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前 言 隨著我國經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，城市建筑也迅速朝高空中發(fā)展。高層建筑層出不窮。眾多的電子產品在高層建筑內，產生了大量靜電，傳存在建筑物的墻壁里，建筑物的外墻及玻璃受靜電的影響吸附了大量的灰塵，天長日久，日曬，風吹，雨淋，外墻上留下了一道道污跡，不但損壞了建筑物，而且還影響了城市的美觀和市容。人們常采用的是一根繩和一塊板吊人清洗的高危作業(yè)。為彌補這一缺陷，我們設計了一種投資小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自動高層建筑外墻清機。外墻自動清洗機是現代高層建筑外墻清洗的專用設備，適應高層建筑的外墻自動清洗大大節(jié)省了人力，杜絕了人工工作時的危險。 并且建筑物外墻清洗業(yè)在我國已引起廣泛注意和重視。所有的高層建筑物外墻，由于長期日曬和風吹雨打，以及大氣中有害的氣體和油煙等污染和化學反應的侵蝕，使得建筑物外墻產生了污垢和風化，既影響了建筑物的美觀和市容，又損壞了建筑物。因此，清洗建筑物的外表，不僅美化環(huán)境，而且起到了保護建筑物的作用。??? ??? 高層建筑物外墻的清洗是一項十分復雜的系統工程，為了清洗時有針對性和保護建筑物，首先要分析污垢的成份和結構及污染程度：??? 1）高層建筑物外墻的污垢組成及建筑物的理化性質??? ????外墻的污垢一般分為三級，一級比一級嚴重，一級是灰塵；二級是污漬；三級是污垢。通常所說的污垢是三者的總稱。 2）污漬?? 污漬由多種成分的灰塵和水的混和物，酸雨痕跡，菌類以及泥漿、染料等漬跡組成。在軟、硬表面上都粘染。建筑物是最大污漬粘染表面，故污漬一旦粘染不及時清除，就會常期頑固的留存，使建筑物表面受到嚴重的污染。??? 3）污垢??? ???? 污垢有油基、水基之分。隨著人們生活水平的提高，工業(yè)迅速發(fā)展，污垢的種類越來越多，成分越來越復雜。污垢的質量遠遠高于灰塵和污漬。污垢不及時清洗干凈就會在建筑物表面留下永存印跡而且失去光采。除以上三種污垢外，對于金屬建材而言還有另外一種污垢形式，就是變色。這是金屬與水、空氣中的某些物質發(fā)生化學反應造成的如鐵銹、銅綠、金、銀、鋁的表面氧化變暗等。總之，建筑物所存在的位置、環(huán)境不同，污垢的成分和污染程度亦有所不同，有的光滑(如釉面磚)、有的粗糙(如水涮石)、有的易被酸堿腐蝕(如鋁合金門窗)、有的易被溶劑溶解(如丙酮可溶解化工涂料)。由于外墻的介質有所不同，所以在清洗外墻前要分析外墻的成分和理化性質及污染程度。 對此社會大多出現了人工、物理和化學的方法，分作簡要介紹如下： 1）人工清洗 當代大廈多為高層建筑，外墻面多用各種材質的面磚裝飾。為保持大廈外表的清潔、美觀，應定期對外墻進行清洗。高層大廈玻璃幕墻和玻璃窗的外面，容易附著灰塵，需要經常擦拭，以保持大廈美潔和室內明亮。清洗大廈外墻和玻璃的外面，需要經常擦拭，以保持大廈美潔和室內明亮。清洗大廈外墻和玻璃的外面，需要在室外和高空中作業(yè)。高空玻璃擦拭法的工作大體如下： （1） 首先查看作業(yè)現場，確定作業(yè)方案。重點查看屋頂狀況，確認能否安裝吊籃、吊板；吊籃、吊板在屋頂移動有無障礙；霓虹燈、廣告字牌等是否防礙作業(yè)等。（2）安裝運載工具——吊籃或吊板。如大廈已安裝擦窗機，則按規(guī)范進行操作前的檢測。（3） 準備擦拭工具，包括水桶、清潔劑、毛滾、膠刮、毛巾以及備用輔助工具鏟刀、刮刀、溶劑等。（4） 作業(yè)人員攜帶工具上吊籃或吊板。有些工具應用松緊繩栓在吊籃或吊板上，以防一旦失手從高空落下傷人。在地面上設攔護繩和安全告示牌。（5） 作業(yè)方式為從上到下。每擦拭完一溜，整理工具、加清潔劑、橫向移動吊籃或吊板，再繼續(xù)第二溜作業(yè)。（6） 擦拭玻璃方法：檢查玻璃上有無粘著物等污跡，如有，先用刮刀等相應輔助工具和溶劑除去。將毛滾浸入桶中，待清潔劑充分吸入后，用手輕輕捋一下（以不入下滴水為宜），均勻涂抹在玻璃上。涂抹時，一般為由上往下滾，橫向移動，每趟滾跡要交叉相壓，以防漏涂。