清潔機重要部分校對與有限元分析基礎

魏雷

摘要：清潔機的設計需求取決于兩方面：工作環境和工作目的，新型清洗機的功能指標、限制條件和模型建立進行選擇。從用途和功能兩方面上講，是屬于機械設計結構的范疇，所以工作各零部件必須符合規定的要求，但由于是高校食堂地面的清潔，任務很重，因此它的實用性要求更高。

關鍵詞：設計結構；實用性

1 吸附技術的選擇

清潔機在地面正常行駛時，可以穩定的吸附在地面上，當不能正常工作時，主要有兩種表現：發生翻到以及跌落；當發生翻到時，所受到的傾斜力遠遠大于支撐力，與地面的接觸脫離，從而翻倒；當地面由于油污過大，摩擦力相對會減小在行駛過程中移動，發生快速移動現象，稱之為跌落。這兩種不能正常工作的表現，都會造成損壞；因此設計過程中要避免。

2 安全性與受力性分析

平衡狀態受力分析圖

圖中所列參數分別為：

Η1-吸盤與玻璃之間的摩擦系數 F1-吸盤1的吸附力（N）

G1-機器人自身重力（N） F1-玻璃對吸盤1的反作用（N）

F2-吸盤2的吸附力（N） F2-玻璃對吸盤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合材料，工作過程中清洗的參數為0.2～0.5，摩擦系數為

（5.1）

若吸盤內，相比于外界的壓力，假設為P，又因吸盤1和吸盤2面積相等，假設均為S，則

（5.2）

（5.3）

（5.4）

（5.5）

根據以上內容，可以得到，要使清潔機不受傾斜力翻滾，則必須滿足以下條件： 。

（2）抗傾覆條件

假設，以第一個吸盤與地面的結合處為原點，則得到關于其的方程為：

（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）

根據總體設計要求，其機身總重約為4-5 kg，相當于重力 ， ， 。分別代入5.10、5.11得：

取值為120N

從上述結果中，每組處于吸附狀態的吸盤，至少產生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計。故每個吸盤負擔40N的壓力就可以吸附。吸盤直徑用下面的計算方法得到：

（5.12）

式中 P1為吸盤的真空度，根據實際情況我們取0.08M；

F1為每個吸盤最大承受的吸附能力；

A1為吸盤設計的最大面積（mm2）；

D1為吸盤的實際測量直徑；

-為安全系數，正常情況下，取值為2.5；

由下表所列的吸盤的一般技術參數表，當選取直徑為40mm的吸盤時，就可以滿足設計需要，查表可得，直徑為40mm的吸盤，在-0.8Mpa下的反作用為70N。根據計算，由于每個吸盤組都是由三個，成三角形分布的小吸盤構成的。根據力的合成原理，可以得到，當三個吸盤的吸附力合成為一個整體時，作用點是同方向的，幾何中心點位置，這樣得到的合力大小仍然不變，等于其三個力的總合，并且不產生其他扭力。

吸盤的技術參數

3 行走機構的校核及有限元分析

（1）吸盤強度的校核

在實際的工作中，根據實際情況，清潔機不會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做固定連接。當左右兩側的操縱桿受力對稱的分布，則只需要單獨校核上下連桿的強度，同時校對上下連桿的受力情況。（如圖）

根據設計的需要，我們采用不銹鋼材質Q235， ，根據式5.9和5.10可得

對于連桿1有：

因為連桿1容易受到外力作用，會拉彎，組合變形，如上圖分析，在危險截面m的上半部分，各點會發生最大的拉力，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，那么它的抗彎截面的系數，即 也就不同。所以可以采用比值 的公式，用來計算不同的截面，它的使用價值以及合理性。比值 越大，則截面的形狀帶來的經濟效益也越好，設計也越合理。

英國的T.Young提出了一個理論。在設計時，如要要達到最合理化，那么需滿足以下條件，矩形木梁的高與寬的比值為： 時，可以得到最大強度；矩形木梁高與寬的比值： 時，可以得到最大剛度。因而得到，當 時，則是需要的最優截面比例。

代入5.13即：

所以截面尺寸

（2）行走機構的結構優化和有限元分析

限元分析理論，主要是指采用近似數學的計算方法，對模型的幾何形態和載荷情況以及物理系統，進行相關的模擬，通過模擬，得到所需要的結果。同時，利用單元的作用，就可以在利用有限個數量的基礎上，通過設計趨于的未知量，用來達到無限接近未知量的，這樣一個真實的系統。

通過對行走機構的有限元分析，找出了行走機構的最大位移點，以及單元作用力；在這個基礎上，對結構進行優化，保證結構達到最大的剛度和強度。