交通锥自动摆放及回收装置的设计毕业设计.docx

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交通锥自动摆放及回收装置的设计毕业设计

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交通锥自动摆放及回收装置的设计

摘要

本文介绍了一款车载式交通锥自动摆放及回收装置。

交通锥自动收放机包括皮带输送机构，横向拨推机构，旋转提升机构以及交通锥收集机构四个部分。

之前国内交通锥的摆放及回收还一直处于人工作业，这台机器可以做到全自动收放交通锥，仅需要一个人就可以完成摆放和回收等所有操作。

本次设计采用的机构结构简单，效率高，且易于维修及保养，能减少公路施工人员的工作量，大大提升公路施工的作业效率。

关键词：

交通锥；自动收放装置；公路施工；工作效率

Designofautomaticplacingandrecoveringdevicefortrafficcone

Abstract

Inthispaper,avehiclemountedtrafficconeautomaticplacingandrecoveringdeviceisintroduced.Beltconveyingmechanismcomprisesatrafficconeautomaticfoldingmachine,transversepushingmechanism,rotatingliftingmechanismandtrafficconecollectingmechanismfourparts.Beforethedomestictrafficconeplacementandrecoveryhasbeeninthemanualoperation,thismachinecandoautomaticretractabletrafficcone,onlyonepersoncancompletedisplayandrecoveryofalloperations.Thedesignofthesimplestructure,highefficiency,andeasymaintenanceandmaintenance,canreducetheworkloadofhighwayconstructionworkers,greatlyimprovetheefficiencyofhighwayconstruction.

Keywords:

Trafficcone;Automaticplacingandrecoveringdevice;Highwayconstruction;Workefficiency.

1绪论

1.1课题来源

高速公路的保有及使用情况体现了一国交通的发展水平，甚至整体的经济发展水平。

它不仅为了方便人民的出行，也会加强城市与城市之间的合作的关系，促进地方经济发展。

自改革开放后，我国经济的快速发展，特别是现在是中国处于全面建设小康社会的关键时期，在规划期间，高速公路的建设和发展也将迎来一段历史的发展时期[1]。

同时，随着高速公路建设和发展，也对相关施工设备提出了更高的要求。

例如，德国的高速公路系统，是世界上最先进的，其中有相当一部分的高速公路已配备了先进的设备维护保养设施，不仅方便快速，也更人性化[2]。

高速公路的使用寿命是有限的。

公路养护和公路施工过程和耐久性同样重要，我们不能厚此失彼。

随着公路的不断破坏和自然的入侵，公路的使用时间不断下降[3]。

虽然高速公路的建设水平越来越高，里程也越来越多，但其维护以及管理水平却相对落后，二者之间的似乎存在着一些冲突，怎样才能避免这之间的冲突是非常重要的[4]。

道路维护和维修部分要控制交通，即放置在操作区域外的交通标志，引导车辆行驶。

在维修和维修操作中，保障驾驶区域和维修操作区的安全是十分重要的，有必要用路锥等物品或设置路障以引导车辆驶入正确的道路，防止车辆进入施工区域，尤其是在高速公路上进行施工作业时，汽车行驶的速度快，车流量大，更有必要用路锥等标识来疏导交通[5]。

公路养护机械仍处于起步阶段，虽然已经有一些知名企业已经开始发展配套产品如三一重工和中联重科也有自己独立的研究和开发的公路、道路维修设备，但在沥青路面的养护，大型路面摊铺设备和采矿设备等方面仍有待提高，且仍存在一些问题，应当使得维修机械更人性化。

同时，产品的数量和品种都比较有限，不能完全适应公路养护机械现有的广阔的发展平台[6]。

显然，在目前国内公路的维护工作，疏导交通的工作，以及摆放和回收路锥，交通工作安置和恢复，仍然是采用人力来完成的。

国内该机构的研究尚不完善，，但国外早已在这一领域进行积极的探索，并取得了一定的进展[7]。

1.2国内外研究现状

在中国，此类机构研究还处在入门水平,山东潍坊的刘先生发明了一种用于高速公路的“快速摆放锥形标的摆放机”，并对其发明申请了国家专利。

该发明由一名工人用拖车把交通锥放在滑道上，交通锥沿滑道会因自身重力向下滑动，并在适当的位置自动放好。

本发明可以减少人工工作量，提高交通锥施工安全系数，铺设效率在一定程度上大大提高，工人们只需要在拖车里把交通锥放在滑板上。

但相比于自动摆放及回收机构来说，工作的环境舒适度和工作的安全性是一个很大的问题，更为关键的是，这个发明是半自动，并不是全自动收放[8]。

英国、美国、德国、美国、法国等发达国家的公路系统，由于劳动力成本高，并且他们也是基于他们的工程装备的基础在上世纪70年代初开始研究交通锥自动回收装置，研发了许多相关产品，在试验中和实际应用中均已得到应用。

