“碧水一号”水面垃圾收集船设计 - 图文

浙江科技学院毕业设计

浙 江 科 技 学 院 本 科 毕 业 设 计

(2009届)

题 目 “碧水一号”水面垃圾收集船设计 学 院 机械与汽车工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机制052 学 号 105011036 学生姓名 蒋扬峰 指导教师 陈 宁 完成日期 2009.06.12

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“碧水一号”水面垃圾收集船设计

学生:蒋扬峰 指导老师:陈宁 教授

摘要

本文主要对水面垃圾收集船主体进行详细的设计、计算、校核、选型。分析了水面垃圾收集船需要实现的功能要求，了解了同类水面垃圾收集船的工作原理，基本结构，系统组成及功能；研究了“碧水一号”水面垃圾收集船的系统构成及功能，各零部件的的设计方法以及系统的实现方式。

“碧水一号”垃圾收集船是一种解决水面漂浮垃圾问题的一种新型机械设备，它有操作简便、安全可靠和造价低廉等特点，适合于城市河道、湖泊及风景区等水域环境推广使用。“碧水一号”水面垃圾收集船主要针对的是城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾收集。根据调查和分析，城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾主要有烂蔬菜、塑料袋、软包装、饮料盒、塑料泡沫等。所以收集船采用钢丝网翻斗作为垃圾的收集机构，这样易于收集垃圾，而且可以使水从网洞中流走，从而收集的大部分都是垃圾。因为垃圾很可能堆积在在两侧的江岸、堤坝、湖边及拐角回流区，所以该垃圾收集船采用了一个可以把垃圾从角落拨到垃圾收集水域的可动的挡板引导装置。为了提高水面垃圾收集的收集效率，船要有连续收集的能力，所以水面垃圾收集船的收集机构采用具有循环工作能力的四杆机构。另外，为了使船具备在无动力的情况下的收集能力，该水面垃圾收集船采用了一个叶轮，使垃圾进入收集水域。

设计主要包括了水面垃圾收集船的结构，装配，选材，电机选择，以及标准件的选择。本文对设计中，水面垃圾收集船的结构图，装配图，零件图，都有详

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细的说明。

关键词：船 垃圾收集 漂浮物 环境保护

The Desgin of A New Washing Machine Of Bearing

Student: Yangfeng Jiang Advisor: Dr. Ning Chen

School of Mechanical and Automotive Engineering

Zhejiang University of Science and Technology

Abstract

This paper is mainly about the detailed design, calculation, verification & selection of the floating refuse collection boat. It analyzes the functional requirements which the floating refuse collection boat have to meet. It understands the working principle, basic structure, composition and functions of the similar refuse collection vessel, and it studies system structure, function, design methods of parts and the realization of the “green water NO.1”floating refuse collection boat.

“Green water NO.1”floating refuse collection boat is a new type of mechanical equipment to solve the problem of floating refuse on the water .It is easy-operation, reliable and low cost and suitable for urban rivers, lakes and scenic areas and so on. “Green water NO.1”floating refuse collection boat is aimed primarily at collecting the floating refuse in urban and scenic rivers, lakes. According to the survey and analysis,

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there are rotten vegetables, garbage, plastic bags, flexible packaging, beverage bottles, and plastic foam in urban and scenic rivers, lakes. Therefore, the floating refuse collection boat uses a steel mesh dump as the refuse collection mechanical body, which can make the boat collect refuse easily and can make the water flow away from the refuse, leaving the refuse alone. Because the refuse is likely to accumulate in the river on both sides, the dam, the lake and the corner recirculation zone, the refuse collection boat use a movable guide device which can move the refuse from the corner of the waters to the refuse collection area. In order to improve the refuse collection efficiency in the collection and make it enable to collect refuse continuously, so this boat uses a 4-stick mechanical body as refuse collection mechanical body. In addition, in order to make it have the collection capacity in the case of no power, the refuse collection boat uses an impeller which can move refuse into the collection area.

This design includes structure, assembly, material, electrical choice and the choice of standard parts of the floating refuse collection boat. In this paper, the design of the floating refuse collection boat, assembly, parts map have detailed instructions. Keywords：Boat；Refuse collection；Floats；Environment protection

目录

中文摘要 ........................................................... I Abstract .......................................................... II 目录 ............................................................. III 第1章 绪论 ....................................................... 1

1.1 设计的背景与意义 ........................................... 1 1.2 国内外的水面垃圾收集的情况 ................................. 2 1.3 设计的性质和任务 ............................................ 3 第2章 “碧水一号”水面垃圾收集船设计相关基础――虚拟装配技术〔3〕 .... 4

2.1 基本概念 ................................................... 4

2.1.1虚拟装配............................................... 4 2.1.2装配关系............................................... 4 2.1.3装配约束 ............................................... 5

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2.2 基于装配约束的产品设计 ..................................... 6

2.2.1基于装配约束的CAD设计思想〔4〕........................... 6 2.2.2基于装配约束的产品CAD设计方法 ......................... 6 2.3 本设计采用的设计软件――Solidworks2007 ..................... 6 第3章 机电传动及其控制系统 ........................................ 8

