到消费者的生活中。近年来，随着我国轻工业的飞速发展，吸尘器的生产技术也越来越好，产量也大幅增加。如今，我们可以在市场上看到许多国内外不同品牌的吸尘器，而吸尘器本身也在朝着多元化多功能化的方向发展，不同的价位更是能满足不同家庭的需要。2 国外吸尘器现状早在1869年，美国工程师麦克加菲就发明过一款名为“旋风”的真空吸尘器。1908年由胡佛公司制造的“OModel”则是世界上最早的便携式吸尘器。一

11、开始国外生产的吸尘器都是用来清理大型工厂，功率超大的吸尘器可以有效地清理工厂内的废料，因此当时吸尘器在工业上的使用频率较高。但人们渐渐开始思考，吸尘器能否应用到每个家庭的日常生活中来呢？所以吸尘器才逐渐从工业走进了人们的日常生活中。纵观吸尘器的发展历史，我们不难发现吸尘器的更新换代主要体现在改变电机功率和调整调速器上，很少对吸尘器的集尘方式进行改动。传统的吸尘器集尘方法就是在集尘仓中安装一个集尘袋，这样就可以把所有吸进来的灰尘废物集中在一起，它的缺点在于在收集满垃圾之后需要清理并清洗集尘袋，除此以外，由于过滤精度的影响，很多细小的灰尘和纸屑等容易吸附于集尘袋的内壁，大大降低了吸尘器的吸尘能力，

12、严重可能会造成吸尘器电机短路。1978年，英国设计师戴森发现了传统集尘袋降低吸尘器吸尘能力的问题。在制作了上千个模型后，戴森终于设计出了第一款便携式无滤尘袋吸尘器。1986年戴森在日本成功推广了一个叫做G-动力真空吸尘器的产品，这款产品的原理是将气流加速至每小时321公里，再以每小时1448公里的超音速旋转，高速旋转产生的离心力使灰尘以及含尘颗粒落入集尘袋中。如今，“戴森”已经成为了吸尘器行业的标杆企业。（三） 课题研究目的意义本课题研究的目的是设计出一款更加便携简易多功能的家用吸尘器。目前，国内的家用吸尘器大部分功能单一，使用不便，需要经常清洗集尘袋。本课题所设计的多功能吸尘器与之相比有如下

13、几点优点：不仅仅只有吸尘这一个功能，而是能将除湿等一些附加功能有效的结合起来，使吸尘器变得更加多功能化。本课题的设计通过计算能够有效的提高吸尘器的工作效率，增加吸尘器的实用性。与传统的集尘袋不同，运用旋风分离除尘技术，避免了清洗过滤网的反复清洗步骤。该吸尘器体积较小，重量较轻，功能化全面，实用价值和性价比极高，投入市场潜力极大。通过对其三维模型的建立，数据的处理和分析，最终的设计成果对日后吸尘器的创新研究具有参考意义。本次课题设计的难点：如何将工业上的旋风分离除尘技术巧妙的运用到日常家电产品中如何对电机风叶轮进行结构优化二 便携式吸尘器概述随着人们生活水平的提高，对于吸尘器的要求也越来越高。用

14、户在打扫卫生时，在承受着繁重的体力劳动的同时，不再愿意去承受吸尘器带来的不便感。人们越来越希望有一个轻松舒适的设备改善对待劳动的态度，使得打扫卫生不再费力而无趣。在这种大环境下，便携式吸尘器的到来便显得极为重要。（一） 吸尘器的组成和分类1 吸尘器的组成吸尘器的组成可以分为三个部分，分别是吸尘器的吸头、集尘分离装置和负压装置。其中包含的结构部件有电动机、离心式风机、滤尘网和其他一些吸尘附件。吸头现在市面上的吸尘器一般都带有好几个可替换吸头，供用户在不同的需求环境下自行调节使用。常见的替换吸头有圆孔吸头、扁吸头、边吸头等。圆孔式吸头的使用范围较广，很多的场合都可以使用，也可以搭配其他吸头一起使用

15、。扁吸头和边吸头主要用于清理房间内的各种死角。集尘分离装置据调查，现在吸尘器上用的集尘分离装置有以下几种：传统滤纸过滤、无纺布过滤、有滤芯的水平旋风过滤和立式旋风过滤。负压装置这个装置的主要作用是通过离心风叶轮的高速旋转来产生负压，将灰尘吸入集尘筒中。2 吸尘器的分类吸尘器的分类方式有很多，在本课题中我将逐一为你介绍各个分类方式的名称以及其分类标准。按照功率分类便携式吸尘器按功率可分为高功率吸尘器、中功率吸尘器和低功率吸尘器。大功率吸尘器通常是老式的吸尘器，功率范围为3000瓦至4500瓦。它们通常用于工厂或清洁面积大的环境中。市场上通常使用中等功率的吸尘器，功率范围为300瓦至2000瓦。与

