机械创新设计作业.docx
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机械创新设计作业
《机械创新设计》课程作业
题目：
护栏清洁机
院（部）：
机电工程学院
专业：
机械工程及自动化
班级：
小组：
2组
小组成员：
指导教师：
沈孝芹
完成日期：
2015.06
1前言
1.1课题的意义目的及背景
1.2国内外研究概况及发展趋势
1.3课题的指导思想?
1.4所要解决主要问题
2原理方案设计
2.1功能设计法的简介
2.2功能分析
2.3功能原理分析
2.4功能分解并列出功能树
2.5功能求解列出功能元解形态学矩阵
2.6组合形成几种可用原理方案
2.7建立评价目标进行方案评价
3机构设计
3.1机构设计原则的运用与讨论
3.2机构的选型
3.3机构方案评价
3.4机构的构型
4结构设计
4.1概述
4.2结构方案的变异设计
4.3设计结果介绍
5结论
6谢辞
7附件
摘要
工业化的建设使城市人口和车辆逐年增多，人、车道路交通产生很大的矛盾，几乎所有道路拥挤的地方都安上了护栏隔离，城市公路中央护栏可以引导驾驶员的视线，以防车辆驶出路外造成交通事故。
隔离护栏经过日晒雨淋，经常是脏兮兮的，不仅影响路容的整洁美观，而且护栏本身容易损耗。
城市公路中央护栏的清洗，不仅是为了整洁的市容，而且能够延长护栏的使用寿命。
为了保持城市公路中央护栏良好的引导视线功能和清洁美观，需要对护栏进行定期清洗。
人工清洗护栏的劳动强度大，清洗效率低，每人每天大约只能清洗600米左右。
白天车流量很大，人工清洗护栏不安全且影响交通，一般在晚上车流量相对较小时清洗，而晚上清洗时经常有发生车撞环卫工人的事故。
于是城市公路中央护栏清洗机的出现具有实际的意义。
。
关键词：
护栏清洁；智能化；环卫
1前言
1.1、课题的意义目的及背景
目前，针对城市道路护栏的清洗方式主要有两种：
人工清洗和借助汽车所配高压水洗刷清洗。
但人工清洗环卫工人的劳动强度大、清洗效率低，一般每人每天只能清洗300米左右的护栏；且环卫工人作业时身处于高速行驶的机动车辆中间，容易发生安全事故，尤其是在交通道路比较狭窄的地段危险系数更高；经常身处汽车噪音大、车量尾气浓度高的工作环境下对工人的身心健康也造成了很大的损害。
车载式高压水洗刷清洗一次性投入过高，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，无法清洗护栏处就目前国内的情况来看，绝大部分城市的道路护栏的清洗工作依然靠人来清洗。
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。
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。
各市、各区、各县对其需求都很显着，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300m/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10两车计算，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。
因此本项目具有广阔的市场前景。
1.2国内外研究概况及发展趋势
（1）国内现状及发展趋势：
从国内情况看，随着城市道路里程的不断增加，对护栏养护工作提出了新的、更高的要求，其研制开发工作因而也备受重视，在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,近几年来获得了一定成都的发展。
目前已实现市场销售的护栏清洗机械主要有：
北京科力威清洁机械厂生产的永江牌护栏清洗车、山西省交通科学研究院开发研制的HXC—300型高等级公路护栏清洗车，采用液压机构驱动自动调控的立体高速滚刷，可同时刷洗护栏两面，并根据护栏的高矮宽窄，自动进行伸缩调整，最高可对1.6米的护栏进行清洗，但浪费水资源，成本太高，价钱最低也在三十五万元人民币以上。
目前处于研究状态的的有海军工程大学举行第三届全国大学生机械创新大赛上获一等奖的浙江大学的作品新型高速公路护栏清洗装置和华中科技大学的作品护栏清洗机，能过实现自动化清洗，但没有设置避障系统，同时护栏尺寸发生变化时难以适应，并没有在实际生产中得到应用。
所以开发一种适合中国国情的低成本、高效率的护栏清洗装置具有一定的现实意义和良好的市场前景。
（2）国外现状及发展趋势
从国外情况看，上世纪80年代中期新建公路速度趋于平缓，道路护栏养护工作已经提到十分重要的位置（如美国每年要花费150亿美元维护本国400万km公路网；法国国营及A级道路中国道里程共29700km，用于国道养护的机械、车辆就达6万多台）。
为适应养护工作需要，国外工业发达的国家将大量的资本和开发精力开始投向养护机械的研制生产，从而使国外养护机械得到了迅速发展。
