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1 1 目錄 摘要 -1 1 緒論 -3 1.1 研究背 景及意義 -3 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -5 2 總體 設(shè)計(jì) -8 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 -8 2.2 擬定總體設(shè)計(jì)方案 -9 3 多功能護(hù)理床的詳細(xì)設(shè)計(jì) -13 3.1 抬背構(gòu)型設(shè)計(jì) -13 3.2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) -14 3.3 抬腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) -15 3.4 電機(jī)的選擇 -16 3.5 增加 泵的選擇 -20 3.6 橫軸的設(shè)計(jì)與校核 -25 3.7 螺桿的設(shè)計(jì)與校核 -26 3.8 連桿的設(shè)計(jì)與校核 -28 總結(jié) -31 參考文獻(xiàn) -33 2 2 摘要 在人口老齡化快速增長(zhǎng)的今天，對(duì)護(hù)理行業(yè)有了越來(lái)越嚴(yán)格的需求，不僅需求護(hù) 理床的質(zhì)量可靠，還需求具有多功能化。電動(dòng)護(hù)理床就是一款為此需求而設(shè)計(jì)的醫(yī)療 器械。 多功能護(hù)理床是基于常用家庭護(hù)理床進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。社會(huì)的發(fā)展導(dǎo)致人們的 生活水平不斷提高，因此在平時(shí)的生活中，健康、舒適以及智能化的生活方式成為越 來(lái)越多人的追求。多功能護(hù)理床相對(duì)于常用家用護(hù)理床增加了更多的功能，手動(dòng)調(diào)節(jié) 座圈溫度，洗凈、烘干功能，除臭功能，除了這些常用功能，還增加了多功能護(hù)理床 紅外傳感器、壓力傳感器啟動(dòng)護(hù)理床開始執(zhí)行各項(xiàng)功能以及夜燈工作模式，除此之外 多功能護(hù)理床能有效殺死各種傳染性疾病的病毒、細(xì)菌、真菌或寄生蟲，預(yù)防細(xì)菌感 染、痔瘡、便秘等問題上有很大的優(yōu)勢(shì)。其在常用家庭護(hù)理床的基礎(chǔ)之上，添加了便 捷、舒適、健康、環(huán)保、智能化的元素。 這款護(hù)理床是針對(duì)不能生活自理及行動(dòng)不便的的人來(lái)設(shè)計(jì)的，該病床能夠幫助病 人坐起、屈膝、調(diào)高整體的高度。解決了在護(hù)理過程中的諸多不便，并解決了國(guó)內(nèi)護(hù) 理行業(yè)的困難，提高了護(hù)理醫(yī)療器械的發(fā)展。 本文首先基于人體工程學(xué)，進(jìn)行了護(hù)理床總體方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)研 結(jié)果，制定了護(hù)理床的設(shè)計(jì)原則，功能需求及設(shè)計(jì)指標(biāo)；完成了護(hù)理床本體的總體方 案設(shè)計(jì)。 然后，使用自上而下的方式完成了護(hù)理床結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)并給出了全套的設(shè)計(jì)圖。 主要包括總體框架、抬腿部件、抬背部件、整體升降等功能模塊。本章將著重介紹輔 助解便系統(tǒng)的研究背景及對(duì)人們生活水平提高意義，并對(duì)輔助解便系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn) 狀以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)做出介紹。最后給出作者所完成的工作，以及對(duì)本文各個(gè)章 節(jié)的主要內(nèi)容做出概括性的介紹。 關(guān)鍵詞：醫(yī)療器械，電動(dòng)護(hù)理床，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 3 1 緒論 1.1 研究背景及意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長(zhǎng)，思想的 進(jìn)步，城市人口正逐漸進(jìn)入老齡體，人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會(huì)問題。據(jù)統(tǒng) 計(jì)，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家和日本的老年人獨(dú)居人數(shù)已經(jīng)高達(dá) 40%，如此之高的比列迫使社會(huì)采 取措施解決老年人的護(hù)理服務(wù)問題。如果完全依靠家庭人工的照料，于西方國(guó)家子女 與老年人分居，家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。國(guó)內(nèi) 60 歲及其以上老年人口已達(dá) 1.32 億。占全國(guó)總?cè)丝诘?10%，并以年均 3.32%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，其中“空巢家庭”占 所有老齡家庭總數(shù)的 25.8%，在一些大城市中該比列更大，解決因身體虛弱臥床不起或 因?qū)е律畈荒茏岳淼睦夏耆说募彝フ樟嫌诳醋o(hù)問題是人口的老齡化的國(guó)家所面臨的 共同的問題。為此，國(guó)家的大力加強(qiáng)了對(duì)護(hù)理床機(jī)器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人 或者長(zhǎng)期使用病床的人提供一個(gè)集護(hù)理和排泄的等各種功能于一體的多功能護(hù)理床， 現(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加，以前是簡(jiǎn)易的護(hù)理床，后來(lái)的加護(hù)欄，餐桌， 再后來(lái)加上大便孔，輪子，現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能護(hù)理床的一體多功能，電動(dòng)護(hù)理 床，極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平，也為了護(hù)理人員提供了極大的方便，所以操 作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來(lái)越受最棒。 護(hù)理床在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)和研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一 步的完善，國(guó)外護(hù)理床的研究以德國(guó)。日本為代表。各種護(hù)理床的功能正在逐漸完善， 成熟，但因其價(jià)格昂貴(一般價(jià)格在 20w 人民幣以上)，很難為一般的消費(fèi)者能接受這 很貴的護(hù)理床。護(hù)理床的基本分類情況給大家介紹一下。 護(hù)理床類型一(按動(dòng)了分)手動(dòng)護(hù)理床和電動(dòng)護(hù)理床;護(hù)理床的類型二(按功能分)功 能基礎(chǔ)型、功能普通型、功能型。 功能基礎(chǔ)行護(hù)理床的優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于制造。2、價(jià)格便宜。 存在的問題：功能比較簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)使用者的護(hù)理需求。2、手動(dòng)為主，操作繁瑣。 3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應(yīng)用范圍窄。 能普通型護(hù)理床的優(yōu)點(diǎn)：1、一般為電動(dòng)，使用者可簡(jiǎn)單操作控制。