16、大功率吸尘器相比，它的吸尘能力较弱，但对于普通家庭来说这种能力已经足够了。地板、墙壁和地毯上的灰尘可以清理。低功率真空吸尘器的功率范围在60W至200W之间，三种不同功率吸尘器中吸尘能力最弱。它可以用来清洁电脑键盘缝隙、衣物表面和其他不需要太大吸力的地方。它的特点是省电。按照结构分类按照吸尘器结构组成的不同我们可以将吸尘器分为以下几种：罐式吸尘器、棒式吸尘器、无绳式吸尘器、立式吸尘器、干湿式吸尘器和中央式吸尘器。其中，罐式吸尘器是欧洲最常见的吸尘器，它的喷嘴通过一根管子和一根软管与吸尘器的主体相连接。棍棒式吸尘器是手持吸尘器，它与无绳吸尘器一样由可充电电池供电。无绳式吸尘器和棒式吸尘器的喷嘴直

17、接安装在吸尘器的机身上，使它们比罐式吸尘器的结构更紧凑。立式吸尘器主要在美国和英国销售，它们比无绳吸尘器更大，通过一根管道提供能量，使立式吸尘器比无绳吸尘器有更强大的动力。干湿式吸尘器能够吸湿地板，这些吸尘器的主要市场是巴西。中央吸尘器安装在有几个出水口并连接管道的房子里。不同结构的吸尘器如图3.1所示。罐式棒式无绳式立式干湿式中央式图3.1 不同结构的吸尘器（二） 便携式吸尘器的特点便携式吸尘器具有吸尘、吸水、除螨等功能，使其更加的多功能化。这么做可以在很大的程度上使人们使用吸尘器更加的方便便捷。而这正在成为家庭必备家电的一个大趋势，很多的家电不再只有单一的功能和角色，而是尽可能的多功能化。

18、这样的设计符合市场需求，也在很大程度上满足了大众对其功能的需求。1 便携式吸尘器的工作原理想要了解一台真正的吸尘器，便要先了解它的工作原理。吸尘器的工作原理如下：吸尘器可以连接交流或者直流电源，将吸尘器连接电源后，按下启动按钮，电动机便会开始工作，带动叶轮进行高速旋转，在吸尘器内部会形成局部的真空，利用集尘筒内部与外部的气压差产生一定的吸力，吸尘器便可以将灰尘等垃圾吸入集尘桶内了。在集尘筒的内部一般还设有过滤装置，方便集尘筒把一些灰尘污垢留在集尘筒中。过滤后的空气通过后壳排出。2 吸尘器的形态特征在设计吸尘器时，主要通过两方面体现其形态特征：造型和色彩。在造型设计方面，完美的结合直线与曲线，既

19、让女性消费者感受到这款产品线条的柔和，也可以让男性消费者感受到它的线条与力量。在现在的市场环境中，要想推出一款能够引起热度的产品就必须要在产品外观上多下功夫，要做到让消费者看的第一眼就被其独特的外观深深的吸引。只有这样，才能让消费者有可能去继续了解它的性能、价格等参数。所以我们应该做到在追求产品造型设计的同时不丢下产品的功能设计。3 吸尘器的附属功能很多人觉得吸尘器只能用来吸尘，殊不知吸尘器除了日常吸尘打扫之外还有许多的附属功能。例如，当季节变化，我们通常都会把过季的衣服收拾进袋子里留到明年再穿，这时候吸尘器就派上了用场，我们可以用用吸尘器抽一下真空袋，这样真空袋的体积便明显变小，占用的空间也

20、更小了。（如图2.1）夏天来临的时候，很多人都饱受蚊虫叮咬的困扰，这时候我们就可以用吸尘器来吸掉蚊子、小飞虫等小生物，这样也不至于在墙上留下蚊子的尸体，只要简单清洗一下集尘筒就可以了。除此以外，在家里掉了一些很小的物件，如果他们掉到了床底下或者沙发底下的话找起来很麻烦，这时候当你拥有一台吸尘器，一切都会变得很简单。你只需要在吸尘器的吸尘口处裹上一层纱布，这样开启吸尘器之后就可以把掉落的物品吸附在纱布上了，这样十分的方便。图2.1 用吸尘器抽取真空袋内的空气三 吸尘器整体方案设计（一） 吸尘器的市场在中国，吸尘器市场需求正在持续快速的增长。吸尘器更是摆脱了电源线的限制，凭借其更高的自由度，已经成

