矩形管道清洁

刖a

室内空气质量不佳而引起的城市“大楼病”正危害着大众的健康，医学专家因此提

出了“病态建筑”和“病态建筑综合症”等新概念，而这些病的元凶主要藏于楼宇之

“肺”——集中/半集中式空调管道（即我们日常所称的中央空调管道）和通风除尘管

道中，这些管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌、病毒、尘蜻及放射物，这些有害

物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会导致上述疾病。“非典”和禽

流感的出现更引起了人们对空气质量的高度重视。对管道进行定期清洗势在必行。

国外的中央空调管道清洗已形成产业化。我国还处于起步阶段，国内一些企业生产

的管道清洗机器人产品大多以仿造为主，技术性能较单一，缺乏自主知识产权。

国内中央空调风管清洗市场经过三年多的发展，在北京、上海、广州、杭州等大中

城市已经开始发展。我们提供的核心设备和技术降低清洗成本；提供的清洗设备是根据

国外设备的特点，针对国内管道的特点历时三年设计完成的，其完全可以胜任国内任何

管道的清洗工作。目前我国研发的管道清洁程度已经达到国外同类装置水平，但成本仅

为国外同类机器人进口价格的一半。

矩形管道清洁装置就是为自动清扫中央空调风管系统而设计的。该装置对封闭的中

央空调风管系统分段清洗消毒，清除垃圾细菌及有害气体后，清除了大楼综合症和细菌

传染的温床，畅通了风管系统，使空调的通风效率和空气质量都得到了恢复和提高。

目前，中央空调清洗市场在我国许多地方几乎是一片空白，这一方面是由于人们的

中央空调的清洗意识还不够，但更重要的，是由于中央空调风道清洗工程是一项专业性

很强的服务项目，目前我国尚无生产这种设备的工厂，均需进口。因此亟待功能完备，

结构简单，价格低廉的国产机器人清洁系统面世。

调查显示，全国目前共有约上百万台中央空调（包括家用小型中央空调系统）亟待

清洗保养，面临着这样一个大市场，中央空调风管的清洗必将形成一个大产业，潜在市

场巨大。

但是目前空调制造业、家电维修服务业、室内环境监测治理行业、社区服务行业，

以及一些国外专业公司都开始跃跃欲试。因此虽然市场前景诱人但是竞争也很激烈。所

以要尽量缩短清洁装置的产品设计研发周期，尽快投入市场。

1矩形管道清洁装置总体设计方案

清洁装置有四大部分组成：监视控制系统、清洁装置系统、旋转刷系统和集尘系统。

关于方案的选定，下面将逐一进行介绍。

1.1监视控制系统

工作人员通过监视器远程监控风管内部情况，使作业前及作业后的清洗效果一目

了然；并且摄像头高度可根据风管尺寸大小进行调整，并可进行俯仰控制，以达到最

佳观察效果，如图2.1所示。

图2.1摄像头系统

Fig.2.1Thesystemofcamera

1.1.1摄像头的选择

目前，市场上的主流摄像头使用的感光元件主要有CCD和CMOS两种。CCD是应

用在摄影、摄像方面的高端技术元件，采用CCD感光元件的摄像头在各方面的性能表

现都不错，具有成像灵敏度高、抗震动、体积小等优点，但价格较贵。CMOS则主要应

用于较低影像品质的产品中，具有价格低、响应速度快、功耗低等优点，但CMOS摄像

头对光源的要求较高。

现在市场上数码摄像头的连接方式有接口卡、并口和USB接口三种。

通过对工作环境、图像要求以及经济性的综合考虑，决定采用SG-388彩色数码摄

像机，由于管道内光线较暗，所以另外安装灯光照明系统，如图2.1所示。

1.1.2摄像头的固定和调整

由于所清扫管道的高度变化范围很大，所以需要方便的调整摄像头的高度。本设计

