高层建筑专用吊篮式擦窗机的主机设计

任务书设计题目：高层建筑专用吊篮式擦窗机的主机设计1设计的主要任务及目标本课题属于工程性开发设计，是针对目前现有自动化高楼外墙擦窗设备普遍适应性差而难以产品化而进行人机结合新型设计的有益尝试，通过本设计，锻炼学生综合运用所学知识进行产品构思创新，方案拟定和规范化工程设计的能力。2设计的基本要求和内容（1）主要设计内容：1）擦窗系统的设计2）密封系统的设计（2）技术要求移动速度不小于8m/min，擦窗效率不小于400m2/h。能适应多种形式建筑外墙的擦窗任务。擦窗机成本造价不应过高。（3）工作要求：1）根据给定的设计任务书及设计参数，在调研及多方搜集资料基础上，明确所设计题目及内容，进行擦窗机总体方案设计，并撰写实习报告、开题报告各一篇。2）完成擦窗机的传动系统设计及计算。擦窗机主机的总装配图和各零件图的绘制，掌握有关零部件的基本设计计算方法。3）撰写毕业设计论文3主要参考文献1张厚祥,吴星明,宗光华.擦窗机器人控制系统J.微计算机信息,2000(1):32362钱志源,刘仁强,赵言正等.一种壁面牵引移动式玻璃幕墙擦洗机器人样机J.上海交通大学学报,2006(11):181818263张厚祥,宗光华.全气动擦窗机器人的实现J.液压与气动,2001(11):584郭建,郭仿军.高层建筑玻璃幕墙擦洗方法及擦洗机械的研究J.城市管理与技术,2001,1(03):13154进度安排设计各阶段名称起止日期1指导老师下达研究课题的任务书2013.12.252014.01.102查阅相关文献资料，提交开题报告2014.01.112014.03.083完成文献综述，外文翻译;确定总体设计方案2014.03.092014.04.124完成总体设计，绘制零件草图2014.04.132014.05.015完成零部件设计、撰写设计说明书2014.05.022014.06.01高层建筑专用吊篮式擦窗机的主机设计摘要：本设计借鉴了各种国内外的相关设计方案，是一种适用于高层建筑玻璃幕墙擦洗的吊篮式高层建筑擦窗装置。整个擦窗机主机由擦窗作业系统、横向传动系统、纵向传动系统、吸附系统、吊篮等组成。横向和纵向传动系统均采用由电机做为动力装置，丝杠螺母副作为传动结构的传动系统实现吊篮固定时的擦窗机主机的一定范围内的移动作业。吸附系统由负压吸盘和真空发生器组成，真空发生器工作使负压吸盘产生负压，从而使擦窗机吸附在玻璃幕墙上。擦窗作业系统设置在密封腔内，由滚刷、喷水管、刮板构成，可以实现冲洗、擦刷、刮洗相结合的擦窗方式，提高擦窗效率。关键词：高层建筑，擦窗机，吊篮，导轨Themainpartdesignofglass-wallcleanerforhigh-risebuildingsAbstract：Thedesignborrowstheideasofthedomesticandabroaddesignprojectsandisabasketglass-wallcleaningmachineforthehigh-risebuildings.Themainpartoftheglass-wallcleanerconsistsof5parts:thecleaningsystem,thehorizontaldrivingsystem,theverticaldrivingsystem,thesuckingsystemandthebasket.Thehorizontalandverticaldrivingsystemsbothadopttheelectricalmachineasthepowerplantandscrewpairasthedrivingsystemtoaccomplishthemovementoftheglass-wallcleanersmainpartwhenthebasketisfixed.Thesuckingsystemconsistsofthenegativepressureadheringmechanismandthevacuumgeneratorwhichmakestheadheringmechanismgeneratenegativepressurefortheattachmenttotheglass-wall.Thecleaningpartisinasealcavityandincludestherollerbrush,thewaterjetpipeandthescraper.Itaccomplishesacleaningwaywhichcombinesthewashing-out,brushingandscrapingandimprovesthecleaningefficiency.Keywords:High-risebuilding,Mainpartofglass-wallcleaner,Basketworkorbittype目录1绪论11.1选题的意义11.2高层建筑玻璃幕墙擦窗机发展概况21.3高层建筑玻璃幕墙擦洗机的应用41.4高层建筑玻璃