21、为吸尘器市场中发展迅速的产品之一。根据新世界产业研究中心发布一份报告，2018年，中国吸尘器的总市场规模接近200亿元，同比增长约32%。在这之中，吸尘器市场规模约占40%，同比增速超过50%。种种数据表明吸尘器市场发展前景光明，潜力巨大，势头强劲。目前，我国吸尘器市场上的主要品牌有戴森、莱克、美的、松下、小狗等。其中，戴森、莱克和美的在总市场份额中排名前三。其中，戴森的销量更是一路领先。在目前的吸尘器市场上，国产品牌的比例高于国外品牌，但是在中高端市场方面，国外品牌依旧是占领市场，国产品牌主要在中低端市场展开竞争。现阶段，我国的吸尘器市场的普及率依然尚未达到预期水平，在不久的将来，相信随着国

22、民消费力的提升及消费观念的转变，吸尘器能够在我国得到更为广阔的发展空间。（二） 吸尘器设计定位正如前文所提到的，随着国民生活水平的不断提高，人们对吸尘器的要求已经不再仅仅是它能吸尘就可以了，而是要求它有多功能的属性。不管是何种用户人群，都希望能够通过吸尘器来在提高劳动效率的基础上能够减轻劳动负担。当我们在进行日常打扫的时候，会遇到需要打扫的区域有积水的情况。在这个时候，传统的单一功能的吸尘器便不能继续工作，需要我们把积水处理干净。而这时吸尘器的优势便体现了出来，既可以把积水清理干净，还不损坏电机。在外形设计上，目前市场上主要有流线型外观和直线型外观两种，这两种所针对的人群都太过明显。吸尘器应该

23、将这两种外形设计有机结合起来，让不同的人群都感到很舒服。设计定位总结：人群定位：20-40岁中青年。追求效果：外观独特、性价比高、功能齐全。附属功能：可吸水、无线设计、便携性强。（三） 吸尘器的整体分析1 吸尘器的性能参数标准吸尘器基本参数有以下几个：输入功率输入功率代表了吸尘器的消耗电功率。在装配完吸尘器后，在一切调试完毕后，调整到额定电压，使其稳定运行，在这种条件下测出的电功率就是输入功率。吸入功率吸入功率表示吸尘器的有效功率。如不考虑误差，吸入功率代表吸尘器进风口中空气的能量。吸尘器效率吸尘器效率可以用如下公式表示：（3.1）公式中的P为吸尘器的吸入功率；w为吸尘器在P条件下的输入功率。

24、绕组温升吸尘器电动机的绕组温升具体表现在吸尘器上为绕组的发热程度。发热程度越高，那么电动机的绝缘老化越快，寿命也就相应的越短。2 集尘分离方式吸尘器的集尘分离方式一般可以分为两种，一种叫尘仓式，另一种叫尘袋式。尘袋式，顾名思义就是把收集到的灰尘集中到一个袋子中。这种集尘分离模式的好处就是可以及时更换集尘袋，不用花费时间去清洗集尘袋。缺点就是价格比较昂贵，不适合国内用户，而且其频繁的更换纸质集尘袋也不够环保，用无纺布材料的话，又增加了清洗集尘袋的步骤。而尘仓式集尘袋便和尘袋式有所不同，尘仓式的集尘分离方式运用旋风分离法将灰尘收集到集尘筒内。用户只需要在清扫活动结束后打开集尘筒，冲洗干净集尘筒即可

25、，操作方便是它最大的优点。然而在用尘仓式集尘分离法集尘的过程中，有的灰尘过大或带有坚硬的棱角时，会对集尘筒内壁造成不同程度的划伤，缩短集尘筒的使用寿命，也会在一定程度上影响集尘筒的美观。（四） 吸尘器集尘分离装置方案设计在设计吸尘器的集尘分离装置时，一般有一下三种方案可供参考，如图3.1所示。 方案一 方案二方案三图3.1 三种不同的集尘分离装置方案在表3-1中，我对三种不同的设计方案进行了对比，分析了各个方案的不同优缺点，并在选出的最优方案中进行了改进设计。表3-1 吸尘器设计方案对比优点缺点方案一结构简单，成本低，清洗集尘罩方便风力损失大，导致真空度下降，吸尘效率不高，噪音大方案二采用了旋

26、风横向技术，气流直线进入机身，减小阻力，气流速度快，吸尘效率高，噪音小结构相对方案一复杂，不易清洗集尘罩，成本高方案三采用旋风直立分离技术，效果比方案二偏好，可吸水，防止水份进入电风机，清洗集尘罩方便，噪音小气体流动路径设计结构复杂，成本高通过上述三个方案的对比，可以看出方案三是三者中的最优方案，但鉴于其产生的成本较高，于是对其进行方案改进，把后方负压装置旋转90，再对其集尘分离装置分成两级分离，第二级则采用小6旋风并联，其内部结构如下： 图3.2 第一级旋风过滤器 图3.3 第二级旋风过滤器（五） 吸尘器电机选择电机就是吸尘器的心脏。电机的好坏与吸尘器的吸尘效果直接相关，目前，市面上的吸尘器