3.1 机电传动 ................................................... 8 3.2 控制系统 ................................................... 8 第4章 机械设计简介 ............................................... 10

4.1 设计准则 .................................................. 10 4.2尺寸公差和表面粗糙度........................................ 11 第5章 水面垃圾收集船主机原理方案构思和拟定 ....................... 13

5.1 整体方案 .................................................. 13 5.2 方案创新点 ................................................ 14

5.2.1叶轮机构 .............................................. 14 5.2.2间歇翻斗机构 .......................................... 15 5.2.3挡板机构 .............................................. 15 5.2.4外观结构设计 .......................................... 15 5.2.5挡布设计 .............................................. 15 5.2.6其他 .................................................. 15 5.3 船体结构和尺寸设计 ........................................ 16

5.3.1船体结构设计 .......................................... 16 5.3.2船体尺寸设计 .......................................... 16 5.4 机构设计 ......................................................... 16

5.4.1挡板引导装置的设计 .................................... 16 5.4.2叶轮的设计 ............................................ 17 5.4.3间歇性翻斗机构的设计 .................................. 18 5.4.4动力驱动机构的设计 .................................... 19 5.4.5方向控制机构的设计 .................................... 19 5.4 虚拟装配 ......................................................... 20

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第6章 理论设计计算 ............................................... 22

6.1 船体运行速度计算 .......................................... 22 6.2 引导装置各项数据计算 ...................................... 22 6.2 翻斗四杆机构尺寸计算 ...................................... 23 6.2 翻斗机构电机选用，周期和间歇时间计算 ...................... 23 6.2 转向时间计算 .................................................... 24 第7章 设计总结 ................................................... 25 参考文献 .......................................................... 27 致 谢 ............................................................. 26 附录（模型实物照片） .............................................. 28

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第1章 绪论

1.1 设计的背景与意义

水是动植物体内和人的身体中不可缺少的物质，可以说，没有水就没有生命的存在。另外，人类生活中的衣食住行都离不开水。工农业生产中也不能离开水，水是工农业生产的重要原料。在农业生产中消耗的淡水量占人类消耗淡水总量的60%—80%，工业上也要用大量的水进行生产。另外，水在内河与海洋运输上也起着重要作用。在自然界中淡水量不到水总量的1%。据21世纪城市水资源国际学术研讨会透露，联合国已经把我国列为世界上13个最缺水的国家之一，目前我国人均用水量是世界人均用水量的30%左右。

目前，水缺乏已成了严重制约我国社会经济发展的“瓶颈”之一。而据专家预测，到2030年前后，中国用水总量将达到每年7000亿至8000亿立方米，而中国实际可利用的水资源量约为8000亿至9500亿立方米，需水量已接近可利用水量的极限。由于水资源供给的稳定性和需求的不断增长，使水具有了越来越重要的战略地位。国外的一些专家指出，估计到21世纪水对人类的重要性将象20世纪石油对人类的重要性一样，成为一种决定国家富裕程度的珍贵商品。一些世界著名的科学家提醒人们：一个国家如何对待它的水资源将决定这个国家是继续发展还是衰落。那些将治理水系作为紧迫任务的国家将占有竞争优势。如果水资源被污染，人类的健康、经济发展以及生态系统将受到威胁。

自改革开放以来，随着城市经济与建设的发展，风景区旅游业的开发与建设，加上人们环境意识的淡薄，各地河道、湖泊、水库等水资源环境的水面垃圾日益剧增，污染严重（如图1.1和图1.2所示）。据粗略统计，目前杭州城市河道水面的漂浮垃圾量多达十几吨，这不仅给杭州市市容和环境卫生造成严重损害，而且阻碍船舶的安全航行。光杭州的水面垃圾数量就如此之巨，更不要说全国的水面垃圾数量。为此，水面垃圾收集势在必行。

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图1.1 城市河道污染 图1.2 运输河道污染

1.2 国内外的水面垃圾收集的情况

为解决水面垃圾收集的问题，目前很多地区还是采用利用人工打捞的方式为主（如图1.3所示），以杭州西湖景区为例，景区管理局就要定期叫工作人员进行手工打捞水面垃圾。这种方法的缺点是其生产效率低、劳动强度大，工作环境恶劣。

此外，目前市场上也出现了一些机械智能化的水面垃圾收集设备。由于水域不同、垃圾种类不同及回收量的不同，形成了各种类型的水面垃圾收集船。例如ZS-800型水面清漂船、16.5米水面垃圾收集船等等。但现在市场上的水面垃圾收集船大都是大型船舶机械，主要用于大范围大面积水域垃圾的收集，其结构复杂，体积庞大，价格昂贵，而且需要专业人士操作，从而不能被广泛地应用于城市河道和风景区水域的垃圾收集作业。

图1.3 人工打捞

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1.3 设计的性质和任务

“碧水一号”水面垃圾收集船主要针对的是城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾收集。根据调查和分析，其水面垃圾主要有稻草、烂蔬菜、塑料袋、软包装、饮料盒、塑料泡沫、瓜皮等。由于受河道过往船只形成的浪涌及潮水的冲击，水面垃圾一般集中在两侧的江岸、堤坝、湖边及拐角回流区，而河道和湖泊的中央几乎没有垃圾，因此要求收集船尺寸小，操作灵活、零航速作业效能好。

