交通錐自動擺放及回收裝置的設計-畢業(yè)設計論文

金陵科技學院 ⅡAbstract I 41.1課題來源 41.2國內外研究現狀 42交通錐擺放及回收裝置整體結構 62.1交通錐擺放及回收裝置整體結構 62.2交通錐擺放及回收裝置工作原理 63路錐擺放及回收機構設計 73.1交通錐規(guī)格 73.2皮帶輸送機構 83.3橫向撥推機構 3.4提升旋轉機構 3.5路錐收集機構 4路錐收集機構的特點 5致謝 參考文獻 錯誤!未定義書簽。(目錄內容用四號宋體，行距24磅，目錄標注頁碼)摘要金陵科技學院學士學位論文摘要I交通錐自動擺放及回收裝置的設計本文介紹了一款車載式交通錐自動擺放及回收裝置。交通錐自動收放機包括皮帶輸送機構，橫向撥推機構，旋轉提升機構以及交通錐收集機構四個部分。之前國內交通錐的擺放及回收還一直處于人工作業(yè)，這臺機器可以做到全自動收放交通錐，僅需要一個人就可以完成擺放和回收等所有操作。本次設計采用的機構結構簡單，效率高，且易于維修及保養(yǎng)，能減少公路施工人員的工作量，大大提升公路施工的作業(yè)效率。關鍵詞：交通錐；自動收放裝置；公路施工；工作效率AbstractAbstractInthispaper,avehiclemountedtrafficconeautomaticplacingandrecoveringdeviceisintroduced.Beltconveyingmechanismcomprisesatrafficconeautomaticfoldingmachine,transversepushingmechanism,rotatingliftingmechanismandtrafficconecollectingmechanismfourparts.Beforethedomestictrafficconeplacementandrecoveryhasbeeninthemanualoperation,thismachinecandoautomaticretractabletrafficcone,onlyonepersoncancompletedisplayandrecoveryofalloperations.Thedesignofthesimplestructure,highefficiency,andeasymaintenanceandmaintenance,canreducetheworkloadofhighwayconstructionworkers,greatlyimprovetheefficiencyofhighwayconstruction.words:Trafficcone;Automaticplacingandrecoveringdevice;Highwayconstruction;金陵科技學院學士學位論文第2章數控加工動態(tài)仿真技術綜述金陵科技學院學士學位論文41.1課題來源高速公路的保有及使用情況體現了一國交通的發(fā)展水平，甚至整體的經濟發(fā)展水平。它不僅為了方便人民的出行，也會加強城市與城市之間的合作的關系，促進地方經濟發(fā)展。自改革開放后，我國經濟的快速發(fā)展，特別是現在是中國處于全面建設小康社會的關鍵時期，在規(guī)劃期間，高速公路的建設和發(fā)展也將迎來一段歷史的發(fā)展時期"。同時，隨著高速公路建設和發(fā)展，也對相關施工設備提出了更高的要求。例如，德國的高速公路系統，是世界上最先進的，其中有相當一部分的高速公路已配備了先進的設備維護保養(yǎng)設施，不僅方便快速，也更人性化2。高速公路的使用壽命是有限的。公路養(yǎng)護和公路施工過程和耐久性同樣重要，我們不能厚此失彼。