幕墙擦洗机的前景42擦窗主机工作环境调研52.1楼面结构的考察52.1.1平面型楼宇墙壁52.1.2墙壁有凸缘型楼宇墙壁53方案选定及总体设计73.1擦窗机的技术要求及性能要求73.2方案与原理的选择83.2.1总体方案的选择83.3擦洗机具体功能的实现113.4方案总体设计原理123.5润滑问题的解决144具体结构的设计154.1滚刷的设计154.1.1滚刷结构154.1.2滚刷的工艺性154.1.3刷轴端结构的设计164.1.4轴承的选择174.2真空发生器的选定184.2.1吸着影响时间T184.2.2求工件吸着时的泄露量QL194.2.3真空发生器的选定204.3气缸的选型20I4.4气压回路的设计224.4.1锁紧气缸的回路设计224.5吸盘的选择224.6擦洗机主机上防水罩的设计234.7电机的选择244.7.1滚刷电机的选择244.7.2丝杠传动机构电机的选择254.8带传动的设计计算254.9丝杠的设计计算284.10纵向传动机构斜齿轮的计算285擦窗机主机的使用和维护345.1使用方法345.2使用注意事项345.3日常使用与维修35结论36参考文献37致谢3801绪论随着我国经济建设的高速发展，在许多大中城市中高层建筑如雨后春笋般拔地而起，为城市的形象增添了靓丽的一笔。但随之而来的是这些高层建筑玻璃幕墙的玻璃幕墙的擦洗难题，如何能有效快捷的擦洗这些高层建筑玻璃幕墙呢？本次吊篮式高层建筑擦窗机主机的设计就很好的解决了这个难题。1.1选题的意义随着人类社会的不断发展，城市人口不断增加，城市规模将不断增大，对城市建筑的要求将是更加规范、更加完美。城市的面貌占据了很重要的位置，千姿百态的各型建筑、尤其是高层建筑玻璃幕墙都需要用各种建筑材料进行装饰，如建造各种幕墙、粘贴各种墙砖、瓷砖，或喷上涂料、油漆等。由于自然界的风吹雨打、日光辐射、尘埃污染，以及一些人为原因，一段时间过后，建筑物外面都将不同程度受到污染或破坏，变得污浊灰暗、破旧不堪。在环境较差的地区，污染或破坏的周期将更短，污染或破坏的程度更加严重。而在首都、省会以及一些旅游城市这些问题显得更加重要。建筑表面的外装饰就像人身上穿着的外套，要保持清洁卫生，就必须经常擦洗、整理。因此进行高层建筑玻璃幕墙擦洗工作非常必要。目前，高层建筑玻璃幕墙的清洗方法主要有以下几种：1）传统的方法，搭脚手架，擦洗工人人工依次擦洗，擦洗完毕后，再拆除脚手架。很显然，这种方法费力、费时，需要大量的辅助材料来搭建脚手架。尤其对于擦洗高层建筑玻璃幕墙，搭建和拆除脚手架的时间更长，需要的辅助材料更多，擦洗成本更高，而效率低，且存在不安全因素，目前在擦洗高层建筑玻璃幕墙的施工中应用较少。2）用专门的载人提升设备，将擦洗工人及擦洗工具、擦洗材料等依次悬吊于擦洗面附近，擦洗工人人工依次擦洗、冲洗墙面。这种方法是目前我国擦洗高层建筑玻璃幕墙采用的最多的方式。采用这种擦洗方法，虽然可以减少搭建和拆除脚手架所需的时间，减少搭建脚手架所用的辅助材料，但擦洗工人擦洗墙面时，擦洗工人使用的擦洗工具比较简陋，就是一把刷子以及伴随擦洗工人的运动的盛装擦洗液的容器和进行冲洗的水管，擦洗工人用刷子手工擦洗后，用自来水进行冲洗，重复劳1动效率仍旧相当的低，擦洗成本仍然较高，而且还存在一定的安全隐患。3）对于高层建筑玻璃幕墙比较规则的表面，在高层建筑的顶部预先安装吊篮提升设备，多名擦洗工人站在吊篮上进行人工擦洗，其擦洗工具及擦洗方法与前一种方法基相同。吊篮提升设备的安全系数更高些，可同时站立多名工人在吊篮上工作，擦洗工人的工况有所改善，效率有所提高，但预先安装吊篮及吊篮提升设备成本较高1。4）进入二十一世纪以来，随机器人技术的出现和迅速发展，陆续的有一些国家的研究部门研制出了针对外表面比较规则的高层建筑使用的爬壁擦洗机器人，也就是整个的擦洗工作全部由机器人完成，这种机器人一般包括机器人本身、擦洗装置、遥控系统、控制器、安全装置和送水、供气设备等组成，具有移动灵活、吸附可靠、擦洗高效和安全、操作方便等优点。但这种机器人最大的缺点是除了平整的玻璃幕墙外，弧度稍大些或是表面有障碍的特色建筑，机器人的清洁效果不是很理想。由于传统高层建筑玻璃幕墙擦洗方法的不经济性和不安全性，用机器人来代替人进行这种高空危险作业已经成为现在建筑玻璃幕墙擦洗的发展趋势。擦洗机器人的使用将大大降低擦洗高层建筑的成本，改善工人的工况，提高劳动生产率。虽然有许多机器人研制成功，但都未走向产品化。最根本的原因就是机器人成本太高，并且对各式各样的墙面的适应能力很差。本次毕设的题目是大胆创新，在中外各设计产品的基础上，综合整理来设计开发一种全新的擦窗模式，即人机结合的半自动化的擦窗方式。对高层建筑玻璃幕墙擦洗机进行了有必要的设计以及创新改造，以达到在目前的国内经济技术条件下擦窗机的产品化目标。1.2高层建筑玻璃幕墙擦窗机发展概况目前，国内外都已经开始了自动清洗机和自动擦窗机的研究工作，研发出了许多形式的擦窗机器人，但这些研究都不是很成熟也不尽完善。