针对目前市场上的这一特殊情况，我们机械设计小组设计并制作了“碧水一号”水面垃圾收集船。本收集船主要适用于城市河道、湖面以及风景区水域。本作品具有结构设计巧妙、体积小巧，收集方式和操作简单，而且收集效率高，造价低廉等特点，市场前景广阔。

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第2章 “碧水一号”水面垃圾收集船设计

相关基础――虚拟装配技术

2.1 基本概念

2.1.1虚拟装配

随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈。制造业要在竞争激烈的全球市场求得生存与发展，必须能够更好地满足市场所提出的TQCS要求，即：要以最短的产品开发周期(Time)、最优质的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)来赢得市场与用户。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应。与此同时，信息技术取得了迅速发展，从而为制造业的信息化发展提供了良好的基础。8O年代，随着先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS)的实施，以及随后提出的计算机虚拟制造技术(VMT)，到9O年代时，计算机虚拟制造技术得到了极大重视并得到迅速发

展。随着市场全球化的进程，信息化制造将成为现代制造企业追求的重要目标之。

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计算机技术、CAD技术的发展，使得虚拟技术在CAD中的应用,虚拟装配技术得到了产生和发展。虚拟装配是在计算机上建立起如同真实样机的直观可视化的三维数学几何模型,即虚拟样机,然后通过在计算机构建的虚拟环境中对零件装配情况进行干涉检查。

目前,虚拟装配所采用的是“引用”(或称为“借用”)方法,所谓“引用”,指在实现模型装配时,通过记忆零部件在装配模型中的各自位置,且在需要时才装入组件,而不是将所有组件全部真实送入装配模型。组件送入装配模型后,装配模型记录的是组件的最新版本(而不是过时版本),当零部件修改后,装配模型会自动地更新。这样,既节省了大量的工作,也为“并行工程”的开展提供了技术基础,而且还减少了很多的劳动力。装配模型所引用的各零部件可以储存于各用户的计算机、中心文件服务器或可通过网络的任何地方,使得零图纸和团队协同作业(Team Work)成为可能。

2.1.2装配关系

根据《机械精度设计基础》[5]，可知零件间的装配关系可分为间隙配合、过

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盈配合、以及过度配合。尽管产品的装配关系繁杂各异,但在装配形式上,仅有位置和配合两种基本形式。然而在计算机中却可以通过定位关系描述零部件之间的空间位置关系和配合关系(如图2.1所示),如平面贴合、平面对齐、柱面贴合、点面接触等来进行零件装配。它描述零部件之间直接的相互关联关系。配合关系分为刚性和弹性两种。

装配关系 定位关系 配合关系 图2.1 装配关系分类

2.1.2装配约束

产品虚拟装配时,零件可分为两种:一种是基础件,在装配过程中有一个零件是固定不动的,称之为基础件,装配中它不移动也不转动;其余零件,在装配过程中既移动也转动,称之为浮动件。浮动件的运动表现为六个自由度:3个移动,3个转动。它们在装配中的关系表现为配合约束关系。

在虚拟装配的软件里，分别可采用贴合、齐平和定向(定角度)三种方式约束相互配合的零件约束。装配约束表现形式有面对面,线对线,点对点等,并通过面对面(限制两个转动和一个移动);面对点(限制一个移动);线对线(限制一个转动两个移动);线对点和点对点(限制两个移动)的约束实现。

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2.2 基于装配约束的产品设计

2.2.1基于装配约束的CAD设计思想〔6〕

图2.2基于装配约束的CAD设计思想

产品零部件的装配,是产品虚拟设计的关键所在。针对产品的结构和设计特点,为此提出基于约束的产品设计思想如图2.2所示。

2.2.2基于装配约束的产品CAD设计方法

用户在进行模仿、改造或创新产品设计时,可以利用三维造型软件中模块所提供的造型工具(拉伸、旋转、扫描、放样等)实体零/部件,或引用图库中已有的零部件,通过所提供的装配约束/装配关系描述(配合、表面齐平、对准度、插入)得到装配体。今后用户可根据需要,通过编辑装配约束,即可得到更改后的产品装配图。当装配关系和装配约束保持不变，却想改变零件的结构和形状尺寸时，产品装配不会发生变化。同样，用户可以改变装配约束描述，很快地得到产品爆炸图。

根据人的一般思维习惯，基于装配约束的产品设计理念，支持自顶向下和自底向上两种装配设计方法，确保在设计群体中每个成员的设计从产品设计开始，就被有效地控制在最终产品可装配范围内，从而减少了设计过程中的重复现象，缩短了产品的开发周期。

2.3 本设计采用的设计软件――SolidWorks2007

现在，CAD技术已经成为企业在新产品开发过程中的技术保障，它是现代

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化数字技术产品它具有其他二维软件无法比拟的优势和功能。要现实的产品的虚拟设计中，常用的三维造型软件有CATIA，PROE，UG, Solid Works等产品设计软件。

