電動式自潔拖地機設計

張 野 李 彬

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

電動式自潔拖地機設計

張 野 李 彬

（天津職業技術師范大學機械工程學院，天津 300222）

為了降低清潔工人勞動強度，設計了一臺電動式自潔拖地機。電動式自潔拖地機將除塵、拖地、自動洗滌拖布等功能經合理布局設計在一起，高效率、高質量的完成地面的清潔工作，有效的節約人力、物力。通過控制車體內部壓輥間距可調節皮帶拖布濕度，以滿足不同情況下地面清潔濕度要求，進而更加高質量的完成清潔工作。車輪采用星輪行星輪轉換模式，使拖地機既能平地行走，又能爬樓梯，拓展了應用范圍。

拖地機；自潔；電動式

目前，在對辦公場所以及商用場所室內進行清掃工作時一般還是以使用吸塵器為主，在對一般的室內進行清潔工作時仍使用掃帚和拖把這類傳統工具為主[1-3]。如遇到需要清潔工作的面積過大，若只使用掃帚和拖把這類傳統工具來進行清潔工作，清潔人員的勞動強度會非常大，且清潔工作效率非常低。現在市場上存在的電動式拖地機，大多數是在前后各放一個墩布，拖地的墩布變臟后還需人工清洗，工作效率有待進一步的提高。

本著節能、環保、高效、實用、經濟的原則，本文設計集各種功能為一體、環保實用、高效節能的清潔設備。該清掃裝置中，墩布通過導布輪循環工作，并在車體內有分隔式清洗槽，使墩布在車體內分別經過粗洗、精洗幾個工序，具有自動清洗功能，最后通過扎水輪將墩布擰干拖地從而減輕人們的勞動強度。并且，本設計具有爬樓梯功能，更適合在多層建筑物中使用。

1 設計方案

該設計由拖地模塊、自潔模塊、清掃模塊、爬樓模塊、驅動模塊和換向模塊等組成。如圖1所示，1——前行星輪，2——電機①，3——電機②，4——皮帶①，5——導布輪①，6——清洗輪，7——活動水箱，8——扎水輪，9——導布輪②，10——電瓶組，11——電機③，12——手扶把，13——皮帶②，14——腳踏板，15——四桿機構，16——萬向輪，17——滾筒，18——后行星輪，19——垃圾收納室， 20——張緊輪，21——拖布，22——導布輪③。

①拖地模塊由電機[3]、皮帶[4]、導布輪[5]、張緊輪[20]、拖布[21]組成，工作時電機通過皮帶的作用帶動導布輪旋轉，拖布在導布輪的作用下進行旋轉運動，拖布與地面的接觸距離由張緊輪調節，從而實現拖地的功能。

②自潔模塊由清洗輪[6]、活動水箱[7]、扎水輪[8]組成，待拖地拖臟時，拖布在導布輪的帶動下進入水箱清洗，在清洗輪的作用下將臟污清掃，出水箱處有一扎水輪，通過扎水輪可調節拖布濕度，從而完成一系列的拖布自潔過程。

③清掃模塊由電機[11]、皮帶[13]、滾筒[17]、垃圾收納室[19]組成，工作時由電機帶動滾筒旋轉，再由滾筒上的毛刷槽將垃圾帶入垃圾收納室中，實現了清掃垃圾功能。

④爬樓模塊由前行星輪[1]、電機[2]、電機[11]、皮帶[13]、后行星輪[18]組成。通過電機驅動行星輪運動，當車輪碰到較高的障礙物時就會停止不動，該輪系中的某一個自由度會受到限制，輪系就會轉變為行星輪系，然后將帶動其余的輪子作回轉運動，從而越過障礙，實現了爬樓的功能。

⑤驅動模塊由前行星輪[1]、電機[2]、電機[11]、皮帶[13]、后行星輪[18]組成，不爬樓時不驅動前行星輪，由后行星輪驅動運行，在爬樓時前后行星輪都驅動，來增加驅動力，實現爬樓的功能。

⑥換向模塊由14腳踏板、15四桿機構、16萬向輪組成。當清潔車需要轉向的時候，用腳踏下踏板使四桿機構擺動一個角度，將萬向輪降下來代替后面的行星輪，從而實現清潔車轉向的功能。