高层建筑玻璃幕墙擦窗机是特种机器人的一种，必须具备两个基本功能：即在壁面上的吸附功能和移动功能，由于建筑物表面的非导磁性，擦洗壁面机器人多采用正压和负压两种吸附结构方式，其中负压吸附又称真空吸附，由真空泵、风扇、空气压缩机等使吸盘内产生负压，依靠压差将机器人吸附在墙面上。真空吸附式壁面移动机器人又可分为单吸和多吸两种结构，单吸盘真空吸附壁面机器人可实现小2型化，轻量化，且结构简单，易于操控，多吸盘脚式壁面爬行机器人的吸附稳定可靠2。在国外爬墙机器人以及建筑玻璃幕墙擦洗机从上世纪60年代就开始了，1966年日本研制出了第一个爬壁机器人，随后英国、美国、西班牙、俄罗斯和德国等国也相继研制出多种爬壁机器人样机。日本东京工业大学研制了一种爬壁机器人“NNJA”可以在不同表面（地面、墙壁、天花板）上爬行且具有较高静载荷能力，它采用VM阀调节多腔式真空吸盘，是机器人在遇到粗糙、有裂缝的墙壁时仍有较高吸附效率5。美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机器人，均采用真空吸附方式，机器人由一个移动关节和4个转动关节组成运动机构，共5个运动关节4。1997年俄罗斯莫斯科机械力学研究所研制出用于大型壁面和窗户擦洗作业的爬壁机器人采用单吸盘结构，它利用风机产生真空负压来提供吸附力，吸盘腹部装有4个驱动轮，机器人可在壁面全方位移动6。在我国，爬墙机器人的开发与应用始于八十年代。哈尔滨工业大学从1988年开始在国家八六三高技术的支持下，率先从事爬壁机器人的研究、上海科技大学、哈尔滨船舶工程学院、中科院沈阳自动化所等单位紧随其后开始了这方面的研究6。我国第一台壁面爬行遥控检测机器人采用负压吸附，并且在94年开发用于高楼壁面擦洗作业的爬壁机器人CLR-1，它采用全方位移动轮机构,机器人在原地就可以任意改变运动方向。之后开发的CRL-2，采用两轮独立驱动方式同轴双轮差速机构，通过对两轮速度的协调控制实现机器人的全方位移动，机器人本体和地面控制站之间采用电力线载波通讯方式7。这两种爬壁机器人均采用单吸盘结构，弹簧气囊封闭，保证了机器人具有较高爬行速度和可靠的附着能力。哈尔滨工业大学在01年研制成功一种新型壁面擦洗爬壁机器人，这种新型壁面擦洗爬壁机器人为第二代擦洗机器人，采用弹性气垫密封负压吸附。这种机器人将缩小了体积的控制器安放在机器人本体上，实现了控制器的小型化，机器人仅重。操作人员仅用一个小小的遥控盒进行操作，机器人即可快速爬行进行喷雾、刷洗、多层橡胶板刮洗等高效擦洗工作，完成个工人的工作量8。90年代北京航空航天大学先后研制成功WASHMAN,CLEANBOT1,SKYCLEAN,“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洁机器人样机。机器人依靠楼顶上的安全吊索牵引移动，利用风机产生负压使机器人贴附在壁面上。近年来，上海交通大学也开展了爬壁机器人的研究。设计了一种自身无行走机构依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面擦洗机器人样机9。机器人腹部3的两个吸盘交替抬起和吸附可实现跨越水平窗框障碍运动10。1.3高层建筑玻璃幕墙擦洗机的应用爬壁机器人以及高层建筑擦洗机的研究发展已经有了一段时间，也已经有样机出现，例如上面介绍的“吊篮式擦窗机器人”和“蓝天洁宝”等幕墙清洁机器人样机。但是这方面的技术仍然不是很成熟。虽可以实现移动和擦洗的功能但在其机械结构上都特别的复杂，而且由于采用的全自动方式，对电器元件的质量以及精度要求也相对比较高，这就必然导致了擦洗机的整体报价的增高，而且擦洗机都在移动和擦洗速度上还没有能够达到实用的要求，在实现全自动方面还有待于改善。因此目前玻璃幕墙擦洗机仍然没有实现产品化，而且没有成品的出售，玻璃幕墙擦洗机仍然处于设计试验阶段。1.4高层建筑玻璃幕墙擦洗机的前景高层建筑是现代文明的标志之一，而现代社会污染状况越发的严重使建筑玻璃幕墙在很短时间内就会污浊不堪，这就越来越暴露出建筑玻璃幕墙的擦洗问题的重要性。由于擦洗工作环境及任务的特殊性，所以擦洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是：降低造价，安全可靠，减轻重量，能适应多种建筑物表面，并且要有足够高的擦洗效率。但是，就目前来讲，短期内想要达到这么多的要求，还是相当困难的。从擦洗机的工作环境看，擦洗主机有两个方面的发展方向。一，适于擦洗用瓷砖或石料板材装饰的墙壁外表面和玻璃幕墙，实现起来相对容易，而且设计结构比较简单，易于控制。二，适应于复杂墙面，如阶梯墙面，壁面多窗户的壁面擦洗，它的动作、结构、控制都比较复杂。从擦洗机的发展时间上讲，清洗机的发展方向主要分为：一，从短期上来讲，因为技术的原因，外墙清洗机的发展应该以人机结合的方式为主，保持在目前的经济技术条件下最大程度的运用资源。二，从长期的发展方向上，应当是以能够适应各种墙面的全自动多功能爬壁清洗机器人为主，注重技术的发展革新，用机器人来完全代替人工。