杆状结构内壁清洗装置的结构设计与分析

 马  昭，谢  玄，左继洲，杨乾文

 （武汉科技大学机械自动化学院，湖北  武汉  430081）

摘要：对一种基于离心原理的杆状结构内壁清洗装置进行了简单的结构设计，并对该装置进行了相关的结构再分析，为提高该装置的效率，对其各项参数进行了优化，提高了该产品批量化投入生产的可行性。

  关键词：内壁清洗装置；结构设计；杆状结构  中图分类号：TH692.9 

0  引言

 目前国内市场上用于清除水垢的方法主要为溶液去除法，即使用带有腐蚀性的酸性溶液对暖瓶内部的水垢进行消融，使得水垢弱化，进而将其慢慢去除。但这些溶液往往对暖水瓶内胆有一定的腐蚀性，影响了暖水瓶的保温性能；而且清洗液会在瓶胆内部残留异味，影响着人们的健康；同时除垢时间长，除垢效率不高，效果一般。由于暖水瓶的瓶口较小，一般的清洗毛刷不易伸进去刷洗，而且暖水瓶内胆是由二层玻璃制成的，玻璃是一种脆性材料，受压能力强，受拉能力差，容易破坏，故不能用一般的清洗装置对其进行清洗。在客观分析了市场上各种清洗工具的优缺点并针对性解决暖水瓶内胆瓶颈较小的问题后，我们设计了一种基于离心原理的杆状结构内壁清洗装置。为了优化了装置的性能，使其能够实现在不损坏暖水瓶内胆的前提下高效、简易地清洗内胆上的水垢，本文对该结构进行了详细的计算分析，并优化装置的结构参数以提高其清洗效率。

1  基于离心原理的清洗装置结构设计

 基于离心原理的清洗装置利用旋转时连杆的离心现象，旋转展开、停旋缩合，如图1所示。

 机械手设计为可缩展的细长杆形态，采用铰接的离心杆结构，杆的材质选用轻质不锈钢，装置结构示意图如图2所示。当马达停止旋转的时候，机械手会收缩成为细杆状，保证能够放的进去，拿的出来。由变压器控制电压，通过调节电压控制旋转杆的转速，继而控制相应的离心力，保证了清洗刷与瓶胆内壁接触压力的大小。在底部设置了清洗硬质毛刷，硬质毛刷可以对瓶胆的底部进行清扫。通过马达的正转和反转，使清洗刷在螺旋清扫的同时也能够上下旋转，保证了对暖水瓶内胆水垢的全方位清扫。

2  离心原理的杆状结构分析

 当将清洗杆完全放入暖瓶之后，通过连接在轴上的马达带动清洗杆旋转并展开至接触壁面，此时整个装置运动形态已经确定。现将整个装置简化为如图3所示的结构来分析毛刷的受力。假设物块及杆均为刚体，且绕z轴做速度为ω的匀速圆周运动，物块质量为m，杆为均质杆且质量为m2，长度为l，圆筒半径为R，物块旋转时杆与水平线的夹角为θ，发动机的功率为P(kW)，转速为n1(r／min)。通过静力学分析计算出清洗杆和暖瓶内壁接触时各个关节的力。

 由图3所示的清洗装置几何模型及静力学模型得到平衡方程：

其中：T为杆的拉力；F为杆对物块提供的切向力；FN为物块对内壁的正压力；f为壁面对物块的滑动摩擦力，μ为摩擦系数。杆的受力分析如图4所示。

其中：M为清洗装置的输入转矩，由驱动马达提供；F’为F的反作用力。

 式(13)中FN即为正压力，与清洗度密切相关，式(13)即为该系统变量之间的关系。

 取μ=0.4．R=0. 05 m，m2=0.5 kg，其正压力与功率、转速之间的关系用MATLAB建模计算，结果如图5所示。

 如图5所示，当电动机的转速达到1 500 r／min以上时，其正压力随着转速或功率的增大而逐渐增大，在满足安全系数的前提下，正压力越高，其清洗效率也越高，而功率越小，其越节能环保。

3  结语

 本文设计的基于离心原理的杆状结构内壁清洗装置的应用前景较大，具有一定的推广价值，其结构简单，可以清洗多领域的容器内壁。在实际运用中，可能会碰到各种不同的容器，因此很有必要对其进行优化设计，使其技术更加成熟。