手扶式落叶清扫粉碎一体机--机构设计毕业设计

分类号 密级

UDC

毕 业 设 计

手扶式落叶清扫粉碎一体机设计 ——机构设计

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手扶式落叶清扫粉碎一体机设计

——机构设计

摘 要

据调查现在市场上的大多数城市的环卫工人还在使用最古老的方式去清扫落叶，并且处理落叶的方式还是焚烧，这使得不仅大气受到污染，是环境遭到严重破坏，而且造成了资源的严重浪费。与我们国家的可持续发展严重不符，作为21世纪新青年，我们有义务去改变这一现状，所以我们小组便设想出这个想法，将落叶清扫与粉碎结合成为一体机，大大增加了环卫工人的工作效率和资源利用率，真正意义上的做到学以致用。

本论文主要针对的是手扶式落叶清扫粉碎机的机构设计，分别从粉碎机构设计、传动机构设计、电动机构设计和其他机构设计四方面入手进行分析设计。研究的目的是抛砖引玉，使更多的科研工作者参与到环卫工具的创新行列之中，从而设计出更多、更有价值的环卫工具，这样可以大大节约人力物力做到可持续发展，以创造更多的经济效益和社会。

总之，该设计主要研究手扶式落叶清扫粉碎机的机构设计，与另两篇的三维设计和功能设计组成整体设计。

关键词：高效率；环保；可持续发展；落叶清扫机；机构设计

Hand-type leaves clean smash one innovative design

- The design of the overall structure of design

Abstract

According to the survey on the market now, most fitness devices do not have transformed the human physical function, in people fitness exercise while causing energy waste. Through our daily fitness training and teaching practice a combination of mechanical and electronic and mechanical principle of fitness generating unit conducted a preliminary exploratory study.

This thesis is focused on the institutional design of the hand-type leaves swept pulverizer, respectively, starting from the crushing mechanism design, transmission design and other design analysis and design. The study was designed to initiate more scientists to participate in the innovation among the ranks of sanitation tools to design more and more valuable sanitation tool can greatly save the human and material resources to achieve sustainable development in order to create economic and social.

In conclusion, the design of the institutional design of the hand-type leaves swept pulverizer, coupled with a series of graphic, overall design with the other two of the three-dimensional design and functional design.

Keywords: high efficiency; environmental protection; sustainable development; deciduous cleaning machine；mechanism Design

目 录

1绪论 . ....................................................... 1

1.1课题背景 ............................................................ 1

1.2国内外发展现状 ...................................................... 1

1.3选题的设计思想设计方法及改进 ........................................ 2 2 CAD及三维设计简述 .......................................... 2

2.1 CAD结构简述 ......................................................... 2

2.2 P ROE 三维造型设计简述 ................................................ 3 3主要功能设计 . ............................................... 3

3.1总功能描述 .......................................................... 3

3.2实现总功能的方法构想 ................................................ 3

3.3分功能描述及其功能树 ................................................ 4

3.4方案设定 ............................................................ 7

3.5方案评价和最佳方案 .................................................. 8

3.6创新点归纳 .......................................................... 8

4主要机构设计 . ............................................... 8

4.1粉碎机构设计 ........................................................ 8

4.1.1粉碎机刀片的确定 .................................................. 9

4.1.2粉碎装置飞刀数量的确定 ............................................ 9

4.1.3切削力的计算 ..................................................... 10

4.1.4 确定切屑厚度与单位切削力的关系 ................................... 10

4.2电动机构设计 ....................................................... 12

4.2.1电机的分类及发展状况 ............................................. 12

4.2.2 三相异步电动机的结构及分析 ....................................... 13

4.3传动机构设计 ....................................................... 14

4.3.1主轴的校核 ....................................................... 14

4.4其他机构设计 ....................................................... 15

4.4.1键的选择 ......................................................... 15

4.4.2螺栓和螺母的选择 ................................................. 15

4.4.3垫圈的选择 ....................................................... 15 5结论 . ...................................................... 15 参考文献 .................................................... 16 致 谢 ..................................................... 17