42擦窗主机工作环境调研为了更好完成毕业设计课题的要求，使所设计的结构的在实际中能够实现应用，增强实用性，在太原市区进行了现场的参观实习。参观了市区的高层建筑，并实地考察了楼宇结构及玻璃幕墙擦洗状况。并且总结了城市高层建筑的整体结构。2.1楼面结构的考察经考察有以下几种典型的建筑露面结构。2.1.1平面型楼宇墙壁这种建筑的外形比较简单，在平面的墙壁上留出窗口基本属于大平面型，墙壁的装饰材料大多为瓷砖和石料，这种建筑的擦洗比较简单也比较容易实现，但由于窗户的缘故需要频繁的转向，擦洗效率极可能会降低。其结构如图2.1。2.1.2墙壁有凸缘型楼宇墙壁结构如图2.2。图2.1平面型楼房墙壁5这种建筑在窗户之间有凸缘，且凸缘与窗户边缘的距离不是很大。这种结构大多运用在比较高的建筑上，在擦洗时极不方便，故不容易实现机器擦洗。不过这种楼的玻璃幕墙在装饰材料上一般采用暗色调，如此以来可以在视觉上增强抗污能力，擦洗周期比较长。图2.2墙壁有凸缘型楼房墙壁63方案选定及总体设计3.1擦窗机的技术要求及性能要求经过一段时间的考察和调研，仔细审阅了通过检索得到的资料，认真分析了现有的各种类型的擦洗机及其各方面的优缺点，并结合考察太原市各大高层建筑的外形和楼顶结构，提出了以下具体的技术性能及要求：（1）设计需满足的性能要求1）可以实现高层建筑建筑玻璃幕墙擦洗的半自动化。2）控制采用人机结合的控制方式。3）擦窗机移动速度应不小于8m/min，擦窗效率应不小于400m2/h,擦洗宽度5000mm5300mm。4）用于擦洗玻璃幕墙。5）擦洗液和脏水不可外流。6）擦洗后墙面清洁度0.05g/。7）能够产生足够的擦洗压力。8）擦窗部件应能方便调换。9）吊篮移动系统具有一定的越障功能。10）悬吊设备应能实现断点保护。11）擦洗机的机构在满足擦洗要求的前提下，要简单、合理，体积尽量小，尽量轻。（2）外型及质量要求擦窗机主机的宽度应考虑高层建筑的窗户及其建筑结构，擦窗机体积在满足擦洗宽度的要求后应尽量小，重量尽量轻。（3）装配及可维修性机体装配时应根据图纸要求简单容易地装配，维修容易，不需专门工具。（4）材料选择要求擦洗机主机材料采用金属材料和非金属材料,为减轻重量，要考虑用轻金属，如铝合金，有机材料如聚甲醛。（5）加工工艺要求7擦洗机应尽量使用标准件，对非标准件材料，应尽可能使加工工艺简单，便于工人师傅的加工铸造。（6）擦洗速度的确定以市区内的一个建筑为例：建筑物高70m，整体周长为110m。要求用三至四天的时间完成擦洗，每天按8小时计算（7小时工作时间，1小时的装拆时间）。擦洗时间：(34)76012601680min擦洗面积：210Sm故擦洗速度为p7700/（12601680）4.96.1/min以纵向擦洗为例，因擦洗宽度为900mm，则可计算移动速度。移动速度v（4.96.1）/0.95.46.7m/min又因为在计算过程中为设计吊篮系统移动的时间，再加上这部分时间的话，擦洗机的擦洗速度就应满足6.57.2/min，移动速度应满足7.58.3m/min。3.2方案与原理的选择3.2.1总体方案的选择此次设计方案为吊篮式高层建筑玻璃幕墙擦窗机，根据以上提出的技术性能及要求，初步确定总体方案如下：擦窗机主机安装在吊篮上，对墙面的擦洗通过吸盘的吸附来提供，并且吸附臂能实现小范围的伸长。楼顶上的悬吊随动机构提供擦洗液并且通过输水管输送，擦洗液从擦窗主机上的喷嘴喷出，然后通过擦窗主机上盘刷或滚刷的旋转实现对玻璃幕墙的擦洗。楼顶铺有导轨，悬吊系统与吊篮系统可以同步移动。经过认真考虑及分析初步设定以下几种方案：横纵向传动系统方案1如图3.1。此方案是纵向传动准备采用左右两侧各用一根传动丝杠，通过丝杠螺母的传动方式来实现擦窗机主机的纵向的传动，而横线的传动也同样的采用传动丝杠，并且辅以导向光杠，对主机的横向移动平稳精确的导向。纵向传动丝杠系统安装在吊篮上，横向传动系统安装在纵向传动系统上，而擦窗机则安装在横向传动系统上，通过两个方向的传动系统互相配合移动，从而达到擦窗工作所需要的移动方式。8横纵向传动系统方案2如图3.2。图3.2横纵向传动系统方案2示意图图3.1横纵向传动系统方案1示意图9这种方案相对于方案一的改进是将擦窗机主机安装在了纵向传动系统中，并且纵向传动系统配以导向丝杠，完成对擦窗机主机的纵向导向，并将擦窗机主机与纵向传动系统一起坐到了横向传动系统上，相比较方案一，解决了方案一纵向传动中可能两边丝杠电机传动不同步的问题，稳定可靠。擦窗刷方案1如图3.3。这种方案采用模仿刮胡刀的刷盘式结构，通过刷盘的旋转来擦洗玻璃幕墙。擦窗刷方案2如图（如图3.3）此种方案是采用竖直方向安装两个滚刷的方式来组合成擦窗刷，且统一由一个电机带动两个滚刷旋转工作。综合比较传动系统和滚刷的各自两种设计方案。传动系统的方案2就没有方案1可能导致的左右两根丝杠传动不同步的缺点，并且结构紧凑，可行性高。而滚刷的两种方案中，方案1在安装上需要考虑设计的结构相比较方案2要多出很多的固定结构，甚至是弹性的伸缩结构，所以不采用滚刷的方案1而采用方案2。