27、基本配备的电机通常可以分两种，一种是有刷电机，另一种是无刷电机。无刷电机使用如图3.4的半导体开关器件来实现电子换向，也可以说就是用电子开关装置替代了传统的接触式换向器和电刷。优点包括干扰低、低噪音、寿命长、较低的维护成本等等。有刷电机的工作原理则略有不同，当电机工作时线圈和换向器是持续旋转，而磁钢和碳刷则不旋转，电机旋转的换向器和电刷完成线圈电流方向的交替变化。如图3.5所示，其优点是价格便宜，技术简单。 图3.4 无刷电机 图3.5 有刷电机通过类比以上两种电机性能得出表3-2：电机类型噪声使用寿命价格是否需接驱动器直流有刷电机大一般（电刷易磨损）便宜否直流无刷电机极小长昂贵是表3-2 有

28、限与无刷电机对比目前国内市场上大部分的便携式吸尘器的电机都采用的是普通直流电机（即有刷电机），然而，根据本课题设计意图，以及整体结构的设计需要，若采用普通直流电机无法达到要求，综合考虑，采用直流无刷电机。.其型号参数如下：型号：57BL-0880N1-LSB功率：80W额额定电压：24V(DC)额定转速：8000 rpm额定转矩：0.095 Nm额定电流：6.2A 最大电流：12.4A极对数：5重量：0.8Kg适配驱动器：BL-0804 V1.5四 吸尘器结构设计与计算（一） 旋风分离器结构设计旋风分离器是目前市面上将气固分离、固液分离应用较为广泛的设备之一。1 旋风分离原理含尘气体从旋风分离

29、器入口进入后，沿着集尘筒内壁作高速旋转，产生的离心力将粉尘从气体中分离出来。粉尘等颗粒在集尘筒内所受到的离心力远远大于粉尘颗粒所受到的重力和惯性力，因此旋风分离器的分离效率很高。轴向进气和切向进气是旋风分离器的两种常见的入口进气方式（如图4.1所示）。轴向进气是指含尘气体沿轴向方向进入旋风分离器，之后在电机叶片的旋转作用下将含尘气体的轴向运动变为切向旋转运动。切向进气则是含尘气体沿切向入口进入旋风分离器，之后再进行旋转运动。图4.1 切向进气的筒锥形旋风分离器旋风分离器主要有以下一些尺寸参数：(1) 旋风分离器本体直径，D；(2) 旋风分离器总高，H；(3) 升气管直径，Dx(4) 升气管插入

30、深度，S；(5) 入口截面的高度和宽度分别为a和b；(6) 锥体段的高度，Ha(7) 排尘口直径，Dd2 旋风分离器的性能参数通常旋风分离器的主要性能参数指标有两个，一个是通过旋风分离器的气体压强降，另一个是粉尘颗粒的分离性能。（1）粉尘颗粒的分离性能旋风分离器的分离性能的强弱理论上通常可以用能完全分离下来的最小粒子尺寸：临界粒径c及分离效率 eq oac(,1) 临界粒径c：旋风分离器可完全分离的最小粒径。假定：将在旋风分离器内颗粒与气流产生的相对运动称为层流；颗粒在旋风分离器内的切线速度不变化，且与进气处的气速ui相等；含尘颗粒沉降所穿过的最大距离为进气口宽度B，则导出临界粒径c的估算式（

31、4.1）式中：B：旋风分离器的进口管宽度，标准型B=D4Ne：气流的有效旋转圈数，一般取值在0.53，标准型取值在35，通常取值为5ui：进气口气体进气速度，单位m：气体粘度，单位kgss：固相的密度，单位kc越小，旋风分离器的分离效率越高。从上述估算式可以看出，c随着旋风分离器筒体直径 eq oac(,2) 分离效率分离效率有总效率和粒级效率两种表示方式。总效率用公式表示为：（4.2）式中，C1 C2总效率通常被人们用在工程计算上，在工程上的效率计算中它是最常用的，同时，它还有一个优点是它的分离效率的测定十分简单。它的缺点也是很显而易见的，总效率不能显示旋风分离器分离不同粒径大小的颗粒的效果