最早国外开发的用于交通锥的自动化设备是1973在美国获得专利，专利号US3750900[9]。

该装置可容纳两千个交通锥，摆放交通锥时行驶速度接近55km/h，但由于体积庞大，只能回收，不能摆放和在设计上存在安全漏洞，从而并未在市场得到认可。

上世纪90年代，美国一家公司发布了一种圆盘式的交通锥的自动铺设和回收系统，专利号为US5054648[10]，该系统安装在皮卡车中，其核心部分直径可达1.2米的轮盘，在路锥的铺设过程中（驾驶速度可达40km/h）交通锥的铺设和回收通过圆盘的回转来实现，但由于该系统并未完成完全的自动化，因此仍然需要一名工人在后面上料以及处理一些异常情况，虽然铺设效率有了明显的提升，但它依旧是一台半自动的设备。

而且当该机构需要回收交通锥时，车辆只能沿正方向行驶而不能逆行。

在回收交通锥的过程中车辆失去了导向作用。

其他车辆很容易在高速公路上造成车祸，形成安全事故。

虽然已经进行了很多改进，但是它们的安全性仍然受到质疑，并且经常需要手动干预的恢复错误，使得其在市场上的影响比第一款设备的影响更小。

迄今为止，在研究路锥自动摆放及回收的这一领域内，最知名的是美国的高速公路养护技术研究中心。

从上世纪90年代开始，美国的高速公路养护技术研究中心用皮卡车当做运载工具，在车尾箱上架起路锥摆放机构，从而实现自动收放功能，在此期间对该机构进行了一系列的研究，并发布了很多研究报告[11-16],该装置在尾部增加了一套传动装置，用于路锥的存储以及自动摆放及回收，并设计了一个可以垂直回转的机械手，因此可以自动摆放并回收率追，司机一人可以完成所有的工作。

由于车身的容量小，存储路锥的数量也不足100个，为了扩大系统容量，美国的高速公路养护技术研究中心又设计了一套增加容量的仓库。

加上移动仓库后，可以一次性摆放或是回收240个路锥，效率远超过之，达到了施工作业的要求。

2交通锥摆放及回收装置整体结构

2.1交通锥摆放及回收装置整体结构

1、皮带输送机构2、横向拨推机构3、旋转提升机构4、交通锥收集机构

图2.1整体结构图

2.2交通锥摆放及回收装置工作原理

图2.1所示为车载式交通锥摆放及回收装置整体结构图，装置1是皮带输送机构，用于输送和存储交通锥，存储量为100个，摆放交通锥时，当靠近车头的四排交通锥全部摆放完毕，装置1皮带输送机构会将第二排的交通锥推送到最前方，回收交通锥时，当靠近车头四排交通锥放满了，就将其运动到靠后一排的位置；装置2是横向拨推机构，摆放交通锥时，当图2.1中最右侧的交通锥摆放完成，则将下一摞交通锥推至最右侧，回收交通锥时，当最右侧一摞的交通锥数量达到五个，则装置2横向拨推机构将交通锥推向左侧；装置3是提升旋转机构，在交通锥的顶部，有一块用于吸附在提升装置上的铁块，装置3提升旋转机构的末端有一块电磁铁，整个机构的旋转运动靠工作台上的伺服电机带动。

摆放交通锥时，缆绳下降，末端电磁铁吸住交通锥，提升上去之后靠伺服电机带动旋转，然后放下缆绳，电磁铁断电，交通锥摆放完成。

回收交通锥时工作顺序相反；装置4是交通锥收集机构，在摆放及回收交通锥时起到导向作用。

末端的开口作用是在车辆行驶稍有偏离时，也能够将交通锥摆放到位或回收上车[17]。

3路锥摆放及回收机构设计

3.1交通锥规格

交通锥俗称红帽子，也称为锥形路标或是路锥等等。

执行JT/T595-2004《锥形交通路标》交通行业标准。

本装置使用的路锥按照GBT24720-2009交通锥[18]中所规定的交通锥外形，根据需要在顶部增加一铁块圆形平面，因此可以吸附在提升旋转机构上。

如图3.1所示,顶部铁块直径56mm,厚度15mm，下面锥总高700mm，锥顶部外圆86mm，斜面底部外圆300mm，交通锥壁厚15mm，底座上圆盘直径330mm,厚度28mm,下圆盘直径424mm，厚度30mm，底部圆孔直径270mm，路锥重量约为5kg。