所以，最后的总的方案为传动系统的方案2和滚刷系统的方案2装配一起，便是我们的总方案。其优点（1）结构简单，重量轻。（2）传动可靠性好，满足设计要求。图3.3擦窗刷方案1示意图擦窗刷密封圈箱体10图3.3擦窗刷方案2示意图3.3擦洗机具体功能的实现（1）擦洗功能方案采用两个滚刷擦洗，由悬吊机构提供擦洗液通过喷嘴喷到滚刷上，由滚刷旋转进行墙壁的擦洗。采用两个滚刷使得墙壁两次擦洗，可以提高擦洗的洁净度。使两个滚刷的旋转方向与横向移动机构的移动方向相同，这样不仅可以提高擦洗效果同时还可以减轻横向传动的滑动螺母的受力，增加滑动螺母的使用寿命。（2）悬吊负重功能擦洗机主机的悬吊由楼顶上的悬吊机构实现，通过缆绳的收放将吊篮系统送到擦洗位置，缆绳承受竖直方向的力，即负重，而对墙面的擦洗力则由吸附装置来提供。擦洗结束以后再通过缆绳将擦洗机主机送回楼顶。另外，缆绳采用复合缆，复11合缆是集钢丝绳，擦洗液管，电缆，气传输管于一体的缆绳，使用复合缆可以减少传输管路简化收放机构。在楼顶上和接近擦洗机主机的位置复合缆有两个接头，分别用于各管道的复合和拆分。（3）同步行走功能由于擦洗过程中缆绳吊篮系统需要时时的移动到其他位置工作，所以垂直方向上缆绳要根据吊篮系统的工作进度来移动收放缆绳。擦洗机主机在水平方向上运动时楼顶的悬吊机构要根据吊篮系统需要的的位移来进行移动，要实现这个功能就要在悬吊机构缆绳收放滑轮的侧面安装位移传感器。当擦洗机主机水平移动时缆绳与铅垂线会产生一个夹角，当位移传感器感应到夹角大于某一数值时给控制系统发出信号从而使悬吊机构运动。（4）控制功能采用单片机控制，单片机收集传感器发出的信号从而控制擦洗机的运动。（5）输气输液功能在悬吊机构上配有擦洗液箱，由水泵抽出擦洗液提供给擦洗机主机；气动装置所需气源由楼顶上的空气压缩机提供。气体和擦洗液用复合缆传输给擦洗机主机。传输到擦窗机主机的擦洗液通过输水管上的喷头喷到滚刷上面。（6）边缘识别功能边缘识别功能，采用边缘传感器来识别擦窗机的移动位置，从而来实现擦窗机在吊篮上的正逆向运行。（7）产生刷洗力功能采用吸盘组结构吸附，吸盘后有可伸缩的气缸，可以根据不同的玻璃幕墙表面来确定气缸的伸缩量，从而达到使擦窗机主机精确地挨着玻璃幕墙，提供垂直于墙面向里的力从而产生刷洗力。3.4方案总体设计原理总体设计方案如图3.5。本方案由分布在四周的吸盘2进行对墙壁的吸附。擦洗机主机主要由电机4和滚刷3组合而成，通过电机的转动来带动滚刷的的转动而实现擦窗运动。移动机构分为两层，纵向传动机构5负责擦窗机在垂直方向上的移动，横向传动机构6负责12擦窗机在水平方向上的移动。擦洗机构固定在纵向传动机构上，滚刷轴与带轮连接由三相异步电机带动旋转，一个电机同时带动两个滚刷旋转，旋转方向相同。电机3也安装在箱体上。擦洗机主机的移动机构由横向传动机构6和纵向传动机构5组成，在垂直于玻璃幕墙的方向上还有气缸的伸缩移动调节，真正实现三个方向立体的联动。擦窗机移动时，主要是由电机1带动横向机构6转动，从而带动擦窗机主机在水平方向上的移动工作，当这一工作面擦洗结束后，纵向移动机构工作，使擦窗机向下移动一个机身的距离，横向移动机构再次工作实现下一轮的擦洗工作。图3.5擦窗机总体设计示意图13擦窗机构通过吸盘机构2使吊篮系统吸附在墙面上，并使滚刷3压紧墙面产生一定的擦洗压力，通过电机4带动刷子转动，达到擦洗的目的。擦洗装置被封闭，在擦洗机主机的箱体内擦洗液由喷嘴喷出，擦洗后的污水被箱体下的刮板收集后汇流到下方的一个污水口，从污水管排出。采用丝杠传动系统可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。3.5润滑问题的解决（1）齿轮的润滑问题在整个机构中，共有两组齿轮传动系统，并且齿轮的材料为45号钢。45号钢在强度、硬度和刚性等方面完全的没有问题，两组齿轮传动系统的传动比也比较小，并且转速也很小，约为700r/min，在这种低速下，一般齿轮不需要加润滑剂。并且考虑到本结构在实际制造和使用中的结构简单、轻便，此机构的齿轮系统完全可以不考虑润滑的问题。（2）轴承的润滑问题擦窗机滚刷的大空心轴转速较低为600r/min,故其滑方式应为脂润滑，润滑脂为钙基润滑脂11，并且应该定期的检查并及时添加润滑剂。144具体结构的设计擦窗机主机安装在横纵向传动系统上，横纵向传动系统安装在吊篮上。吊篮整个系统则由悬吊系统为其提供在竖直方向的力，并且由吸盘吸附在垂直墙面上，吸盘提供擦窗机垂直于墙面的擦洗力。通过横向传动系统的工作实现擦窗机主机在一定范围内的横向擦洗工作，然后纵向传动系统工作改变擦窗机主机的竖直方向的位置，横纵向系统交替工作，完成擦窗机在吊篮范围内的擦洗工作。遇到不太平整的玻璃面，可以通过调节与吸盘相连的汽缸来保证吊篮的吸附的稳定性。楼顶的悬吊系统在擦窗机完成吊篮范围内的擦洗工作后带动吊篮向另一个区域移动，进行下一个擦洗工作循环。擦洗液在悬吊系统上的水箱通过水泵提供给擦窗机主机；擦窗机主机所需的压缩空气也由悬吊系统提供。