毕业设计（论文）-自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真

毕业设计自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真机械与车辆工程学院机械设计制造及其自动化2017级：XXXXXX指导教师：XXXXX完成日期：2021年自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真摘要：自动垃圾倾倒装置是一种用于垃圾清理的装置。本文是在对既有自动垃圾倾倒装置研究分析的基础上，对自动垃圾倾倒装置进行再设计，其主要由立柱、托架、齿轮箱、驱动系统和动力系统等组成。此次设计对其传动系统和齿轮箱进行了计算分析、受力校核，使其能够实现自动清理垃圾的功能，解决了自动垃圾倾倒装置结构复杂、维修困难的问题并为自动垃圾倾倒装置设计提供数据参考，最后用运动仿真展现了其工作过程。关键词：垃圾；自动倾倒；运动仿真全套图纸加V信153893706或扣3346389411自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真StructuredesignandmotionsimulationofautomaticgarbagedumpingdeviceAbstract:Theautomaticgarbagedumpingdeviceisakindofdeviceusedforgarbagecleaning.Thispaperisbasedontheresearchandanalysisoftheexistingautomaticgarbagedumpingdevice,thispaperredesignstheautomaticgarbagedumpingdevice,whichismainlycomposedofcolumn,bracket,gearbox,drivesystemandpowersystem.Inthisdesign,thetransmissionsystemandgearboxarecalculatedandanalyzed,andtheforceischecked,sothatitcanrealizethefunctionofautomaticcleaninggarbage,solvetheproblemsofcomplexstructureanddifficultmaintenanceofautomaticgarbagedumpingdevice,andprovidedatareferenceforthedesignofautomaticgarbagedumpingdevice.Finally,theworkingprocessisshownbymotionsimulation.Keywords:garbage;automaticdumping;motionsimulation自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真1概述1.1课题的背景意义1.1.1课题背景自我国改革开放以来，国家综合实力大幅度提升，国民收入实现稳步增长。各种各样的垃圾也随之而来。垃圾清理成为了一项不可忽视的重任。尽管人们都清楚垃圾清理的重要性，却还是让垃圾在我国造成了极大的危害。据我了解，垃圾的危害主要有以下三种：严重污染水体。生物性污染，垃圾中有许多致病微生物和蚊子、苍蝇等害虫，会危害广大市民的健康。(3)侵占大量土地[1]。垃圾的危害可见一斑。为此垃圾清理必须具有高效性和彻底性，人工清理并不能满足其要求；除此以外，人工清理还会危害清理工人的身体健康。而使用自动垃圾车则自动化程度更高，简化了操作，减小了人工强度，提高了效率，更有利于节约资源与保护环境，对可持续发展具有很大的意义[2]。使用机械化作业的垃圾转运车对塑料垃圾桶中的生活垃圾进行转运已经成为国内生活垃圾转运的主要模式[3]。1.1.2课题意义(1)可以了解国内产品的缺点并加以改进；(2)有助于了解垃圾清扫车的历史及现状并判断垃圾清扫车的发展趋势，以便更好的选择重点发展方向；(3)为垃圾车的发展提供数据基础。