新型自動樓梯清洗機的設計及有限元分析

榮必賢 林敏 成一楠 王玨 雷雪媛

西南交通大學，四川 成都 611756

新型自動樓梯清洗機的設計及有限元分析

榮必賢 林敏 成一楠 王玨 雷雪媛

西南交通大學，四川 成都 611756

為了減輕人力，基于對實際樓梯的具體分析，設計了此樓梯清洗機器。通過電機及帶傳動帶動三葉輪上下樓梯，通過絲桿機構驅動刷子左右及前后運動，通過齒輪齒條驅動水槽前后運動完成對刷子的清洗。以最易破壞的零件進行有限元分析，證明機器的可實現性。機器全程通過單片機精確控制。

自動清洗；機構；設計；控制；分析

樓梯是我們日常生活中必不可少的設備。目前社會上的相關樓梯清潔機器主要存在兩種缺陷。一種是裝置的上下樓過程不穩定；另一種是機器的設計注重于上下樓梯的過程，而忽視了機器對樓梯的清掃效果。目前大多數同類機器對樓梯的清洗僅僅只是一個干擦的過程，而沒有考慮到清洗工具的換洗，這大大降低了裝置對樓梯的清洗效果。針對這個現象，我們為樓梯清潔衛士配套了刷子的清洗功能和廢水處理功能，大大增加了裝置對樓梯的清洗質量，徹底取代人力。

1、機構及原理介紹

1、1 上下樓梯機構

主軸驅動電機通過齒輪帶動后主軸轉動，后主軸帶動后輪系轉動。后主軸通過皮帶輪將旋轉傳遞給中間傳遞軸將轉動傳遞給前主軸，前主軸帶動前輪系轉動。車子的每個“輪子”是由三個子輪子和三根連軸組成風車的樣式所構成。車子上下樓梯時由兩個前輪中心位置的電機帶動風車式的連軸轉動，從而使得周圍的三個小輪子能夠進行有規律地轉動。當連軸轉動一周時，整個裝置也隨之下上升或者下降一個臺階。

1、2 刷子運動機構

橫向絲桿帶動刷子同步左右運動，清洗樓梯，豎向絲桿帶動刷子前后運動，前后運動一是為了清除掃在一起的垃圾，二是為了配合水槽的前后運動而清洗刷子。清潔機器的主要清潔工具為兩把以海綿為主要材料的刷子，從樓道中心位置開始，分別向樓道兩端清洗。另外，刷子的梯形形狀設計能夠避免一些死角的生成，盡可能地使整個樓道得以全面清洗。

1、3 水槽運動機構

水槽前后運動是由齒輪轉動，帶動齒輪齒條前后運動實現的，水槽中分布有噴頭，實現對臟后的刷子進行清洗。

1、4 清洗刷子及水循環部分

橫向絲桿轉動帶動刷子向后運動，同時水槽向前運動，水槽部分區段對刷子擠壓完成對刷子的清洗。在后主軸上方安放水箱，采用12V小型水泵進行抽水及噴水，噴頭安放于水槽旁壁，水槽后端有專門的回收水管，回收后的水經過過濾流回水箱，實現了對水的循環利用。

2、控制部分簡介

制步進電機，可以實現上樓過程的精確控制，輔助電機則是采用普通直流無刷電機，可以輕松實現平地行走；清洗系統包括清洗臺階和清晰刷子兩部分，一共包括兩個直流無刷電機和一個微型水泵，利用單片機輸出控制信號實現各個工作部分的順序工作，達到需要實現的功能；自檢系統是本裝置的又一亮點，采用超聲波傳感器測距，實現機器在平地上的精準定位，利用限位開關反饋到單片機的信號實現上樓過程輪系位置的精準控制。

3、有限元分析

機構中受扭力最大的零件是前后主軸與前后輪系的連接件，對它進行有限元分析，分析結果如下：通過分析，應力應變均完全符合要求，所以選擇性價比較高的材料合金鋼是十分合理的。其它機構中的零件更能滿足要求。

4、創新性及發展前景

4.1、樓梯清潔器主體裝置呈現的是一輛車子的形狀，一個“車身”，加上四個“輪子”，使得本產品的穩定性大大得以提高，從而解決了滑移、傾斜、失穩等問題。

4.2、絲桿帶動刷子運動，這種設計方法簡單而又巧妙地實現了清潔工具的運動問題，同時，所需的零部件結構造價較低，符合廣大人民群眾的需求。

4.3、刷子本身使用的是海綿材料，具有材質柔軟，結構簡單，刷子上儲水均勻，釋放也較為均勻，清洗效果較好。

4.4、清潔機器的車廂上設計了一個清洗槽，通過對清洗槽的形狀設計來起到脫水功能。起到自動清洗的效果，能始終保持刷子上的海綿清潔狀態。

此機器的結構簡單，各個零件加工便捷，成本較低，對現有的絕大部分樓梯都能實現清洗，可大量代替人力勞動，為社會節約資源，所以它的前景非常可觀。

控制部分是采用STC89C52RC單片機為核心，控制各個電機以及水泵的工作。如右圖所示：其中驅動系統的主要功能是使得機器上樓以及在平地上行走，采用步進電機作為主軸電機，利用單片機輸出脈沖信號控

圖1

圖2

圖3

圖4 應力

圖5 應變

5、結語

在這一次的探索、研究及設計過程中,非常感謝西南交通大學對我們研究的支持以及劉光帥老師對我們技術上的指導,才讓我們的作品得以完善。特此感謝！

[1] 梁桂明,等.創造學與新產品開發思路與實例[M].機械工業出版社，2005.

[2] 謝進,萬朝燕,杜立杰.機械原理.高等教育出版社,2010.

[3] 肖世德,等.機電一體化系統監測與控制[M].西南交大出版社，2011.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.089

榮必賢； 性別：男； 出生年月：1989年10月；籍貫：四川廣安；學歷：本科 ； 職稱：無； 研究方向：機械工程。

林敏；性別：男； 出生年月：1989年01月；籍貫：福建莆田；學歷：本科 ； 職稱：無；研究方向：機械工程。