采用摄像头螺管与清洁装置基座螺纹连接，并用紧定螺钉压紧，根据需要灵活可靠的调

整摄像头及照明系统的高度。另外摄像头、照明系统、支架之间用紧定螺钉固定，可以

旋松螺钉，对摄像头及照明系统进行俯仰角的调整，再拧紧固定，也能很方便可靠的根

据需要调整视角范围。如图2.1所示。

1.1.3监视器

采用10英寸彩色视频监视器，摄像头通过并行接口方便的接在监视器上，监视器

还具有录像功能，记录整个清扫过程，使清扫工作有案可查。

1.2清洁装置系统

本部分的设计主要难题有两个：

（1）清洁装置的前进后退及转向控制；

（2）清洁装置高度的调整和改变功能的实现；

1.2.1清洁装置的前进后退及转向控制

为此考虑了三个比较成熟的方案川：

方案一：双电机各自驱动清洁装置翼侧前轮，工作人员通过摄像头观察清洁装置在

管道中的运行情况，适时调整两电机的速度，对清洁装置进行转向控制。

方案二：单电机驱动清洁装置前轴，在清洁装置前方左右两端各安装一个导向轮系

统，两导向轮的角度可调，如图2—4所示。清扫管道之前调整导向轮之间的横向距离

比管道宽度略窄，以大小相同、方向相反的转速与清洁装置驱动轮同步启停，导向轮转

动线速度比驱动轮线速度略大，当某一导向轮碰到管道壁时，导向轮的切向力和电机牵

引力的合力会迫使清洁装置转向，从而保证清洁装置始终运行在管道的正中央并能完成

自动转向。

方案三：双电机各驱动清洁装置两后轮，两侧电机驱动轮系统各自独立。在清洁装

置前方左右两端各安装一个接触感应开关导向系统，两接触开关触头的角度可调。清扫

管道之前调整触头之间的横向距离比管道宽度略窄，当某一接触开关碰到管道壁时与它

相反侧的电机停转，而同侧电机照常转动，使清洁装置转向，从而保证清洁装置始终运

行在管道的正中央并能完成自动转向。工作人员还可以通过摄像头观察清洁装置在管道

中的运行情况，适时调整两电机的启停，对清洁装置进行转向控制。

相比较而言：

方案一结构简单，控制灵活，但两电机速度差的控制不好把握，两电机启动的同步

度不好控制，而且对工作人员的技术要求较高，工作人员的劳动强度较大，清洁装置的

自动化程度较低；

方案二采用导向轮系统，提高了清洁装置的智能化，大大减轻了工作人员的工作量;

只是结构设计及传动系统复杂而且结构尺寸大、重量大，使清洁装置重心前移，其前倾

的伸长臂和导向轮会阻碍摆动的清扫刷。

方案三使用接触开关，结构简单、在机械结构设计上是个创新，重量轻、尺寸小，

并能够实现方案二导向轮的功能而克服了导向轮系统的缺点。

综合考虑这三个方案的优缺点，我决定采用第三种方案，其传动机构如图2.2所示,

接触开关导向机构如图2.3所示。

另外，本次设计采用履带机构传输。工业橡胶制履带与钢管的摩擦系数为0.8,是

普通塑料轮子与钢管摩擦系数的5.8倍，是铝合金轮子与钢管摩擦系数的4.7倍，另外,

履带增大了接触面积，增加了摩擦力

图2.2传动机构图

Fig.2.2Transmissionsystem

图2.3接触开关导向机构图

Fig.2.3Contactswitchguidanceorganizationchart

1.2.2清洁装置高度的调整和改变功能的实现

之所以要为清洁装置设计高度可以调整的机构，主要是因为：由于中央空调风管的

尺寸规格有一系列一一好几种，那么要保证旋转刷的旋转中心一直处于风管高度方向的

中心位置，就必须使清洁装置的支撑体高度可以随着风管高度尺寸的改变而改变，以达

到清扫目的。

在此，我们采用了驱动轮系统与主支撑体相对独立、通过可转角桥板连接，从而使

高度的改变变得简单、稳固。其原理如图2.4所示:

图2.4高度可调机构原理示意图

Fig.2.4Highlyadjustableorganizationprinciplehint

1.3旋转刷系统

旋转刷的驱动考虑了两个较为成熟的方案闾：

方案一：直流电机驱动，另外安装一向前吹灰尘的大功率风机，以方便收集灰尘。

方案二：气动马达驱动，在外接的螺管上加工一些斜孔，利用气动马达吹出的高压

空气，向前吹灰尘，以便于集尘器收集。

在实际的设计过程中，根据旋转刷的驱动功率和转速，在网上查得各厂家的合适的

产品中，电机的尺寸、质量较大，会导致清洁装置重心前移，运行平稳度不够；而且还

需要另外安装风机，不经济。

因此我决定采用第二种方案。另外，由于清洁装置要实现对矩形管道在一次行程中

彻底清扫，旋转刷必须能够在行进的过程中一边旋转，一边左右摆动。为实现这些功能

而设计的旋转刷系统模型如图2.5所示。

图2.5旋转刷系统结构图

Fig.2.5Revolvingbrushesthesystemstructuredrawing

1.4集尘系统

选用大功率专用管道吸尘机收集风管内清除的尘埃、污物；

技术数据：

过滤器：

--预过滤器；

-式滤器Hi-Flo85%（选配）；

--HEPA过滤器DOP99.97%;

气流：带过滤器，3500立方米/小时；

发动机：1.5千瓦；

供电：230或120伏，单相，7.0安培或380伏，3相，3.5安培;

尺寸：长度：940毫米

宽度：660毫米

高度：820毫米；

重量：58公斤。

2机械结构部分设计计算

初定清洁装置主要参数：

箱体外形尺寸：长X宽X高二310mmX160mmX110mm；

清洁装置前进速度：0.05m/s(即3m/min);

旋转刷旋转速度：10000r/mino

2.1清洁装置系统的设计计算

2.1.1清洁装置驱动系统

(1)电机的选择

小型减速交流电机具有结构紧凑、体积小、输出转速低，输出扭矩大等优点，比较

符合该清洁装置的设计准则，因此优先选用九

①根据外形尺寸估计清洁装置总质量M

M=箱体质量m1+履带机构质量m2+清洁装置驱动机构质量旋转刷系统质

量014+接触开关质量ms+传输线质量m6+摄像头系统质量m7

=[(240X280)+(240X120)+(280X120)]Xl.5X7.9g/cn?

+0.25+3+2+0.5+2.4+0.75

=2+0.25+3+2+0.5+2.4+0.75

=11(kg)

②计算驱动清洁装置所需要的牵引力F

F=履带轮摩擦力F"旋转刷摩擦力F2

=uMg+umg

=0.8X11X9.8+0.8X0.1X9.8

=87(N)

当清洁装置拐弯履带与管道产生静摩擦时，所需牵引力为，

F*=1.2XF=1.2X87=105(N)

③驱动清洁装置所需功率P

P=F*Xy

=105NX0.05m/s

=5.25W

初选减速交流电机型号59TYD-D:TYD-可逆齿轮减速同步电动机。生产厂家网址:

宁波市州立兴微特电机厂。

电动机的性能参数为：

输出功率P:15W

电压U:110V

频率f:50Hz

电流I:0.16A

旋转方向：CCW,CW

输出转速叫：15r/min

允许负载T:24kg-cm

电动机的外形如图3.1所示。

O

L

0

4-sl

6

y

图3.1同步交流减速电机尺寸外形图

Fig.3.1Synchronizedexchangedecelerationelectricalmachinerysizeoutlinedrawing

(2)传动齿轮(二级传动比)的设计计算

由于齿轮传动具有传动平稳，传动效率高，结构紧凑等特点，所以二级传动采用圆

柱直齿轮传动。根据转速要求，并考虑到轴中心线与履带轮的大小距离、电机的尺寸、

电机与履带轮的相对位置，以及防止根切等问题，初选二级传动比i=1.3"L

①材料的选取

与电机轴配合的齿轮1选用45#钢，整体淬火；与履带轮驱动轴配合安装的齿轮选

用45#钢,调质。

②校核计算，确定主要尺寸：

精度等级：选8级精度；

齿数Z和模数m：初取齿轮1齿数Z|=27;Zz=iZ|=27X1.3=35,

所以，Z,=27,Z2=35O

取m=2o

实际分度圆直径d：4=mZ尸2X27=54mm

d2=mZ2=2X35=70mm

中心距a：a=m(Z1+ZQ/2=2X(27+35)/2=62mm

齿宽：'二“昌二0.2X54=10.8mm

取b1=12mm。

齿轮1的几何参数为：Z1=27,m=2,b]=12mm,d|=54mm,p=0°,a=20°。

齿根圆直径：dfl=dr2(ha+c-xm)=54-2X(2+0.25X2)

=54-22X2.5

=49mm

齿顶圆直径：4尸2a-d&-2c=2X62-65-1

=58mm

齿轮2的几何参数为：Z2=35,m=2,d2=70mm,[3=0°,a=20°。

齿根圆直径：由二d2-2h+c)=70-2X(2+0.25X2)