1绪论

1.1课题背景

随着现代工业的飞速发展，露天焚烧落叶严重影响大气环境质量。

1．直接导致大气污染，影响大气环境质量。在秋天，落叶漫天飞舞的季节，为了尽早完成落叶的处理，环卫工人将大量的落叶直接在大街上焚烧，导致空中总悬浮颗粒数量明显升高，焚烧产生的浓烟中含有大量的一氧化碳二氧化碳二氧化硫等有毒有害气体，对人体健康产生不良影响。

2. 安全构成威胁 露天焚烧落叶带来的一个最突出的问题就是焚烧过程中产生的浓烟，直接影响公路的正常交通运输，对交通安全构成潜在威胁。机场每逢落叶纷飞季节都深受落叶露天焚烧的危害，有时大马路能见度低于400 m，严重影响人们的正常生活，一旦导致事故，将造成极为不良的社会影响。

3. 的火灾隐患 近年来，落叶露天焚烧导致火灾事故频频发生。据相关资料报道，河南省每年因燃烧叶落造成直接经济损失达10亿元。在落叶清扫期间，由焚烧落叶引起的火灾占火灾起数的大部分。据浙江宁波环保部门统计，秋季每个月因垃圾和落叶焚烧的投诉案例占全部投诉案例的10％～20％，落叶焚烧投诉案例明显上升，无论从环境角度还是从安全角度考虑，这一现象都存在潜在危害，应该引起政府和有关部门的高度重视。

另一方面，我国经济高速发展，人民生活水平逐步提高，在这个信息技术高速发展的当今社会，高效率生活已经成为了人们生活的主导。同时，各种先进机械的开发应用，传统的落叶清扫方式已经完全跟不上当今的时代的脚步。我们现在已经进入电气时代，跟换现有的落叶清扫方式，势在必行。

提高落叶清扫效率，全面实行可持续发展。在新能源的探索日新月异，节能产品层出不穷的今天，落叶收集粉碎装置无疑是有规模开发条件和商业发展前景的发电方式之一. 同时也是普通民众从点滴做起，贯彻实行可持续发展的典范。

1.2国内外发展现状

我国粉碎机的研制工作始于20世纪60年代，70年代中期开始研究伐区木片生产工艺设备，80年代国家设立攻关课题，进行了系统研究，取得了一定成果。进入90年代，木片生产得到了快速发展，粉碎机机制造业也随之进一步发展。目前已至少有30多家生产削片机的厂家，生产20多种型号的粉碎机机。我国目前所用的粉碎机机主要有以下几种型号：（1）BX117C 盘式机;(2)BX1107/4盘式机;(3)BX116盘式机;(4)BX1108/3盘式机; 此外，还有极少量的BX1710B 盘式机和BX1112盘式机等。至于粉碎机，我国常州市林机厂及其它生产企业在90年代就曾研制过多种机型，功率一般为3-5kW ，但都未推广，主要原因都是功率

太小，无法满足使用要求。国外生产始于60年代，近年来发展很快，不仅产量迅速增加，而且在一些国家，如日本、前苏联、美国等国已发展成为木材工业部门中的一个独立体系。在瑞典、芬兰等国则成为木材加工企业中不可缺少的组成部分。而且国粉碎机的性能也比国内要好一些，这主要表现在其产品型号齐全，功率强劲，外形美观，操作方便，噪声低，人性化设计等。如美国的百莱玛设备公司的产品威猛系列粉碎机。其中威猛BC600XL 型就是一款高产量、大功率的切枝机，它具有独创的外观设计和驱动系统，具有同类产品中最大的进料口。

1.3选题的设计思想设计方法及改进

本课题要求设计的落叶清扫粉碎一体机主要用于粉碎树叶等园林绿化废料, 粉碎出的碎料也是用于制造肥料等, 对质量要求不高. 故对机器的主要要求是体积小, 结构简单, 移动方便和便于操作. 针对这些要求, 设计飞刀为对称分布的长刀, 以满足最大切削直径和力矩平衡的要求。根据设计要求，进料口和出料口有了改进，刀盘保持一定的厚度加大其转动惯量，以防止切削过程中刀盘转速波动太大。由发动机的功率要求确定落叶清扫粉碎一体机的生产能力，计算出合适的飞刀数量和切削功率以及切削力。飞刀的伸出量能够调整，保证切削质量。

2 cad及三维设计简述

作为手扶式落叶清扫粉碎一体机设计应该把人作为产品和环境设计的出发点，使其性能、色彩等更好的适应和满足人类的生理和心理的需要，从而使人们在工作中更安全便捷、舒适的使用。

