机电一体化系统设计课程设计——城市护栏自动清洗机.docx

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

X1
1. 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；

X2
1. 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

X3
1. 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；

X4
1.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

X5
1. 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

X6
1. 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）；
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 5
1.1 目前国内外同类技术的发展水平、存在的问题及趋势 5
1.1.1 目前国内外同类技术的发展水平及应用 5
1.1.2目前存在的问题： 7
1.1.3 发展趋势： 7
1.2护栏自动清洗机的经济性及市场前景 7
1.2.1经济性 7
1.2.2市场前景 8
第2章 系统总体方案设计 9
2.1 动力源的选择 9
2.2 驱动电机的选择 10
2.3 直流电动机的启动方式 10
2.4 调速器的选择 11
2.5 导向装置的设计 11
第3章 机械传动系统的设计 12
3.1 小车行走系统的总体设计 12
3.2 小车行走系统的运动和动力参数计算 13
3.2.1电动机的选择 13
3.2.2 确定行走装置的总传动比 15
3.3 传动零件的设计计算 16
3.3.1 齿轮设计 16
3.3.2 轴的设计 20
3.4 清洗装置的设计 21
3.4.1 毛刷的选择与安装方式 21
3.4.2 清洗装置的基本设计计算 22
3.4.3 水泵的选择和计算 23
3.4.4 洗涮装置各部件和材料的选择 24
3.4.5 制动装置的选择 25
第4章 控制系统的设计 27
4.1 毛刷的安装及转动方向的确定 27
4.2 控制系统的设计 27
4.3 电动机调速系统的选择 28
4.4 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

Abstract
Based on the difficulties of how to clean the urban road guardrails, a design of road guardrails cleaning machine body is proposed, which adopts the 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 structure 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、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2—1 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
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，N
V---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*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
=（1~1.3）=（1~1.3）*2.8357=2.8357~3.0641
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=3~7，所以电动机转速的可选范围为
=i*n=（3~7）*238.74=716.22~1671.18r/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，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）
1
176SYX-13
3.5
30
1500
350
15
2
176SYX-02
3.5
23.3
1500
160
25.8

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-02
3.5
23.3
1500
160
25.8

图3-3 电动机的安装方式

表3-3：
型 号
N
h2
h3
M
P
S
D1
L
D
E
L4
F
G
d
D2
E2
L12
F1
G2
d2
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-02
54
5
3
60
72
5.5
74
114
6
14
16
2
4.3
7
5
12
13.5
2
3.3
7
1.5
3.2.2 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
===6.28
3.2.3 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 ==0.950.98=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

2.8357

18.054

1500

6.28

0.931
齿轮轴

2.64

2.59

105.56

103.45

238.74

3.3 传动零件的设计计算
3.3.1 齿轮设计
（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
①选用直齿圆柱齿轮传动
②此装置一般工作机器，速度不高，，选用7级精度
③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。
④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

①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

②计算
1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值

=28.371mm
2）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

（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

①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。
②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，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
①计算分度圆直径

②计算中心距
mm
③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*η齿=2.6885KW
T轴=Td*i*η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α为标准齿20度）
Ft=2T/d=727.273N
Fr=Fttanα=264.707N
Fn=Ft/cosα=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15—3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。
①计算支反力
水平面的支反力
M中点=0 FnB*28.5+Fn*28=0 FnB=760.370N
M中点=0 FrB*28.5+Fr*28=0 FrB=260.063N
MA=0 FrB*28.5+FrD*160-Fr103.5 =0 FrD=124.909N
MD=0 -FrA*160-FrB*103.5+Fr*55.5=0 FrA=118.119N
MD=0 FnA*160-FnB*103.5+Fn*55.5=0 FnA=223.401N
MA=0 FnD*160-Fn*103.5+FnB*55.5=0 FnD=236.894N
②计算弯矩
1）B处
水平面弯矩
左： Mn1=FnA*55.5=12398.756nm
右： Mn2=FnD*103.5=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： T=T1=107.710NM
3）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α=20，轴的计算应力Бac得：
Бac===2.034MPa≤[Б-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
36
197.5x72x72
83x83
10
22.5x12
16x9.5

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
4.8A

3.4.3 水泵的选择和计算
（1）水泵的工作原理
　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=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=893.88
T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1.3
T=9550*p/n
(据电机型号) T=9550*0.0 36/500 =0.6876
T(ca)=0.6876*1.3=0.894
（2）毛刷的选型 ：
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、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：
D1
D2
d
H1
H2
L
h
a
b
M
58
48
6
33
2
8

5

3×M4
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
0.5
9
99/24
45
39
5000
DMZX-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：
①设有“急停”按钮和制动装置，在紧急情况下可以快速停车；
②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；
③能够自动检测机箱内水位，当水位低于50