其产品类型和技术均达到了比较完善的高度。
1.3课题的指导思想
护栏清洗机以护栏为导轨，采用履带侧边驱动前进，结合平行四边形机构实现越障;两对清洗刷刷和水循环系统有效地保证良好的清洗效果。
1.4所要解决主要问题
（1）建议机构制作问题
（2）自动导向装置问题
（3）实现无人干预、自动行走设计
2原理方案设计
2.1功能设计法的简介
方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思，搜索解决问题的物理效应和工作原理，并利用机构运动简图、液路图、电路图等表达构思内容。
原理方案设计对于产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大的影响。
方案设计是决定产品水平和竞争能力的关键环节，因此原理方案的创新设计有着举足轻重的作用。
工程设计的内容错综复杂，如果孤立静止地分析其某方面的问题，得出的结论往往是片面的、局限的。
系统工程方法是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。
在原理方案设计过程中，往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问题。
原理方案的设计是“发散——收敛”的过程。
此过程中，往往是通过功能设计法来入手的。
功能设计法的目的在于，按照能量流、物质流、信息流将产品开发的内容分解，从而在设计的初始阶段明确产品设计所要求的功能。
用功能设计法进行原理方案设计是紧紧围绕功能的分析、求解和组合实施的。
功能是产品或技术系统特定的工作能力抽象化的描述。
它与产品的用途、能、性能等概念不尽相同。
功能的描述要准确、简洁，合理地抽象，抓住其本质，避免带有倾向性的提法，这样能避免方案构思时形成种种框框，使思路更为开阔。
本组创新设计既是按照功能设计法的一般步骤进行了原理方案设计。
分为总功能分析、工作原理分析与功能描述、功能元求解、系统求解、优化系统解。
2.2功能分析
总功能分析遵循一些基本原则：
a.能量守恒原则，即任何流入系统的能量等于系统输出和存储的能量。
b.物质守恒原则，即任何流入系统的质量等于系统流出和储存的质量。
c.列出所有与系统相互作用的对象或系统界面。
d.用动词来表达总功能中的能量流、物质流和信息流。
总功能分析常用方法为黑箱法，本设计的黑箱法描述如图2.1所示。
黑箱
位置1清洗
位置2清洗
清洗机构
总功能：
护栏清洗
图2.1黑箱法示意图
总功能分析的黑箱法对本组设计的整体概述即是将对护栏进行清洗并行走，在黑箱里实现护栏的清洗，同时实现机器的行走。
黑箱内具体的内容将会在功能设计法接下来的步骤中构思出来。
2.3功能原理分析
清洗装置设有动力源，清洗装置至少包括动力源、升降机构、伸缩机构、推杆式装夹机构、和清洗机构，动力源为液压缸与升降机构和伸缩机构铰接传递动力，装夹机构的推杆一端与动力源液压缸用销轴固定，另一端与装夹机械手用销轴固定，清洗机构的清洗刷与机械手连接。
机车上设有水源，机车侧设有安装座，清洗装置安装在安装座上。
如下图2.2
图2.2护栏清洗
所述的升降机构包括机座、升降油缸；所述的升降油缸固定安装在机座上。
所述的伸缩机构包括固定底座、大臂、小臂、液压缸；固定底座下表面与升降机构用销轴连接，上表面与大臂销轴连接，大臂液压缸用销轴与固定底座连接，大臂与小臂销轴连接，小臂液压缸固定连接在大臂上，小臂一端与小臂液压缸销轴连接，小臂另一端与装夹机构连接。
如图2.3
图2.3
所述的推杆式装夹机构包括装夹固定机座、推杆、机械手、液压缸；装夹固定机座上表面与伸缩机构的小臂销轴连接，下表面设有机械手固定架，并与机械手销轴连接，推杆与装夹固定机座中心孔配合，一端与装夹机构液压缸销轴连接，另一端与机械手销轴连接。
清洗机构包括清洗刷及固定销轴；清洗刷为一对长方体形，相向布置，与机械手固定连接。
如图2.4
图2.4
本发明提供的护栏清洗机，它主要是搭载在现有的洒水车上，由所搭载的机车提供前进的动力和水源。
通过其装在车身侧面的升降机构、伸缩机构、推杆式装夹机构及清洗机构的清洗刷对道路护栏进行清洗和保养，当清洗工作结束后，可将升降机构降下，将伸缩机构收缩放置在车身的一侧。
这样在非工作状态可以正常行驶而不会影响交通，使用方便。
本发明的清洗机构有效的解除了城市道路人工清洗的繁杂劳动，弥补了目前其他清洗车的不足，而且具有结构合理，成本低，效率高，节能，自动化程度高，操作简单，安全性高。
首先清洗机功能在机器操纵下即可进行，并无特异之处，但可以考虑在夹持装置上设计一下改变夹持动作和加持机构。
如图2.5
图2.5
所述清洗组件由滚刷支架和分别固定于所述滚刷支架上的柱状滚刷和防溅罩组成,其特征在于：
