毕业设计（论文）-汽车自动清洗系统设计.doc

济南大学毕业设计（论文）第二章 流水清洗系统的总体设计1 前言随着中国汽车工业的飞速发展和人民生活平的提高，汽车销量增长迅速，伴随着汽车数量的日益增加，人们对汽车的消费观念也有了极大的转变，从过去单一的追求功能转变为追求个性化、舒适化、美观化的消费观念。这极大的带动了汽车清洗保养、美容护理等行业的发展。然而，汽车清洗可以作为汽车美容、汽车保养的一个前期工序，有这广阔的市场前景和客观的利润空间。目前中国大多洗车业还停留在人工清洗这一层次，浪费人力物力，浪费水资源，不符合当今节约型社会的发展要求，必然会被市场淘汰。中国自动洗车技术刚刚发展，但发展迅猛，汽车自动清洗已经起到了举足轻重的作用。1.1国内外自动清洗技术现状国外的自动清洗技术已经有较长的历史。目前国外已经生产出多种新型清洗机：由日本研发生产的台式洗涤装置，适合用于小物品的制造加工、牙科医院、研究室、美容院、实验室以及检测中心等洗涤小型物件；超声波清洗：是利用超声波在液体中的产生气化作用，对各种物体进行清洗；Simpson清洗系统公司从1959年就开始生产高压冷水清洗机，并且可根据用户的需要，采用直接转动和皮带转动两种方式；最近美国推出了ADF990型零件清洗机，使用热水与可分解处理的清洗剂混合的水溶液清洗齿轮、箱体、冲模等大型零件；日本目前成功研制开发出安全清洗设备和设施的装置，能够清除压力加工、机械加工等小零件的表面油污；法国CMS BRAILLON公司生产的清洗水滤净器，不需经常进行保养，可以用于工业冷却循环系统、先期过滤、水处理厂、净化中心、鱼类养殖及水电站等地方。对于流水自动清洗中的汽车自动清洗，国外也已经有多年历史，从最初的一桶水一块抹布式的洗车到现如今的全自动化清洗。现在我国的多数自动清洗技术全部参照国外技术。如TEPO-AUTO全自动清洗机械设备参考德国最先进的技术，利用精湛的工艺，开发出了适合中国各地区各类别自动洗车的机械设备。其电动机械，电控部分，气动，传感器分及气控部均由意大利、德国等国家原装进口。随着社会的快速发展和国民经济的迅速增长，汽车逐渐更多的走入普通民众家庭，人民对于车辆的清洗有了更高的要求。现在我国已经有了往复式洗车机，高压自动洗车机，隧道式洗车机，汽车生产线专用雨淋清洗线，专业工程机械清洗机，巴士洗车机，火车专用清洗设备，垃圾车冲洗专用清洗机，地铁专用清洗设备，集装箱、油罐车专用自动清洗设备，特殊车辆清洗设备，卡车专用清洗设备等系列清洗机械来满足各种需求1。1.2汽车自动清洗技术的发展前景汽车业发展到现在的水平，已经解决了众多无法实现的问题，今后汽车业的发展速度也会随着社会的快速发展而加速。可能会设计出无人驾驶汽车、组合式汽车等。汽车业的发展对汽车的自动清洗提出了更高的要求。中国自动洗车业大部分还处于发展的初级阶段。没有一个统一的行业标准，管理混乱，容易产生纠纷和其他问题。从业人员总体素质较低，同时缺乏专业技术培训和专业技能，只能从事一些低级简单的体力劳动。政府需逐步规范专业清洗机构和清洗行业，从而使得清洗服务行业能持续健康稳定发展。当今社会面临着能源和环境的问题，绿色环保型和节约型必然是未来的汽车自动清洗的发展方向，可以对清洗汽车的产生污水经过处理后充分的再利用。同时，高科技新型的清洗设备必然会替代现有的清洗设备，使汽车自动清洗更加完美化。中国人口众多，随着人们生活水平的提高，汽车已经走入更多的人们的生活，随之发展的就是汽车服务行业，所以自动洗车必然会发展成为主流，符合人们快节奏的生活和当今社会的发展要求。2 流水清洗系统的总体设计本次设计主要是针对流水清洗系统中的汽车自动清洗，目前我国在汽车清洗行业还没有广泛使用流水自动清洗，这与我国当前的基本国情有关。