圖1 設計方案

2 傳動機構設計

在本設計中共用到了兩種傳動：帶傳動（撓性傳動）和齒輪傳動（剛性傳動）[4]。拖布旋轉運動通過V型帶傳動，后行星輪及滾筒也是由V型帶來轉動的，前行星輪是由一對錐齒輪來傳遞動力。

帶傳動是利用中間撓性帶，靠摩擦力在主、從動輪軸間傳遞旋轉運動和動力。傳動時可以緩和沖擊和振動。帶傳動中心距較大，可以通過打滑，提高設備的防過載的能力。帶輪的工作表面應光滑，以減少帶的摩擦；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻。

V帶帶輪的結構設計時帶輪應滿足以下條件：應使帶輪具有足夠的強度，重量輕，結構工藝性好，便于制造，無過大鑄造內應力；當帶輪的圓周速度v>5m/s時，應進行靜平衡，當v≥25m/s時則應進行動平衡。

在本設計中，前行星輪驅動使用兩組直齒圓錐齒輪，由于直齒圓錐齒輪的輪齒剖面從大端到小端逐漸縮小，齒輪大端的模數、剛度均大，小端的則小，所以載荷沿齒寬分布是不均勻的。為了簡化計算，一般假定載荷是集中作用在節錐線上齒寬的中點上，近似認為錐齒輪的強度與一個當量齒輪的強度相當，然后用直齒輪的強度理論和公式來分析錐齒的轉動強度。

設計主動軸上小齒輪傳遞功率P1=600W，轉速n1=320r/m，并作懸臂布置。傳動比i=u=2，電動機驅動，單向運轉。考慮到直齒錐齒的加工多采用刨削，故宜選用軟齒面。小齒輪選用40Cr，調質處理，平均硬度280HB，大齒輪選用35CrMo，調質處理，平均硬度240HB。

3 驅動方案設計

本設計驅動方式是由蓄電池供電，采用直流電機。它具有以下幾個優點：技術成熟、控制簡單、具有優良的控制等諸多特性。在早期的清潔車上也多采用直流電動機，盡管直流電機具有成本低，控制系統簡單等優點，但也存在不足之處如長時間運行，散熱困難限制了電機的速度和過載能力的進一步提升，降低了電機的轉矩質量[5]。

蓄電池是儲蓄電能的一種裝置。它的作用包括蓄電池能接受充電，能將電能存儲起來，還包括向電機提供電能，并由電機將電能轉變為機械能。綜上所述，本拖地機選擇36V120AH的USP電池。

根據設計要求：電機的功率P=600W，拖地機行進的速度為0.1～0.5m/s，根據規定電動機用電流36V直流，選用由寧波市北侖恒峰電機制造有限公司制造的直流電機。

圖2 低盤結構圖

4 滾筒軸設計

在傳軸上裝一滾筒，通過在滾筒上間距安裝滾刷軸，通過電機帶動軸轉動，然后使其跟著軸一起轉動，下面我們就對軸進行計算與驗算。

本設計的清潔滾筒載荷不是很大。軸段根據所受到的扭矩來進行初步的計算，通過扭轉強度計算，初步確定軸的最小軸徑dmin=20mm[6]。

為便于裝配，采用階梯軸，軸的直徑從軸的兩端向中間逐漸增大，這樣就可以從軸的左端依次安裝齒輪、套筒、左端軸承、軸承蓋和帶輪；另一滾動軸承則從軸的右端安裝。零件安裝在軸上面，要保證其在軸上的準確位置。為保證清潔滾筒的結構緊湊，可以依據零件的寬度以及各零件之間的距離來確定軸上的各段長度。對于不允許有軸向移動的零件，零件受力后要保證不會改變其位置，即在軸上的定位要準確固定并可靠。為保證零件在軸上的定位可靠，一般取與輪轂配合的長度一般比輪轂長度要短2～3mm。清潔滾筒軸結構圖如圖3所示。按設計要求，滾筒軸上所要支撐的零件主要有帶輪、行星輪、滾刷筒、滾動軸承。