2.1 cad结构简述

图2.1.8 装配图

2.2 Proe三维造型设计简述

因为设计是适用于街道的清扫使用，使清扫落叶更加快捷，环保，避免工作量巨大而浪费大量人力物力，有做到资源的可持续利用。

出于街道清扫使用的要求，我们整体从体积小巧、尽可能少占空间的角度出发，选择如图2.2.1的整体造型：

图2.2.1 装配图

3主要功能设计

3.1总功能描述

对道路上的落叶进行清扫，并对落叶进行筛选处理，然后粉碎，最后压缩收集，机器具有升降功能，可以适应不同地面。

电动

粉碎 成片

有落叶的路面 总共能：路面干净，粉碎成片

表3.1 总功能描述

3.2实现总功能的方法构想

通过查阅大量资料和对生活中所用的落叶收集工具，落叶处理工具的观察，设计的手扶式落叶清扫粉碎一体机。由粉碎机将收集到的落叶粉碎并送至收集箱，粉碎机系统由电机提供动力。

此种落叶收集处理机在对落叶进行收集的同时能及时对收集的落叶进行粉碎处理，两侧的清扫刷可方便地清扫墙角及靠近障碍的地方。并且由于两侧的清扫刷的存在，大大增加了清扫宽度，并且转弯半径并不大。

驱动方式为电力驱动。由于所设计的落叶收集处理机以环保为出发点，故动力装置 选择噪音低，对空气无污染的电力驱动。配置大容量收集箱，可大大提高工作效率和收集，处理效果，进行长时间的工作。

电动机的类型和结构型式可以根据电源的种类，工作条件（温度，环境，空间尺寸）和载荷特点（性质，大小，启动性能和过载情况）来选择。在移动设备中常使用的有直流电动机和步进电动机。由于所设计的落叶收集处理机要求控制简单，运动平稳，因此选择交流电动机。

3.3分功能描述及其功能树

1. 落叶清扫系统

落叶清扫系统是根据清扫车的清扫地面的原理而设计得来的，机器前端两侧

分别安

装两个毛刷，将两侧落叶扫至中间，大大的加宽了清扫面积。清扫头采用pvc 材料制作，柔软耐用。根据树叶重量的大小确定吸力的大小和吸口流量的大小，然后根据框架整体的大小确定清扫头和吸尘口的大小。Cad 图见图3.1 和 图3.2 proe 图见图3.3

图3.1 cad清扫头

图3.2 cad吸尘口

图3.3 proe吸尘口

2. 落叶粉碎系统

主要功能是将清扫收集的落叶进行粉碎处理。落叶粉碎由电机提供动力，粉碎机所用为十字刀架，对落叶进行粉碎。根据整体的大小和粉碎叶片大小的选择确定粉碎腔的大小和形状，因为粉碎腔内有吸力通过，所以要保证粉碎腔与刀片之间的距离不能过大，过大可能使未被搅碎的树叶进入集尘箱达不到粉碎的效果。见图3.4 和 图3.5

图3.4 cad粉碎箱

图3.5 proe粉碎箱

3. 落叶收集系统

集尘箱的大小根据整体来确定，形状可以自由设计使其美观，集尘箱上设计有开口，材料使用透明的玻璃可以随时观看集尘箱的内部情况，而且要保证开合方便，这样可以方便集尘箱内的树叶碎片随时倒出，不至于影响落叶粉碎一体机的连续工作。如图3.6、图3,7、图3.8