由于常规的AUTOCAD等二维设计软件在设计的产品的各个尺寸中没有约束关系，使得一个尺寸出现差错就全盘失效，难以满足现代产品设计的要求，尤其它们的装配干涉，运动干涉等问题特别突出。对一个新产品来说，能否占领市场，其生产成本是至关重要的。如果运用虚拟设计和虚拟装配技术，就可以对新产品的开发进行周密和细致前期设计，技术与方案的整改，以及尺寸的调整。运用三维造型软件可以避免后续的反复修改，节约大量的时间和资金。

Solid Works三维造型软件具有功能强大、易学易用和技术创新是的三大特点，使得Solid Works成为设计者们首选的、公司普及的主流的三维CAD设计造型软件。Solid Works能够轻松实现设计者心里想的产品设计方案，而且还能减少设计过程中的错误以及对产品进行优化设计。

在Solid Works中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并使其各个零件间保持特有的参数关系。在装配的环境里，可以方便地修改和组装零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，Solid Works也能正常进行零件装配，软件性能不会受影响。Solid Works还可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。同时Solid Works还为设计者提供了智能零件技术。智能零件技术是一种崭新的技术，用智能零件技术可以自动完成重复设计，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。Solid Works用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。

Solid Works可以直接根据零部件的三维图，可以通过改变其保存的格式，以工程图即二维图纸的形式保存下来，正真实现了三维与二维的转化。这样能为设计者减少很多画工程图的工作量。所以水面垃圾收集船的设计思路就采用Slid Works先画出各零部件的三维实体图，再利用虚拟装配技术，在虚拟装配环境中进行虚拟装配，通过Slid Works软件中特有的对性能和各项参数进行全面检查的功能，对设计的产品进行模拟检查，然后进行设计优化。最后把Slid Works软件中三唯实体图导成标准的工程图即二维图。

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第3章 机电传动及其控制系统

3.1 机电传动

机电传动（又称电力传动或电力拖动）（又称电力传动或电力拖动）就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称，它的目的是将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。单就机电传动而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是多台电机拖动一根天轴，然后再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种拖动方式生产率低，劳动条件差，一旦电动机发生故障，将造成成组的生产机械停车；所谓单电动机拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的一个运动部件较多时，机械传动机构仍然十分复杂；多电机拖动，即一台生产机械的每一个运动部件分别由一台专门的电动机拖动，例如，龙门刨床的刨台，左右垂直刀架与侧刀架、横梁及其夹紧机构，均分别由一台电动机拖动，这种拖动方式不仅大大简化了生产机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利条件，所以，现代化机电传动基本上均采用这种拖动方式。

本水面垃圾收集船采用的就是多电机传动。

3.2 控制系统

控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科技等多种学科相互交叉发展的产物。控制系统的发展又随着控制元器件的发展而发展。随着敏感元件、功放远件的不断更新，以及光栅、磁栅、交流变频等技术的创新与突破，使得电机真正实现了转速可变控制。从而机电传动控制系统也真正得到了日新月异的发展。机电传动控制系统主要经历了四个发展阶段：最早的机电传动控制系统出现在20世纪初，它仅借助于简单的接触器与继电器等控制电器，实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差；30年代出现了电机放大机控制，它使控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可以随时检查控制对象的工作状态，并输出量与给定量的偏差对控制对象进行自动调整，它的快速性及其精确度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，使生产效率大为提高；40年代～50年代出现了磁放大器控制和大功率可控水银整

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流器控制；可时隔不久，于50年代末出现了大功率固体可控整流元件—晶闸管，很快晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制，由于晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命厂、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元；随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段—采样控制，它也是一种断续控制，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔（采样周期）比控制对象的变化周期短的多，因此，在客观上完全等效于连续控制，它把晶闸管技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，使晶闸管与晶体管控制具有强大的生命力。

20世纪70年代初，计算机数字控制（CNC）系统应用于数控机床和加工中心，这不仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产上得到了广泛的应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全盘自动化创造了物质基础。80年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线—柔性自造系统（FMS），它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直至装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成生产

〔9〕系统（CIMS）是人们今后的任务。

本设计虽然要实现的自动化要求并不是很高，但该产品也是一个简单的机电一体化产品。采用的控制系统使用了电子元器件，实现开关量的控制，可谓是对自动化控制系统的一个简单应用。

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第4章 机械设计简介

整个机械设计是一个复杂的过程。设计人员必须在这样的领域，如静力学、运动学、动力学和材料力学具有良好的素养，此外，还必须熟悉制造材料和制造工艺。设计人员必须能够组合所有相关的事实，进行训渭、制作草图和制图来把制造要求传递到车间。

任何产品设计的第一步工作之一是选择用于制造每个部件的材料。今天的设计人员可得到无数上午。在选择时，产品的功能、外观、材料成本和制造成本都很重要。在任何计算之前必须仔细评估材料的性能。