以下是擦窗机主机具体结构的选定及设计。4.1滚刷的设计4.1.1滚刷结构滚刷由带轮带动旋转，滚刷的结构为在金属轴外面加套，采用在塑料套筒上栽刷毛的方法做成。可通过调换塑料套筒的方法调换滚刷，滚刷直径为200mm，有刷毛部分长度为600mm。为了减轻滚刷的重量，滚刷的金属轴采用铝合金材料，并且轴端用实心材料轴中间采用空心材料，两端实心材料与中间空心材料用焊接的方法连接。滚刷结构如图4.1。4.1.2滚刷的工艺性根据资料可知：刷类的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：在套筒上打孔，孔内注入适量胶水，刷毛对折后植入孔内，胶水凝固后刷毛固定在套筒上。15把一撮毛（约五根）对折，在根部装上一韧性卡子，用专门植毛机把毛插入套筒的孔内，卡子插入后，待胶水凝固，便把刷毛固定下来，这样整个植毛工艺就完成了。结构图如图4.5。根据上述原理，滚刷也可以采用这种方法制作，其技术要求：毛孔直径：4mm间距：20mm孔深：8mm4.1.3刷轴端结构的设计由于擦洗机的擦洗工作要求，以及擦洗机滚刷的安排方式，所以下部轴端的轴承要承受径向力，在水平擦洗时承受的径向力很大因此采用安装径向轴承的方法使结构可靠18。结构设计如图4.2。图4.1滚刷结构图164.1.4轴承的选择轴承选择依据按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分成三类，即径向接触轴承、向心角接触轴承和轴向接触轴承。径向接触轴承主要用于承受径向载荷。这类轴承有：深沟球轴承、调心球轴承、调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承。向心角接触轴承能同时承受径向载荷和较大的轴向载荷。这类轴承有：角接触球轴承、圆锥滚子轴承。轴向接触轴承只能承受轴向载荷。这类轴承有：推力球轴承、推力圆柱滚子轴承。轴承的分类很多，在选择时应明确载荷的大小、方向和性质，转速的高低以及使用要求，下面具体介绍滚动轴承类型的选择。径向接触轴承、轴向接触轴承或向心角接触轴承一般可根据工作载荷方向来选用。如只有径向载荷作用时可选用径向接触轴承；同时承受径向与轴向载荷时可选用向心角接触轴承，但轴向载荷较小时亦可选用深沟球轴承，轴向载荷很大时可选图4.2刷轴轴端结构简图17用径向接触轴承和轴向接触轴承的组合型式，分别承担径向和轴向载荷。滚子轴承的承载能力大于球轴承，故对于载荷较大或有冲击振动时宜选用滚子轴承。球轴承允许的极限转速高于滚子轴承，因此在高速、要求有较高的旋转精度时选用球轴承。推力球轴承允许的极限转速很低，故高速、轴向载荷不大时可选用深沟球轴承或选用角接触球轴承。滚子轴承（调心滚子轴承除外）对轴的挠曲很敏感，适用于轴的刚度较大和两轴孔同轴度较好的场合。对于轴的弯曲变形较大或两轴孔同轴度较低时，应选用允许内、外圈轴线偏转角较大的调心轴承。此外，轴承选择还应考虑经济性。公差等级越高的轴承，价格越高。当公差等级相同时，球轴承的价格比滚子轴承低。在擦窗机主机中滚刷安装架上既要承受轴向力也要承受径向力，因此选择推力球轴承和深沟球轴承相结合的方式，如图4.2所示。推力球轴承选择型号为推力球轴承5100型GB/T5782-2000,深沟球轴承型号为深沟球轴承6000型GB/T276-1994。4.2真空发生器的选定4.2.1吸着响应时间T如图4.3，吸盘内的压力从大气压降至真空度达63%pv的到达时间为T1，降至真空度达95%pv的到达时间为T2，有160VTQ213取10.5Ts则2配管直径：8.dm18Pv95%Pv63%T12T13T1到达时间（sec）图4.3响应时间图配管长度：150.lm真空发生器至吸盘的配管容积238.51040dlVL则1.2/inQL由参考文献15中图12-87查得配管有效截面积：S=30mm2。通过配管的平均吸入流量21.QCS真空发生器的平均吸入流量，其中Qe为真空发生器的最大吸入流e量。一般取1/2。123CQ则。.4/mineL4.2.2求工件吸着时的泄露量QL吸着漏气工件的有效截面积：。20.5LSm真空度P19工件吸着时的泄漏量：。1.5./minLLQS4.2.3真空发生器的选定有泄漏量QL时，最大吸入流量:60max2315/minVQQLT由最大吸入流量Qmax，选定最大吸入流量22L/min的真空发生器，型号为ZQ11.01U-K5LD31C16。4.3气缸的选型（1）求出静力矩汽缸根据不同的使用安装位置会承受三个方向上的力矩，如图4.4。11223(0.5)MFl在该设计中汽缸旁边有导杆承重，所以只承受M3力矩。，3Fmg，取0.2，30mKg10.5lm则。MNVa（平均速度）（m/s）Vm（行程终端速度）（m/s）G系数0.30.6590.61.0015表4.1系数选择图4.4气缸力矩图200.91.30231.22.0040（2）根据表1求出G系数的大致值其中(m/sVa移动距离平均速度）（）移动时间计算得，则0.3/s9临时选定的径327DMG（3）求出行程终端力矩的合成确认2中选定的缸径满足下述公式：312maxaxmaxa1TMW由表查出缸径为25mm的，360WN171max5N。