路锥底部分为圆底和方形底部，圆底的好处在于摆放和回收的时候，不需要进行周转方向的定位。

图3.1交通锥

3.2皮带输送机构

图3.2皮带输送机构

图3.3皮带输送机构结构原理图

皮带输送机构如图3.2和图3.3所示，由上述8个部件组成。

本机构有两个作用，用于输送和存储交通锥，存储量为100个，横向可以摆放5排，纵向摆放4排，每一摞放5个路锥，摆放交通锥时，当靠近车头的四排交通锥全部摆放完毕，装置1皮带输送机构会将第二排的交通锥推送到最前方，回收交通锥时，当靠近车头四排交通锥放满了，就将其运动到靠后一排的位置。

3.2.1驱动滚筒的选择

皮带输送机构中，驱动滚筒与从动滚筒的中心距为2270mm。

由于外形尺寸有限，因此不选用外接电机，考虑到现有的尺寸结构，选用电机滚筒一体式设计。

电机滚筒有很多种类。

根据带式输送机的某些特殊场合需要，又出现了介于分离式驱动和电动滚筒驱动形式之间的减速装置在滚筒体内部、电动机在滚筒体外面的外装式电动滚筒。

在本文中选取的电机滚筒如下图所示。

带式输送机的油浸式电动滚筒传动装置。

在同样的油冷滚筒和风冷滚筒的比较中，具有一定的优势：

电机允许高温情况下作业，使用的是F级绝缘的油浸，工作寿命长。

行星齿轮传动，负载大，噪音低。

新密封剂和特殊防漏措施，无渗漏。

这种类型的电鼓具有完全密封型，适合潮湿多尘的环境。

在这些情形下不能使用：

对工作环境的要求需要防爆，工作场所高于45度，以及在高温下的物料输送[19]。

油浸式电动滚筒结构：

由两边端盖以及滚筒组件装配而成，利用两边的法兰撑在底部支撑座上面。

电机后方接一个二级齿轮减速器，减速比为1:

10，减速器连接电动滚筒，由于滚筒具有双重密封结构，因此发生漏油的可能性几乎为零。

出于方便维护的角度考虑，在每个滚筒装配的时候就已经做好了注油润滑工序，因此能够在半年一检查的情况下长期运行，检测内部润滑是否合格的方法：

把油口朝斜上方放置，查看滚筒内部的油面高度，当油面的高度与放油口的高度几乎一致时，就表示合格。

润滑油应该隔两年更换一次，注意更换的有的品种，滚筒的说明书上会有详细说明。

不能选择说明书以外的油种，以防电机工作异常。

电动滚筒结构如下图3.4所示。

图3.4油浸式电动滚筒

3.2.2从动滚筒部分设计

从动滚筒与驱动滚筒的直径一样。

但是为了能够张紧皮带，因此增加了一个皮带张紧机构。

结构如下图3.5所示。

左侧螺杆的旋转用于调节滚筒座的前后位置，从而达到张紧皮带的效果。

图3.5从动滚筒张紧部分

3.2.3传动皮带

由于存储路锥数量较多，因此需要将每一排路锥都分开，考虑到结构的紧凑和方便操作，在皮带上镶了六条分隔条用于隔开每一排路锥。

皮带的横向宽度为1700mm。

图3.6传动皮带

3.2.3其余装置

皮带输送机构的机架采用60的方形钢管焊接而成，长*宽*高为2800*1870*370；为了防止路锥跌落，在机架周围焊接上三块挡板；上辊托用于承载路锥的重量，下辊托张紧皮带；皮带输送机底部装有4个底脚，用于皮带输送机构的微调高度和水平调节。

3.2.4驱动电机的选择

皮带输送机上的圆周驱动力

等于皮带输送机构所有阻力之和，可由式（3-1）计算:

（3-1）

其中：

——皮带输送机的主要阻力

——皮带输送机的附加阻力

——皮带输送机的特种主要阻力

——皮带输送机的特种附加阻力

——皮带输送机的倾斜阻力

由于皮带输送机没有其他装置能够产生阻力，因此只要考虑皮带输送机的主要阻力

。

皮带输送机的主要阻力

是由交通锥和皮带运行过程中的阻力的总和

+

）cos

]（3-2）

上式中

为运行时的倾角，在本例中倾角为0，所以cos

=1。

是上托辊的承载量，单位是kg/m,

是下托辊的承载量，单位是kg/m，

是皮带每一米的质量，单位是kg/m，

是每一米路锥的质量，单位是kg/m，根据《DTⅡ型皮带机设计手册》[20]中表34得

L为两个滚筒的中心距2700mm，根据《DTⅡ型皮带机设计手册》可得

=18.98kg/m。

利用三维软件可以计算出

=330.37kg/m，

=109.38kg/m,

=240.74kg/m。

根据上述数据可得：

+

）cos

]=3058.44N

驱动滚筒的传动功率

根据公式（3-3）可得

（3-3）

公式（3-3）中

表示皮带运行速度，单位为m/s。

得到：

=350844×02=701.7W

根据实际效率以及安全系数等因素，选取电动滚筒的驱动功率为1200W。

3.3横向拨推机构

图3.7横向拨推机构

如上图3.7所示，横向拨推机构由底座、直线导轨、丝杆、滑块、拨杆组件、组成。

底座与皮带输送机构的机架相连，拨杆由后方的伺服电机带动。

为了避免丝杆上承受太多压力，在丝杆旁边布置了一条直线导轨作为导向和承载的作用[21]。

底座用5mm厚的Q235A板材压弯，并在拐角处焊上加强筋。

横向传动伺服电机根据经验选取功率为400W，丝杆直径32mm，直线导轨选取SBG65FL-1-820型，导轨宽度63mm，高度58.5mm，滑块根据直线导轨的型号选取。

3.3.1拨杆组件

图3.8拨杆组件

拨杆组件如上图3.8，当需要将一摞路锥推到图示方向的左侧时，伺服电机带动左侧拨杆旋转至直立的方向，右侧拨杆放下至水平。

相反，当需要将交通锥推到最右侧时伺服电机会带动右侧拨杆旋转至直立的位置，左侧拨杆放下到水平位置，将交通锥推到最右边。

左侧拨杆的横向长度为200mm，伸出部分的长度为500mm；右侧拨杆横向长度是250mm，水平方向伸出580mm，这样才能与左侧拨杆保持平齐。

（3-4）

l为重心到电机轴中心孔的距离，

为拨杆的质量，

为重力加速度。

根据公式计算得

=1.78×9.8×0.35=6.1N/m。

根据下图3.9可以算出100W交流伺服的电机可以带动拨杆的旋转[22]。

图3.9伺服电机对应型号

3.3.2丝杆的计算

丝杆需要带动拨杆组件以及路锥，由三维软件可以计算出拨杆组件的重量是18.5kg，一次需要拨动5个交通锥，重量为5×5=25kg。

根据负载可确定带动丝杆转动的伺服电机功率为400W。

伺服电机速度控制非常精确，重复位置精度高，能够把电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

输入的电信号控制伺服电机的转子，反馈迅速，在各种机械结构的控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

伺服电机分为直流和交流伺服电机两大类，交流伺服电机的特性是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

因此在本机构往复运动的的执行元件大部分都选用交流伺服电机。

丝杆计算公式：

查手册得

=21.9，

=28.5mm,因此取丝杆直径D=32mm。

根据横向行程确定丝杆的长度为1600mm,丝杆的导程为20mm，外循环式丝杆。

根据丝杆行程和结构的需要，选取导轨的行程为1700mm。

3.4提升旋转机构

图3.10提升旋转机构

如图3.10所示，提升旋转机构是摆放和回收路锥的重要部件，在摆放路锥时，通过末端的电磁铁吸住交通锥顶部的铁块，提升到一定的高度，通过右侧伺服电机和同步带来带动杆组旋转至指定位置，之后顶部的伺服电机反转，放下缆绳，交通锥摆放完成，回收的工序与摆放工序相反。