32、。粒级效率：粒级效率是根据颗粒的大小不同，分别表示其被分离的质量分数。众所周知，气体中所有的颗粒的粒子直径都是不同的，在经过旋风分离器的分离效果后，不同尺寸的颗粒别分离下来的可能性也是不同的。为了方便研究，通常把含尘气体中所含有的颗粒的粒径尺寸范围等分成几个小部分，那么，其中平均粒径为i的第（4.3）对于粒径不同的颗粒来说，他们所对应的粒级效率也是不同的。参照临界粒径的定义可知，粒径大于或等于临界粒径c的颗粒，其粒级效率为100%。而粒级效率为50%d（4.4）（2）旋风分离器的压强降压强降可以表示成进口气体动能的倍数，用公式可以表示为：（4.5）其中，为阻力系数，对于相同型号规格以及相同尺寸

33、比例的旋风分离器来说，是一个常数。标准型旋风分离器的值为8。3 影响旋风分离器的性能因素影响旋风分离器的性能因素主要有几何结构参数和操作参数。筒体直径D从时铭显等【1】关于旋风分离器的相似放大实验研究可以得出，吸尘器集尘筒筒体的直径减小，那么颗粒受到的离心力会增大，提高了集尘筒对颗粒的分离效率，随之而来的是压降的增大。排气管插入深度S根据已有研究表明，排气管插入深度增加，旋风分离器的分离效率会呈现先增大后变小的变化规律，换句话说，排气管的插入深度存在一个极值，也可以说是最佳值。根据Heumann研究的结果可以得出，排气管的插入深度的最佳值在Sa=1.051.80之间，在S总高H和筒高h根据时铭

34、显等人的研究我们可以得知，在上文提到的排气管插入深度S固定时，增加旋风分离器的高径比（HD），那么分离空间4 旋风分离器的结构形式旋风分离器的分离效率受到多方面的影响，旋风分离器的结构尺寸对分离效率的影响也是巨大的。近年来，有许多为了提高分离效率而降低压降的措施，在设计旋风分离器的过程中得到运用。主要有以下几点：采用又细又长的器身。这样的话可以减小筒体直径，同时可以增大含尘气体中颗粒所受到的惯性离心力，而拉长器身则可以延长含尘气体在旋风分离器集尘筒内的停留时间。所以，改用细长的器身可以有效地提高旋风分离器的分离效率。消除下旋流的影响。旋风分离器中，当筒体内旋气流上升时，会把已经在集尘筒底经过旋

35、风分离的颗粒再次吹起，这样旋风分离器的分离效率大大下降。为了解决这一情况，设计了凸缘式旋风分离器。更加合理的设计下沉口和排气管的尺寸，这样对提高旋风分离器的分离效率有显著效果。综上所述，必须重新设计改进旋风分离器，并在此基础上设计出一种新的结构。目前，国内已经针对各种类型的气旋系列制定了一系列的标准。各种型号的性能和其相关尺寸参数均可以资料和手册中查到。化工中常见的几种旋风分离器如下：XLT/A型：具有倾斜螺旋面的入口结构，设计成倾斜的进气口方向进气，可以在一定程度上减少涡流对除尘效果的影响，降低气流阻力，阻力系数的值可取5.05.5。XLP型：XLP型旋风旁路分离室，蜗壳进口，沿略高于顶盖控

36、制机构。含尘的空气进入旋风分离器立刻分成两股旋风气流，上、下两股气流。旁路分离结构旋风器迫使自旋气流的气旋带来的细微粉尘颗粒重新凝聚顶部，并通过下旋气流进入到分离室，随后向下旋转分离出超过5m的尘埃颗粒的主要空气粒子流，具有较高的分离效率。根据不同形状的身长度，XLP型分为A，B两种形式，其风阻系数的值是可取的4.8至5.8。扩散式：主要特征是具有上小下大的外壳，底部安装有挡灰板(也叫做反射屏)。挡灰板是倒置的漏斗型，在上端顶部的中央位置设置有孔，器壁底圈和下沿之间留有一定的缝隙。在离心力的作用下，粉尘颗粒沿壁面落下，进入间隙并落入集尘筒内，主体气流则被挡灰板隔开，进入集尘筒内的少量含尘气体通

37、过挡灰板顶部的小孔返回上部容器内，与上升气旋流汇合，最终通过排气管排出。挡灰板可以有效防止沉入的粉尘颗粒被气流卷起，产生扬起现象，因而使得分离效率提高，尤其对10m以下的粉尘颗粒，分离效果更为明显。表4-1 旋风分离器的主要性能参数类型标准式XLT/AXLP/B扩散式适宜进口气速ui/(m/s)1020101812201216阻力系数 85.05.54.85.86.57.0对粒度适应性/（m）10以上10以上5以上10以下对浓度适应性/(g/m3)4.050宽范围1.7200考虑到吸尘器尺寸大小，改进了标准旋风分离器，设计出了一种全新的结构形式。如图4.2所示：图4.2 旋风分离器剖视图5 旋