1.2自动垃圾倾倒装置国内外研究现状在工业相对发达的美、日、英、德等国，从1894年英国发明第一台马拉清扫车算起，清扫车的发展历史已超过百年。上述各个国家从20世纪30年代就形成了垃圾清扫车的量产。目前国外的先进清扫车已经达到了机、电、液一体化的智能水平，其中的自动垃圾倾倒装置也已经达到相对完善的水平。我国的垃圾清扫车是从20世纪60年代开始发展的，到目前为止也超过了50年。但是我国的垃圾清扫车与国外的发达国家相比还是略有不足，特别是在控制系统、清扫效率和专业化清扫等方面与国外产品有较大差距。我国正在通过借鉴国外先进产品和自主研发等方式相结合的手段来完善我国的垃圾清扫车，相信在不久的将来我国的垃圾清扫车水平必将处于国际领先水平。1.3自动垃圾倾倒装置发展趋势自动垃圾车代替人工已是大势所趋，这一点是毫无疑问的。自动垃圾车的发展趋势如下：车型使用配备的发展趋势：环卫垃圾车的常用车型有压缩式垃圾车、车厢可卸式垃圾车、自卸式垃圾车、摆臂式垃圾车、对接式垃圾车及渣土自卸车等车型。其中压缩式垃圾车适应了大中城市发展的使用要求，已成为环卫垃圾清运的主力车型；除此之外，大中型自卸式垃圾车近年销量也实现了正增长，而传统的摆臂式垃圾车、挂桶式垃圾车、勾臂式垃圾车在大部分大中城市以在逐步减少甚至禁止使用。压缩式垃圾车中的侧装式垃圾车是压缩车的一种前景较好的发展方向。侧装式垃圾车是一种经济实用的环卫车辆[4]。在环境条件不容乐观的条件下，新能源垃圾车才是自动垃圾车的最终目标。在大批量生产条件下出产的环卫垃圾车的缺点就是不能适应一些特殊的环境，在这种情况下，特殊定制垃圾车的发展前景还是十分可观的，个性化需求必然会得到良好的发展。随着垃圾分类的进行，环卫垃圾车的信息化管理也是必然的，信息化的管理也将有效的提升垃圾清理的效率[5]。环卫垃圾车倾倒装置的多元化：海滩清扫机的倾倒装置的功能是将来自筛分机构的垃圾收集存储，倒入运输车辆或垃圾箱中，即实现自放电功能[6]。这一点可以作为环卫车倾倒装置设计的一个思路，在筛选垃圾的同时通过筛选动作产生电流补充动力。电磁倾卸装置具有功率大、效率高、易于维护等优点[7]，这也可以作为倾倒装置的一个研究方向。1.4自动垃圾倾倒装置尚待解决的问题分析环卫垃圾车的用途及其优点自是不言而喻的，但是其中也有不少问题。其问题如下所述:燃油垃圾车的空气污染，大中型环卫垃圾车对空气的污染问题更是尤为严峻。无法适应环境巨变，在极度寒冷的天气情况下，垃圾车还需要花费一定时间去恢复正常工作状况。垃圾车的结构复杂，不利于后期的产品维修。上述内容为环卫垃圾车尚待解决的问题。其中的第三个问题可以从自动垃圾倾倒装置的结构设计简洁化方面解决，这也是本次设计的方向。这种设计方案还可以解决在人口密集的场所，垃圾桶的抓取与倾倒对保洁人员难度较大的问题[8]。1.5课题的主要内容本课题自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真，在参考前人对垃圾倾倒装置结构设计的方案和机构之上，本次再对其进行再设计。通过给定的垃圾倾倒装置的垃圾桶参数，进而确定垃圾倾倒装置各部分的外形尺寸，本文主要设计垃圾倾倒装置的总体方案，同时，通过了解垃圾桶倾倒的工作原理和结构，设计和计算各主要部件包括选择驱动电机，齿轮箱，丝杆升降机等。本次设计的重点是自动垃圾倾倒装置的结构设计和运动仿真，其中的难点是如何将自动垃圾倾倒装置的结构简洁化。为此，我放弃了常规设计中常用的液压助力系统以达到简化设计的目的，同时也可以避免因液压系统的密封性问题等导致自动垃圾倾倒装置出现故障。本文第一部分首先介绍了自动垃圾倾倒装置的研究背景和意义；其次，对国内外垃圾倾倒装置的研究和发展现状进行综述；最后，提了一点本人对自动垃圾倾倒装置发展趋势的理解。本文第二部分主要对自动垃圾倾倒装置的总体方案进行设计及说明，并对各部分的结构设计进行了概述。本文第三部分主要对自动垃圾倾倒装置电动机、齿轮箱、减速器等关键零部件的选型及计算，重点是电动机的技术参数要求、类型选择、电动机的功率计算等。本文第四部分主要是对自动垃圾倾倒装置各零部件力的校核。除此，还会展现出本次设计的运动仿真的设置过程。1.6本章小结本章主要介绍了自动垃圾倾倒装置设计的背景以及研究意义、国内外研究现状、未来的发展方向以及本次设计的主要内容。