3max10MN则.3T求出负荷率01%F：负荷率F0：移动工件所需的力（N）F：气缸有效推力（N）012360FWFN21气缸工作压力为0.5MPa，由图4.5得气缸有效推力为250N则，符合要求。1624%504.4气压回路的设计擦洗机主机中的行走机构以及吸附机构都用到了气动元件。其中行走机构的气动执行有无杆气缸、吸盘组1上的微型气缸、吸盘组2上的薄壁气缸。吸附机构的设计用到了真空发生器和真空吸盘。4.4.1锁紧气缸的回路设计锁紧气缸安装在另一组吸盘组上，需要实现的运动有三个，在吸盘与墙壁接触面处有压力开关，当缸体伸出到一定位置吸盘与墙壁接触时，气缸停止运动并在此状态锁紧。当运用越障功能时，缸体需要完全伸出以将整个擦洗主机支撑起一定高度从而越过障碍。在图4.6中，锁紧气缸当A口加压，B口排气时，制动轴瓦处于自由状态，活塞杆可自由运动；当B口加压，A口排气时，制动瓦在气动力及弹簧力的作用下，从外部抱紧活塞杆，起制动作用16。图4.5有效推力图224.5吸盘的选择使用n个同一直径的吸盘吸吊物体，其吸盘直径D按下式选定4Wtnp式中D吸盘直径，mm；W吸吊物重力，N；t安全率。垂直吊，t8；P吸盘内的真空度，MPa。吸盘内的真空度p应在真空发生器的最大真空度pv的63%至95%范围内选择，以提高真空吸着的能力，又不致吸着相应时间过长。吸吊物重力：70WN吸盘个数：16n安全率：8t预选真空发生器最大真空度为80KPa。吸盘真空度：307%5610pMPa计算得9Dm故选用直径为100mm，ZPX100HN-B01-B10吸盘14。AB图4.6锁紧气缸原理图234.6擦洗机主机上防水罩的设计为了避免出现“下脏雨”的现象，减轻人工擦洗的工作量，防止污染，需设计回收废液的装置。形成密封腔后，用污水泵抽出。为了在擦洗机移动过程中仍能收集到废液，并且收集方便，只在一个角上安装出水口。其结构如图4.7。箱体采用钢板焊接而成，为保证强度和刚度要求均采用5mm的钢板。对于支撑架，要求强度足够，体积轻。在支架与墙壁之间采用橡胶刮板，在擦洗过程中橡胶刮板受力稍微变形这样更有利于污水的收集。另外在擦洗时最低面上的薄壁支撑架水面比箱体跟橡胶刮板的都低，这就使得污水自然收集到污水管这一层。为了防止擦洗液的腐蚀，箱体部分均喷防腐漆。4.7电机的选择4.7.1滚刷电机的选择为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减少电机的数量，所以两个滚刷共用一台电机，中间V带传动；从经济的角度考虑，采用两个普通的三相电机，带动两滚刷擦洗。吸盘在除了提供垂直方向上与自身重力相抵消的力之外还提供水平方向上的擦图4.7防水罩结构24洗力，依据实际实验，取擦洗力为40N，则两个滚刷分别承受20N的擦洗力。刷毛与墙面的摩擦系数为0.10.2，取=0.2滚刷垂直擦洗力20.4FN取滚刷轴到墙面的距离为0.075m，滚刷的转速为750r/min则滚刷的擦洗转矩为.75.3Tm滚刷的擦洗功率为23.560rPFvnW则两个滚刷所需转矩为0.6功率为47W，考虑到滚刷旋转擦洗实际擦洗力N稍大于设定的擦洗力以及V带的传动效率，故选取型号为YS120-120,额定转速1350r/min，额定转矩0.882。m4.7.2丝杠传动机构电机的选择垂直方向的旋转机构由电机带动齿轮转动，从而带动丝杠转动并进一步使擦窗机主机运动。先选择这个方向上的电机。在这个方向是转动速度比较慢，而且需要电机可以正反转动，并且可以方便的制动，因此电机选用电磁制动电动机。擦窗机主机大概自重约为50kg左右，滚动轴承的摩擦系数为0.0010.01，取轴承摩擦系数为0.01.预取大齿轮直径120，选用轴承为深沟球轴承60000型30所需输出的转矩12.6DTmgN选择型号为YEJ90L-4的电磁制动三相异步电动机，额定功率为1.5Kw，额定转矩为2.2,额定转速1350r/min。N横向传动系统的电机所需功率比纵向传动系统的功率略小，故采用和纵向传动系统相同的电机即可。4.8带传动的设计计算已知带轮工作条件稳定，需传递的额定功率为60W，小带轮的转速为1350r/min，传动比为2.由于自重的要求，在设计过程中应使带轮的重量尽量小。（1）确定计算功率25计算功率Pca是根据传递的功率P和带的工作条件而确定的caAKKA为工作情况系数，擦洗机带轮的工作条件稳定，载荷变动微小,重载启动，每天工作小时1016小时，查表取。1.2A607caPW（2）选择V带的带型根据计算功率Pca和小带轮转速n1，由参考文献19中图8-11选取Y型带。（3）确定带轮的基准直径dd并验算带速v1）初选小带轮的基准直径dd1根据V带的带型，由参考文献19中表8-6和表8-8确定小带轮的基准直径。