隨著公路的不斷破壞和自然的入侵，公路的使用時間不斷下降3。雖然高速公路的建設水平越來越高，里程也越來越多，但其維護以及管理水平卻相對落后，二者之間的似乎存在著一些沖突，怎樣才能避免這之間的沖突是非常重要的。道路維護和維修部分要控制交通，即放置在操作區(qū)域外的交通標志，引導車輛行駛。在維修和維修操作中，保障駕駛區(qū)域和維修操作區(qū)的安全是十分重要的，有必要用路錐等物品或設置路障以引導車輛駛入正確的道路，防止車輛進入施工區(qū)域，尤其是在高速公路上進行施工作業(yè)時，汽車行駛的速度快，車流量大，更有必要用路錐等標識來疏導交通5。公路養(yǎng)護機械仍處于起步階段，雖然已經有一些知名企業(yè)已經開始發(fā)展配套產品如三一重工和中聯重科也有自己獨立的研究和開發(fā)的公路、道路維修設備，但在瀝青路面的養(yǎng)護，大型路面攤鋪設備和采礦設備等方面仍有待提高，且仍存在一些問題，應當使得維修機械更人性化。同時，產品的數量和品種都比較有限，不能完全適應公路養(yǎng)護機械現有的廣闊的發(fā)展平臺[6]。顯然，在目前國內公路的維護工作，疏導交通的工作，以及擺放和回收路錐，交通工作安置和恢復，仍然是采用人力來完成的。國內該機構的研究尚不完善，,但國外早已在這一領域進行積極的探索，并取得了一定的進展。1.2國內外研究現狀在中國，此類機構研究還處在入門水平，山東濰坊的劉先生發(fā)明了一種用于高速公路的“快速擺放錐形標的擺放機”,并對其發(fā)明申請了國家專利。該發(fā)明由一名工人用拖車把交通錐放在滑道上，交通錐沿滑道會因自身重力向下滑動，并在適當的位置自動放好。金陵科技學院學士學位論文第2章數控加工動態(tài)仿真技術綜述金陵科技學院學士學位論文5本發(fā)明可以減少人工工作量，提高交通錐施工安全系數，鋪設效率在一定程度上大大提高，工人們只需要在拖車里把交通錐放在滑板上。但相比于自動擺放及回收機構來說，工作的環(huán)境舒適度和工作的安全性是一個很大的問題，更為關鍵的是，這個發(fā)明是半自動，并不是全自動收放|。英國、美國、德國、美國、法國等發(fā)達國家的公路系統，由于勞動力成本高，并且他們也是基于他們的工程裝備的基礎在上世紀70年代初開始研究交通錐自動回收裝置，研發(fā)了許多相關產品，在試驗中和實際應用中均已得到應用。最早國外開發(fā)的用于交通錐的自動化設備是1973在美國獲得專利，專利號US3750900°。該裝置可容納兩千個交通錐，擺放交通錐時行駛速度接近55km/h,但由于體積龐大，只能回收，不能擺放和在設計上存在安全漏洞，從而并未在市場得到認可。上世紀90年代，美國一家公司發(fā)布了一種圓盤式的交通錐的自動鋪設和回收系統，專利號為US505464810,該系統安裝在皮卡車中，其核心部分直徑可達1.2米的輪盤，在路錐的鋪設過程中(駕駛速度可達40km/h)交通錐的鋪設和回收通過圓盤的回轉來實現，但由于該系統并未完成完全的自動化，因此仍然需要一名工人在后面上料以及處理一些異常情況，雖然鋪設效率有了明顯的提升，但它依舊是一臺半自動的設備。而且當該機構需要回收交通錐時，車輛只能沿正方向行駛而不能逆行。在回收交通錐的過程中車輛失去了導向作用。其他車輛很容易在高速公路上造成車禍，形成安全事故。雖然已經進行了很多改進，但是它們的安全性仍然受到質疑，并且經常需要手動干預的恢復錯誤，使得其在市場上的影響比第一款設備的影響更小。迄今為止，在研究路錐自動擺放及回收的這一領域內，最知名的是美國的高速公路養(yǎng)護技術研究中心。