但随着中国经济的飞速发展，人们生活水平不断提高，快节奏的生活，都将促使自动清洗快速发展，并最终代替人工清洗。2.1汽车自动清洗的分类汽车自动清洗按工作方式可分为隧道式和往复式两种。隧道式洗车机不动，汽车在导轨的拖动下，慢速通过洗车机的工作区域。洗车机按照相应的工作指令，完成清洗汽车的工作。如：大型隧道式（大巴、无轨、旅客列车、电车地铁）清洗机；隧道式连续洗车机。往复式汽车不动，洗车机按照一定的工作程序在导轨上往复移动，同时执行洗车指令的工作方式。如：大（中小）型移动式洗车机和龙门往复式洗车机等。隧道式汽车自动清洗系统是一条由美观的玻璃幕墙包裹的洗车通道，其外形可以设计成非常醒目的、抢眼的色彩，一般情况下，经营者会把它安装在交通便利的街边，让它起到广告和吸引来往车辆的作用，同时更方便用户洗车，以达到更好的经营效果的目的。隧道式洗车是车辆由传送机带动前进，在车辆经过隧道的短时间内，完成洗车、打蜡、风干等工作程序。其特点是洗车速度快，洗车效果好。洗车流程为：高压冲洗小刷去泥底盘冲洗泡沫喷淋刷毛清洗清水清洗水蜡喷淋强力风干完成洗车。往复式洗车机的洗车原理为：车辆进入洗车机后，拉紧手刹，并关好门窗，机器在较短时间内，往复行走，完成洗车、打蜡、风干等工作程序。虽然洗车速度慢，但是对场地受限，发展落后，相对较小的城镇、县城仍然有着较大的吸引力。洗车流程和隧道式洗车相同。2.2隧道式汽车自动清洗的总体设计参数本次设计的流水清洗中汽车自动清洗系统是隧道式清洗，清洗对象主要是微型车、小型家庭车、越野车、轿车以及商务车等。各种性能指标以及参数依据各种车型的数据来确定的。洗车过程是：当汽车被传送带带到“隧道”中后，通过检测确定到达轮刷位置后，启动轮刷清洗高压水刀，对车轮和周边的区域高压冲洗，把轮毂和周围的沙砾、灰尘冲洗掉。然后双头喷嘴高压水刀对车身顶部、两侧进行冲洗，重点在于汽车前部和后备箱的清洗。接着汽车经过洗车液喷淋，使洗车液均匀洒在车体表面。刷洗工作是汽车清洗过程中相对比较重要的环节。汽车能不能够清洗干净很大程度上取决于刷洗环节。由于各种车辆的宽度不同，为避免造成洗不到车或是洗“伤”车的情况，设计中让立刷和轮刷能够根据车身的宽度进行自动调节移动，从而保证刷子与车身之间的距离一定，进而更好的进行刷洗。同样，由于各种车辆的高度不同，顶刷采用了由齿轮齿条控制的能够上下移动，这样便可以进行有效的清洗。刷洗完毕以后进入精洗状态，把车身表面的污物快速彻底的冲洗掉。接下来的环节，也是汽车清洗的最后一个环节强力风干，把车体表面的水珠吹干，在短时间内完成汽车的自动清洗。这套系统的设计采用了简单的流程，能够在短时间内完成对汽车的清洗工作，目前，在中国的洗车行业中有很大的发展前景。表2-2中的各种车型的数据，主要是针对于洗车系统设计的应用，同时在国内自动清洗汽车行业中具有一定的代表性。其参数能够涵盖大多数车辆。整个清洗系统内部结构总长为17米，其中传送带总长为15米，高度为3米，宽度除风机部分为3米外，其余部分是2.5米。清洗车辆的最长为5.2米，最宽为2.1米，高度最高为2.5米。整个系统从功能上可分为四个部分：传送部分，清洗部分，刷洗部分，风干部分。其中传送部分为整个系统运行的基础。清洗部分又可分为粗洗部分、洗车液部分、精洗部分。刷洗部分包含对车身两侧进行刷洗的立刷，对车轮进行刷洗的轮刷和对车身顶部进行刷洗的顶刷。其工作原理是旋转的刷子与汽车车身之间的相对运动对汽车进行刷洗。风干部分是汽车清洗的最后一个环节，风干机对冲洗后的车体进行风干。考虑到在冬天气温比较低的，车身表面的水可能会结冰进而对车身造成损害，所以在风机内部安装了电热丝，可以在低温时吹出热风，从而保证车身不被损伤，并能够提高风干效率，更好的风干效果。