2自动垃圾倾倒装置总体方案的设计2.1给定参数本次设计给定的数据是有关垃圾桶的参数，其参数如下表所示：表2-1垃圾桶参数表垃圾桶参数数据正方形横截面500mm×500mm高1500mm2.2自动垃圾倾倒装置的工作原理自动垃圾倾倒装置的工作原理与预切式甘蔗横向种植机倾倒送料装置的工作原理类似，预切式甘蔗横向种植机倾倒送料装置的工作原理为蔗种预先砍好摆放于甘蔗箱中，倾倒前把甘蔗箱推入倾倒框中，开始时倾倒框处于水平状态通过旋转倾倒框来调整倾斜角度[9]。自动垃圾倾倒装置则为3号电机启动使与3号电机相连的齿轮转动带动底盘旋转，使垃圾箱绕着立柱旋转；2号电机启动使丝杆带动托架上下运动来完成垃圾箱的上下位置调整；1号电机启动经过减速器减速后带动垃圾桶来完成垃圾箱的倾倒与恢复。通过3个电机的相互配合完成垃圾的自动倾倒。下图2-1可以辅助理解自动垃圾倾倒装置的工作原理。图2-1装置的电机布局示意图2.3自动垃圾倾倒装置的总体方案设计本次自动垃圾倾倒装置主要由立柱组成、托架组成、直线滑轨、驱动系统、动力系统等组成，其总体方案结构设计如下图2-1所示：1-立柱组成；2、传动系统组成；3-垃圾桶；4-动力系统；5-托架装置；6、齿轮传动组成图2-2自动垃圾倾倒装置总体方案图本次设计主要设计了装置的动力系统，根据所需力的大小等条件选择了合适的电机作为动力装置；还通过计算设计了作为传动系统的齿轮箱的大小齿轮的各项数据；还有减速器的选择。最后在其中做了垃圾桶连接处的杆的受力分析和立柱中的杆的受力分析。2.4本章小结本章主要介绍了给定参数、自动垃圾倾倒装置的工作原理以及自动垃圾倾倒装置的主要组成部分。

3自动垃圾倾倒装置关键零部件选择和计算3.1电动机的选择和计算3.1.1电动机的功能分析电动机在自动垃圾倾倒装置主要有三个，分别是驱动垃圾桶旋转的电动机1，驱动丝杆上下移动的电动机2和驱动齿轮啮合的电动机3，其作用都是分别为每个系统提供动力。3.1.2电动机的技术参数要求牵引电机在其工作过程中需要不停的转动，根据自动垃圾倾倒装置不同需求的倾倒角度，有时候需要频繁的启动和制动，不断改变电动和发电状态，经常在四个象限间跃变转换，一直承受着载荷的剧增剧减，时时地承受着过流及温升的耗损。因此，查阅英科宇机电工程师手册，电机的选型部分中电动机选型应该考虑的问题资料，所选择的电动机需要满足以下要求：启动要求：电动机需要满足频繁地启动和制动的要求，不出现故障。启动电压要求：电压稳定在220V，50Hz。启动电流要求：启动电流较小，瞬时最大电流升值为启动电流的2～3倍。启动转矩要求：为了保护电机，转矩不低于额定转矩的3倍。电动机要有发电制动的特性，能由电动机本身的特质来控制垃圾桶在满载下行或空载上行时的速度，而达到安全运行的特性。稳定性要求：自动垃圾倾倒装置在工作时不会因垃圾重量的载重变化而引起运行速度的过大变化。调速特性要求：在额定电压下，其转差率在高速时应；在低速时应。其它要求：电机在工作时需平稳、可靠，方便维修和低噪声。3.1.3电动机的类型选择按照类型划分，市场上使用的电动机主要由直流和交流两种电机。由于直流电动机的制造成本较高，结构复杂、系统耗能高，因此，本次设计电动机类型为交流电动机。3.1.4垃圾桶处电动机的功率计算垃圾桶旋转牵引电动机的受力情况比较简单，故对电动机功率的计算，通常按照下面的经验公式进行计算：(3-1)上述公式中，P指的是电动机的功率(kw)；F指的是垃圾桶旋转过程中受到的力(N)；V指的是垃圾桶旋转的线速度(m/s)；指的是电动机的系数，通常取0.5-0.8，本次取0.6(3-2)本次取,;垃圾桶连接杆的转速为2m/s,根据公式(3-1),(3-2)，带入数据计算得：查阅《机械设计手册》电动机选型章节及设计过程中考虑到安全因素得出:所选电动机型号为：Y112M-4，该型号的电动机功率为4kw，该型号电动机转速n为：。3.1.5丝杆的受力计算本次设计丝杆的提升速度为托架升速：，丝杆的举升力计算如下：(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)(3-10)(3-11)3.1.6丝杆升降机的选型丝杆上部电机的功率计算如下：(3-12)查《机械设计手册》电动机选型章节且与第一电机功率差距不大，为方便替换选择丝杆上部电机为Y112M-4型，其功率为4kw,转速为。