清潔機(jī)重要部分校對(duì)與有限元分析基礎(chǔ)

魏雷

摘要：清潔機(jī)的設(shè)計(jì)需求取決于兩方面：工作環(huán)境和工作目的，新型清洗機(jī)的功能指標(biāo)、限制條件和模型建立進(jìn)行選擇。從用途和功能兩方面上講，是屬于機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的范疇，所以工作各零部件必須符合規(guī)定的要求，但由于是高校食堂地面的清潔，任務(wù)很重，因此它的實(shí)用性要求更高。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；實(shí)用性

1 吸附技術(shù)的選擇

清潔機(jī)在地面正常行駛時(shí)，可以穩(wěn)定的吸附在地面上，當(dāng)不能正常工作時(shí)，主要有兩種表現(xiàn)：發(fā)生翻到以及跌落；當(dāng)發(fā)生翻到時(shí)，所受到的傾斜力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支撐力，與地面的接觸脫離，從而翻倒；當(dāng)?shù)孛嬗捎谟臀圻^大，摩擦力相對(duì)會(huì)減小在行駛過程中移動(dòng)，發(fā)生快速移動(dòng)現(xiàn)象，稱之為跌落。這兩種不能正常工作的表現(xiàn)，都會(huì)造成損壞；因此設(shè)計(jì)過程中要避免。

2 安全性與受力性分析

平衡狀態(tài)受力分析圖

圖中所列參數(shù)分別為：

Η1-吸盤與玻璃之間的摩擦系數(shù) F1-吸盤1的吸附力（N）

G1-機(jī)器人自身重力（N） F1-玻璃對(duì)吸盤1的反作用（N）

F2-吸盤2的吸附力（N） F2-玻璃對(duì)吸盤2的反作用（N）

Ff2-吸盤2與玻璃之間的摩擦力（N）

Ff1-吸盤1與玻璃之間的摩擦力（N）

（1）抗滑落條件

選取聚氯乙烯作為吸盤材料，由于工作表面是大理石及其復(fù)合材料，工作過程中清洗的參數(shù)為0.2～0.5，摩擦系數(shù)為

（5.1）

若吸盤內(nèi)，相比于外界的壓力，假設(shè)為P，又因吸盤1和吸盤2面積相等，假設(shè)均為S，則

（5.2）

（5.3）

（5.4）

（5.5）

根據(jù)以上內(nèi)容，可以得到，要使清潔機(jī)不受傾斜力翻滾，則必須滿足以下條件： 。

（2）抗傾覆條件

假設(shè)，以第一個(gè)吸盤與地面的結(jié)合處為原點(diǎn)，則得到關(guān)于其的方程為：

（5.6）

（5.7）

吸盤如果在受外力作用下，不至于傾覆，必須滿足

由式5.1、式5.2、式5.3、式5.4、式5.5可得：

（5.8）

由式5.6、式5.7可得

（5.9）

（5.10）

由5.6式、5.7式條件得

（5.11）

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，其機(jī)身總重約為4-5 kg，相當(dāng)于重力 ， ， 。分別代入5.10、5.11得：

取值為120N

從上述結(jié)果中，每組處于吸附狀態(tài)的吸盤，至少產(chǎn)生120N的真空吸附力，才能在重力作用下不傾倒，由于采用了三吸盤的設(shè)計(jì)。故每個(gè)吸盤負(fù)擔(dān)40N的壓力就可以吸附。吸盤直徑用下面的計(jì)算方法得到：

（5.12）

式中 P1為吸盤的真空度，根據(jù)實(shí)際情況我們?nèi)?.08M；

F1為每個(gè)吸盤最大承受的吸附能力；

A1為吸盤設(shè)計(jì)的最大面積（mm2）；

D1為吸盤的實(shí)際測(cè)量直徑；

-為安全系數(shù)，正常情況下，取值為2.5；

由下表所列的吸盤的一般技術(shù)參數(shù)表，當(dāng)選取直徑為40mm的吸盤時(shí)，就可以滿足設(shè)計(jì)需要，查表可得，直徑為40mm的吸盤，在-0.8Mpa下的反作用為70N。根據(jù)計(jì)算，由于每個(gè)吸盤組都是由三個(gè)，成三角形分布的小吸盤構(gòu)成的。根據(jù)力的合成原理，可以得到，當(dāng)三個(gè)吸盤的吸附力合成為一個(gè)整體時(shí)，作用點(diǎn)是同方向的，幾何中心點(diǎn)位置，這樣得到的合力大小仍然不變，等于其三個(gè)力的總合，并且不產(chǎn)生其他扭力。

吸盤的技術(shù)參數(shù)

3 行走機(jī)構(gòu)的校核及有限元分析

（1）吸盤強(qiáng)度的校核

在實(shí)際的工作中，根據(jù)實(shí)際情況，清潔機(jī)不會(huì)受到因重力的分支力滑落和傾斜扭力的翻滾，把靠近地面操縱桿的一端當(dāng)做固定連接。當(dāng)左右兩側(cè)的操縱桿受力對(duì)稱的分布，則只需要單獨(dú)校核上下連桿的強(qiáng)度，同時(shí)校對(duì)上下連桿的受力情況。（如圖）

根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，我們采用不銹鋼材質(zhì)Q235， ，根據(jù)式5.9和5.10可得

對(duì)于連桿1有：

因?yàn)檫B桿1容易受到外力作用，會(huì)拉彎，組合變形，如上圖分析，在危險(xiǎn)截面m的上半部分，各點(diǎn)會(huì)發(fā)生最大的拉力，且為：

（其中： ） （5.13）

由以上分析，如果有不同的截面，且形狀不一樣時(shí)，那么它的抗彎截面的系數(shù)，即 也就不同。所以可以采用比值 的公式，用來計(jì)算不同的截面，它的使用價(jià)值以及合理性。比值 越大，則截面的形狀帶來的經(jīng)濟(jì)效益也越好，設(shè)計(jì)也越合理。

英國(guó)的T.Young提出了一個(gè)理論。在設(shè)計(jì)時(shí)，如要要達(dá)到最合理化，那么需滿足以下條件，矩形木梁的高與寬的比值為： 時(shí)，可以得到最大強(qiáng)度；矩形木梁高與寬的比值： 時(shí)，可以得到最大剛度。因而得到，當(dāng) 時(shí)，則是需要的最優(yōu)截面比例。

代入5.13即：

所以截面尺寸

（2）行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有限元分析

限元分析理論，主要是指采用近似數(shù)學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)模型的幾何形態(tài)和載荷情況以及物理系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)的模擬，通過模擬，得到所需要的結(jié)果。同時(shí)，利用單元的作用，就可以在利用有限個(gè)數(shù)量的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)趨于的未知量，用來達(dá)到無限接近未知量的，這樣一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)。

通過對(duì)行走機(jī)構(gòu)的有限元分析，找出了行走機(jī)構(gòu)的最大位移點(diǎn)，以及單元作用力；在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)達(dá)到最大的剛度和強(qiáng)度。