2、能完成基 4 4 本的護(hù)理功能。3、增添了鋪助功能接口。4、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和 性。存在的問題：1、市場(chǎng)價(jià)格偏高。2、功能啟動(dòng)柔性差，銜接不連貫。3、功能一體 化造成功能浪費(fèi).4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識(shí)別功能差。 功能型護(hù)理床的優(yōu)點(diǎn):1、護(hù)理功能完善。2、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連慣性好，基本 無(wú)噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全。4、造型新穎，有較強(qiáng)的親和力。5、文字，標(biāo)志容 易識(shí)別。存在的問題：1、市場(chǎng)的價(jià)格昂貴。造成功能浪費(fèi)嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟(jì)成本。 2、調(diào)整可拆性差，運(yùn)輸、組裝繁瑣。3、對(duì)患者康復(fù)功能的考慮較少。 從近年來(lái)的發(fā)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)果。功能等等各異的護(hù)理床稱層 出不窮。發(fā)展方向主要向機(jī)器人模的自動(dòng)控制的方向發(fā)展。 輔助解便系統(tǒng)的出現(xiàn)給人們的生活帶來(lái)了巨大的方便，特別是在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)， 生活節(jié)奏日益加快的今天。 “輔助解便系統(tǒng)在國(guó)外非常普及，在國(guó)內(nèi)雖未形成主流，但 佛山企業(yè)在這方面走得還算比較早，產(chǎn)品已經(jīng)呈現(xiàn)一定的規(guī)模。 ”中國(guó)陶瓷工業(yè)協(xié)會(huì)佛 山辦事處主任藍(lán)衛(wèi)兵表示。據(jù)了解，佛山如今主要生產(chǎn)和銷售輔助解便系統(tǒng)的有益高、 法恩莎、箭牌、英皇、浪鯨、鷹衛(wèi)浴、恒潔、安華、金牌、澳斯曼、瑝瑪、東鵬、冠 珠、新泰和、尚高、衛(wèi)歐等 20 家左右的衛(wèi)浴企業(yè)。記者從以上品牌企業(yè)的營(yíng)銷中心以 及官方網(wǎng)站了解到，輔助解便系統(tǒng)占所有產(chǎn)品的比例是比較低的，大部分企業(yè)只是推 出一個(gè)系列，或者是幾個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。而我們?cè)趯Ｙu店上也可以留意到，輔助解便系 統(tǒng)也許擺放在最顯眼的位置，但款式不多。 “法恩莎從 2001 年開始生產(chǎn)和銷售輔助解 便系統(tǒng)產(chǎn)品，如今銷售情況還算比較滿意，但輔助解便系統(tǒng)的銷售額占所有產(chǎn)品銷量 的 3%左右。 ”法恩莎產(chǎn)品部經(jīng)理袁水波表示。而新明珠陶瓷市場(chǎng)部有關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者， 新明珠旗下的冠珠衛(wèi)浴在 2008 年便推出了輔助解便系統(tǒng)，之后銷售量每年都有相應(yīng)的 增長(zhǎng)，但銷售量相對(duì)其他產(chǎn)品來(lái)說仍然較小。據(jù)了解，如今佛山輔助解便系統(tǒng)中的輔 助芯片主要來(lái)自于韓國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家，也有些是來(lái)自國(guó)內(nèi)臺(tái)州、上海等地區(qū)。 “韓國(guó)、日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的輔助解便系統(tǒng)普及率是非常高的，而他們輔助解 便系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)系統(tǒng)比較完善，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)的輔助芯片和控制技術(shù)是直接運(yùn)用 國(guó)外的。 ”據(jù)業(yè)內(nèi)資深人士透露。此外，很多佛山企業(yè)的輔助解便系統(tǒng)是在潮州或臺(tái)州 的某些企業(yè)貼牌生產(chǎn)的，當(dāng)然也有部分企業(yè)是自主生產(chǎn)?？偟膩?lái)說，佛山企業(yè)輔助解 5 5 便系統(tǒng)雖然有一定的生產(chǎn)規(guī)模，但銷售情況卻沒有預(yù)期中理想。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)是世界上的人口大國(guó)，同時(shí)又是一個(gè)人口老齡化的大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 2000 年 到 2007 年，國(guó)內(nèi) 60 歲以上的老年人口由 1.26 億增長(zhǎng)到 1.53 億人，占總?cè)丝诘谋壤?從 10.2%提高到 11.6%，占全球老年人口的 21.4%，相當(dāng)于歐洲 60 歲以上老年人口的總 和。人口老齡化年均增長(zhǎng)率高達(dá) 3.2%，約為總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)速度的 5 倍。預(yù)計(jì) 2020 年老年 人口將達(dá)到 2.4 億人，占總?cè)丝诘?17.17%；到 2050 年，老年人口總量將超過 4 億，老 齡化水平推進(jìn)到 30%以上。國(guó)內(nèi)大多數(shù)家庭逐漸形成寶塔式結(jié)構(gòu)。 （四個(gè)老年人，兩個(gè) 青年人，一個(gè)孩子）隨著社會(huì)生活的加快年輕人既要忙于事業(yè)又要照顧家庭，老人和 孩子，顯然力不從心，當(dāng)老人生活不能自理時(shí)就十分需要一種電動(dòng)護(hù)理床協(xié)助自己日 常生活的必須?，F(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加,以前是簡(jiǎn)易的記理床,后來(lái)加上 護(hù)欄,餐桌;再后來(lái)加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能為一體的多功能電動(dòng)護(hù) 理床,比如能夠升降，能夠坐起，能夠曲腿等功能。極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平,也 為護(hù)理人員提供了極大的方便,所以操作簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來(lái)越受到追捧。 電動(dòng)護(hù)理床根據(jù)使用進(jìn)口電機(jī)的數(shù)量一般可分五功能電動(dòng)護(hù)理床、四功能電動(dòng)護(hù) 理床、三功能電動(dòng)護(hù)理床、二功能電動(dòng)護(hù)理床。護(hù)理床在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)和研究尚處于初 級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善，國(guó)外護(hù)理床的研究以德國(guó)和日 本較為突出。 如今市面上常見的電動(dòng)護(hù)理床有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、電動(dòng)，方便使用者操作和控制。 2、能完成基本的護(hù)理功能。 3、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和性。 4、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連慣性好，基本無(wú)噪音。 5、文字，標(biāo)志容易識(shí)別。 