有必要仔细计算以确保设计的有效性。计算从不出现在图上，而是由各种原因被存起来。一旦任何一个部件失效，就要弄清楚在最初计算这个有缺陷的零件时做了什么；而且，从对过去的项目的计算中可以获得一份经验文件。当需要类似的设计时，过去的记录会有极大的帮助。

计算（和图上尺寸）的检查最为重要。一个小数点的放错位置可以毁掉一个本来可以接受的项目。例如，如果一个人要设计一个能支撑100磅的托架，而它本身应该能支撑1000磅，结果肯定会失败。必须检查再检查设计工作的方方面面。

计算机对于工作人员来说是一个很有用的工具，可以减轻乏味的计算并且对现有数据提供扩展分析。基于计算机性能的交互系统使计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）成为可能。通过这样的系统，就可能把一个初步构思传送到打孔纸带用于数字加工控制而无须绘制正式的施工图。

4.1 设计准则

在这一部分，有人建议运用创造的态度进行分析，这种分析可以改进以及对设备用产品的构思和完善，也许产品的功能更多、更经济、更耐用。创造阶段无须是最初和独立的阶段。虽然分析人员可能并不负责整个设计，但是他不仅仅是能从数字上提出要他解决的问题的正确答案，不仅仅是给出应力值、尺寸或者工作限制。他可以提出更广泛的见解，以便改进或规范方案。由于在分析前或分析过程中，他会熟悉装置及其工作条件，他就处于一个构思备选方案的有利位置。最好他能提出建议改变形状来消除力矩或应力集中，而不是允许构件具有大截面或过多动态载荷的机构最好是他报废他的细致的设计而不是后来看到机械报废。

为了激发创造性思维，建议设计人员和分析人员使用以下准则。前6条准则尤其适用于分析人员，虽然他可能涉及到所有这10条。

1. 创造性地利用所需的物理性能并控制不需要的。 2. 认识实用载荷及其重要性。

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3. 预先考虑没有作用的载荷。 4. 发明更有利加载条件。

5. 提供最小量的最有利的应力分布和刚性。 6. 用基本方程计算比例并使尺寸最优化。 7. 选取材料以获得性能组合。 8. 在备件和集成零件间仔细选择。

9. 修改功能设计以适应生产过程和降低成本。 10.考虑装配中使部件精确定位和互不干扰。

4.2尺寸公差和表面粗糙度

由于大多数制造行业均具有高度的竞争性，因此寻找降低成本的途径这个问题一直是人们关心的。降低成本的最好起点是在产品的设计阶段。设计工程师在进行设计时应该记住所有可供选择的方案。如果不对可能的生产成本进行认真的分析，通常不可能选定最好的方案。在对产品的功能、互换性、质量和经济性进行设计时，需要对其公差、表面粗糙度、加工方法、材料以及设备等问题进行认真的研究。

为了能够从制造上保证设计的合理性和经济性，认真考虑下列各项一般性规则――即要单独考虑每一项规则，又要对规则地行整体考虑—是非常重要的。对于不同的设计要求或者因素，每一项规则的重要程度可能会发生变化， 但是这些规则的总体重要性将不会发生变化。

（1）、尽量简单。在功能特性和结构特性的设计方面应该为最简单。 （2）、确定最好的加工方法。寻求生产工程师的帮助，设计最经济的加工方法。

（3）、材料分析。选择题能满足设计要求，成本以低的材料。

（4）、避免产生夹紧与装卸方面的问题。设计容易定位、夹持与装卸的工件。 （5）、采用尽可能大的公差和表面粗糙度。在确定零件的表面粗糙度和尺寸精度时，不应该对零件或者机构的设计，以及将要采用的生 产过程提出过高的要求。

表面粗糙度的大小与尺寸公差是决定设计是获得成功还是脱离实际的关键因素。

对于互换性原理的全面、深入的研究是充分理解和正确认识低成本生产的技术基本因素。互换性原理是保证任何数量的零件能够顺利生产的关键。应该综合考虑所有零件的细节，以保证不仅可以采用低成本的加工工艺，而且可以实现快速和容易的装配和维修。应该牢记，每一种生产方法都对应着一个在连续生产条

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件下不超过其基本成本的精度水平。

经济的制造并不是自然而然产生的。它是从设计阶段开始的，要考虑机床、加工方法、公差、和表面质量的实际限度。尺寸公差和表面粗糙度都不应该规定得比实际功能或者设计要求的精度极限更小。这样做就能够得到尽可能低的成本和尽可能快的生产速度。

设计工程师并不需要知道如何操纵一台专门的机床去获得所需要的表面粗糙度，但是他应该清楚这些加工方法的某些情况。各种工序所能得到的表面粗糙度值的大小，以及采用每一种工序来获得光滑表面的经济性方面的知识都会帮助设计工程师决定采用何种表面粗糙度。