图3.6 cad收集箱

图3.7 cad软管

图3.8 proe收集箱

4. 功能树

表3.2落叶收集处理机功能树

3.4方案设定

表3.3 方案设定

方案一：A1-B1-C2-D2，电动式气流落叶清扫处理机。它根据吸尘器原理，

电动机

带动叶轮告诉旋转，使收集箱产生真空，从而产生吸引力达到对落叶的收集。

方案二：A2-B3-C2-D1, 是一种由汽油机为动力源的落叶清扫处理机。以电

机作为动

力源，并且以齿轮为主要传动元件，又由上下传送带挤压传送落叶至粉碎机，粉碎后收集在收集箱。

3.5方案评价和最佳方案

方案一评价：电动式气流落叶清扫处理机，以电机作为动力源，噪音小并且

可以安

装节能系统，损耗小，清扫面积大，工作效率高。但是滚动时可能会激起地面灰尘。

方案二评价：汽油机式落叶清扫处理机。以汽油机作为动力源，机器功率大，

机器

采用滚刷方式收集落叶，优点是不会激起灰尘，直接将其吸收掉，缺点是清扫面积小，工作效率不高。汽油机工作会产生废气，对环境有损害，不符合环保理念。

综上分析评价，选取方案一为最佳方案。电动式气流落叶清扫处理机噪音小，

无污

染，损耗小，符合当前环保节能的理念。

3.6创新点归纳

1. 落叶收集处理机同时具有收集落叶和处理落叶的功能，而目前市场投入使用的落

叶清扫机只具有收集落叶的功能。

2. 设置了粉碎系统，将收集到的落叶直接粉碎。

3. 叶块可以变废为宝，加工成优质的有机肥、饲料和燃料，甚至可以作为培育真菌的基材等，可利用的空间广。由于废叶的合理利用，避免其直接被堆放焚烧，造成环境污染，具有环保意义.

4主要机构设计

4.1粉碎机构设计

粉碎机构的主要功能是将清扫收集的落叶进行粉碎处理。落叶粉碎由电机提供动力，粉碎机所用为十字刀架，对落叶进行粉碎。根据整体的大小和粉碎叶片大小的选择确定粉碎腔的大小和形状，因为粉碎腔内有吸力通过，所以要保证粉

碎腔与刀片之间的距离不能过大，过大可能使未被搅碎的树叶进入集尘箱达不到粉碎的效果。

4.1.1粉碎机刀片的确定

粉碎机刀片又称为塑料刀片、塑胶粉碎刀片，广东地区也称水口刀片。粉碎机刀片有全钢刀片和镶钢刀片两种，热处理硬度HRC52-55度，技术要求：抗冲击，耐磨，耐高温。我们选用全钢刀片制作粉碎机。我们选用D13B-D18D 型号粉碎机刀片。

图4.1 刀片

4.1.2粉碎装置飞刀数量的确定

由文献知，粉碎机的生产能力Q (实积m³/h)为

Q =6⨯10-8K 1K 2K 3nZlF

式中： K 1——设备时间利用系数，取K 1=0. 3~0. 5；

K 2——工作时间利用系数，取K 2=0. 7~0. 8；

K 3——原料形态影响系数，取K 3=0. 3~0. 7，其他原料取1；

n ——刀盘转速，r/min；

Z ——飞刀数量；

l ——树叶平均长度，mm ；

F ——原料的断面积，mm²；

2

取K 1=0.4，K 2=0.7，K 3=0.7，l=10mm，F=π⨯d /4，d=150mm则

Z =

Q

=1. 9-8

6⨯10K 1K 2K 3nlF ，圆整为Z=2

故由生产率可选飞刀的数量为2把。 4.1.3切削力的计算

由切削力可按下经验公式式计算：

F x =p ⨯A =p ⨯a ⨯b

式中：b ——切削宽度，mm ；

a ——切削厚度，mm 。

切削力与切削面积的关系，可以用单位切削宽度上作用的切削力F x 与切削厚度a 的关系来代替，即：

'

F x =p ⨯a

可以把单位切削力P 当作一个系数，用以反映切削力与切削厚度之间的函数

'

关系。若表示F x 与a 之间变化规律的曲线为通过坐标原点的斜直线，单位切削力便是该斜线的斜率。实际上，从实验结果中可知，F x 随a 而变化的直线具有纵截距，而且在不同的切削厚度范围内，直线的斜率不同，即单位切削力不同。所以需要根据不同的切削厚度范围，分别建立不同的单位切削力的计算公式。

切削力经验公式的建立，是从确立切削厚度与单位切削力的关系着手的；然后将影响切削力的一系列因素，如刀具变钝，刀具切削方向相对于纤维的方向，切削角，切削速度，材种等，通过系数修正，经验公式换算，加以综合考虑；最后建立随不同因素变化的切削力经验公式。 4.1.4 确定切屑厚度与单位切削力的关系

近半个世纪以来，对木材切削过程的试验研究表明，在切屑厚度a ≥0. 1mm 时，单位切削宽度上作用的切削力F 与切屑厚度之间的关系可用AB 直线表示，如下图。

'