用膠刮將涂抹在玻璃上的清潔劑刮凈，操作時應稍用力，將膠刮均勻按壓在玻璃上，由上至下慢慢刮動，一次刮凈一溜，用濕毛巾擦凈膠刮后，再橫向移動刮另一溜。玻璃刮凈后，用毛巾將窗擦凈。確認一次應作業(yè)范圍的玻璃已擦拭完畢，滑動吊籃或吊板，繼續(xù)往下作業(yè)。（7） 全部作業(yè)完成后，收拾整理工具，撤去地面攔護繩和告示牌。并用步話機保持聯系。弄清屋頂狀況。確定水源、電源。 由上可知此清洗方法為危險作業(yè)，勞動強度極大，而且所需大量勞動人員，效率低。 2）物理清洗法?? ???? 主要是通過外力使污垢脫離建筑物的外墻，具體方法是用超聲波或水沖洗(或水噴淋)，使污垢疏軟、剝離、融化，最后再用水沖洗干凈。該清洗方法對環(huán)境污染大，成本高，浪費大量能源和資源。 3）化學清洗法??? ??? 化學清洗法是利用化學試劑對污垢進行溶解、分離、降解等化學反應，使外墻去污。此清洗方法對環(huán)境污染程度高，對人的身體健康損傷大。 針對以上三個清洗方法的缺點與不足，我們設計了一種投資小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自動高層建筑外墻清機來解決以往的清洗常用用高空吊籃、吊板、升降臺等運載工具，作業(yè)難度大，危險性大。操作人員須經嚴格體檢，嚴格培訓，嚴格遵守操作規(guī)范和安全規(guī)范，作業(yè)時，屋頂和地面都要有人監(jiān)護，而且難免工作人失手，從高空落下傷人。避免人員勞動強度大，作業(yè)安全保證性低，成本和代價花費大。杜絕物理化學方法，污染嚴重，浪費資源。 針對以上的清洗方法的不足，全自動高層建筑外墻清機工作時，采用機器清洗。該機器工作時，雙速電機啟動，通過鋼繩帶動機架迅速上升，上升到預定位置，碰到 行程開關，雙速電機反向，機架緩慢向下移動，與此同時，機架頂部的噴淋水嘴噴水，各導軌上的刷具在各電機的帶動下沿各自的導軌往復移動的同時作旋轉運動，洗清墻外上的污漬，使外墻干凈潔白美觀。 本設計產品改變了多年以來人工吊拉清洗或一根繩一塊板吊人清洗的高危作業(yè)現象，實現了機電一體化。結構簡單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工作效率高。一小時大約可清洗墻面600～800m2。 本機器分為清洗機構和升降機構。本設計說明書主要著重于清洗機構部分設計，升降機構設計見同組張星星同學畢業(yè)設計說明書。由于本人能力有限，設計中的錯誤在所難免，請大家給予批評和指證，謝謝！ 第1章 工作原理和主要參數及工作原理圖 1.1工作原理 全自動高層建筑外墻清包括機架，裝在機架頂部的噴淋水嘴，橫置于機架上的三根導軌，分別通過傳動機構受減速電機帶動的能沿導軌往復移動的刷具。每根導軌上有通過位于導軌頂部的與導軌配合的導向輪沿導軌移動的支座，沿導軌底部有齒條，傳動機構中與減速電機輸出軸上的主動鏈輪，位于導軌底部與導軌上的齒條嚙合的齒輪軸，裝在齒輪軸伸出支座的一端的從動鏈輪通過鏈條受主動鏈輪帶動，刷具裝在刷具軸上，工作時，打開減速電機，刷具軸帶動刷具旋轉清洗墻面，與此同時，刷具軸上的主動鏈輪通過鏈條帶動從動鏈輪轉動，從而齒輪軸轉動，齒輪相對于導軌上的齒條轉動而帶動支座沿導軌往復移動（上述的控制器中有設置在每根導軌兩端上的行程開關）。具體見機構原理圖1.1和1.2如下兩頁。 1.2 主要參數 裝機容量： 2.75kw 每小時耗電： 2.75度 單個減速電機功率大約： 0.55kw 雙速電機功率功率大約： 1.1kw 刷具轉速： 241r/min 鏈傳動鏈速大約： 0.8m /s 1.3 工作原理圖 圖1.1工作原理圖（一） 圖1.2 工作原理圖（二） 第2章 清洗機構部分設計 2.1、選用電動機 由于電動機的功率已確定，并考慮到傳動轉速的限制，所以初步選減速電動機的型號為YCJ71 ，配用電機Y801-4,輸出轉速241r/min,輸出轉矩20Nm。 所以為YCJ8.01-0.55-241。 2.2、鏈傳動的設計 由于往復運動及運動傳輸的速度較小，故采取鏈傳動較好。由于初步得知其功率大約為05k，連續(xù)工作8小時，輸出轉矩21Nm，傳動比為2，載荷平穩(wěn)，中心線偏垂直線。 