圖3 清潔滾筒軸結構

5 自潔機構設計

自潔功能是本設計中的一大創新點，設計的拖地機將拖地、清洗、擰干這三道工序全部有機結合在一起。

拖地的主體是拖布，通過拖布作旋轉運動來清潔地面，旋轉運動由導布輪帶動，拖地時為了實現拖布與地面的接觸程度可以通過張緊輪調節壓力，如圖4所示。

圖4 張緊輪

通過擰動調節螺母來調節彈簧的松緊狀態，從而實現拖布與地面接觸的狀態。

拖布在導布輪的作用下，進入活動水箱前要經過一個清潔滾輪，通過清潔滾輪將拖布上的臟物刷下來，然后進入活動水箱中，從而完成了自潔的這一過程。

拖布在導布輪的作用下，出活動水箱時要經過一個扎水滾輪，扎水滾輪的作用是調節拖布的干濕程度，對于不同的環境里通過調節扎水滾輪的間隙，實現拖布的干濕程度。

6 爬樓機構設計

爬樓模塊是由兩組行星輪組成，每個行星輪都由前行星架、后行星架、太陽輪、行星輪組成。為使拖地機適應在平地與爬樓兩種情況下工作，前后行星輪都由各自的電機驅動，在平地時，拖地機的后行星輪為主驅動輪，前行星輪的電機不工作；爬樓時由于需要更大的功率，前后行星輪一起工作，實現爬樓的功能，并在爬樓的過程中由于水箱設計成活動式的在重力的作用下，水箱中的水面一直保持水平的狀態，在爬樓的過程中水箱里的水不會灑出來。

行星輪可以兼顧平地行走與爬樓的功能，并且具有體積小巧，結構緊湊，效率高以及操作簡單等特點，是一種比較理想的爬樓方案。圖5為行星輪結構圖。

圖5 行星輪結構圖

7 轉向機構設計

在設計中由于爬樓的功能，使得前后的行星輪都是由直軸連接而成，造成了拖地機的換向困難，設計以下方案來避免換向難的問題：由鉸鏈四桿機構設計而成，當拖地機清潔地面時，萬向輪是升起來的，當拖地機需要轉向時，通過腳踏板的作用將萬向輪降下來使后面的行星輪離開地面，從而來實現轉向的功能，結構如圖6所示。操作過程如圖7所示。

圖6 四桿機構結構圖

圖7 操作過程簡圖

8 滾筒設計

在滾筒圓周上間隔的均分毛刷，當電機帶動滾筒轉動時這些毛刷將交替的進行清掃，通過毛刷將垃圾帶入到垃圾箱中，保證清掃質量。毛刷的基底為梯形長條，裝在圓筒的梯形槽內，保證不會在工作中出現松動現象，這樣的安裝也給毛刷的更換帶來很大的方便，如圖8所示。

圖8 滾筒工作簡圖

9 結論

為了更好的減輕人們日常清掃工作，提高工作效率，本設計集拖地、清洗、擰干三道工序于一體。驅動方式采用電動方式，在傳動系統中通過電機帶動帶輪來實現動力的傳遞。自潔功能由內部活動水箱以及導布輪來完成。爬樓功能由兩組行星輪來實現，轉向裝置是由結構簡單、操作方便的四桿機構來實現。本設計制造成本底，工作效率高，具有一定的市場推廣價值。

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Design of electric self-cleaning floor mopping machine

In order to reduce the labor intensity of workers cleaning the ground, one can climb stairs self-cleaning mopping machine was designed. Self-cleaning mopping machine, mopping the floor, washing mop dry ground, and automatic functions design together, high efficiency and high quality completion of the ground mopping work, effectively save manpower and material resources. By controlling the body internal pressure roller spacing adjustable belt mop humidity, to meet the requirements of different situations and ground cleaning humidity, more high quality finished mopping. By using the star wheel planet wheel conversion mode, the floor mopping machine not only can walking, and can climb stairs, expanding the scope of application.

Floor mopping machine; self-cleaning; electric

TP242

A

1008-1151(2015)01-0079-03

2014-12-12

2013年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201310066023）。

張野，供職于天津職業技術師范大學機械工程學院。