但也存在如下問題： 1、市場(chǎng)價(jià)格偏高。 2、功能啟動(dòng)柔性差，銜接不連貫。 6 6 3、功能一體化造成功能浪費(fèi)。 4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。 5、文字，圖像識(shí)別功能差。 6、對(duì)患者康復(fù)功能的考慮較少。 輔助解便系統(tǒng)可以說是衛(wèi)浴職業(yè)對(duì)比熱的論題。水洗代替了清潔紙，引發(fā)了一場(chǎng) 衛(wèi)浴革新，科技、便利、清潔，這是往后衛(wèi)浴開展的趨勢(shì)。而對(duì)廣闊的消費(fèi)者來(lái)說通 常的新商品都有一個(gè)從認(rèn)知到承受再到追捧的進(jìn)程。2011 年衛(wèi)浴職業(yè)的電子商務(wù)風(fēng)十 分強(qiáng)烈。51 陳述在線研討員在衛(wèi)浴產(chǎn)區(qū)查詢時(shí)發(fā)現(xiàn)，職業(yè)上約有 90%的衛(wèi)浴公司已不 一樣程度地試水電子商務(wù)，而剩余 5%左右的公司都在為施行電子商務(wù)而預(yù)備著。2011 年中國(guó)修建清潔陶瓷工業(yè)總產(chǎn)值 3861 億美元。但市場(chǎng)占有率超越 10%的巨型陶瓷衛(wèi)浴 公司身在何處，仍是一個(gè)極大的懸念。那些注意品牌建造，注意商品自創(chuàng)與特征化的 公司，注意進(jìn)步出產(chǎn)技能、技能配備、辦理技能的公司，注意結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少成本的 陶瓷衛(wèi)浴公司，或許會(huì)變成職業(yè)的領(lǐng)軍者，更會(huì)變成出口轉(zhuǎn)型的領(lǐng)頭羊。輔助解便系 統(tǒng)外型時(shí)尚、環(huán)保健康，遭到消費(fèi)者的熱心追捧。2011 年因?yàn)槁殬I(yè)競(jìng)賽加重，輔助解 便系統(tǒng)價(jià)格比前幾年下降了許多。在市場(chǎng)上，輔助解便系統(tǒng)歸于新商品，相對(duì)于傳統(tǒng) 的陶瓷潔具來(lái)說，輔助解便系統(tǒng)是歸于一項(xiàng)與民眾休戚相關(guān)的環(huán)保技能領(lǐng)域的創(chuàng)造， 是一項(xiàng)完全打破傳統(tǒng)沖水式坐便器及簡(jiǎn)便式便槽不清潔、不環(huán)保的舊形式環(huán)保型 技能。特別是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的認(rèn)可度和占有率都還有十分大的進(jìn)步空間。中國(guó)輔助解便 系統(tǒng)工業(yè)最為會(huì)集的主要是浙江區(qū)域，已具有必定的工業(yè)集群優(yōu)勢(shì)。 輔助解便系統(tǒng)歸于更新?lián)Q代的革新性商品，迎合了將來(lái)人性化的衛(wèi)浴開展趨勢(shì)， 輔助解便系統(tǒng)是以微電腦數(shù)字處理系統(tǒng)、納米資料、激光或熱合等老練的高科技含 量為技能手段，到達(dá)和完成傳統(tǒng)的沖水式坐使器、簡(jiǎn)便式便槽底子無(wú)法處理的污染 與環(huán)保相對(duì)立的疑問。然后不只從技能上和方式上甚至村料上都是新打破與變革。 2012-2016 年時(shí)間，跟著衛(wèi)浴節(jié)能減排國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)深化履行，中國(guó)輔助解便系統(tǒng)商品 將遭到越來(lái)越多消費(fèi)者認(rèn)可，尤其是 80 后一代，他們尋求質(zhì)量日子，進(jìn)一步影響輔助 解便系統(tǒng)市場(chǎng)需求。陳述在線研討猜測(cè)，2012-2016 年輔助解便系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將到達(dá) 1500 億元，而因?yàn)槌霎a(chǎn)成本上升，出口受阻，將進(jìn)一步緊縮解便系統(tǒng)出產(chǎn)廠家贏利空 7 7 間，其價(jià)格會(huì)堅(jiān)持平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。因而，輔助解便系統(tǒng)公司在 2012-2016 年時(shí)間，應(yīng)活躍 進(jìn)步公司職業(yè)諾言，逐漸進(jìn)步公司經(jīng)營(yíng)功率，開辟推廣途徑新形式，立異驅(qū)動(dòng)效勞形 式開展。 1.3 本文研究?jī)?nèi)容 鑒于人口老齡化的發(fā)展、醫(yī)療和護(hù)理費(fèi)用的不斷增加以及國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求的不斷 擴(kuò)大，本文提出了一種新型的多功能護(hù)理床及輔助解便系統(tǒng)，提出幾種新型的護(hù)理床 側(cè)翻機(jī)構(gòu)、抬背機(jī)構(gòu)、曲腿機(jī)構(gòu)以及解便系統(tǒng)，以單片機(jī)為主控制芯片，控制多臺(tái)直 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)整臺(tái)護(hù)理床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿態(tài)的切換，達(dá)到滿足護(hù)理要求的多功 能護(hù)理床及輔助解便系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1) 設(shè)計(jì)各種護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計(jì)尺寸。 2) 利用三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行 干涉檢查，然后導(dǎo)出CAD圖。 3) 根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在SOLIDWORKS中建模，利用優(yōu)化功能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和 仿真。 4) 根據(jù)優(yōu)化數(shù)據(jù)修改三維模型，并同時(shí)檢查模型中是否存在干涉，得到滿足設(shè)計(jì) 要求的護(hù)理床。 5) 對(duì)多功能護(hù)理床及輔助解便系統(tǒng)的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗(yàn)整臺(tái)多功能護(hù) 理床及輔助解便系統(tǒng)使用的安全性及穩(wěn)定性。 8 8 2 總體設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 電動(dòng)護(hù)理床的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)原則： 1、安全性原則 由于護(hù)理床對(duì)老年人和病人的身體進(jìn)行直接的接觸與操作，而且相對(duì)于健康人來(lái) 說，這類人群的身體更容易收到損傷，所以護(hù)理床在安全性方面的需求很高。無(wú)論是 護(hù)理床的結(jié)構(gòu)還是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，安全性始終是最優(yōu)先考慮的一個(gè)原則。比如，在 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，不應(yīng)存在任何干涉情況，結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度方面都要留有充足的余量， 要考慮到各種極限情況。 2、人性化、舒適性原則 現(xiàn)今社會(huì)，人們不僅追求商品的高質(zhì)量，高穩(wěn)定性，而且對(duì)商品的人性化、舒適 性設(shè)計(jì)有了更高的需求，因此電動(dòng)護(hù)理床應(yīng)該根據(jù)人體生理學(xué)原理，更多地從人的生 理結(jié)構(gòu)、心理情況、行為習(xí)慣等方面加以考慮。