38、风分离器的结构尺寸定型选择旋风分离器时，首先根据具体的含尘气体分离任务，结合各不同种类的设备特点，选择相应的旋风分离器类型，而后通过计算决定尺寸与个数。计算的主要依据是含尘气的体积流量，要求达到的分离效率以及允许的压力降。本旋风分离器结构设计方法是根据现有旋风器结构进行改进，再对其做相关数据分析，以此达到吸尘器整体尺寸和除尘要求。旋风分离器的D参数确定： 假设在900 m3s总风量下，通过计算旋风分离器分离效果的出 一台旋风分离器： 取p=1460Pa，=5.3，允许的最大气速：ui= 取c=6m，Ne=5，进气口宽度hB= D =0.299m D =4B, B=0.075m 入口高度 h=D

39、/2=0.150m； 处理量=uiBh=0.252 m 临界粒径dc的颗粒d50=0.27Duis- d/ d50 =1.67； 查询手册可知，为0.84。 两台旋风分离器并联： 取p=1460Pa， =5.3，允许的最大气速：ui=(2p/p)1/2=22.4m/s 取c=6m，Ne=5，进气口宽度hB= D=0.211m； D=4B，B=0.053m； 入口高度 h=D/2=0.106m； 处理量= uiBh =0.126 m 临界粒径dc的颗粒d50=0.27Duis-1/2 d/ d50 =2； 查询手册可知，为0.9。 六台旋风分离器并联： 取p=1460Pa，=5.3，允许的最大气

40、速：ui=(2p/p)1/2=22.4m/s 取c=6m，Ne=5，进气口宽度hB= D=0.036m； D=4B B=0.037m； 入口高度 h=D/2=0.018m； 处理量=uiBh =0.062 m 临界粒径dc的颗粒d50=0.27Duis- d/ d50 =2.4；查询手册可知，为0.93。通过以上分离性能校核，最终确定采用了六个小旋风分离器并联除尘。图4.3 粒级效率与颗粒直径比d/dc的关系曲线图(2)旋风分离器其它参数设计计算：图4.4 旋风分离器相关参数通过查阅相关手册，标准旋风分离各个尺寸间关系如图4.4所示。由(1)中已确定了D=36 mm，则：h=D/2=18mm，

41、 H1=2*D=72mm, H2=2*D=72mm, S=D/8=45mm， D1=D/2=18mm，D2=D/4=9mm，为了适应加工工艺要求，本设计的旋风分离，把螺旋进风口单独分开，因此，必须对标准旋风器所计算出的尺寸进行调整。调整后的尺寸如表4-2。表4-2 旋风器尺寸参数H113H280锥角10由(1)的设计计算中，可知最终采用六个并联式的旋风结构。其结构图如图4.5所示。图4.5 六旋风分离器结构图（二） 风叶轮设计1 风叶轮的机构选型风叶轮根据其叶片结构可分为前向式、径向式和后向式三种。(1) 前向式 风机的叶片向叶轮旋转方向弯曲，叶片的出口安装角190(2) 径向式 风机叶片朝径

42、向伸出，2=90(3) 后向式 叶片的弯曲方向与叶轮旋转方向相反，29090静压=静压静压流量系数Q0.30.60.050.30.10.30.050.20.050.350.10.35压力系数P0.91.20.70.90.550.750.550.750.30.60.30.6效率0.60.780.70.880.70.880.70.880.750.90.750.92b0.60.60.050.30.10.30.050.20.050.350.10.35比较速度5010010503060255040805080特性及适用范围体积小，转速地，噪声低，适用于空调仪表转速高，压力高，噪声高，适用于阻力大的系统叶

43、片简单，转速低，适用于农机和排尘系统转速高，适用于冶金、排尘和烧结效率较高，噪声较小，适用于锅炉、空调、矿井、建筑、排尘系统等比较分析表表明，本课题采用的叶轮结构为后向式圆弧叶片、弧线前盘的叶轮。2 风叶轮的理论设计叶轮是风机的最主要部件, 叶轮的设计决定了风机能否获得其所需要的真空度与风量。叶轮的设计还需考虑到电动机的转速、输入功率及寿命等其他因素。根据空气动力学的欧拉方程式, 无限多叶片叶轮的理论真空度为13-14：HT（4.6）式中: ：空气密度, 标准状态时 = 1.2( kg /m3 ) ; u2 ：叶轮出口圆周速度, 单位是( m/s ) u1：叶轮入口圆周速度, 单位是( m/s