從上世紀90年代開始，美國的高速公路養(yǎng)護技術研究中心用皮卡車當做運載工具，在車尾箱上架起路錐擺放機構，從而實現自動收放功能，在此期間對該機構進行了一系列的研究，并發(fā)布了很多研究報告-16],該裝置在尾部增加了一套傳動裝置，用于路錐的存儲以及自動擺放及回收，并設計了一個可以垂直回轉的機械手，因此可以自動擺放并回收率追，司機一人可以完成所有的工作。由于車身的容量小，存儲路錐的數量也不足100個，為了擴大系統容量，美國的高速公路養(yǎng)護技術研究中心又設計了一套增加容量的倉庫。加上移動倉庫后，可以一次性擺放或是回收240個路錐，效率遠超過之，達到了施工作業(yè)的要求。金陵科技學院學士學位論文第2章數控加工動態(tài)仿真技術綜述金陵科技學院學士學位論文62交通錐擺放及回收裝置整體結構2.1交通錐擺放及回收裝置整體結構1、皮帶輸送機構2、橫向撥推機構3、旋轉提升機構4、交通錐收集機構圖2.1整體結構圖2.2交通錐擺放及回收裝置工作原理圖2.1所示為車載式交通錐擺放及回收裝置整體結構圖，裝置1是皮帶輸送機構，用于輸送和存儲交通錐，存儲量為100個，擺放交通錐時，當靠近車頭的四排交通錐全部擺放完畢，裝置1皮帶輸送機構會將第二排的交通錐推送到最前方，回收交通錐時，當靠近車頭四排交通錐放滿了，就將其運動到靠后一排的位置；裝置2是橫向撥推機構，擺放交通錐時，當圖2.1中最右側的交通錐擺放完成，則將下一摞交通錐推至最右側，回收交通錐時，當最右側一摞的交通錐數量達到五個，則裝置2橫向撥推機構將交通錐推向左側；裝置3是提升旋轉機構，在交通錐的頂部，有一塊用于吸附在提升裝置上的鐵塊，裝置3提升旋轉機構的末端有一塊電磁鐵，整個機構的旋轉運動靠工作臺上的伺服電機帶動。擺放交通錐時，纜繩下降，末端電磁鐵吸住交通錐，提升上去之后靠伺服電機帶動旋轉，然后放下纜繩，電磁鐵斷電，交通錐擺放完成?；厥战煌ㄥF時工作順序相反；裝置4是交通錐收集機構，在擺放及回收交通錐時起到導向作用。末端的開口作用是在車輛行駛稍有偏離時，也能夠將交通錐擺放到位或回收上車7。金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS73路錐擺放及回收機構設計交通錐俗稱紅帽子，也稱為錐形路標或是路錐等等。執(zhí)行JT/T595-2004《錐形交通路標》交通行業(yè)標準。本裝置使用的路錐按照GBT24720-2009交通錐18中所規(guī)定的交通錐外形，根據需要在頂部增加一鐵塊圓形平面，因此可以吸附在提升旋轉機構上。如圖3.1所示，頂部鐵塊直徑56mm,厚度15mm,下面錐總高700mm,錐頂部外圓86mm,斜面底部外圓300mm,交通錐壁厚15mm,底座上圓盤直徑330mm,厚度28mm,下圓盤直徑424mm,厚度30mm,底部圓孔直徑270mm,路錐重量約為5kg。路錐底部分為圓底和方形底部，圓底的好處在于擺放和回收的時候，不需要進行周轉方向的定位。圖3.1交通錐金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS83.2皮帶輸送機構圖3.2皮帶輸送機構1.驅動滾筒2.機架3.擋板4.皮帶5.上托輥6.下托輥7.從動滾筒8.調平腳杯圖3.3皮帶輸送機構結構原理圖皮帶輸送機構如圖3.2和圖3.3所示，由上述8個部件組成。本機構有兩個作用，用于輸送和存儲交通錐，存儲量為100個，橫向可以擺放5排，縱向擺放4排，每一摞放5個路錐，擺放交通錐時，當靠近車頭的四排交通錐全部擺放完畢，裝置1皮帶輸送機構會將第二排的交通錐推送到最前方，回收交通錐時，當靠近車頭四排交通錐放滿了，就將其運動到靠后一排的位置。3.2.1驅動滾筒的選擇皮帶輸送機構中，驅動滾筒與從動滾筒的中心距為2270mm。