比如各部分結(jié)構(gòu)要與人體的尺寸匹配； 設(shè)計(jì)中力求加速度最小化等等。 3、功能多樣化原則 在電動(dòng)護(hù)理床的使用過程中，不同使用者往往對(duì)護(hù)理床有著各種各樣不同功能的 需求，比如能夠坐起，整體能夠升降，能夠曲腿等功能需求。 4、標(biāo)準(zhǔn)化原則 護(hù)理床機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與選擇、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、零部件之間的相對(duì)位置關(guān)系和 尺寸匹配，都有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不僅能在最大程度上滿足使用需求， 而且有利于增強(qiáng)互換性，減少成本。 5、輕量化原則 由于電動(dòng)護(hù)理床是在家里使用，搬移的概率非常大，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮到床重 量，方便搬移，在確保護(hù)理床使用安全的同時(shí)要從輕設(shè)計(jì)，這樣可以節(jié)省材料。尤其 是在資源短缺的今天，這點(diǎn)尤為重要，而且還以減少成本。 根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，本次對(duì)多功能電動(dòng)護(hù)理床輔助解便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要完 9 9 成以下幾個(gè)功能： 1、需要節(jié)水，環(huán)保。 2、需要具有除臭和墊圈加熱功能。 3、需要具有自動(dòng)沖洗屁股及烘干屁股的功能。 分析本次課題任務(wù)要求，初步擬定多功能電動(dòng)護(hù)理床輔助解便系統(tǒng)的操作面板應(yīng) 具有 6 個(gè)按鍵：即啟動(dòng)、停止、除臭、墊圈加熱、臀部沖洗、臀部烘干，各按鍵的具 體功能分析如下： 1、按下臀部沖洗按鍵，臀部沖洗噴嘴將噴射一分鐘后自動(dòng)停止噴射。再按一次臀 部沖洗按鍵，將再次重復(fù)此功能。 2、按下操作面板上墊圈加熱按鍵可調(diào)節(jié)座圈溫度。座圈溫度可設(shè)定為適宜的溫度， 加熱管運(yùn)行加熱到設(shè)定溫度值如 40 攝氏度時(shí)自動(dòng)停止。 3、按下操作面板上臂部烘干按鍵，內(nèi)置吹風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，將暖風(fēng)送出，并持續(xù)烘干約 1 分鐘后自動(dòng)停止。暖風(fēng)溫度通過 PLC 程序預(yù)先設(shè)定為約 65 攝氏度。 4、當(dāng)人體入座 3 秒后，傳感器將檢測(cè)信號(hào)送入 PLC，PLC 立即啟動(dòng)除臭功能，開 始除臭工作人體離座后 30 秒除臭停止。 5、當(dāng)按下停止按鍵即停止多功能電動(dòng)護(hù)理床輔助解便系統(tǒng)的所有功能。 同時(shí)，根據(jù)課題要求，多功能電動(dòng)護(hù)理床輔助解便系統(tǒng)還應(yīng)具有智能節(jié)電功能， 并能有一定記憶能力，可根據(jù)使用者的日常生活習(xí)慣，自動(dòng)預(yù)先對(duì)水溫和便座加熱， 且用后自動(dòng)停止加熱，達(dá)到節(jié)能效果。在沒有感應(yīng)到人坐上之前，沖洗開關(guān)都不會(huì)啟 動(dòng)，不必?fù)?dān)心錯(cuò)按開關(guān)造成的尷尬，非常人性化。此外，對(duì)于直接接觸肌膚的便座部 分采用抗菌材料。 2.2 擬定總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)床的整體布置，電動(dòng)護(hù)理床可以分為總體框架、抬腿部件、抬背部件、整體 升降，部件輔助座便系統(tǒng)五大功能模塊。在總體布局時(shí)，有以下幾方面需求： 1、綜合考慮兩種狀態(tài)下的尺寸、穩(wěn)定性和強(qiáng)度需求； 2、布局要使各個(gè)模塊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，并解決好干涉問題； 3、分配好每個(gè)部件的尺寸，最大限度地利用床下有限的空間； 4、要盡可能地把傳動(dòng)部件隱藏給人以安全感，避免心理恐慌。 從以上設(shè)計(jì)角度出發(fā)，根據(jù)前文確定的設(shè)計(jì)原則，確定護(hù)理床使用床面大尺寸， 10 10 支撐框架略小的結(jié)構(gòu)，有利于空間的節(jié)約；移動(dòng)方式為前面布置兩個(gè)萬(wàn)向輪，從而使 得轉(zhuǎn)彎半徑較?。桓鱾€(gè)功能模塊機(jī)構(gòu)初步選用連桿結(jié)構(gòu)，以方便實(shí)現(xiàn)各床面板的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律，其驅(qū)動(dòng)元件均布置于支撐框架下層，以確保機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角和框架強(qiáng)度需求；各零 部件近似對(duì)稱布置于床面之下，使機(jī)器和人的重心始終處于機(jī)構(gòu)中間位置，以增強(qiáng)整 體穩(wěn)定性和使用者的心理安全感。 電動(dòng)護(hù)理床床面設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)較多，而且每塊床板都必須能夠沿 相互垂直的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就給床板之間的連接提出了很高的需求，結(jié)合所需實(shí)現(xiàn)的功 能，本文提出使用分體式雙層床面結(jié)構(gòu)（如圖 3.3 所示)。 圖 3.3 床面結(jié)構(gòu)示意圖 其中，床板 14 為下層板，58 為上層板：1、5 為背板 2、6 為臀部板，3、7 為 大腿板，4、8 為小腿板。各床板之間通過鉸鏈相互連接，整體床面則通過臀部下層板 固定到支撐框架之上。護(hù)理床所需的各個(gè)動(dòng)作都能夠通過傳動(dòng)部件帶動(dòng)相應(yīng)的床板組 聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)（參見表 2.2） 。 表 2.2 各床板 X 向尺寸 尺寸項(xiàng) 具體數(shù)值 背板 760mm 臀部板 230mm 大腿板 400mm 小腿板 610mm 11 11 各床板的尺寸基于 GB10000-88 常用人體測(cè)量數(shù)據(jù)確定9。參考市場(chǎng)上的護(hù)理床 尺寸，根據(jù)專家給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇后，最終尺寸見表 2.3。 表 2.3 電動(dòng)護(hù)理床實(shí)現(xiàn)功能所需的床板聯(lián)動(dòng) 功能項(xiàng) 相關(guān)參數(shù) 備注 各床板均水平 背板與水平面夾 角為 070 o 5、6 床板組合聯(lián)動(dòng)， 繞 Y1 軸翻轉(zhuǎn) 大腿板與水平面 夾角 035 o 小 腿板與水平面夾 角為-20 o0 7、6、床板組合聯(lián) 動(dòng)，繞 Y2 軸翻轉(zhuǎn)； 8、7 床板組合聯(lián)動(dòng)， 繞 Y3 軸翻轉(zhuǎn) 注:上述表述中“水平以護(hù)理床處于水平地面上為參考狀態(tài)。 輔助解便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括人體紅外線信號(hào)采集電路，這種人體紅外線感應(yīng)電路由 SM9576 搭接成，SM9576 是一個(gè)紅外線傳感控制器,內(nèi)部包含紅外線發(fā)射驅(qū)動(dòng)和紅外線 接收、檢測(cè)電路,當(dāng)發(fā)射出去的紅外線信號(hào)被物體反射回來(lái),由接收管接收、放大、檢 測(cè),再由輸出電路去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它可以廣泛應(yīng)用于賓館和現(xiàn)代居室洗手間里的水龍 頭閥門、皂液供給機(jī)、手干燥器、香水噴霧器等方面的自動(dòng)化裝置上,還可開發(fā)應(yīng)用在 博物館防近語(yǔ)音報(bào)警、防盜報(bào)警及紅外檢測(cè)器中。