所述调节机构包括活动连接于所述固定架和所述清洗组件之间的连接架、设置于所述连接架上、用于调节所述清洗组件上下位置的升降油缸、用于调节所述清洗组件在正常范围内上下位移的斜置式伸缩油缸、用于调节清洗组件左右摆动幅度的水平向摆动调节油缸；以及用于调节清洗组件垂直面前倾、上仰的垂直向摆动调节油缸组。
本实用新型适用于公路护栏的清洗。
手部它具有人手某种单一动作的功能，由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。
夹持式手部是由手指和传力机构所组成，手指是直接与物件接触的机构，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
吸附式手部有负压吸盘。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。
造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。
电磁吸盘的吸力有直流电磁铁和交流电磁铁产生。
由于清洗栏杆时，不适合用吸附式，所以我们采用的是夹持式的构件。
2.4功能分解并列出功能树
一般技术系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的原理解。
可利用系统工程方法通过分解功能元解的有机组合求得技术系统解。
功能分解可表示为树状的功能结构，称为功能树。
通过对分功能的大体描述可以获得较详尽的功能元构架如下图2.6。
·
齿轮啮合传动
大小臂摆动
手部夹持装置
底部回转
栏杆清洗
液压传动
曲柄连杆传动
吸附式
夹持式
图2.6功能元求解分析
2.5功能求解列出功能元解形态学矩阵
将各功能元解合理组合可以得到多个系统原理解。
一般采用形态综合法进行组合，将技术系统的功能元和相应的功能元解分别作为纵、横坐标列为系统解的形态学矩阵综合表。
将每个功能元的一种功能元解进行有机组合即构成一个系统解。
探求葛总功能元解并列出形态学矩阵综合表，如表2.1所示。
表2.1护栏清洁机原理方案形态学矩阵综合表
功能元
功能元解
１
２
３
４
５
６
Ａ
动力源
电动机
汽油机
柴油机
蒸汽透平
液动机
气动马达
Ｂ
腰部回转
液压传动
蜗轮蜗杆
Ｃ
夹持装置
吸附式
夹持式
Ｄ
夹持装置运动
升降
旋转
平移
2.6组合形成几种可用原理方案
在多个系统解中，首先根据不相容性和设计边界条件的限制删去不可行的方案和明显不理想的方案，选择较好的几个方案通过定量的评价方案评比、优化，最后求得最佳原理方案。
可能组合的方案数Ｎ为
Ｎ＝６×２×２×３＝７２
经过功能分析法我们求得了多个系统解，但这些原理方案并不一定满足最初的设计背景和产品分析结论，需要岁这些系统解进行评价。
2.7建立评价目标进行方案评价
工程设计要解决的是复杂、多解的问题。
获得尽可能多的方案，然后通过评价从中选择最佳方案，在发散-收敛的过程中创新，这是合理设计的重要思路。
在设计各阶段确定工作原理方案、机构方案、结构方案的过程中，都要进行搜索和筛选，通过逐段评价才能得到价值优化的合理方案。
评价不仅要对方案进行科学分析和评定，还应针对方案在科技、经济方面的弱点加以改进和完善。
广义的评价实质上是产品开发的优化过程。
对一个产品或技术方案进行科学的评价，首先应确定其评价目标以作为评价的依据，然后再针对评价目标给予定性或定量的评价。
在总评价目标的分解和各分目标评价值的组合过程中，仍采用系统工程分析方法。
评价目标的内容：
作为产品或技术方案评价依据的评价目标（评价准则）一般包含以下三个方面的内容：
（1）技术评价目标：
工作性能指标、加工装配工艺性、使用维护性、技术上的先进性等。
（2）经济评价目标：
成本、利润、投资回收期等。
（3）社会评价目标：
方案实施的社会影响、市场效应、节能、环境保护、可持续发展等。
首先我们通过对比等手段将那些实际情况不符的设计以及市面上已有的设计进行了删除。
初步按照前述分析选定组合A3-B1-C2的原理方案。
然后设立评价目标对需要进一步评价的系统解进行定量的评价，见表2.2。
表2.2护栏清洁机初定原理方案评价目标
性能参数
运行速度、清洗质量
运行参数
维修性、寿命
经济性
价格
社会性
外观
定量评价时需根据各目标的重要程度设置加权系数。
加权系数是反映目标重要程度的量化系数，加权系数大意味着重要程度高。
为便于分析计算，取各评价目标加权系数gi＜1，且∑gi=1。
加权系数值一般由经验确定或采用强制判定法计算。
强制判定法操作时将评价目标和比较目标分别列于判别表的纵、横坐标上，如表2-3所示。
根据评价目标的重要程度两两加以比较，并在相应格中给出评分。
两目标同等重要各给2分；某项比另一项重要分别给3分和1分；某项比另一项重要得多则分别给4分和0分。
最后通过计算求出各加权系数gi。
i=1
n
gi=
式中，ki-各评价目标的总分；