由于其简单，算术平均粗糙度Ra在全世界范围内得到了广泛的应用。下面各段中介绍了表面粗糙度Ra的应用实例。

0.2μm 这种表面粗糙度适用于液压支柱的内表面，液压缸，O型密封圈的活塞和活塞杆，滑动轴承中的轴颈，凸轮表面，承受正常载荷的滚动轴承中的滚柱等。

0.4μm 这种表面粗糙度适用于高速转动的轴承，承受重载荷

的轴承，普通商业级轴承的滚柱，液压零部件，静态密封环，密封环槽底，在滑动轴承中工作的轴项和承受很高拉应力的构件。

0.8μm 这种表面粗糙度通常见于有应力集中和承受振动载荷的零件，以及拉削的孔。齿轮齿面和其他精密加工的零件。

1.6μm 这种表面粗糙度适合于普通轴承，一些尺寸公差较小的普通机械零件和不承受剧烈交应力的高强度零件。

3.2μm 这种表面粗糙度不能用于滑动表面，但可以用于承受较低载荷和不经常承受载荷的粗支承面，或者适用于承受中等应力的机械零件。

6.4μm 这种表面粗糙度的外观并不太难看，可以用于非关键零件的表面和支座安装面等等。

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第5章 水面垃圾收集船主机原理方案构思

和拟定

5.1 整体方案

碧水一号”水面垃圾收集船主要针对的是城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾收集。根据调查和分析，其水面垃圾主要有稻草、烂蔬菜、塑料袋、软包装、饮料盒、塑料泡沫、瓜皮等。由于受河道过往船只形成的浪涌及潮水的冲击，水面垃圾一般集中在两侧的江岸、堤坝、湖边及拐角回流区，而河道和湖泊的中央几乎没有垃圾，因此要求收集船尺寸小，操作灵活、零航速作业效能好。

根据以上要求，并参阅国内外水面垃圾收集船资料，对多种收集水面垃圾装置方案进行比较、综合分析及论证，同时考虑到目前管理、维修水平及经济条件等因素，我们采用了双体船型方案。

针对这些，本方案引入了“局部到整体”的设计方案。也就是根据各部分要实现的功能，依次设计出各个机构，再进行虚拟装配，排除干涉，达到设计的目的。

图5.1 收集船整体方案

如图5.1所示，本收集船主要由引导装置、导水叶轮、翻斗、翻转机构、垃圾仓及驱动转向装置等几个部分组成。该方案是通过一设于双船体间的叶轮造流，通过船体的挡板引导作用，将船体前方垃圾吸入翻斗垃圾收集区，再通过翻斗将收集到的垃圾翻转倾倒至设于船上的垃圾仓内。等垃圾收集任务完成，船体泊岸后，设于岸边的吊车把垃圾仓吊至转运汽车上，收集作业完毕。作业流程如图5.2所示。

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水面垃圾 挡板导向 垃圾仓 叶轮造流 翻转机构 翻斗收集岸边收集 翻斗收集

图5.2 收集船收集流程

考虑到垃圾收集的水域特点和收集的快速性、实用性，我们本着以更简单、更快捷、更可靠地完成收集垃圾任务的原则对收集船进行了设计与制作，在机构和船体的设计上主要有以下几点创新与特色点。

5.2 方案创新点

5.2.1叶轮机构

位于船头的导水叶轮进水深度20~30 mm。作业时，转动导水叶轮使其产生一定的局部水流，将船体前方的垃圾引导到船体翻斗收集区。当水面垃圾堆积时，船体可以停止前进，靠导水叶轮的造流作用，将垃圾收集到翻斗内。当船体逆流行驶的时候也不会出现垃圾随水流跑出翻斗收集区的情况。

这种垃圾收集形式，具有一个最大的优点就是既可以通过船体的前进收集垃圾，也可以无需将船体和收集工具进入垃圾汇集处就可将垃圾导入船体的垃圾收集区收集，特别适用于河道、湖泊的岸边、拐角区和其他环境复杂的垃圾堆积区。

5.2.2间歇翻斗机构

为了增加翻斗收集垃圾量，延长翻斗收集垃圾的时间，翻斗设计采用间歇性运动方式，主要由不完全齿轮传动和四杆机构来实现翻斗的间歇运动，使翻斗在水面停留和翻转间不间断运动。在翻转机构中采用四杆机构的急回特性，使翻斗快速复位收集垃圾位置，从而更有效地实现垃圾的收集和缩短翻斗倾倒垃圾的时间。

不完全齿轮机构的优点在于结构灵活，制作简单，无需控制电机的启动与停止，就能实现翻斗的翻转与间歇停留的控制，并且只要齿轮的齿数确定，其停留时间也确定并且固定不变，受力平稳，工作稳定。

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5.2.3挡板机构

为了更好地控制和调节挡板引导装置的伸缩张合角度，我们放弃了液压传动等高成本的传动机构，而采用了丝杆滑块传动机构。其结构简单，成本低，加工制作方便，而且传动稳定，可实现挡板在规定的角度范围内随意改变。工作时挡板可根据具体情况进行调节，这一设计能更好地将把前方垃圾引导到船体的收集范围内，大大地增加了清理垃圾的水域范围。并且挡板的快速转动控制，相当于一个简易的机械臂，可以拨动在角落、岸边等特殊位置的死角垃圾。

5.2.4外观结构设计

在船体结构上，为了增大垃圾收集量与增强收集效果，本收集船采用U型的双船体结构，根据流体力学原理，采用流线形设计船体外形。就同等排水量而言，双船体具有良好的稳定性，操作灵活，同时由于双船体甲板面积大，方便布置各种装置。