表2-1 自动清洗设备的主要性能参数一览表序号指标名称单位数值1轨道长度m152设备尺寸m173.633洗车尺寸 m5.52.12.54消耗水量L/台905顶刷支1支6轮刷支2支7立刷支2支8电源24KW 380V9洗车能力台12010控制系统台达PLC11最大喷射压力2.4表2-2 汽车的主要参数一览表车辆长度（mm）宽度(mm)高度（mm）重量（kg）轴距（mm）轮胎（mm）轮距（mm）GL751041837172930471981562/1608景程48051810145027001576/1568 君越49981851146115952807225凯越45151725144512202600乐风431016901507110524801781450/1410骏捷464818001450139027901565/1560猎豹48001777194525001485/14931485/1492利用以上参数，可以对汽车自动清洗系统做更进一步的设计。济南大学毕业设计第三章 流水自动清洗系统的机械部分设计3 隧道式自动清洗系统的机械部分设计3.1流水自动清洗的流程图汽车在驶入洗车隧道（以前后轮都驶上传送带为准）之后按照如下流程图进行清洗：汽车停稳车轮喷洗车身喷洗清洗液喷洒轮刷刷洗立刷刷洗精洗进行风干干驶出隧道洗车结束顶刷刷洗底盘冲洗 清洗液清洗毛刷刷洗液体打蜡汽车汽车汽车强力风干汽车高压喷淋汽车汽车移动式洗车流程示意图3.2传送带模块的设计3.2.1传送带的选用传送带模块是整个汽车清洗系统运行的基础。只有在它的工作下，才能实现汽车的自动清洗。它主要包括减速器、电动机、传动轴、支撑轴、同步齿型带、带轮以及其他辅助设备。电动机是原动力，经过减速器和以及一对圆柱啮合齿轮将动力传送给传动轴，由传动轴带动两个驱动带轮旋转，再由驱动带轮拖带动同步齿型带运动，从而使汽车在传送带上缓慢的前进，依次完成汽车自动清洗的各个环节。3.2.2电动机的选则本机构的电源是三相交流电，而且没有特殊要求，故选用三相鼠笼式异步电动机中的Y系列电动机。此系列的电动机适用于不易爆、不易燃烧、无腐蚀性气体的场合，且要求具有良好的启动性能的机械。电动机安装在隧道内，会有水气，所以采用封闭式。由所需功率初步选定电动机：为达到好的洗车效果，初步确定传送的速度为0.12m/s,驱动滚筒半径为R=0.16m ， 得： （31）以质量最大的猎豹汽车为例，猎豹越野车质量为2500kg, 传送带约重1000kg，以摩擦系数u=0.44进行计算，计算摩擦力矩为：以计算。初步暂定输出轴的转速为，此时输出轴需要的功率为： （32）而总体效率为所以： （33）电动机试选用Y系列Y112M-6电动机，其额定功率为，满载转速为。在汽车自动清洗系统中，减速器传动比i1取8，而i2取5，所以输出轴转速为： （34）又经过一级传动比i3=3.15的一级齿轮减速的传动轴的转速2为： （35）此时： 而 （36）洗车系统总长为17m，两爬坡架横向长为2m，所以传送带的长度是15m，汽车不间断的通过传送带需要141秒，另外在系统内部还有延时10秒，故清洗一辆车需要160秒。3.2.3减速器的选择 因为没有特殊的要求，同时为了降低成本，该减速器选用轴装式二级圆柱齿轮减速器，由荆州减速器厂生产，主要的性能参数为： （37） （38） （39） （3-10）3.2.4支撑轴的设计在传送带的整个运行过程中，传送带由10组支撑架进行支撑。以下是轴的设计，以减速器1的输出轴为例进行计算，见图3-1。减速器1的输出轴功率、转距、转速分别如下： （3-11）确定轴最小直径：输出轴的材料选为45钢，取A0=130，所以： （3-12）为使轴能够与带轮，轴承等配合，令取 传送带宽度的设计：针对国内汽车市场主要为小型车辆，传送带宽度主要针对这些车辆。根据表一中的参数值，可选取传送带宽度为。