13.5d2）验算带速v根据112260dnv1./3/vms3）计算大带轮的基准直径21.56di（4）确定中心距a，并选择V带的基准长度Ld1）根据带传动总体尺寸的限制条件或要求的中心距，并由式12120.70()dda（）得66.15a0189mm，取中心距a0=175。2）计算相应的带长Ld0。210120()2()4ddda26由上式得。049.78dLm选取带的基准长度。50d3）计算中心距a及其变动范围。传动的实际中心距近似为002dLa计算得。175.a考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，常给出中心距的变动范围minax0.153dL计算得，。min167.ain19.（5）验算小带轮上的包角1由式157.80(21).da可知小带轮上的包角1小于大带轮上的包角2。又由式0min1()fecffeF可知小带轮上的总摩擦力相应地小于大带轮上的总摩擦力。因此，打滑只能在小带轮上发生。为了提高带轮传动的工作能力，应使12157.80()90da计算，大于90。170（6）确定带的根数z270()caArLPKz计算得z=1。（7）确定带的初拉力F0V带所需的最小初拉力为20min(2.5)()caKPqvz查得0.98,.2Kq计算得。min5FN对于新安装的V带，初拉力应为1.5（F0）min19。4.9丝杠的设计计算为了实现整齐紧密排绳,在设计排绳器时,必须满足滚筒每旋转一周,导向套和导绳轮在螺杆上移动一个钢丝绳直径的距离。设螺杆上螺纹为单头螺纹,螺距为T,钢丝绳直径为d。滚筒每旋转一周,螺杆旋转n2/n1周,导向套移动距离为T(n2/n1),应有d=T(n2/n1),T=d(n1/n2)。因为传动比n1/n2=2，所以可得T=232=46丝杠螺纹升角的确定2arctndS46P023.16504arctnarct2dS参考同类产品和导绳滚柱的设计取曹宽；槽深右旋m5.Bm5.3H4.10纵向传动机构斜齿轮的计算28已知有电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动，标称功率P=0.1kW,小齿轮转速n1=400r/min，传动比i=5许有4%的误差,短时工作，预期寿命五年，每年按200天计。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。（1）齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）轮副用于旋转机构使上箱体与下箱体相对转动，选用直齿圆柱齿轮传动。2）传动机构对旋转精度要求比较高，故选用6级精度（GB10095-880）。3）选择小齿轮材料为40Cr，平均取齿面硬度为260HBS，大齿轮材料45钢（调质），平均取齿面硬度为230HBS。4）选齿数取小齿轮齿数为，则大齿轮齿数为：17z2.598.i圆整，为使两齿轮齿数互质取。6z5）齿数比1258./92.45u验算传动比误差：，允许。.40%-.6（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式21H31t2ZEdKTu进行计算。1）确定公式内的各计算数值试选载荷系数。1.3tK计算小齿轮传递的转矩。55119.09.0.12387.54PTNmn小齿轮做悬臂布置，齿宽系数0.40.6，若传递的功率不大时，齿宽系数可小到0.2。齿轮传递的功率很小，因此选取齿轮的齿宽系数。0.d29材料的弹性影响系数。1289.EZMPa按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接lim160HMPa触疲劳强度极限。lim250H由式60hNnjL计算应力循环次数。716041823.841023.7/096N查图取接触疲劳寿命系数。12;.HHNK计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式得limNS1li2lim2540.HNKMPaS2）计算试算小齿轮分度圆直径d1t。代入中较小的值。H2131t2Z51.7EdKTum计算圆周速度v。15.740/.4/601tnss计算齿宽b。1.3.5dtm计算齿宽与齿高之比b/h。30模数1cos2.7tdmz齿高.5.4.05thm计算载荷系数。根据v=1.04m/s，6级精度，查得动载荷系数Kv=1.10；直齿轮，；1HFK由表10-2查得使用系数；A由表10-4用插值法查得6级精度、小齿轮悬臂布置时，。1.0HK由b/h=14.1，查图10-13得；故载荷系数1.0HK1.8FK0.298ACH按实际的载荷系数校正所计算得的分度圆直径，由式得31ttKd31.2985.751.6m计算模数m。1cos2.6dz（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为213nYcosFaSdKTYmz1）