另外，本船体外光采用了金属元素风格包装，通过银色的喷漆与贴纸的合理搭配，给船体加上了一层金属光泽，诠释了机械与艺术完美结合的设计理念。

5.2.5挡布设计

为避免在翻斗机构工作中，当翻斗向上翻转倾倒垃圾时，水面垃圾从翻斗的底下溜走的情况，我们在翻斗下加设了挡布装置。即在翻斗的下面增设一挡布，当翻斗向上运动时，翻斗拉动挡布向上运动，通过挡布上重块的重力作用，使得挡布垂直绷直，以达到将垃圾挡在挡布外面，避免垃圾窜进翻斗底部的目的。

5.2.6其他

在船首加设射水枪，前射时可把成堆的垃圾打散，以便收集，后射时则可把船首水面垃圾驱向叶轮，对垃圾收集起到一定的辅助作用。

在动力上，采用高速叶轮驱动的方式，利用船尾舵片控制方向，从而实现船体快速前进和灵活转向的功效。

为了充分体现人性化设计的风格，本船体还配备了音讯系统，在工作时将播放优美的音乐。

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5.3 船体结构与尺寸设计

本实物作品为“碧水一号”水面垃圾收集船的模型，为了保证模型试验结果能应用到实船上，根据相似理论，必须保证试验在模型与实船动力相似的条件下进行。为了减少试验中的尺度效应，同时又不至于增加太多的模型制作成本，我们选用模型与实船长度比系数为1：3 设计和制作。值得强调的是：试验过程中采用的垃圾不是模拟的，而是真实的，从而使试验的效果反映到实船更有保障。

5.3.1船体结构设计

为了尽可能地扩大水面垃圾收集范围，增大垃圾的收集量，在船体的设计上采用双船体的结构设计。这样的船体设计，使垃圾可以快速地进入到两船体之间，然后顺利地被收集进仓。

船体主要由两部分组成：上层甲板和浮体。上层甲板主要用于固定机械机构，采用既牢固又质轻的杉木割据拼凑成“U”字形；而浮体采用普通泡沫材料，为整个船体提供稳定可靠的浮力，分别固定于船体两侧的甲板下面，用泡沫胶粘合。

5.3.2船体尺寸设计

考虑到时间、资金和能力的限制，我们按比例缩小制作模型船。但为尽可能的体现出收集船的收集效果，经过计算分析，我们把船体的整体尺寸定为400mm × 800mm ，其中两边船体甲板的宽为70mm ，中间收集区的宽为 260mm ，船体甲板厚度为22mm。

5.4 水面垃圾收集船船体机构设计

5.4.1挡板引导装置的设计

安装在船首的挡板引导装置一部分浸在水中，呈外八字向前张开，且可以自由张合控制张角。在非作业状态时，收拢紧贴在船体首部舷侧板；工作时可根据具体情况进行调节，更好地将把前方垃圾引导到垃圾斗的宽度范围内，大大地增加了清理范围。

如图5.3所示，引导装置由滤水挡板和丝杆滑块机构等两部分组成。挡板一端通过活页固定于船首，并且可以0~180°之间自由转动。工作时，电机转动带动丝杆转动，使滑块在丝杆上发生相对移动，滑块推动连杆，连杆与挡板活动链

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接，从而拉动挡板，调节角度。根据实际的水面情况，通过控制电机的正反转来控制挡板的角度，从而控制引导装置的张开和闭合来调节收集范围。

图5.3 挡板引导装置（左：模型图，右：设计图）

5.4.2叶轮的设计

收集船的两侧船体前端之间安装有导水叶轮，它通过划动水面引起局部水流将垃圾引入收集区，通过叶片将垃圾拨入收集工作区，同时还可以防止垃圾漂出垃圾收集区。在船体停止前进的时候，可以利用叶轮制造的局部水流继续收集垃圾。

如图5.4和图5.5所示，导水叶轮主要由3片相同的叶片通过盘形支架固定于转动轴上，叶片的尺寸为 230mm × 120mm。叶轮的转动由直流电机提供动力，通过一对齿数相同，分度圆直径为22mm的齿轮组合实现传动，带动转动轴，从而实现叶轮转动。根据实际情况，经过设计计算，叶轮的转速为80r/min左右为最佳效果，所以我们选取功率为6W，转速为80r/min的37型直流减速电机。

图5.4 导水叶轮装置

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图5.5 导水叶轮装置

5.4.3 间歇性翻斗机构

当垃圾进入收集区时，通过翻斗机构上下反复翻转将垃圾收集进垃圾仓。翻斗机构由斗、曲柄摇杆机构和不完全齿轮传动组等三部分组成。

图5.6 间歇性翻斗机构

如图5.6所示，曲柄一端与不完全齿轮组的输出轴固定，翻斗左壁作为摇杆。通过计算确定各杆的长度，确定摇杆的摆角当达到120°时，垃圾能够顺利地从翻斗中倒出。设计翻斗的水平初始位置为曲柄摇杆机构的一极限位置，翻斗的翻转角度达到最大时为另一极限位置。其中利用了四杆机构的急回特性来实现翻斗的快速复位。其设计优点在于中间过程不用控制电机就能使翻斗的收集动作能自动的进行。另外，本翻斗机构还采用了不完全齿轮传动，即由一对一个去掉一定齿数的主动轮和一个完整的从动轮组成，从而实现按一定的间歇时间传动动力的效果，保证了翻斗在水面垃圾收集的时间和快速翻转倾倒垃圾的效果。