n-评价目标数。
表2.3护栏清洁机初定原理方案的加权系数判别表
比较目标
评价目标
运行速度
价格
维修性
寿命
外观
Ki
i=1
n
加权系数gi=
运行速度
x
3
4
4
4
15
0.375
价格
1
x
3
3
4
11
0.275
维修性
0
1
x
2
3
6
0.15
寿命
0
1
2
x
3
6
0.15
外观
0
0
1
1
x
2
0.05
∑ki=40
∑gi=1
目标树是分析表达评价目标的一种有效手段。
为便于定性或定量评价，用系统分析方法对目标系统进行分解并图示，将总目标具体化为目标元，从而形成目标树，如下图所示2.7
护栏清洁机
经济性0.275
性能0.675
社会性0.05
外
观
0.05
价
格
0.275
寿
命
0.15
维
修
性
0.15
运
行
速
度
0.375
2.7评价目标数
通过目标树，我们能够清晰地了解到初定原理方案评定目标的情况。
由于缺乏一手的准确数据，只能对本组初定的原理方案运用评分法进行对最终的定量评定。
虽然受到条件限制无法跟现有产品进行比较，但是初选计算认为初选原理方案评定为可行、较好的原理方案。
3机构设计
3.1机构设计原则的运用与讨论
一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。
而机构设计中最富有创造性、最关键的环节是机构形式的设计。
常用的机构形式设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。
但机构形式的设计具有多样性和复杂性，满足同一原理方案的要求可采用或创造不同的机构类型。
在进行机构形式设计时，除满足运动形式运动规模或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则。
（1）机构尽可能简化原则：
即完成同样运动要求，应优先选用构件数和运动副数较少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减小质量、降低成本；同时也可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，提高零件加工工艺性，增强机构工作可靠性。
运动链简短还有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。
（2）适当选择运动副
在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。
因此，从减少构件数和运动副数及简化设计等方面考虑，应优先采用高副机构。
但从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精度以及有效高的承载能力等方面考虑，应优先采用低副机构。
所以选择何种机构，应根据具体设计要求全面衡量得失，尽可能做到“扬长避短”。
在一般情况下，应优先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副（制作中不易保证高精度，运动中易出现自锁）。
在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构，如凸轮机构或连杆-凸轮组合机构。
（3）适当选择原动机
执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择电动机驱动形式。
在只要求执行构件实现简单的工作位置变换的机构中，采用气缸或液压缸比较方便，同采用电动机驱动相比，可省去一些减速传动机构和运动变换机构，从而可缩短运动链，简化结构，且具有传动平稳、操作方便、易于调速等优点。
此外，改变原动机的传输方式也可能使结构简化。
在一台机器中只采用一个原动机驱动不一定就是最简方案。
（4）尽量缩小机构尺寸原则
机械的尺寸和质量随所选用的机构类型不同而有很大差别。
众所周知，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和质量比普通定轴轮系减速器要小的多。
（5）使机构具有较好的动力学特性原则
机构在机械系统中不仅起到传递运动的作用，而且还要起到传递和承受力或力矩的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。
因此就要求相应机构要采用传动角较大的机构，采用增力机构和对称布置的机构。
通过以上分析可知，本组的设计和选定原理方案的实现都相对较简单明了，没有一种切片机涉及多少传动传力的复杂情况，也没有联系机电系统的的必要。
所以机构设计不会考虑电动机、运动副等情况，更没有必要加上这些看似能实现高度自动化的机构。
创新设计的目的是为了实用方便，由此本设计机构通过机构选型便可以得到满意结果，而且会相对快速简单，没有必要进行学识要求更高的机构构型来寻找结果。