查上海寅通减速机有限公司涡轮丝杆升降机选型手册，本次所选丝杆升降机的型号为：SWL20T蜗杆丝杆升降机，其参数如下所示：丝杠导程：P=10mm；丝杠直径：D=45mm；质心距离导轨：L=300mm，直线导轨间距：b=770mm，直线导轨摩擦系数，丝杠质量：m=8.5Kg。丝杆的最大拉力166KN，丝杆的最大行程为2米，丝杆的最大许用功率为3.7kw.3.1.7底部电机的功率计算底部电机计算如下：(3-13)在上式中，(3-14)K指啮合齿轮处的载荷系数，其计算公式如下：(3-15)查吴立言，陈国定，濮良贵主编《机械设计》P201-209页，在上式中，指使用系数，查表10-2，取；指动载荷系数，查图10-8，取；指动载荷系齿间载荷分配系数，查表10-3，取；指齿向载荷分配系数，查表10-4，取；联立公式(3-13)-(3-15)，设定底部齿轮转速为0.5底部的电机功率计算为：(3-16)查《机械设计手册》电动机选型章节选择底部电机为Y112M-2型，数据同第一部电机。3.2齿轮箱传动比的计算垃圾桶的转速为：(3-17)则垃圾桶处齿轮箱的传动比为：(3-18)取整后，垃圾桶处齿轮箱的传动比为：3.3齿轮箱各轴转速、输入功率的计算齿轮箱各轴的转速计算如下所示：输入轴的转速:1轴(3-19)输出轴的转速:2轴(3-20)垃圾桶的转速：(3-21)齿轮箱各轴输入功率的计算如下所示：1轴的输入功率：(3-22)2轴的输入功率：(3-23)垃圾桶输入轴的输入功率：(3-24)1轴：(3-25)2轴：(3-26)滚筒轴:(3-27)上述各式中值查机械设计手册选择：为电机和减速器联轴器传动效率，取0.96为齿轮传动效率，取0.97为输出轴和垃圾桶联轴器传动效率，取0.963.4齿轮箱的大小齿轮设计选择齿轮材料及确定许用应力：查教材《机械设计》知小齿轮选用45号钢(调质)，齿面硬度为197~286HBS:，大齿轮选用45号钢(正火)，齿面硬度为156~217HBS:,由教材P171，表11-5，取,(3-28)(3-29)(3-30)(3-31)按齿面接触疲劳强度设计查教材P169,表11-3，取载荷系数；查教材P175，表11-6，宽度系数,。小齿轮上的转矩:(3-32)查教材P220，表12-12及表12-13，取小齿轮分度圆直径：齿数取，则。模数齿宽 ，取，查教材《机械设计》齿轮传动设计P219-225表12-3取实际 ；中心距 验算轮齿弯曲强度:齿形系数 ，;，查《机械设计》第四版齿轮传动设计P219-225. 符合安全性要求(3-33)(3-34)符合安全性要求 齿轮的圆周速度(3-35)对照教材P168，表11-2可知选用9级精度是合宜的。齿顶高 齿根高 小齿轮齿顶圆直径 齿根圆直径 大齿轮齿顶圆直径 齿根圆直径 3.5轴的计算从刚度思考其所需材料，热处理见表3-4。通过分析，轴应选用调质处理的45钢轴承材料的热处理方法。查《理论力学Ⅱ》[10]和《材料力学》[11]得表3-1。表3-1轴材料的热处理材料热处理毛坯直径（mm）硬度范围应用范围35正火或正火+回火<300140-180HBS用与有一定强度和对加工塑性有一定要求的轴调质105160-210HBS>110~310150~210HBS45正火<300160-250HBS用于大型的轴调制≦200215-265HBS用于各种中小型的轴，以保证装配精度，应用范围最广40Cr调质<300240-285HBS对疲劳强度大、耐磨性高的特殊要求的轴45、40Cr调质加局部淬火45-55HBS零件表面有耐磨性要求的轴轴径部位的力学性能的初步估算，如表3-2所示。表3-2轴径部位的估算d计算说明适用范围1004刚度条件估算普通轴（110～120）3从强度上看，小力矩的稳定荷载较小，大力矩的稳定荷载较大大型设备上取低速轴或者可以按照扭转强度条件进行设计：查《理论力学Ⅱ》第八版22-57和《材料力学》得到。