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5.4.4 动力驱动机构

考虑到收集船在收集过程中需要一定的时间，垃圾进入收集区的速度要和间歇性翻斗机构的收集速度相一致等因素，我们把船的推进速度定在了一个中等的速度范围，确定为0.1m/min左右。

根据实际情况，我们选用了同轴的双叶轮作为船的动力机构（如图5.7所示）。其中，每个叶轮有6片叶片组成，通过盘形固定支座固定于转动轴上。整个机构通过同步带实现动力传动，两叶轮固定转动轴端的同步带轮固定于两叶轮之间，另一个同步带轮与固定在甲板上电机的轴固定。此机构的优点在于有利于电机的固定和安放，还可以通过控制电机的转速来实现船体的推进速度控制，同时同步带轮也能实现无速度损失传动。

图5.7 动力驱动机构

5.4.5 方向控制机构

为了能实现水域垃圾的全面收集，有必要使船在垃圾收集过程中实现灵活转向控制（如图5.8所示）。为配合船的双叶轮动力推进机构，方向控制系统采用了双舵机构。它比单舵片的方向控制更快速有效，而且安装在船体甲板两侧也能使船在行驶时更加稳定。此双舵机构由舵片和连杆机构组成。连杆为一组双平行四边形连杆机构组成，中间的主动杆由一个转速是5 r/min 的37型直流减速电机提供动力。从动杆与舵片连接，通过轴承座固定于甲板上，这样就实现了两舵片同步转向的控制。

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图5.8 方向控制机构

5.5 虚拟装配

各个零部件设计完成之后，对它们进行虚拟装配。选定船体为基础件，其它的零件或子装配为浮动件。根据配合要求，使各零部件间的点线面进行配合约束。

装配好之后，对其表面进行喷漆，整个装置安装好的模型如图5.9、5.10所示。

图5.9 虚拟装配图1

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图5.10 虚拟装配图2

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第6章 理论设计计算

6.1 船体运行速度计算

船体驱动为一个12 V、600r/min的37型减速电机，其额定功率为10W。 船体的质量约为6kg，设水对船体的阻力为80N，则船体在匀速前进时的速度为0.125m/s，符合实际要求。

6.2 引导装置各项数据计算

已知条件：直流减速电机的转速n=280r/min，丝杆的螺距Pn=0.9mm，则 滑块和丝杆的相对速度 v= Pn×n= 0.9 mm ×280 r/min／60= 4.2 mm/s

曲柄滑块机构尺寸设计计算（如图6.1所示）：AD为挡板，绕A点转动，BC为与挡板固定的连杆，CE为与滑块相连的连杆。AD1，AD2为挡板的两个极限位置，E1和E2为对应的滑块位置，其中两极限角度由安装的实际情况得出，理论计算得出CE≥60×√2=85mm， 滑块的移动距离为125mm，挡板的全角度调节所需时间t=s／v=125mm／4.2 mm/s =29.8s 。

图6.1 机构杆长设计图

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6.3 间歇翻斗机构四干杆机构尺寸计算

如图6.2所示，CD是四杆机构的从动杆，AB是主动杆。在这个四杆机构中CD是摇杆，AB是曲柄。摇杆CD的摆角为120°，C1D和C2D分别为摇杆CD的两极限位置，AB1和AB2为对应的曲柄位置。设定CD长为100mm，主动杆转动轴与从动杆转动轴的距离为100mm，经过计算得出主动杆AB长为70mm，连杆BC长为124mm。

图 6.2 翻斗机构杆长设计图

6.4 翻斗机构电机选用，周期和间歇时间计算

翻斗机构中，主动杆与电机轴相连，电机转动一周，翻斗实现一次翻倒。考虑到倾倒垃圾所需时间，我们选择了转速为10 r/min,功率为8 W的37型直流减速电机。所以翻斗的工作周期T =1／N =60 s／10 r/min =6s。

不完全齿轮传动实现周期性间歇传动，其中主动齿轮齿数为18齿的不完全齿轮，原为40齿，分度圆直径Dn为80mm，模数Mn为2的完整齿轮经过去齿加工得到，从动齿轮为一个18齿的完全齿轮，其分度圆直径Dn为22mm，模数Mn为2。则：

得翻斗翻转时间：T′= T×18／40=2.7 s

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翻斗收集垃圾停留时间：T″=T－T′=3.2s

6.5 转向时间计算

船的方向调节通过点动控制，这要求电机的转速要慢一些，所以选择5 r/min的电机。舵片角度调节速度ω=2π·n /60= 0.52 rad/s。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pava.html