1）選擇鏈輪齒數 取小鏈輪齒數Z1=17,則大鏈輪齒數為Z2= Z1×i=34。 2）．確定計算功率 查表可得kA=1.0,KZ=1.55,單排鏈，則計功率為 Pca = kA KZ P=1.0×1.52×0.55=0.8525kw 3）．選擇鏈型號和節(jié)距 根據Pca=0.8525kw和n1=241r/min,查圖可選鏈條型號為08A,查得鏈條節(jié)距為 p=12.7mm。 4）. 計算鏈節(jié)數和中心距 初選中心距a0=(30～50 )p=(30～50 )×12.7mm=381～635mm,取a0=400mm,相應的鏈長節(jié)數為 Lp0=2a/p+(Z1+Z2)/2+[( Z2- Z1)/(2×3.14)]2 ×（p/ a0） = 2×400/12.7+(17+34)/2+[( 34- 1≈)/(2×3.14)]2 ×（12.7/ 400） ≈88節(jié) 查中心距計算系數f1=0.24795,則鏈傳動的最大中心距為 amax= f1p[2Lp-(Z1+Z2)]=0.24795×12.7×[2×88-17] =393.620625mm 根據以上取中心距為382mm。 5）．計算鏈速V，確定潤滑方式 V=n1z1p/(60×1000)= 12.7×17×241/(60×1000)=0.87m/s 根據v=0.87m/s 和08A-1,所以采用滴油潤滑。 計算壓軸力 有效圓周力：Fe=1000p/v=1000×0.55/0.87=632.18N 鏈輪略傾斜布置壓軸力系數 K fp=1.05 則壓軸力為Fp= 1.05×632.18=663.789 滾子鏈的耐疲勞工作能力校核 P0′ 為鏈板疲勞強度限定的額定功率，P0″為滾子套筒沖擊疲勞強度限定的額定功率，p為要求的傳遞功率，則在鉸鏈不發(fā)生膠合的前提下對已知鏈傳動進行 當 0.55≥0.36782＝P0′ 故滿足要求。鏈輪具體設計按選用件設計，具體結構見見零件圖圖5和圖8。以上所述表見紀名剛主編.機械設計（第七版）.北京：高等教育出版社.2001。 2.3 齒輪齒條傳動設計 1）． 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數 （1） 刷墻機為一般工作機器，速度不高，且P≈0.35kw,故選用直齒圓柱齒輪傳動，選用7級精度（GB 10095-88）。 （2）材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料40Cr（調質）。硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 （3）選小齒輪齒數Z1=20，a=20° 2）． 按齒面接觸疲勞設計 由設計計算公式 d1t≧2.32 計算 （1） 確定公式內的各個計算數值 l 試選載荷系數 Kt=1.3。 l 計算小齒輪傳遞的轉矩。 T1=9550×105P1/n1=4.153×104N.m 由表 10-7 選取齒寬系數φd=1。 l 由表 10-6 查得材料彈性影響系數 ZE=189.8MPa1/2 l 由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 [σH]1=600MPa;大齒輪的接觸疲勞強度極限[σH]2=550Mpa。 l 由10-13計算應力循環(huán)次數 N1=60n1jLh=60×12.5×1×2×8×300×15=0.52056×109 l 由圖10-19（C）查得接觸疲勞壽命系數KHN1=0.95，KHN2=1.6。 l 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安全系數S=1，由式10-12得 [σH]1 = =570Mpa [σH]2 = =560Mpa （2） 計算齒輪分度圓直徑d1t，代入[σH]中較小的值。 d1t≧2.32 =65.322424 l 計算圓周速度v。 V=пdltn2/60000=0.412m/s l 計算齒寬b。 b=φddlt=1×65.32424=65.324m l 計算齒寬與齒高之比。 