具有非常廣泛的應(yīng)用。 座圈壓力傳感器由 P3000-401G 壓力傳感器組成與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 5G14433 以及譯碼 芯片 5G4511，5G1413，數(shù)碼顯示管共同組成了人體秤部分，這就是說，輔助解便系統(tǒng) 不僅可以實(shí)現(xiàn)馬桶的作用還可以用來(lái)稱體重，同時(shí)壓力傳感器的內(nèi)部信號(hào)也可以被提 取，供外圍電路使用。也可以作為沖水的信號(hào)使用。 直流電機(jī)，主要用來(lái)調(diào)節(jié)洗凈噴頭的位置，當(dāng)需要洗凈的時(shí)候，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)， 平躺 抬背 曲/伸腿 12 12 使噴頭瞄準(zhǔn)在固定的位置，然后輸入信號(hào)將電磁閥打開，水從噴頭噴出，當(dāng)一段時(shí)間 后，電磁閥關(guān)閉，噴頭不再噴出水，然后輸入信號(hào)使噴頭回歸原位，使用直流電機(jī)的 原因是直流電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較快，只給一個(gè)短時(shí)間的電平就可達(dá)到目標(biāo)位置，而步進(jìn)電 機(jī)雖然精確，但是邏輯變成卻很復(fù)雜。 烘干電路主要由 300w 電熱絲和直流電機(jī)組成，當(dāng)洗凈完畢，電熱絲迅速加熱電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)，將熱風(fēng)吹出，達(dá)到烘干的目的這一過程可通過 FPGA 編程控制吹風(fēng)機(jī)工作的時(shí)間。 但是需要電磁繼電器的配合。烘干電路有兩種模式。冷風(fēng)烘干和熱風(fēng)烘干。 水箱加熱電路是由 FPGA 控制的可編程加熱電路作用是將水箱里的水加熱，用作洗 凈功能。 臭氧和負(fù)離子發(fā)生的量、作用時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行控制。有遙控和定時(shí)功能?？?廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生、公共娛樂、家庭、辦公室等場(chǎng)所的空氣殺菌消毒和凈化。同時(shí)， 它能夠克服常用的過氧乙酸、過氧化氫、次氯酸納等消毒劑對(duì)環(huán)境、物體、人體等具 有一定的污染、腐蝕和損害等負(fù)面作用，且存在著殺毒時(shí)間短、消毒時(shí)人必須離去、 留有消毒劑殘留物等弊端。特別是克服了其中含氯消毒劑還存在產(chǎn)生三氯甲烷、四氯 化碳等“三致” （致畸變、致突變和致癌）的潛在危害，是一種現(xiàn)代、科學(xué)、理想的消 毒方式。 臭氧發(fā)生器的電路由三極管 VT1、VT2 與電感線圈 L1 一 13、脈沖變壓器 T、限流 電阻器 R1、充電電容器 C3,雙向觸發(fā)二極管叨 5 等組成推挽振蕩電路；濾波電感線圈 L0,整流二極管 VD1 與濾波電容器 C1、C2 等組成半波整流濾波電路。接通電源，交流 220V 電壓經(jīng) LO 濾波，VD1 整流后，在 C1 兩端產(chǎn)生十 280V 左右的電壓，供給推挽振蕩 電路。在開機(jī)瞬間，VT1 導(dǎo)通。由于 C3 的充電作用，雙向觸發(fā)二極管 VD5 截止。當(dāng) C3 兩端的充電電壓升至 32V 時(shí)，VD5 被觸發(fā)而導(dǎo)通，使 VT2 導(dǎo)通。在 VT2 導(dǎo)通期間，C3 逐漸放電，又使 VT2 截止。VTl 導(dǎo)通后，在脈沖變壓器 T 的作用下，L1、L2 上產(chǎn)生正 反饋電壓，此電壓分別加至 VTl 和 VT2 的基極，使 VTl 和 VT2 交替導(dǎo)通與截止（即 VTl 導(dǎo)通時(shí)，VT2 截止；VT2 導(dǎo)通時(shí)，VTl 截止） ，推挽振蕩電路振蕩工作。推挽振蕩電路工 作后，在脈沖變壓器 T 的二次側(cè)繞組 L6 上產(chǎn)生脈沖高壓，使臭氧發(fā)生片 VG 工作，產(chǎn) 生臭氧。 13 13 座圈加熱電路是由電熱絲和 220V 交流電源構(gòu)成，有三個(gè)檔位，按遙控器上“座溫 調(diào)節(jié)”按鍵可調(diào)節(jié)座圈溫度。座圈溫度可設(shè)置為座圈不加熱、約 34 攝氏度、約 38 攝 氏度、約 42 攝氏度。當(dāng)座溫指示信號(hào)條為一格時(shí)對(duì)應(yīng)座圈溫度為不加熱，當(dāng)座溫指示 信號(hào)條為兩格時(shí)對(duì)應(yīng)座圈溫度約為 34 攝氏度，當(dāng)座溫指示信號(hào)條為三格時(shí)對(duì)應(yīng)座圈溫 度約為 38 攝氏度，當(dāng)座溫指示信號(hào)條為四格時(shí)對(duì)應(yīng)座圈溫度約為 42 攝氏度。 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每 個(gè)孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體 就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來(lái)檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是 常開的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來(lái)推動(dòng)油剛的活塞，活塞 又帶動(dòng)活塞桿，活塞竿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn) 動(dòng)。 14 14 3 多功能護(hù)理床的詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1 抬背構(gòu)型設(shè)計(jì) 抬背機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，有以下幾種構(gòu)型可供選擇。 （如圖 3.4 所示） 圖 3.4 抬背機(jī)構(gòu)的 3 種備選構(gòu)型 構(gòu)型 a：該機(jī)構(gòu)是螺旋連桿組合機(jī)構(gòu)，其有四個(gè)活動(dòng)件，五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)高副， 故其自由度為 F=4*3-2*5-1=1，該機(jī)構(gòu)有 1 個(gè)原動(dòng)件，具有確定運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是 抬背角度大，而滾輪與背板之間為高副聯(lián)接，所以穩(wěn)定性不高，該構(gòu)型為螺旋傳動(dòng)， 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易裝配而且承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴(yán)重。 構(gòu)型 b：該抬背機(jī)構(gòu)為螺旋一連桿組合機(jī)構(gòu)，其有三個(gè)活動(dòng)件，四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，故其 自由度為 F=3*3-2*4=1，具有 1 個(gè)原動(dòng)件，有確定的運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可使用電 動(dòng)推桿作為驅(qū)動(dòng)部件，該機(jī)構(gòu)構(gòu)型簡(jiǎn)單，制造容易，而且初始狀態(tài)的傳動(dòng)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 40 度，力的有效利用程度很高，如果沒有其他限制條件，應(yīng)該首選該構(gòu)型。