44、 ) C2u ：叶轮出口的绝对圆周分速度, 单位是( m/s) C1u ：叶轮出的绝对圆周分速度, 单位是( m/s)对于吸尘器风机，气体呈90进入叶片，此时，C1u，且C2u=u2-CH（4.7）式中：C2r ：叶轮出口的绝对径向分速度，单位是（m/s） 2A流经叶轮的理论风量为：QT即C（4.8）式中：QT ：风机的理论风量, ( m3/s)；D2 ：叶轮的出日直径,单位是( m )b2 ：叶轮的出口宽度,单位是( m )将（4.8）式代入（4.7）式得：H（4.9）吸尘器在一定转速下工作时，由（4.9）式知，HT和QT的关系曲线是一条直线，见图4.6图4.6 风叶轮的真空度衰减特性曲线图

45、图中，线表示无限多叶片的理论真空度曲线；线表示有限多叶片的理论真空度曲线；线表示考虑流动损失后的真空度曲线；线表示实际真空度曲线。实际上，叶片轮的叶片数是有限的，受轴向涡流的影响，风机的真空度减小，减小的比率叫真空度减小系数。真空度减小导数可用ECK的实验公式求得：（4.10）式中：Z:叶轮的叶片数；D1、D有限多叶片轮的理论真空度为：H（4.11）根据（4.10）式可得到图4.6的曲线。风机的流动损失（包括入口气流冲击损失），也会引起风机的真空度降低。设流动效率为h则风机的实际真空度为：H（4.12）见图4.6的曲线。另外，为了比较风机的性能，常引入引因次参数-真空度系数H和风量系数：H=H

46、/（4.13）在相同的转速n和直接D2下，真空系数H越大，真空度越高；风量系数Q越大，风量 越大。3 风叶轮的设计参数确定吸尘器工作时，从吸嘴进入旋风分离器、滤网等进入风机，然后再通过电机内部通道冷却电机后释放到空气中。在气体流动过的每一部分都会受到一定的阻力，必然使真空度下降，因此在确定风叶的设计参数时，必须考虑到损失部分。根据电风机的性能关系曲线（图4.7），我们可以得出，真空度H于风量Q呈抛物线函数关系，真空度升高，风量减少。在实际使用中，电风机的H、Q随着吸口面积的变化而相应的变化，电风机没有固定的工况。图4.7 电风机的性能关系曲线H-真空度曲线；P1-输入功率曲线；P2-吸入功率曲

47、线；图4.8 风机设计参数与电风机性能参数关系风叶轮的基本设计参数HN、Qn、HN=(0.50.6)H由前面对电机方案选择，可知，电机输入功率P=80W，最大流量时转速为7000r/min，最大真空度Hm时转速为8000r/min。吸风口为0.5时，转速为7500r/min，流量为101/sec根据经验叶轮尺寸设计如下：叶轮外径d2=58mm，叶轮内径d1=18mm，叶轮外圆轴向宽度b=5mm。(1)叶轮最大真空度 H(2)叶轮最大流量Q额定真空度 额定风量Q叶轮吸入功率P电机输入功率为80W时，电机效率(7)吸尘器吸入效率小结：通过以上的理论设计和参数计算，得出叶片轮尺寸和电风机性能参数如表

48、4-4。表4-4叶片轮尺寸和电风机性能参数叶片轮外径(mm)58叶片轮内径(mm)18额定输入功率(W)80电机效率0.753吸尘效率0.679吸尘器额定吸力(Pa)301.59吸尘器额定流量(1/sec)0.02最大吸力(Pa)603.18最大流量(1/sec)0.4（三） 集尘筒盖的弹射开关设计由于集尘筒盖内设置有密封圈，在开启的时候，若不设计特殊装置，则得人工开启，使得操作者在使用吸尘器过程中造成极大的不方便，通过对现有吸尘器大部分采用弹簧卡口式开关，此开关安装方便，操作性能一般，缺陷则是：在按下开关的同时需要对集尘仓或集尘盖施加辅助的力，才能完全开启，达到清楚垃圾的目的。也有一部分开关

49、属于电子开关，但此类开关结构安装上麻烦且使整个吸尘器的成本升高，不利制造。于此，设计出一种新的开关结构，安装方便，无需耗电能，操作简单。其三维模型如图所示。该开关装置内在纵向和横向都设置有弹簧，按钮的复位通过横向弹簧实现，纵向弹簧则是实现对集尘筒盖的卡口弹射。功能实现机理如下：按下开关按钮，前Z型导杆横向移动，卡口脱离Z型导杆的支撑有向下滑落倾势，此时纵向弹簧从压缩状态对卡口有一定的向下压力，卡口被弹出，纵向和横向弹簧复位，如图4.9所示。图4.9 集尘筒盖弹射开关效果图（四） 过滤网罩设计在前面已经提到，本次吸尘器采用两级过滤的方式，在第一级的粗过滤设计也是尤为重要的，它的过滤效果好坏对第二