=70-2X2.5

=65mm

齿顶圆直径：d，2=2a-dfl-2c=2X62-49-1

=74mm

齿宽b2：b2=^dd2=0.2X70=14.0mm

由于本设计中齿轮转速极小、传动力也很小，所以齿轮宽度稍微减小不会影响传动

的作用。为了使清洁装置的外形尺寸尽量减小，因此取b2=b】=llmm。开式传动齿轮的

主要失效形式是弯曲疲劳折断(减少齿数，增大模数)和磨粒磨损。经过弯曲疲劳强度

校核验证，齿轮满足强度要求。硬质面齿轮采用表面淬火，软齿面齿轮采用正火或调质

处理来提高其表面质量，有效防止磨粒磨损⑶。那么再计算小车前进速度：片次/轮W/

=3.1415926X80X15/1.3=0.049m/s^0.05m/so

(3)驱动履带轴1的设计计算

轴的材料选用45#碳素钢。

①初选轴径

由于轴为传动轴，主要受转矩，受很小的弯矩，所以利用切应力公式，根据

T_9.55xl06P/n

工用］得,

一孤_0.2J3

d>\\A3mm,取d=17mmo

②轴的结构设计

由于履带轮直径较小，轴的直径也很小，而且轴的宽度和履带轮的宽度也很小，所

以做成一体，如图3.2所示。

2O.OBIH

图3.2驱动带轮轴1结构示意图

Fig.3.2Actuationbeltwheelaxlestructureschematicdrawing

③强度校核

根据轴的受力图，画出转矩图，并校核轴径得知该轴符合强度要求。

④刚度校核

轴承受载荷小，主要受扭转变形，对其扭角进行校核，得出轴完全符合刚度要求。

⑤轴上零件的固定

i）轴上齿轮的固定

在此采用键连接来固定轴上齿轮，可多次装卸。

ii）轴承的固定

由于轴跨距较短（L<400mm）,在常温下工作，所以支点采用两端单向固定的方式,

轴承两端各用轴肩固定内圈，利用驱动轮系统外侧板来固定外口。

（4）驱动履带轮轴2的设计计算

轴的材料选用45#碳素钢。

①初选轴径

由于轴为传动轴，主要受转矩，受很小的弯矩，所以利用切应力公式，根据

T_9.55xlO6P/n

工用］得,

一孤_0.2J3

d>8.85mm,取d-17mmo

②轴的结构设计，如图3.3所示。

图3.3驱动带轮轴2结构示意图

Fig3.3Actuationbeltwheelaxlestructureschematicdrawing

③轴的刚度、强度校核

轴2与轴1所取参数完全相同，而且不须传递齿轮的扭矩，故强度和刚度的校核计

算在此省略。

④轴上零件的固定

轴承的固定方式与轴1上轴承的固定方式完全相同，在此亦不再赘述。

(4)轴承的选择

由于滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力矩较小；径向有隙较小、运转精度较

高；结构紧凑简单等优点，而轴承主要须传递径向载荷，所以选用应用广泛的深沟球轴

承。

①根据轴径选取型号：四对型号为6201的深沟球轴承。

②轴承强度校核

由于轴承转速较低，所以只需进行静强度计算，两对轴承中，轴1上轴承受力大，

所以只需对该对轴承进行校核即可。

根据C；=S°P。得，

C。'=1X1.15kN=1.15kN<Co=3.05kN

即该组轴承满足强度要求。

2.2旋转刷系统的设计计算

由于清洁装置要能实现对矩形管道在一次行程中彻底清扫，其旋转刷必须能够在行

进的过程中一边旋转一边左右摆动。

中央空调通风管道尺寸规格：宽X高，宽、高差值(单位mm)

宽X高差值宽X高差值

400X200200400X250150

400X32080400X4000

500X200300500X250250

500X320180500X400100

500X5000630X250380

630X320310630X400230

630X500130630X6300

800X320480800X400400

800X500300800X630170

800X80001000X320680

1000X4006001000X500500

1000X6303701000X800200

1000X10000

由上列数据，除去正方形截面的管道，则矩形管道截面宽高的差值为：200,150,

80,300,250,180,100,380,310,230,130,480,400,300,170,680,600,500,

370,200o

对这组数据的比较可以看出：差值最小为80mm,最大为680mm；数值主要集中在

200mm至300mm。根据这一现象，我决定将旋转刷系统设计为清扫时左右摆动距离在

80mm到250mm——这样几乎所有尺寸规格的管道都可以得到均匀的、一次清扫。其工

作原理如下图3.4所示:

Fig.3.4evolvingbrushestheparallelswingingschematicdiagram

在上图中，1点、2点固定在清洁装置主支撑体上。由摆动杆1、摆动杆2和旋转刷

组件杆在1、2、3、4点框内组成一个平行四边形曲柄摇杆机构。由于1点与2点和3

点与4点之间的距离长度相等（都是L）,根据平行摇杆的特殊轨迹原理，旋转刷组件

的运动轨迹就会像图式那样，保持平行方向。

这就保证了旋转刷在旋转工作的同时，其轴线一直与管道的轴线平行（之所以这样

设计，而不直接让旋转刷与摆动杆1固定摆动的原因已经过详细计算分析，限于篇幅在

此不再赘述）。

下面是对摆动臂各段长度，和摆动角度等相关设计尺寸的计算。

取摆动角度：6=45。，

摆动宽度：b=250mm时，

摆动臂1上2点到4点的长度:L1=（b/2）x=176.75mm,取180mm；

旋转刷在中央位置时与摆动到最大角度位置时

的前后伸缩，即图中的高度h:h=180-b/2=180-125=55mm；

1、2点的距离（和3、4点距离相等）1:取l=20mm；

根据清洁装置主要设计尺寸选取圆心6点到点5的长度R：取R=40mm；

b=80mm时，

摆动臂1上2点到4点的长度：L尸（b/2）x=56.56mm,取U=60mm；

旋转刷在中央位置时与摆动到最大角度位置时

的前后伸缩，即图中的高度h:h=L「b/2=60-40=20mm。

根据上面的计算得出旋转刷的前后伸缩值在20mm——55mm之间，因此只要保证

旋转刷的刷头部分到清洁装置最前段部件的距离超过55mm,就不会产生干涉。

摆动的动力采用减速电机驱动，初选减速交流电机型号59TYD-D。生产厂家网址:

宁波市邺州立兴微特电机厂久

根据电机转速叼=0.5r/s（Wj=30r/min）和小车行进速度v=0.005m/s,得

电机每1秒转1/2转，摆动杆摆动一个单程（旋转刷摆动一个单程）；同时小车前

进5cm。即小车每前进10cm的距离，旋转刷摆动一个回程，这样就可以完成设计的主

要目的——对中央空调管道在小车一次清扫中完成彻底、均匀的清扫。

气动马达参数：