由于外形尺寸有限，因此不選用外接電機，考慮到現有的尺寸結構，選用電機滾筒一體式設計。電機滾筒有很多種類。根據帶式輸送機的某些特殊場合需要，又出現了介于分離式驅動和電動滾筒驅動形式之間的減速裝置在滾筒體內部、電動機在滾筒體外面的外裝式電動滾筒。在本文中選取金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS9的電機滾筒如下圖所示。帶式輸送機的油浸式電動滾筒傳動裝置。在同樣的油冷滾筒和風冷滾筒的比較中，具有一定的優(yōu)勢：電機允許高溫情況下作業(yè)，使用的是F級絕緣的油浸，工作壽命長。行星齒輪傳動，負載大，噪音低。新密封劑和特殊防漏措施，無滲漏。這種類型的電鼓具有完全密封型，適合潮濕多塵的環(huán)境。在這些情形下不能使用：對工作環(huán)境的要求需要防爆，工作場所高于45度，以及在高溫下的物料輸送19。油浸式電動滾筒結構：由兩邊端蓋以及滾筒組件裝配而成，利用兩邊的法蘭撐在底部支撐座上面。電機后方接一個二級齒輪減速器，減速比為1:10,減速器連接電動滾筒，由于滾筒具有雙重密封結構，因此發(fā)生漏油的可能性幾乎為零。出于方便維護的角度考慮，在每個滾筒裝配的時候就已經做好了注油潤滑工序，因此能夠在半年一檢查的情況下長期運行，檢測內部潤滑是否合格的方法：把油口朝斜上方放置，查看滾筒內部的油面高度，當油面的高度與放油口的高度幾乎一致時，就表示合格。潤滑油應該隔兩年更換一次，注意更換的有的品種，滾筒的說明書上會有詳細說明。不能選擇說明書以外的油種，以防電機工作異常。電動滾筒結構如下圖3.4所示。1.接線盒2.支座3.左端蓋4.左法蘭軸5.電機6.太陽輪7.齒圈8.行星輪9.行星架10.浮動齒套11.右端蓋12.右法蘭軸13.齒圈14.行星輪15.太陽輪圖3.4油浸式電動滾筒從動滾筒與驅動滾筒的直徑一樣。但是為了能夠張緊皮帶，因此增加了一個皮帶張緊機構。結構如下圖3.5所示。左側螺桿的旋轉用于調節(jié)滾筒座的前后位置，從而達到張緊金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS圖3.5從動滾筒張緊部分3.2.3傳動皮帶由于存儲路錐數量較多，因此需要將每一排路錐都分開，考慮到結構的緊湊和方便操作，在皮帶上鑲了六條分隔條用于隔開每一排路錐。皮帶的橫向寬度為1700mm。圖3.6傳動皮帶3.2.3其余裝置皮帶輸送機構的機架采用60的方形鋼管焊接而成，長*寬*高為2800*1870*370;為了防止路錐跌落，在機架周圍焊接上三塊擋板；上輥托用于承載路錐的重量，下輥托張緊皮帶；皮帶輸送機底部裝有4個底腳，用于皮帶輸送機構的微調高度和水平調節(jié)。3.2.4驅動電機的選擇皮帶輸送機上的圓周驅動力Fy等于皮帶輸送機構所有阻力之和，可由式(3-1)計算：Fu=F+Fv+Fs?+Fs?+F?Fv——皮帶輸送機的附加阻力Fu=F=fLG[qro+qRu+(2qa+qg)cosδ](3-2)單位是kg/m,qgu是下托輥的承載量，單位是kg/m,qa是皮帶每一米的質量，單位是34得f=0.22,L為兩個滾筒的中心距2700mm,根據《DTⅡ型皮帶機設計手冊》可得0.74kg/m。Fy=F=fLG[qro+qRu+(2q+qg)cosδ]=3058.44N驅動滾筒的傳動功率P?根據公式(3-3)可得P?=Fy.v金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS3.3橫向撥推機構圖3.7橫向撥推機構如上圖3.7所示，橫向撥推機構由底座、直線導軌、絲桿、滑塊、撥桿組件、組成。