清洁机重要部分校对与有限元分析基础

摘要：清洁机的设计需求取决于两方面：工作环境和工作目的，新型清洗机的功能指标、限制条件和模型建立进行选择。从用途和功能两方面上讲，是属于机械设计结构的范畴，所以工作各零部件必须符合规定的要求，但由于是高校食堂地面的清洁，任务很重，因此它的实用性要求更高。

关键词：设计结构；实用性

1 吸附技术的选择

清洁机在地面正常行驶时，可以稳定的吸附在地面上，当不能正常工作时，主要有两种表现：发生翻到以及跌落；当发生翻到时，所受到的倾斜力远远大于支撑力，与地面的接触脱离，从而翻倒；当地面由于油污过大，摩擦力相对会减小在行驶过程中移动，发生快速移动现象，称之为跌落。这两种不能正常工作的表现，都会造成损坏；因此设计过程中要避免。

2 安全性与受力性分析

平衡状态受力分析图

图中所列参数分别为：

Η1-吸盘与玻璃之间的摩擦系数 F1-吸盘1的吸附力（N）

G1-机器人自身重力（N） F1’-玻璃对吸盘1的反作用（N）

F2-吸盘2的吸附力（N） F2’-玻璃对吸盘2的反作用（N）

Ff2-吸盘2与玻璃之间的摩擦力（N）

Ff1-吸盘1与玻璃之间的摩擦力（N）

（1）抗滑落条件

选取聚氯乙烯作为吸盘材料，由于工作表面是大理石及其复合材料，工作过程中清洗的参数为0.2～0.5，摩擦系数为

（5.1）

若吸盘内，相比于外界的压力，假设为P，又因吸盘1和吸盘2面积相等，假设均为S，则

（5.2）

（5.3）

（5.4）

（5.5）

根据以上内容，可以得到，要使清洁机不受倾斜力翻滚，则必须满足以下条件： 。

（2）抗倾覆条件

假设，以第一个吸盘与地面的结合处为原点，则得到关于其的方程为：

（5.6）

（5.7）

吸盘如果在受外力作用下，不至于倾覆，必须满足

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式条件得

（5.11）

根据总体设计要求，其机身总重约为4-5 kg，相当于重力 ， ， 。分别代入5.10、5.11得：

取值为120N

从上述结果中，每组处于吸附状态的吸盘，至少产生120N的真空吸附力，才能在重力作用下不倾倒，由于采用了三吸盘的设计。故每个吸盘负担40N的压力就可以吸附。吸盘直径用下面的计算方法得到：

（5.12）

式中 P1为吸盘的真空度，根据实际情况我们取0.08M；

F1为每个吸盘最大承受的吸附能力；

A1为吸盘设计的最大面积（mm2）；

D1为吸盘的实际测量直径；

-为安全系数，正常情况下，取值为2.5；

由下表所列的吸盘的一般技术参数表，当选取直径为40mm的吸盘时，就可以满足设计需要，查表可得，直径为40mm的吸盘，在-0.8Mpa下的反作用为70N。根据计算，由于每个吸盘组都是由三个，成三角形分布的小吸盘构成的。根据力的合成原理，可以得到，当三个吸盘的吸附力合成为一个整体时，作用点是同方向的，几何中心点位置，这样得到的合力大小仍然不变，等于其三个力的总合，并且不产生其他扭力。

吸盘的技术参数

3 行走机构的校核及有限元分析

（1）吸盘强度的校核

在实际的工作中，根据实际情况，清洁机不会受到因重力的分支力滑落和倾斜扭力的翻滚，把靠近地面操纵杆的一端当做固定连接。当左右两侧的操纵杆受力对称的分布，则只需要单独校核上下连杆的强度，同时校对上下连杆的受力情况。（如图）

根据设计的需要，我们采用不锈钢材质Q235， ，根据式5.9和5.10可得

对于连杆1有：

因为连杆1容易受到外力作用，会拉弯，组合变形，如上图分析，在危险截面m的上半部分，各点会发生最大的拉力，且为：

（其中： ） （5.13）

由以上分析，如果有不同的截面，且形状不一样时，那么它的抗弯截面的系数，即 也就不同。所以可以采用比值 的公式，用来计算不同的截面，它的使用价值以及合理性。比值 越大，则截面的形状带来的经济效益也越好，设计也越合理。

英国的T.Young提出了一个理论。在设计时，如要要达到最合理化，那么需满足以下条件，矩形木梁的高与宽的比值为： 时，可以得到最大强度；矩形木梁高与宽的比值： 时，可以得到最大刚度。因而得到，当 时，则是需要的最优截面比例。

代入5.13即：

所以截面尺寸

（2）行走机构的结构优化和有限元分析

限元分析理论，主要是指采用近似数学的计算方法，对模型的几何形态和载荷情况以及物理系统，进行相关的模拟，通过模拟，得到所需要的结果。同时，利用单元的作用，就可以在利用有限个数量的基础上，通过设计趋于的未知量，用来达到无限接近未知量的，这样一个真实的系统。

通过对行走机构的有限元分析，找出了行走机构的最大位移点，以及单元作用力；在这个基础上，对结构进行优化，保证结构达到最大的刚度和强度。