但是在護(hù) 理床的結(jié)構(gòu)中，支撐框架的 Z 向尺寸較小，而背板又要翻轉(zhuǎn) 70 度。 ，這也就引起一個(gè) 矛盾：既需求電動(dòng)推桿的行程要很大，又需求其初始狀態(tài)尺寸較小，顯然這樣的需求 是達(dá)不到的，因而放棄該構(gòu)型。 構(gòu)型 c：該機(jī)構(gòu)為螺旋一連桿組合機(jī)構(gòu)，實(shí)際上可以等效為一四桿機(jī)構(gòu)，等效后的 機(jī)構(gòu)具有 3 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，1 個(gè)移動(dòng)副，因此自由度 F=3*3-2*4=1，該機(jī)構(gòu) 15 15 需要 1 個(gè)原動(dòng)件來(lái)確定運(yùn)動(dòng)。使用電機(jī)作為動(dòng)力源，可以獲得很大的翻轉(zhuǎn)角度,但是該 機(jī)構(gòu)成本較高。 綜上所述，構(gòu)型 C 為三種之中的最優(yōu)構(gòu)型，故抬被機(jī)構(gòu)最終使用該構(gòu)型。曲腿機(jī) 構(gòu)的設(shè)計(jì)與抬背機(jī)構(gòu)的相同。 在第二章的設(shè)計(jì)指標(biāo)中已經(jīng)給出了基本參數(shù)，由于本章著眼于計(jì)算，方便我們可 以直觀地獲得數(shù)據(jù)，我們?cè)僖淮谓o出護(hù)理床的基本參數(shù)值。 床的基本尺寸為長(zhǎng)寬=2000mm1000mm,高=300520mm 抬背角度為 070o 大腿翻轉(zhuǎn)角度為 035o 3.2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有以下兩種方案選擇 第一種方案是使用聯(lián)動(dòng)的兩個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)圖如下： 第二種方案使用四個(gè)相同的電動(dòng)推桿分別支撐床的四邊，簡(jiǎn)圖如下： 16 16 第一種方案該機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)，有 3 個(gè)活動(dòng)件，四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，自由度為 F=3*3- 2*4=1，有一個(gè)原動(dòng)件即可做穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，并且穩(wěn)定，價(jià)格低 廉。 第二種方案該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其不穩(wěn)定，使用的是電動(dòng)推桿作為動(dòng)力源，故 其成本高。 綜上所述，選擇第一方案比較適合。 3.3 抬腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 抬腿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對(duì)來(lái)講和抬背機(jī)構(gòu)是相同的，抬背機(jī)構(gòu)和抬腿機(jī)構(gòu)總體的簡(jiǎn)圖 如圖 3.6，圖 3.7 所示。 床板平置時(shí)，人躺在床上和普通病床一樣，當(dāng)需要坐起時(shí)由圖中左邊的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 螺桿 7 轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺帽 6 向右運(yùn)動(dòng)，再由連桿 5 驅(qū)動(dòng)床板 1 旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起。需 要曲膝時(shí)，同樣右邊的電機(jī)工作，通過螺桿 10 轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺帽 9 向左運(yùn)動(dòng)，再由連桿 8 驅(qū)動(dòng)床板 3 旋轉(zhuǎn)。坐起和曲膝動(dòng)作如圖“坐起狀態(tài)” 。 17 17 圖 3.6 運(yùn)動(dòng)之前機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖 3.7 運(yùn)動(dòng)之后機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3.4 電機(jī)的選擇 3.2.1 整體升降電機(jī)的選擇 1）功率： 時(shí)間 t=35s，上升高度 h=220mm，極限夾角 ，轉(zhuǎn)臂角速度為90srads049.3521 轉(zhuǎn)臂速度： smsh09.2.11 18 18 負(fù)載 ,轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率為 （忽略轉(zhuǎn)NT301 WTP309.3011 臂自重） 電機(jī)的許用功率： P 許 忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及連桿自重）1 WP789.04.3221 軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機(jī)實(shí)際功率： WP9.78實(shí) 由以上結(jié)果知，選定額定功率為 100W 的單向電容式減速電機(jī)。其相關(guān)參數(shù)如下 2)電機(jī)轉(zhuǎn)速 19 19 由圖 3.2 可知螺桿導(dǎo)程 1 最短約為 220mm。那么由屈膝的抬腿時(shí)間 ，螺桿導(dǎo)st35 程間距 ，可以得出電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速約：md2in896035rn 3.2.2 坐起電機(jī) 1）功率 取 t=30s，極限角度 =70 o，轉(zhuǎn)臂角速度：srads047.38702 轉(zhuǎn)臂速度： sml 10.2.2 負(fù)載 ，則轉(zhuǎn)臂傳遞的功率：NT10 （忽略轉(zhuǎn)臂自重）wP4.2 電機(jī)的許用功率： P 許 2= （忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及連桿自重）WP309.804.122軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機(jī)實(shí)際功率： P 許 21.2=36W2 由以上結(jié)果知，選用額定功率為 40W 的單相電容式減速電機(jī)。相關(guān)參數(shù)如下 20 20 2）轉(zhuǎn)速 由圖 3.1 可知坐起螺桿行程最短約為 365m。那么由上身坐起的時(shí)間 t=30s，螺桿 螺紋間距 d=2mm，可以得出電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速： n=36523060r/min=365r/min 圖 3.1 坐起螺桿的導(dǎo)程示意圖 3.2.3 曲腿電機(jī)的選擇 1）功率： ，極限角度 ，轉(zhuǎn)臂角速度：st35o35srad0174.8 轉(zhuǎn)臂速度： sml 35.2.3 負(fù)載 T3=1000N，則轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率： （忽略轉(zhuǎn)臂自重）WTP5.33 21 21 P 許 3= (忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及連桿量）WP1.9.084.53223 軸 承聯(lián) 軸 器螺 桿 電機(jī)實(shí)際功率：P 3=P 許 31.2=10.9W 由以上結(jié)果知，選定額定功率為 25W 的單相電容式減速電機(jī)。相關(guān)參數(shù)如下 2）轉(zhuǎn)速： 由圖 3.2 可知屈膝螺桿行程最短約為 121mm。