整个提升旋转机构由于高度的限制，需要放置在一个工作台上，工作台结构如图3.11所示，工作台底部由60方形钢管焊接而成。

工作台顶部有一块15mm厚的连接板，用于支撑和固定提升旋转机构。

图3.11提升旋转机构工作台

3.4.1轴的强度计算

在各种机械内轴都是非常重要的零件，旋转运动的所有运动部件必须安装在轴上用于运动和动力传递，并且通过轴承和齿条连接，从而形成基于轴的装配轴部件。

而且还可以用于支撑变速器部件，传动扭矩和负载。

轴部件是回转部件，长径比一般比较大，通常由外锥形表面，圆柱形表面，螺纹孔，键槽，中心孔或者外端部螺纹组成。

轴的结构在机床中的组装的方式、轴的种类和大小、负载的形式、尺寸、方向以及轴的机械加工方法以及表面处理方法等，决定了轴在机械中的工作类型和作用。

轴上受力分布合理轴上的零件布局合理，可以提高轴的刚度和强度；同心度、圆跳动等参数的合理设计；合理的加工工艺方法；装配及维护的方便性；不浪费物料。

这些都是对轴类零件设计的基本要求

在工程力学和机械设计等课程中，轴的强度、刚度校核是十分重要的。

不同类型的轴应采用不同的校核方法：

转轴就是在弯曲应力与扭转应力的复合作用下工作的,对于这种类型的轴,一般是采用疲劳安全裕度法或者是当量应力法。

这些强度校核计算方法的理论依据是第三强度理论或者第四强度理论,并且考虑轴危险截面上的弯曲正应力与扭转切应力的疲劳循环特性,以及轴的绝对尺寸、表面质量和应力集中等因素对疲劳强度的影响。

轴的强度是否复合要求，对于机械结构来说是至关重要的[23]。

在第二次工业革命后，电子计算机开始走进各个领域，计算机在机械设计领域也占有很重要的位置，轴类零件也可以用计算机来进行设计了，设计效率和轴类零件的设计结果质量也越来越高，也能适应现在的非标自动化行业需要的更改及时，批量小的特点，对现代机械设计的贡献不可磨灭。

轴类零件的设计依托着计算机技术的发展也越来越方便，如何校核强度对我们学习如何设计轴类零件有着重要的意义，在以后的工作中也会经常用到。

在机械系统中，金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

强度是机械零部件首先应满足的基本要求。

在各类机械结构中，金属材料抵抗永久变形和在外力下断裂的能力被称为强度。

强度是测量部件本身的负载能力（即，耐故障性）的能力的重要参数。

各类机械零件都应该满足强度的要求。

图3.12旋转提升机构主轴

本机构的轴主要考虑扭转强度，根据和扭转强度要求，选取外径100mm，内径60mm的空心轴可以满足要求，因为在同样的重量下，空心轴的抗扭转强度要比实心轴高，根据主轴的外径和负载需求，选取旋转轴承为一对深沟球轴承61920，底部还需要一个推力球轴承51116，以保证主轴的支撑和旋转。

根据图3.9以及主轴的负载，选取400W的交流伺服电机可以满足机构的要求。

3.5路锥收集机构

图3.13路锥收集装置

如上图3.13所示，该机构是交通锥收集机构，在摆放及回收交通锥时起到导向作用。

末端的开口作用是在车辆行驶稍有偏离时，也能够将交通锥摆放到位或回收上车。

连接部分是用两根160*65的矩形钢管焊接而成，钢管顶部有一块连接板，交通锥收集机构连接在车厢的下面，收集口由两块8mm的Q235A板压弯成型后焊接而成。

收集装置的开口为60°，开口宽度为484，比路锥的宽度稍宽，以便于摆放和回收交通锥，上方收集口开口角度为45°，作用相同。

交通锥收集机构虽然结构简单，但是在路锥的摆放和回收的过程中起着非常重要的作用。

4结论

本文针对国内公路施工的现状而设计了这款机器，机器结构简单，效率高，且易于维修及保养，能减少公路施工人员的工作量，大大提升公路施工的作业效率。

论文第一章介绍了国内在路锥自动摆放和收集领域的研究现状，也对国外这个领域的研究情况做出了分析。

提出了国内在这个领域的研究情况的不足，以及有哪些发展空间，并阐述了交通锥自动摆放和收集装置研发的意义和作用。

第二章详细地介绍了本机构的工作原理和各个部件的作用。

根据公路施工时交通锥自动摆放及回收的要求，设计了这款机器。

第三章介绍了路锥的规格；皮带输送机构的设计方法及原理，电动滚筒的选用，皮带传送结构的选取以及各个附件的说明；介绍了横向拨推机构的工作原理，动作顺序以及丝杆的计算方法，直线滑轨的选取方法；介绍了旋转提升机构，主轴的扭转强度校核，路锥的摆放和回收的方式；介绍了交通锥收集机构的设计过程及方法。

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