同步齿型带及带轮的选择：为有效的配合轴，带轮的直径选为，每60布置一个齿，三排齿相互平行布置，齿高为，齿高，相邻的两个齿之间的直线距离为，齿型带厚度为。保证带轮上的齿不会磨损轮胎。3-2驱动滚筒3.2.5主轴的设计轴是组成机器的主要零件之一。一切回转运动的零件，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此轴主要功能是支撑回转零件及传递运动和动力。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的位置及形式，轴上安装零件的类型、尺寸等，我认为在本设计中轴上安装零件的类型是最重要的。3.2.6主轴的强度校核计算扭转强度校核因为在本设计中，轴上的零件是套筒，工作时，套筒在轴上回转，以完成对小型汽车的清洗，轴与套筒是相对运动的，所以在轴上不会产生扭矩。在本设计中，轴主要是受到轴向压力的作用。扭转切应力很小，故根据扭转强度条件： (3-13)由于在本设计中轴的相对转动转速很低，轴所受的扭矩很小，所以扭转切应力很小。足以满足扭转强度的要求3.3清洗模块设计3.3.1粗洗结构设计粗洗模块中，主要包含车身清洗和车轮清洗。传送带前端有4.8m的空间，是为了保证车辆停稳后，传送带再运行。安装有三个喷嘴的车轮清洗器，对车轮及其周围区域进行冲洗。水压为2.4兆帕。为了保证冲洗下来的灰尘、沙砾等能够迅速流走，达到更好的清洗效果，喷嘴设计为向下45的喷射角度。车体的后箱盖和前端是竖立的，清洗相对困难，所以在车体清洗段，选用了双喷嘴喷头，保证后箱盖和前脸的充分清洗。其中在两侧立杆上，每隔0.6m分布三个单头喷嘴，在横杆上设有五个双头喷嘴，两个直喷嘴，最上面一个斜向下45喷射角度。3.3.2清洗液结构设计车子上可能有许多的尘土、泥沙附着，在粗洗充分的情况下，将中性的洗车液喷洒在车身上，增强清洗效果，为下一步的刷洗工作作好准备。具体的结构同粗洗结构的设计相同。3.3.3精洗结构设计从刷洗模块出来后，车体表面的灰尘，沙砾及其它污物与清洗液充分混合，粘附在车体表面，需要进行精洗才能够将污物从车体表面冲洗下来。二次喷洗结构由两排并行的支架组成，在支架上放有同一次喷洗模块相同布置的喷头，但是精洗模块的喷头都是单喷嘴类型。其喷射压力同样是2.4兆帕。3.4刷洗模块的设计3.4.1刷洗结构简介刷洗部分是汽车自动清洗过程中比较重要的环节。其结构性能在很大程度上能够决定汽车能否达到预期清洗的效果。刷洗部分包含对车轮进行刷洗的轮刷，对车身两侧进行刷洗的立刷和对车身顶部进行刷洗的顶刷。其工作原理是由旋转的刷子和汽车车身之间的相对运动进行刷洗。3.4.2轮刷和立刷结构的设计轮刷有两支，利用其旋转和车体的相对运动来完成对车轮的刷洗，为清洗掉轮毂内存在的污泥、沙砾，轮刷采用了硬棉材料。立刷也是两支，采用的是软棉材料。由于各种车辆的宽度不同，为避免出现洗“伤”车或是洗不到车的情况，设计中让轮刷和立刷能够根据车身的宽度进行调节移动，从而保正刷子与车身之间的距离，可以更好的进行刷洗。其移动是由液压缸控制的滑轨来实现的。车身之间的宽度相差从表格一中可以看出是161毫米，所以滑轨的行程在300毫米左右。根据所需场合以及行程，可选择型号为FY-100B-320-f的液压缸6。在这个机构中为了能够根据车身宽度的不同自动调节到距离车身的距离，设计中采用了四个限位开关。而刷子到四个限位开关的具体位置由车身的宽度来决定。为了能够实现自动调节，在隧道入口的上横梁的不同位置安装了四个光电式接近开关。每个接近开关对应一个范围的车身宽度，同时也对应着一个位置的限位开关。这样就可以根据车身的宽度来自动调节。具体的控制过程在控制部分会介绍。