50、级有这极大的影响。然而，由于整体结构的设计需要，第一级的过滤结构不再像传统旋风分离器结构，而是旋风分离器的一种演变。其结构图（图4.10）所示。整个一级旋风分离器，采用了倒置结构，集尘筒与过滤网之间的的间距在小端在入口的上方。图4.10 过滤网罩结构剖面图图4.11 第一级过滤器装配图由于上方的间距要求，过滤网罩上方倾斜角度设计为110，在倾斜部分不对其打网孔，这样可以避免产生气流紊乱或湍流现象。过滤网罩中部的网孔的直径为5mm。过滤网罩的关键设计部分在其下方的凸缘。下方的结构设计有多种方式。图4.12 凸缘向内设计方式一：如图4.12所示凸缘向网罩内部突出，往上倾斜。在倾斜部分打有网孔，产生

51、的气流旋风的内旋气流可以通过凸缘网孔进入。优点：结构简单，制造方便。缺点：没有引导槽，气流会出现两路分叉情况（内侧和外侧），压降损失大。图4.13 凸缘向外伸出方式二：如图4.13凸缘向网罩外部突出，内侧封闭，气流从外侧斜凸缘的网孔通过，再经过网罩中部网孔。优点：对一级集尘效果很好，气流稳定。缺点：外侧网孔易堵塞。通过对以上两种方式的对比，方式二的结构偏好，但要对其进行改进，避免网孔堵塞情况，因为无论是在整个吸尘器的哪个部分，只要是气流通过的路径产生堵塞情况，对吸尘器的整机性能会大大下降，甚至会损坏吸尘器。改进方式如图4.14所示。此方式，在网罩外侧设置凸缘，内侧安装小网罩，因为内旋气流所卷起

52、的粉尘颗粒受到向心力的作用，往外侧凸缘旋转，而气流则可顺利的通过内侧小网罩进入第二级的旋风分离器。于此，解决了网孔堵塞、压降损失过大、气流紊乱等问题。图4.14 方式二改进（五） 螺旋进风口设计螺旋进风口的难点是螺旋上升的斜板设计，因为其螺距在上升的过程中是不断变化的，通了对风量的计算和模拟，不断的修正螺距变化的参数，最后得出了螺距变化参数是螺旋上升比030%：螺距05mm；螺旋上升比3035%：螺距518mm；螺旋上升35 100%：螺距18mm。但考虑到加工成本及其加工工艺，再对其螺距变化做了调整，发现当设计螺距18mm不变的时候，与前面的螺旋曲线所建立出的模型仿真效果的出的风量值相差不大

53、，因此最终采用了螺距不变18mm参数。其三维结构图如图4.15所示。图4.15 螺旋进风口模型（六） 小结结构设计是本次课题研究与设计的中心环节，在本章中对吸尘器的各个重要部件包括旋风分离器、风叶轮、集尘筒盖弹射开关装置、过滤网罩及一些辅助部件进行了具体结构设计。在设计中，对一些重要部件进行了功能分析，对其塑料结构和参数进行了设计计算。五 吸尘器的总装吸尘器产品的各个部分设计完成之后，就需要进行模拟装配、干涉检查、运动分析15。本课题的三维模型是通过SolidWorks三维软件设计完成的，SolidWorks提供了一个强大的装配环境，其可以完成对产品设计的后期工作。其装配环境包括如图5.1所示

54、的几方面功能。图5.1 SolidWorks装配环境（一） 干涉检查对三维模型进行干涉检查是非常重要的一个步骤，因为通过干涉检查可以检查出所设计出的零件在虚拟装配中是不合理，从而也降低了实际样机制造的成本。在模型完成的初期中，进行了第一次干涉检查，其结果如图5.2所示。其中红色部分为干涉部分。图 5.2 干涉检查结果图通过利用干涉检查得出的结果，再对其相应的每一个干涉部位进行诊断，从中发现，有部分安装连接面在实际中是可以装配上的，如：吸嘴的安装。再者，干涉部分都是一些小部位干涉，且最终产品加工是以二维图为准，因此，在二维图中做出了正确的修改,其最终结果图如图5.3所示。图5.3 吸尘器整体结构模型（二） 吸尘器工作过程从图5.4中可知，旋风分离装置包括上游旋风器3，该上游旋风器3具有圆柱形侧壁2和集尘筒盖7。切向入口1设置在侧壁2的上部。在使用中，切向入口1沿与侧壁2成切向的方向传送携带颗粒的流体到上游旋风器3的内部，以在上游旋风器的内部中建立回旋流。该回旋的螺旋流导致流体流中携带的较大颗粒的一部分从该流体流分离。侧壁2的下部和集尘筒盖7一起形成用于颗粒的收集器，该颗粒例如是