轴为实心时：(3-36)轴为空心时：(3-37)公式中，,是轴材料与工作受载情况决定的系数；为轴的内径与外径d之比，通常情况下；P为轴承工作时传递的功率(kw);n为轴的转速()；轴常用的几种材料的及K值见表3-3。表3-3轴常用几种材料的[τ]及K值轴承材料Q235,20Q275,35(1Cr18Ni9Ti)4540Cr,35SiMn38SiMnMo,3Cr13[τ]15～2520～3525～4535～55K110～125122～135126～15097～112注：1.表中的[τ]值是轴承工作时由于弯矩的影响而减小的扭切应力。在通常情况时，[τ]取较大值，K取较小值；轴承受到较小弯矩或受扭矩作用、载荷相当稳定时、无或只有较小的轴向载荷时；反之，[τ]取较大值。轴的设计可按上述两种方案之一进行具体设计。3.6减速器轴的受力校核图3-1轴的示意图根据弯曲和扭转组合强度条件画出轴承的计算简图图3-2轴的受力分析画出轴的弯矩图3-3轴的受力图根据轴的受力图，用矢量法求出轴水平面上的弯矩MH，垂直面上的弯矩MV，然后求出弯矩M(N·m)。查阅《理论力学根据齿轮工作时所传递的转矩来计算轴所受径向力：轴向力：径向力：由力的平衡可知：水平面支反力：水平面弯矩图：图3-4水平弯矩图铅锤面支反力：由力的平衡知：铅锤面弯矩图：图3-5铅锤面弯矩图进而求得：图3-6弯矩图扭矩图：图3-7扭矩图当量弯矩图：校核危险截面：由于键槽的存在，故取所以减速轴的强度设计符合要求3.7滚筒轴的受力校核图3-8滚筒轴示意图由于该轴为一根光轴，且只传递滚筒电机的驱动力，所以选择校核扭转刚度已知轴的直径为65mm扭转刚度要求：其中：：为材料的切变模量，该轴为钢材则:为轴截面的极惯性矩计算得综上所诉滚筒轴的设计符合要求。3.8减速器选型根据《机械设计手册》（第5版，第4卷）标准减速器章节以及上面的计算数据（如中心距、传动比等）选择单级，中心距80mm,传动比为2的=2\*ROMANII型装配模式也即是ZDY80-2型。3.9本章小结根据上面对所需力的大小算出了所需的功率，出于方便的目的现在都选用Y112M-4型电机，下面为电机所需数据：表3-4电机数据电机所需功率型号垃圾桶处3.5kw丝杆上部1.9kwY112M-4底部3.35kw下表为根据计算求出的大小齿轮数据：表3-5大小齿轮数据大齿轮（mm）小齿轮（mm）模数3.33.3齿宽6065中心距89.189.1齿根圆直径123.865齿顶圆直径117.5553.57本次受力校核为减速器轴,符合要求。丝杆,符合要求。减速器选择的是ZDY80-2型单级减速器。4运动仿真4.1运动仿真过程设置及分析本次设计的运动仿真的设置如下：将自动垃圾倾倒装置的装配图打开，在运动算例将三处运动分别赋予相应的动力、运动方向并选择运动部位。下面为三处运动的设置过程：图4-1底部旋转马达马达设定图4-2丝杆升降马达设定图4-3垃圾桶旋转马达设定从图4-1至4-3三图可以看出托架的提升与复位和垃圾桶的倾倒与复位。托架的提升负责将垃圾桶提起以便完成倾倒动作，复位则是为了下一次的提起。垃圾桶的倾倒是将提起的垃圾倒进相应的位置，再通过复位回到原处。图4-4（a）底盘旋转图1图4-4（b）底盘旋转图2从图4-4的两图对比可以看出底盘的旋转，底盘可以根据具体需求做不同角度的旋转，在此次设计中的底盘可以做360°旋转。底盘旋转的目的是防止垃圾桶附近有阻碍物阻止垃圾桶倾倒动作的完成。当垃圾桶的倾倒动作受阻时，可以通过旋转底盘避开障碍物从而完成倾倒动作。4.2本章小结本章介绍了运动仿真的过程设置以及运动的功能分析，清晰的展现了本设计的设计思路方法，使人一目了然。5结论本论文计算选择了三个电机作为动力装置，因三个电机所需功率相差不大，出于更换方便的目的，三个电机都选择了Y112M-4型，丝杆升降机选择了SWL20T型蜗杆丝杆升降机，减速器选择了ZDY80-2型单级减速器。本设计的最大提升垃圾桶上限可达100kg，装置底盘和垃圾桶可做360度旋转。这种设计可以较好适应日趋紧张的空间环境。本次设计的内容大致如上，依然有许多不足之处。设计的不够精细，许多细节处没能完善。我会在以后的工作生涯不断提高自己的设计水准以便在以后的设计中尽量完善设计内容。谢辞自动垃圾倾倒装置结构设计与运动仿真这份毕业设计是我在王超老师的督促与指导下完成的。在刚得知这个题目时，我的