3.4.3顶刷结构的设计顶刷是一支，利用其旋转和车身之间的相对运动来完成车身顶部的刷洗。由于各种车辆的高度不同，从表格一中可以看出最大相差500毫米左右。所以顶刷采用了有齿轮齿条控制的能够上下移动的传动，这样可以进行有效的清洗。齿条的有效行程是370毫米2。在顶刷的机构设计中为了能够根据车身高度的不同自动调节到距离车身的距离，设计中也用了四个限位开关。而刷子到四个限位开关的具体位置由车身的高度来决定。为了能够实现自动调节，在隧道入口的两侧的不同位置安装了四个光电式接近开关。每个接近开关对应一个范围的车身高度，同时也对应着一个位置的限位开关。这样就可以根据车身的高度来自动调节。顶刷运行轨迹示意图3-1本设计中，顶刷需做上下往复运动，若仅仅使用气缸，不仅要求气缸长度，增加成本，而且气缸行程过长，影响气缸寿命，所以本设计采用回转式顶刷结构形式，如图3-2，图3-2 顶刷机构工作原理1气缸 2平衡块 3回转链轮 4顶刷3.4.4刷洗电动机和减速器的选择刷洗模块中使用了六个电动机，选为Y系列 Y100L-6 电动机，每个轮刷在一个电动机的带动下旋转刷洗，立刷也是如此。计算过程与传送带电动机的选择完全相同，可参照2.3.2介绍。刷洗模块减速器仍选择荆州减速器厂司的单级圆锥齿轮减速器，其传动比分配为 (313)所以： （314）3.5风干模块设计风干模块主要包含四个风干机，是针对于经过精洗后的车体。精洗后的车体表面附着许多的水珠，如果不进行风干，很容易附着其他污物。四个风干机分别放置在两个支架上，中间两个，方向相反，完成对车上表面的干燥工作，在两个支架的两侧各有一个风干机，一左一右，一前一后，完成对车两侧的干燥工作。并且考虑到在冬天气温比较低的情况下，车身表面的水珠可能会结冰而损坏车身，所以在风机内部安装了电热丝，可以在低温时吹出热风，从而保证车身表面不被损伤。4 流水自动清洗系统控制设计4.1对可编程控制器的认识 可编程序控制器，简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。它具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到广泛的应用。无论是国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，都广泛采用单台或多台可编程序控制器组成。所以，掌握PLC技术，是改造传统生产工艺和设备的重要途径。电气是通断、检测、调节、控制和保护电气设备及电路所用的电工器具。自20世纪20年代开始，机电控制系统就采用接触器、行程开关、继电器等控制电路，从而实现对控制对象的启动、停止和调速控制。由于电器的功能以及品种规格繁多，结构各异，用途广泛，按工作电压等级分类分为高压电器和低压电器。按动作原理分类分为手动电器和自动电器。按用途进行分类：控制、主令、配电、保护和执行电器。4.2选择PLC进行系统控制的原因 PLC的特点：高可靠性，抗干扰能力强-良好的自诊断功能；丰富的I/O接口模块- PLC针对不同的工业现场信号有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备；采用模块化结构-为了适应各种工业控制需要，绝大多数PLC均采用模块化结构；编程简单易学-PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，很容易被一般工程技术人员所理解和掌握；安装简单，维修方便- PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行；配套齐全，功能完善，适用性强；体积小，重量轻，能耗低；质优价廉，性价比高。