那么由屈膝的抬腿時(shí)間 ，螺桿st35 導(dǎo)程間距 ，可以得出電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速約：mdin10463521rn 圖 3.2 屈膝時(shí)螺桿的行程示意圖 3.5 增加泵的選擇 輔助解便系統(tǒng)中選擇水泵的時(shí)候滿足下列原則： 22 22 在輔助解便系統(tǒng)中，在滿足揚(yáng)程和流量需求的條件下，應(yīng)選擇功率較小的泵； 在強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)中，水溫50時(shí)宜選用熱水泵； 泵與傳熱工質(zhì)應(yīng)有很好的相容性； 水泵選擇時(shí)，還要注意管徑及電源選擇（220V 或 380V） 。 水泵的流量、揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)給水系統(tǒng)所需的流量、壓力確定。由流量、揚(yáng)程查水泵 性能表（工作曲線）即可確定其型號(hào)。根據(jù)水泵在系統(tǒng)中的作用，可分為集熱循環(huán)泵， 水箱間循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、給水泵（或增壓泵） ，管道循環(huán)泵。因此水泵在系統(tǒng)中的作用 主要有補(bǔ)水、循環(huán)、增壓。 水泵工作曲線 一、集熱循環(huán)水泵： 1、水泵流量的確定 單位集熱面積流量（小時(shí)流量）集熱面積；西藏、青海地區(qū) 7080l/;其它地 區(qū)一般為 50l/。內(nèi)蒙、輻照較好地區(qū)可選 60l/。 2、水泵揚(yáng)程的確定 HbH1+H2+H3 H1-水箱最低點(diǎn)到集熱器最高點(diǎn)的高差。 （若為負(fù)值，則為 0） H2-管道沿程損失，一般區(qū)域若不超過 6 臺(tái)，可計(jì)為經(jīng)過一臺(tái)集熱器循環(huán)一周的管 道+集熱器管線總長(zhǎng)度的 3%。 23 23 H3流出水頭，一般為 23 米 輔助解便系統(tǒng)流量確定之后針對(duì)具體的管路可以計(jì)算出該支路的沿程阻力損失和 局部阻力損失，即管路壓降。在聯(lián)集管系統(tǒng)中，若串聯(lián)臺(tái)數(shù)是 6 臺(tái)單層集熱器（輻照 量一般的地區(qū)，流量為 50l/） ，管道管徑根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配置，則熱水系統(tǒng)的管道流阻可選 擇 0.03 米水柱/米管。 若串聯(lián)臺(tái)數(shù)變化，可根據(jù)下式進(jìn)行測(cè)算： 管網(wǎng)的沿程水頭損失 式中： -系統(tǒng)沿程損失合計(jì)，mfh 、 、 -各計(jì)算管段單位長(zhǎng)度沿程水頭損失，1i2ni /kpam 、 、 -各計(jì)算管段的管道長(zhǎng)度，ll 單位長(zhǎng)度水頭損失 1.854.871.85105jgiCdq 式中： -各計(jì)算管段單位長(zhǎng)度沿程水頭損失，i /kpam -海澄-維廉系數(shù)C 各種塑料管、內(nèi)襯（涂）塑管 =140， 銅管、不銹鋼管 =130， 襯水泥、樹脂的鑄鐵管 =130，C 普通鋼管、鑄鐵管 =100， -設(shè)計(jì)秒流量，gq3/ms -管道計(jì)算內(nèi)徑，jd 局部水頭損失 210.5mHVg 式中： -局部水頭損失， -局部阻力系數(shù)， 123f nililil 24 24 -管道中流速， （輔助解便系統(tǒng)中一般選擇為 1 米/秒）v/ms -重力加速度，g2 由于在輔助解便系統(tǒng)中，彎頭、三通、球閥等配件數(shù)量甚多，對(duì)局部水頭損失不 逐個(gè)計(jì)算，而是根據(jù)系統(tǒng)沿程損失的 30%近似計(jì)算。30%mfHh 水箱和集熱器的位置一般有三種情況： 集熱器和水箱放在同一平面上， ； 水箱比集熱器高，水泵提供的揚(yáng)程能克服管道流阻即可，不需要太大的揚(yáng)程， 以免集熱器受壓太大漏水，聯(lián)集管集熱器所承受的壓力最大不得超過 10 米水柱，即水 箱最高水位與集熱器最低點(diǎn)高差和水泵的揚(yáng)程之和不得大于 10 米；此時(shí)兩者間的取值 為負(fù)。 （水箱最高水位低于集熱器陣列末端上循 1.05(.3)fHhH 環(huán)出口高度） 式中： -水泵的揚(yáng)程， m -系統(tǒng)沿程損失合計(jì)，fh -水箱最高水位與集熱器陣列末端上循環(huán)出口落差，H m 集熱器比水箱高，此時(shí)取值為正； 二、水箱間循環(huán)水泵： 水箱間循環(huán)泵的流量、揚(yáng)程均不宜過大，防止溢水；若兩水箱不在同一平面上， 揚(yáng)程可根據(jù)兩水箱位置調(diào)整；水泵選擇為耐熱水泵。兩個(gè)水箱在同一平面上時(shí)，一般 不能使用比 PH-123E 的水泵。 三、室內(nèi)管道循環(huán)水泵： 1、循環(huán)流量的確定 （1）24h 循環(huán)流量： 式中：qs-循環(huán)流量，L/h； rSstQq163. 25 25 QS-配水管道系統(tǒng)的熱損失，W，可按設(shè)計(jì)小時(shí)的耗熱量的 3%5%使用； -配水管道的熱水溫度差，；一般可使用 510； r-熱水密度，Kg/L。 （2）定時(shí)系統(tǒng)，按管網(wǎng)中的熱水容量每小時(shí)循環(huán) 24 次計(jì)算。 （3）循環(huán)水泵的流量，可使用設(shè)計(jì)小時(shí)流量的 25%估算。 2、揚(yáng)程：主要為管道沿程損失；每米管道可計(jì)算 3左右。或根據(jù)集熱管道沿程 損失的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。 四、供水增壓泵 輔助解便系統(tǒng)中用到的增壓泵按控制方式分為：定時(shí)控制、水流開關(guān)式、壓力開 關(guān)式（氣壓給水）和變頻控制等 4 種控制方式。 定時(shí)控制的增壓水泵 適用于短時(shí)間定時(shí)集中供水；水箱與用水點(diǎn)的相對(duì)高度位置不受限制。使用滿足 增壓需求的熱水泵，使用時(shí)控開關(guān)或手動(dòng)定時(shí)啟動(dòng)、關(guān)閉，以達(dá)到增壓的需求。 水流開關(guān)增壓水泵 水箱必須高于用水點(diǎn)，水流開關(guān)控制。一般水箱的水位要高于水流開關(guān) 1 米以上。 壓力開關(guān)控制增壓水泵（氣壓給水） 使用壓力開關(guān)和壓力罐，水泵最好為 220V，水泵揚(yáng)程至少 10 米以上；壓力罐的容 積一般為小時(shí)用水量的 510。壓力罐應(yīng)為隔膜式壓力罐。 氣壓給水的水箱與用水點(diǎn)的相對(duì)高度位置不受限制；但在水泵啟停時(shí)會(huì)由于壓力 的波動(dòng)而出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象，特別是壓力罐選擇容積偏小時(shí)，易出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn) 象。 氣壓給水設(shè)備氣壓水罐的總?cè)莘e和氣壓水罐水的調(diào)節(jié)容積，應(yīng)按下列公式計(jì)算： V2Vx/(1-b) VxCqb/4nmax 式中 V2-氣壓水管的總?cè)莘e（m3） ； Vx-罐內(nèi)水的調(diào)節(jié)容積； b-氣壓水罐最小工作壓力與最大工作壓力比（以絕對(duì)壓力計(jì)） ，宜使用 0.650.85；在有特殊需求時(shí)，也可在 0.50.90 范圍內(nèi)選用； 26 26 -容積附加系數(shù)，補(bǔ)氣式臥式水罐宜使用 1.25；補(bǔ)氣式立式水罐宜使用 1.10；隔膜式氣壓水罐宜使用 1.05； qb-水泵出水量（m3/h） ，當(dāng)罐內(nèi)為平均壓力時(shí)，水泵出水量不應(yīng)小于管網(wǎng)最大 小時(shí)流量的 1.2 倍； nmax-水泵一小時(shí)內(nèi)最多啟動(dòng)次數(shù)，宜使用 68 次； C-安全系數(shù)，宜使用 1.01.5。 