模數mt===3.266 齒高h=2.25mt=2.25×3.266=7.35mm ==8.88765 l 計算載荷系數 根據V=0.412m/s和7級精度，查得動載荷系數 Kv=1.08； 直齒輪KA=KFα=1； 由表 10-2查得使用系數KA=1.00 10-4 用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時,載荷分布系數KHB=1.4216。 由=8.88765，KHB=1.4216 查圖10-13得KFB=1.51 ；故載荷系數 K=KAKVKHαKHβ =2.3255 l 按實際載荷系數校正所得的分度圓直徑，由式（10-10a） 得 d1=dlt =69.013 l 計算模數m。 m= =3.45065. 3 ） 按齒根彎曲疲勞設計 由彎曲疲勞設計公式m≥ （1） 確定公式內的各計算數值 l 由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=500Mpa 大齒輪的彎曲疲勞強度極限σFE1=380Mpa l 由圖 10-18取彎曲疲勞強度極限KFN1=0.88 KFN2=2.5 l 計彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞壽命系數 s=1.4, 由[σF]1 ==314.2857Mpa [σF]2 = =960Mpa l 計算載荷系數k。 K=KAKVKFσKFβ =1.6308 l 查取齒形系數。 由表10-5查得 YFα1 =2.80 YFα2=2.06 l 查取應力校正系數。 由表10-5查得 YSα1=1.58 YSα2=1.97 l 計算大、小齒輪的并加以比較 =0.014089 =0.004227291 小齒輪的數值大。 （2） 設計計算 m≥=2.84270416 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數2.84就近圓整為標準值 m=3 mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d1=dlt =69.013，算出小齒輪齒數 Z1==≈23 小齒輪設計為齒輪軸。大的即為齒條。這樣設計出的齒輪傳動既滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。 4）．幾何尺寸計算 l 計算分度圓直徑 d1= Z1m=23×3=69mm l 計算齒輪寬度 b=φddlt=69 取齒條寬度B2=70mm,齒輪寬度B2=75mm。 5）. 結構設計見齒輪軸、齒條零件圖。以上所述表見紀名剛主編.機械設計（第七版）.北京：高等教育出版社.2001。 2.4 齒輪軸及其裝備的軸承設計校核計算 1）．求p,及其力F （1）求輸入軸上的功率P1 、轉速n1和轉矩T1 若取鏈傳動的效率η1=0.96，則 P1=P×η1=0.45×0.96Kw=0.432Kw 又 n1= 241r/min 于是 T1==17.11N.m （2) 求作用在齒輪上的力 因已知齒輪的分度圓直徑為 d1= mz=69mm 而 Ft==496N 2）．初步確定定軸的最小直徑 選取軸的材料為40cr,取A0=112 dmin=A0=14.28mm 3）.由裝配方案得齒輪軸的結構設計如圖2.1 圖2.1 4）.選用軸承和軸承校核 （1） 選用軸承為6007，C=10.5KN （2） 校核軸承 F1+F2+F3=F4, 由尺寸和力學可得 F1=534.5N,F2=834.5N 初步計算當量動載荷p P=fpR1=1.2×834.5=1001.4N （3）驗算軸承壽命＞Ln’ 故滿足要求。 5）．求軸上載荷 軸的大體載荷分析圖如圖2.2： 圖2.2 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F F1=534.5N, F2=834.5N F3=418.5N F4=512.6N 彎矩M MH=25630N.mm MV1=17539N.mm,MV2=23458N.mm 總彎矩 M1==26049N.mm M2==26511N.mm 扭矩T aT=8456.6 N.mm 6）. 由于齒輪為K式直齒輪，按彎扭合成應力校核的強度 Mca ==31110.5 N.mm σca==45.2 Mpa ＜ [σ-1]=60Mpa 故安全。 