底座與皮帶輸送機構的機架相連，撥桿由后方的伺服電機帶動。為了避免絲桿上承受太多壓力，在絲桿旁邊布置了一條直線導軌作為導向和承載的作用[21。底座用5mm厚的Q235A板材壓彎，并在拐角處焊上加強筋。橫向傳動伺服電機根據經驗選取功率為400W,絲桿直徑32mm,直線導軌選取SBG65FL-1-820型，導軌寬度63mm,高度58.5mm,滑塊根據直線導軌的型號選取。圖3.8撥桿組件撥桿組件如上圖3.8,當需要將一摞路錐推到圖示方向的左側時，伺服電機帶動左側撥桿旋轉至直立的方向，右側撥桿放下至水平。相反，當需要將交通錐推到最右側時伺服電機會帶動右側撥桿旋轉至直立的位置，左側撥桿放下到水平位置，將交通錐推到最右邊。左側撥桿的橫向長度為200mm,伸出部分的長度為500mm;右側撥桿橫向長度是250mm,水平方向伸出580mm,這樣才能與左側撥桿保持平齊。1為重心到電機軸中心孔的距離，m為撥桿的質量，g為重力加速度。根據公式計算得M=m*g*l=1.78×9.8×0.35=6.根據下圖3.9可以算出100W交流伺服的電機可以帶動撥桿的旋轉2].型號額定輸出功率(M適配驅動器型號外形分類AAAABB頻定轉矩(Nn)操大轉矩(Nm)額定轉速/最高轉速(rgn)電機慣量(10'Kg·m)變壓器容量(KVA)編碼器光學編碼蒸(2500PPR)環(huán)境要求工作集度，厚度，“2043℃,WNH以下(不礎舞》,保存滿度、濕度)40-25℃。9WH以下(不需類道的00m以下報動2.如數下質量《制動器有/無)(Kg)3.3.2絲桿的計算絲桿需要帶動撥桿組件以及路錐，由三維軟件可以計算出撥桿組件的重量是18.5kg一次需要撥動5個交通錐，重量為5×5=25kg。根據負載可確定帶動絲桿轉動的伺服電機功率為400W。伺服電機速度控制非常精確，重復位置精度高，能夠把電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。輸入的電信號控制伺服電機的轉子，反饋迅速，在各種機械結構的控制系統中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓低等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機分為直流和交流伺服電機兩大類，交流伺服電機的特性是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。因此在本機構往復運動的的執(zhí)行元件大部分都選用交流伺服電機。此取絲桿直徑D=32mm。根據橫向行程確定絲桿的長度為1600mm,絲桿的導程為20mm,外循環(huán)式絲桿。根據絲桿行程和結構的需要，選取導軌的行程為1700mm。金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS3.4提升旋轉機構圖3.10提升旋轉機構如圖3.10所示，提升旋轉機構是擺放和回收路錐的重要部件，在擺放路錐時，通過末端的電磁鐵吸住交通錐頂部的鐵塊，提升到一定的高度，通過右側伺服電機和同步帶來帶動桿組旋轉至指定位置，之后頂部的伺服電機反轉，放下纜繩，交通錐擺放完成，回收的工序與擺放工序相反。整個提升旋轉機構由于高度的限制，需要放置在一個工作臺上，工作臺結構如圖3.11所示，工作臺底部由60方形鋼管焊接而成。工作臺頂部有一塊15mm厚的連接板，用于支撐和固定提升旋轉機構。圖3.11提升旋轉機構工作臺用于運動和動力傳遞，并且通過軸承和齒條連接，從而形成基于軸的裝配軸部件。