'

'

图4.2 单位切削宽度上作用的切削力F 与切屑厚度之间的关系曲线

'

直线AB 的方程为：

F =f ' +p ' ⨯a (⨯9. 81N /mm )

式中：f ——AB 直线的纵截距。

p ——a ≥0. 1mm 时，直线AB 的斜率，p =tan ϕ1

'

'

'

'

'

。

实际上，当切屑厚度变小，在a

F μ=0. 2f ' +p γμ⨯a μ(⨯9. 81N /mm )

式中：0. 2f ' ——BD 直线的纵截距；

p γμ

——

a

'

时，BD 直线的斜率：

p γμ=t

0. 8f ' +0. 1p '

ϕa 2==8f ' +p '

0. 1。

下面在两种切屑厚度范围内，根据前，后刀面作用力的不同，分别建立作用在前，后刀面上的单位切削力计算公式：

1．当a ≥0. 1mm 时：

F ' =f ' +p ' ⨯a =0. 2f ' +0. 8f ' +p ' ⨯a =F α' +F γ'

式中：F α' ——作用在后刀面上的单位切屑宽度上的切削力。从真实切刀切削木

料的过程中可以观察到，虽然a=0，但后刀面仍然对切削平面以下的木材起作用，这时F α' =0. 2f ' ；

F γ' ——作用在前刀面上的单位切屑宽度上的切削力，F γ' =0. 8f ' +p ' ⨯a

。

2．当a

F μ' =0. 2f ' +(8f ' +p ' ) ⨯a μ=F α' +F γμ'

式中：F α' ——作用在后刀面上的单位切屑宽度上的切削力。该力不因切屑厚度变化而异；

F γμ' ——作用在前刀面上的单位切屑宽度上的切削力，F γμ' =(8f ' +p ' ) a μ

。相应单位切削力p 随切屑厚度a 的变化而变化的关系式为：

3．当a ≥0. 1mm 时：

p =

f ' 0. 2f ' 0. 8f ' +p ' =+(+p ' ) =p α+p γ a a a

式中：p α——作用在后刀面上的单位切削力；

p γ——作用在前刀面上的单位切削力。 4．当a

p μ=

0. 2f '

+(8f ' +p ' ) =p α+p γμ a μ

式中：p α——作用在后刀面上的单位切削力；

p γμ——作用在前刀面上的单位切削力。

4.2电动机构设计

电动机主轴与粉碎机叶片直接相连。

4.2.1电机的分类及发展状况

电动机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。

根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容运转式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。

按用途分类。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具用电动机、家电用电动机及其它通用小型机械设备用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。

电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。

因此，我们选用三相异步交流电动机作为粉碎装置的电动机。 4.2.2 三相异步电动机的结构及分析

三相异步电动机的结构主要由两个部分组成，一是固定不动的部分（简称定子），二是可以自由旋转的部分（简称转子）。定子与转子之间有一个很小的气隙。此外，还有机座、端盖轴承、接线盒、风扇等其他部分。

三相异步电动机转动的基本工作原则是：

(1)三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场，其转速为异步转速。

(2)转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流。

(3)转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转矩，驱使电动机转子转动，其转速小于同步转速。异步电动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转速，即同步转速，因为如果到达同步转速，则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动，随之在转子导体中不能感应出电势和电流，也就不能产生推动转子的电磁力。因此，异步电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存在差异，异步电动机因此而得名。又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的，所以又称为感应电动机。

（4）电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序，因此，三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可使电动机反转。

4.3传动机构设计

4.3.1主轴的校核

T 9. 55⨯106P /n

根据实心圆轴公式，其切应力 τT ==≤[τT ]MPa 3

W T 0. 2d 写成设计公式，轴的最小直径

d ≥9. 55⨯106P P

=c ⋅ mm

0. 2τT n n

上两式中： W T ——轴的抗扭截面系数，mm³； P ——轴传递的功率，kW ； n ——轴的转速，r/min； [τT ] ——许用切应力，MP a ；

C ——与轴材料有关的系数，可由表4.1查得[13]。

对于受弯矩较大的轴宜取较小的[τT ]值。当轴上有键槽时，应适当增大轴径：单键增大3%，双键增大6%。

表4.2轴强度计算公式中的系数

C