3.2机构的选型
所谓机构的选型是指利用发散思维的方法，将前人创造发明的各种机构按照运动特性或可实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或将要实现的功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。
一般机构选型可分为按运动形式要求选择机构和按机构特定功能进行选型。
（1）按运动形式要求选择机构
机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择结构，同时还应考虑机构的特点和原动机的形式。
实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，造型时应尽可能搜索到现有的各种机构，以便选出最优方案。
（2）按机构特定功能进行选型
当机器执行动作的功能（如夹紧、分度、定位、制动、导向等）很明确时，设计者可按照其功能要求查阅有关手册，分析具有相应功能的各类机构，进行选择。
方案设计时应根据具体的设计要求进行选型，并进行综合评价。
本组设计的清洗机，确定按照液压传动和连杆传动的运动形式要求选择机构。
运动形式是液压传动、连杆传动还有滑块往复移动。
所以查阅资料可知能够
知道实现往复运动的机构有以下几种：
①曲柄摇杆机构：
具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构，通常，曲柄为主动件且等速转动，而摇杆为从动件作变速往返摆动，连杆作平面复合运动。
曲柄摇杆机构中也有用摇杆作为主动构件，摇杆的往复摆动转换成曲柄的转动。
图3.1
图3.1
②凸轮机构：
由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。
图3.2
图3.2
③曲柄滑块机构：
用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构。
图3.3
图3.3
这些机构都是在机械设计之中经常用到的，其中有很多是通过电机驱动的机械机构。
虽然都能实现往复运动，但是传动效率低，不适合本设计的选择要求。
换而言之，本设计需要电机带动增加传动效率，一定要做到相对省力的机构设计，否则也是与设计初衷不相符的。
在这些要求下，通过查找资料发现挖掘机的设计与本设计的原理方案非常近似，但运动的转化，采用的工作原理并不相同，所以我们采用了挖掘机的组合式动臂。
下图为组合式动臂的两种形式图3.4
图3.4
3.3机构方案评价
在经过机构选型之后下面开始对于机构方案进行评价。
首先要确定评价指标和评价体系，然后是典型机构的性能、特点的评价。
满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能及动力性能方面进行综合评价。
需要指出的是，各项评价指标及其具体项目，是根据机械系统设计的主要性能要求和机械设计专家的意见设定的。
对于不同的设计任务，应根据具体情况拟定不同的评价体系。
只有建立科学的评价体系，才可能避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计质量。
如表3.1
表3-1机构方案评价指标及其具体项目
评价指标
运动性能A
工作性能B
动力性能C
经济性D
结构紧凑E
具体项目
①运动规律、运动轨迹；
②运转速度、运动精度
①效率高低；
②使用范围
①承载能力；
②传力特性；
③振动、噪声
①加工难易
②维护方便性
③能耗大小
①尺寸
②质量
③结构复杂性
在确定了评价指标之后开始对典型机构性能、特点进行评价。
本设计采用的连杆机构和液压机构都是最常用的机构，它们具有结构简单，易于应用等特点，其设计方法已为广大设计人员所熟悉，成为首选机构。
下面对两种机构进行分析。
如表3.2
性能指标
具体项目
连杆机构
液压机构
运动性能A
①运动规律、运动轨迹；
②运转速度、运动精度
只能达到有限精确位置
较低
一般作定传动比转动或移动
高
工作性能B
①效率高低；
②使用范围
一般
较大
高
较小
动力性能C
①承载能力；
②传力特性；
③振动、噪声
较大
一般
较大
较大
较好
较小
经济性D
①加工难易
②维护方便性
③能耗大小
易
较方便
一般
较难
方便
一般
结构紧凑E
①尺寸
②质量
③结构复杂性
较大
较小
复杂
较小
一般
简单
表3.2
3.4机构的构型
当初步选出的机构形式不能满足预期的功能要求，或虽能满足功能要求但存在结构复杂、运动精度低、动力性能欠佳等缺点时，可以采用构型的方法重新构筑结构形式。
机构构型的基本思路：
以通过选型初步确定的机构方案为雏形
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