PLC可以实现定时控制、逻辑控制、计数控制、PID控制、步进(顺序)控制、数据控制，适用于各种特殊控制的需求。台达ES/EX系列PLC体积小，指令丰富，可方便地连成网络来实现复杂的控制，具有极高的性价比，适合于多种行业现场的检测及自动控制。产品特点：14/ 20/ 24/ 32/ 60 点主机，最大可扩充至256点；4K程序容量（EEPROM）；5 kHz 高速计数 / 2通道10 kHz 脉冲输出；内建 RS-232C 和 RS-485 ( Modbus Master /Slave)；EX主机带有4AI/2AO；继电器或晶体管输出；交流电源输入100-240VAC；直流电源输入24VDC；CE UL认证。 4.2.1 PLC控制系统的设计步骤1） 根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PLC的点数，包括开关量、模拟量以及特殊功能模块等。2）充分估计被控对象今后发展的需要，所选的PLC的的点数应该留有一定的余量。另外，在性价比变化不大的情况下，尽可能选用同类型中更能强的新一代PLC。3）确定选用的PLC机型。4）建立分配表，绘制PLC控制系统的输入、输出接线图。5）根据控制要求绘制用户程序的流程图。6）编制用户程序，并借助编程器将用户程序装入PLC的用户程序存储器。7）在实验室模拟调试用户程序。8）进入现场联机调试用户程序。9）整个系统调试工作结束后，编制技术文件。10）交付使用。4.3流水自动清洗系统的控制流程在汽车自动清洗控制系统设计中，所采用的是顺序控制。同时进行对各个模块的控制，总体可以分为四大部分：传送带控制，冲洗控制，刷洗控制，风干控制。汽车清洗的动作顺序：1、汽车停上传送带；2、洗车系统启动，传送带首先运行；3、特制高压喷水喷头冲掉车身、轮胎和底盘的泥沙等附着物；4、5支洗车刷清洗车表面和轮毂；该步骤的具体过程如下：洗车机5支车刷开始转动，顶刷向下运动，大侧刷沿轨道向中间移动到目标位置，利用与传送带的相对运动，清洗车的顶面和两个侧面。上面过程结束，洗车刷停止转动并复位。5、动作4结束后，各个车刷复位，开启风干装置，完成后汽车驶出传送带，洗车结束。4.5汽车自动清洗系统的控制梯形图及程序4.5.1 汽车清洗机的控制要求1）完成汽车外观的清洁、打蜡和吹干的自动循环，并且根据需要同时清洗汽车底盘；2）通过程序选择可完成三种不同清洗工作要求；3）在大侧刷、顶刷没有完全到位的情况下，洗车机不继续进行；4）洗车机在运行异常的情况下，自动停机；5）在洗车机出现故障时，可对传送带、顶刷、大侧刷、风管、小侧刷和机架进行手动操作；4.5.2 输入与输出点选取PLC内部装置的种类及数量随各厂牌产品而不同。它对应的只是PLC内部存储器的一个基本单元。PLC内部装置有：输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器、步进点、记数器、定时器、数据寄存器、文件寄存器和变址寄存器。4.5.3 PLC的硬件选型在设计点数时，应留有一定的余量，这些备用点的分配应该跟别考虑到每块木板上，最好分布到每组输入点，一旦有一点发生故障，只要把接线点从故障点改接到备用点，再修改相应的地址，系统就可以恢复正常，这种考虑有利于系统的设计修改和故障的处理。考虑的点的数量，可以选择开关量输入点24点、开关量输出点24点的PLC。若考虑汽车清洗系统的功能和扩展性，今后点数增加较多时，FX2系列PLC具有扩展模块，可利用扩展模块，以8为单位，增加输入输出点数，从而使所控制的输入输出点数达到256点。另外，若控制方案有变化时，FX2系列PLC的指令系统中具有算术运算数据处理以及特殊功能指令SPO。即使使用电机调速控制以及检测时，该PLC仍能满足要求，因此，PLC的选型定为FX2-48M