第3章 控制電路設計 1 、接線圖設計 1） 電路原理電路圖如下 合上三相四線電源開關QF閉合，接觸器KM7和KM9同時閉合，雙速電機M1快速帶動機架上升，上升到預定位置，通過控制，SQ-1長閉觸點斷開，SQ-2常開觸點閉合，KM7和KM9 線圈失電，快速上升立即停止，同時KM8線圈得電，M1雙速電機慢速繞組得電，慢速下降，同時SQ2或SQ3因常閉KM1或KM2交流接觸器閉合，第一只清洗刷開始運動碰到SQ2或SQ3其中之一行程開關，第一只清洗刷就往返運動對墻壁進行洗刷，為于安全可靠可行更加完善還選用光電開關安裝在往返行程限位開關SQ2或SQ3的前3-4米左右可調節(jié)遠近的限位距離對墻壁上的空調外機或其它障礙物進行掃射，對預調的空調外機或障礙物距離內第一只清洗刷電機就會向相反的方向運動。其他清洗刷工作狀況同上。三只清洗刷同時清洗墻壁使清洗的墻壁干凈潔白美觀。 如果第一只清洗刷具交流接觸KM1、KM2因故同時失電，M2電機停止工作，KM-1和KM-2同時閉合，這時時間繼電器KT線圈得電、KT-1延時3-5秒閉合，KM10線圈得電、KM10-1觸點斷開，第一只清洗刷具，第二只清洗刷具，第三只刷具電機M2、M3、M4同時停止旋轉（不工作），三只清洗刷具得到安全保護，這樣對設備進行可靠的安全保證，設備正常運轉。 然后控制M1雙速電機的慢速接觸器KM8線圈得電，整機慢速下降到地面，進行故障處理，恢復設備正常運轉。 2）、電路圖如下3.1和3.2 圖3.1 圖3.2 設計總結及展望 歷時三個多月的畢業(yè)設計終于接近尾聲，伴隨而來的是大學生涯的滿結束。在這次設計過程中不僅把以前四年的知識鞏固復習了一下，還學到了一些新的東西，可以說既有喜悅又有辛酸，喜得是在工作之前能再有一次這樣的機會來把四年的理論知識運用到實際上，可以說這是走向社會的一次實戰(zhàn)模擬，能完成它就是對我四年學習的肯定。但單獨設計一個整體的、完整的、可以投產的機器，我們還是感到較大的難度的，因為它涉及知識面廣，工作量大，而且許多東西都是要按設計手冊規(guī)劃的，因此在設計中也感到辛酸。 本次設計的內容是全自動高樓外墻清洗機，雖然在設計過程中遇到很多困難，但畢竟給我們帶來了很多有價值的東西，這套機器的整體不僅僅光是機械部分的，它是在機械的框架上采用電器控制來完成、實現動作的，通過設計翻閱大量資料，對力學、材料及電器控制方面的知識有了更進一步的理解，培養(yǎng)了團結合作的意識，鍛煉了運用資料及查閱文獻和設計手冊的能力，這些也就是此次設計的最大收獲。 畢業(yè)設計是我在大學學習階段的最后一個環(huán)節(jié)，是對所學基礎知識和專業(yè)知識的一種綜合應用，是一種綜合的再學習、再提高的過程，這一過程有助于培養(yǎng)我的學習能力和獨立工作能力。 通過本次畢業(yè)設計，我感到自己應用基礎知識及專業(yè)知識解決問題的能力有了很大的提高，因此，是在我即將工作之前，它是一次重要演練。我想，通過這次畢業(yè)設計，到了工作單位后，我將能夠更快的適應工作崗位和工作要求。我對自己充滿信心。 總之，這次畢業(yè)設計對我而言是受益匪淺的。 參 考 文 獻 [1] 徐 灝主編.機械設計手冊.第4卷.北京：機械工業(yè)出版社.1991 [2] 成大先主編.機械設計手冊.單行本·軸承.北京：化學工業(yè)出版社.2004 [3] 成大先主編.機械設計手冊.單行本·機械傳動.北京：化學工業(yè)出版社.2004 [4] 成大先主編.機械設計手冊·單行本·機械制圖·極限與配合.北京：化學工業(yè)出版社.2004 [5] 席偉光，楊光，李波主編.機械設計課程設計.北京：高等教育出版社.2003 [6] 符偉主編.機構設計學.長沙：湖南大學出版社.2000 [7] 孫開元，李長娜主編.北京：化學工業(yè)出版社.2006 [8] 紀名剛主編.機械設計（第七版）.北京：高等教育出版社.2001 [9] 崔洪斌，高偉，王瑜主編.AutoCAD 2005機械圖形設計.北京：清華大學出版社.1985 [10] 高為國主編.機械工程材料基礎.長沙:中南大學出版社.2004 [11] 成大先主編.機械設計手冊·單行本·聯接與緊固.北京：化學工業(yè)出版社.2004 18