而軸的結構在機床中的組裝的方式、軸的種類和大小、負載的形式、尺寸、方向以及軸的機械加工方法以及表面處理方法等，決在工程力學和機械設計等課程中，軸的強度、剛度校核是十分重要的。不同類型占有很重要的位置，軸類零件也可以用計算機來設計結果質量也越來越高，也能適應現在的非標自動金陵科技學院學士學位論文第3章一種可用于仿真系統開發(fā)的平臺——ACIS的特點，對現代機械設計的貢獻不可磨滅。軸類零件的設計依托著計算機技術的發(fā)展也越來越方便，如何校核強度對我們學習如何設計軸類零件有著重要的意義，在以后的工作中也會經常用到。在機械系統中，金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。強度是衡量零件本身承載能力(即抵抗失效能力)的重要指標。強度是機械零部件首先應滿足的基本要求。在各類機械結構中，金屬材料抵抗永久變形和在外力下斷裂的能力被稱為強度。強度是測量部件本身的負載能力(即，耐故障性)的能力的重要參數。各類機械零件都應該滿足強度的要求。圖3.12旋轉提升機構主軸本機構的軸主要考慮扭轉強度，根據和扭轉強度要求，選取外徑100mm,內徑60mm的空心軸可以滿足要求，因為在同樣的重量下，空心軸的抗扭轉強度要比實心軸高，根據主軸的外徑和負載需求，選取旋轉軸承為一對深溝球軸承61920,底部還需要一個推力球軸承51116,以保證主軸的支撐和旋轉。根據圖3.9以及主軸的負載，選取400W的交流伺服電機可以滿足機構的要求。圖3.13路錐收集裝置如上圖3.13所示，該機構是交通錐收集機構，在擺放及回收交通錐時起到導向車。連接部分是用兩根160*65的矩形鋼管焊接而成，鋼管頂部有一塊連接板，交通錐收集機構連接在車廂的下面，收集口由兩塊8mm的Q23收集裝置的開口為60°,開口寬度為484,比路錐的寬度稍寬，以便于擺放和回收交通錐，上方收集口開口角度為45°,作用相同。交通錐收集機構雖然結構簡單，但是附錄附錄本文針對國內公路施工的現狀而設計了這款機器，機器結構簡單，效率高，且易于維修及保養(yǎng)，能減少公路施工人員的工作量，大大提升公路施工的作業(yè)效率。論文第一章介紹了國內在路錐自動擺放和收集領域的研究現狀，也對國外這個領域的研究情況做出了分析。提出了國內在這個領域的研究情況的不足，以及有哪些發(fā)展空間，并闡述了交通錐自動擺放和收集裝置研發(fā)的意義和作用。第二章詳細地介紹了本機構的工作原理和各個部件的作用。根據公路施工時交通錐自動擺放及回收的要求，設計了這款機器。第三章介紹了路錐的規(guī)格；皮帶輸送機構的設計方法及原理，電動滾筒的選用，皮帶傳送結構的選取以及各個附件的說明；介紹了橫向撥推機構的工作原理，動作順序以及絲桿的計算方法，直線滑軌的選取方法；介紹了旋轉提升機構，主軸的扭轉強度校核，路錐的擺放和回收的方式；介紹了交通錐收集機構的設計過程及方法。參考文獻[1].白志強，崔志勇.淺析公路機械化養(yǎng)護[[J].工程機械文摘.2007:2[2].THOMASH.WEST;STEVENA.VELINSKY,BAHRAMRAVANI.AdvancedHighwayMaintenanceandConstructionTechnologyApplications;TRNews.1995(176)[4].莊文許.中文版Solidworks2009經典學習手冊[M].北京希望電子出版.2009:24[5].張秀維.交通錐自動收放系統的設計與研究[D].南京理工大學，2013.03[6].李燁.交通錐形標志筒擺放機構的探討[J].科技資訊，2011(8):27-28.[7].焦生杰，唐相偉.公路機械化養(yǎng)護現狀[J].建設機械技術與管理，2004,17(8):26-29.[8].張卿