壓力罐的容積一般可為小時(shí)供水量的 105，即若小時(shí)供水量 10 噸，壓力罐 的容積應(yīng)為 5001000 升。 （2）設(shè)計(jì)小時(shí)用水量 A、全日制供應(yīng)熱水的可按下式計(jì)算： TmqKQrh Qh-最大小時(shí)熱水用水量（L/h） ； qr-熱水用水量定額（L/h） ； m-用水計(jì)算單位數(shù)（人或床） ； T-熱水供應(yīng)時(shí)間（h） ； Kh-小時(shí)變化系數(shù)，全日制供應(yīng)熱水時(shí)（L/h） ； 3.6 橫軸的設(shè)計(jì)與校核 1、求軸上的功率 P2、P3 轉(zhuǎn)速 n1、n2 及轉(zhuǎn)矩 T2、T3。 P2P2 電機(jī) 螺桿 軸承 （忽略連桿重量） W239.0472 P3P3 電機(jī) 螺桿 軸承 1.5min389.026rni1.3 mNnPT56389.025.922 71.33 將軸設(shè)計(jì)為實(shí)心光軸。 27 27 初步確定軸的直徑 mnPAd389.02733202 因計(jì)算比較保守，先選用直徑為 25mm 的 40Cr 待后面校核。nd3816.07330 同以上選擇一樣。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸向和周向定位需求將軸與轉(zhuǎn)臂套筒用螺栓固定，同時(shí)考慮到傳動(dòng)角的范圍 將連桿在軸上的固定孔偏離轉(zhuǎn)臂套筒固定孔 40o。 初步選定滾動(dòng)軸承 因軸承所受軸向力可忽略，認(rèn)為只受徑向力，選用深溝球軸承即可。 軸的強(qiáng)度校核 因這軸所受彎矩很小，可忽略，認(rèn)為只受扭轉(zhuǎn)作用，故只考慮扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核。 軸的計(jì)算應(yīng)力 MpaMpaWT1825.063324.733 其中 是抗扭截面系數(shù)， =3 3 316d 由以上計(jì)算確定軸的材料為 40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 。因此 。故，軸安全Mpa2751132ca 3.7 螺桿的設(shè)計(jì)與校核 螺桿的確定 自鎖性；由于在升降過程中需求能在任意一個(gè)角度停止，故對(duì)其自鎖性能有很高 的需求，于是選用小導(dǎo)程角的單頭螺紋，螺紋形式為梯形螺紋，在本機(jī)構(gòu)中對(duì)自鎖性 有很大需求，故對(duì)其進(jìn)行校核： 其中 ,梯形螺紋 92.1)tan(dpcr9.5costanfr1.0f 28 28 ，螺距 p=2mm，d2 為螺紋中徑，查找相關(guān)資料取 d2=19mm。由于 ， 152 故其自鎖性很好。 （2）螺桿的轉(zhuǎn)矩；因三根螺桿中使病人坐起的機(jī)構(gòu)中螺桿受力最大，故先設(shè)計(jì)該 機(jī)構(gòu)中的螺桿。負(fù)載 T2=1000N，螺桿軸向力最大為 1000N。 其中螺桿所受轉(zhuǎn)矩： 。mNdFT 34.1029)6tan(102)tan( 由此得出螺紋最小轉(zhuǎn)矩為 1.2Nm 時(shí)即可將 1000N 負(fù)載支起。而電機(jī)提供給螺桿 的轉(zhuǎn)矩為 ，故符合需求。 mN34.57.36.9 螺紋長(zhǎng)度的確定 由前面電機(jī)選擇過程中求電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)算出的數(shù)據(jù)： 整體升降螺桿行程為 220mm，螺桿螺紋長(zhǎng)度選 250mm，據(jù)床的整體機(jī)構(gòu)確定螺桿總 長(zhǎng)度 360mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm，材料選用 40Cr 鋼。 坐起螺桿行程為 365mm，螺桿螺紋長(zhǎng)度選 400mm，據(jù)床的整體機(jī)構(gòu)確定螺桿總長(zhǎng)度 520mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm，材料選用 40Cr 鋼。 屈膝螺桿行程為 121mm，螺桿螺紋長(zhǎng)度選 150mm，據(jù)床的整體機(jī)構(gòu)確定螺桿總長(zhǎng)度 270mm，梯形螺紋，螺距為 2，公稱直徑為 20mm 材料選用 40Cr 鋼。 螺桿強(qiáng)度校核：在升降過程中，螺桿受軸向壓力 F 和轉(zhuǎn)矩 T 的作用，應(yīng)根據(jù)第四 強(qiáng)度理論對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核，強(qiáng)度校核公式參閱教材： 2312164dTFca 式中 為螺桿材料的許用應(yīng)力（MPa） ， 。53s 電機(jī)提供給螺桿的轉(zhuǎn)矩： 。 mNT57.1360.9, 其中 F 為軸向壓力： 。 dtgv62, d1 為螺紋小徑。 經(jīng)計(jì)算得 。查機(jī)械手冊(cè)得 ，因此 ，故安全。Mpaca7.6Mpa6911ca 29 29 抗彎曲強(qiáng)度校核：每圈螺紋承受的平均作用力 F/z 作用在中徑 的圓周上，則螺2d 紋牙根部危險(xiǎn)剖面的變曲強(qiáng)度為： 2.189.0321zbdFl 其中 b=0.634p(梯形螺紋，p 為螺距)，F(xiàn) 為軸向力，l 為螺紋工作高度，取 z=8 為 組合圈數(shù)（無(wú)量綱） 。 螺桿穩(wěn)定性校核：細(xì)長(zhǎng)的螺桿工作時(shí)受到較大的軸向壓力可能導(dǎo)致失穩(wěn)，為此應(yīng) 根據(jù)螺桿的穩(wěn)定性條件來(lái)驗(yàn)算螺桿的穩(wěn)定性。 坐起螺桿 查教材，u 取 0.5（兩端固定） 螺桿的柔度： ils 得：4 1d)(405需 要 校 核s 根據(jù)歐拉公式計(jì)算： NutEIFcr 8.105745.06.12)(242 N17636.17/8.SCrsc 穩(wěn)定性安全系數(shù)取 （傳力螺旋） ， ，故認(rèn)為螺桿穩(wěn)定。05sSscS 整體升降螺桿 （不需要校核） 403iuls 3.曲腿螺桿 。 （不需要校核） 21ils 3.8 連桿的設(shè)計(jì)與校核 連桿的設(shè)計(jì) 初步確定連桿材料和長(zhǎng)度 30 30 假設(shè)坐起機(jī)構(gòu)升降到 70 度時(shí)螺帽的行程的最終位置與背部床板旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的水平距離 為 mm,連桿與背部床板連接點(diǎn)到其旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離為 =280mm,螺帽運(yùn)動(dòng)軸線到2401LL2 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的垂直距離為 e=30mm,其圖如下，故可以算出連桿 的長(zhǎng)度，由三角函數(shù)：39.10)7tan(e 9.31)70sin(eb mal.9501mbl.322 )7cos(22213 l 得 6 故連桿 為 326mm，寬和高都為 40mm,材料為 40Cr 調(diào)質(zhì)處理。L3 B.連桿強(qiáng)度校核 mNFM/35470sin32615sin3 連桿所受的軸向力可忽略。 因 .故安全。 .6/403MpaWcaMpac1 3.3.4 曲腿機(jī)構(gòu)中零件設(shè)計(jì)與校核 連桿的設(shè)計(jì) 31 31 A.連桿的設(shè)計(jì) 根據(jù)坐起機(jī)構(gòu)的算法可以得出 =164mm，選擇連桿的長(zhǎng)度為 1604mm,寬和高都為L(zhǎng)3 40mm。材料為 40Cr 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 B.連桿強(qiáng)度校核 因本機(jī)構(gòu)中連桿材料與坐起機(jī)構(gòu)中一樣，但長(zhǎng)度和受力卻較前者小，故無(wú)需強(qiáng)度 校核。 3.3.5 整體升降中的零件設(shè)計(jì)與校核 A.連桿的設(shè)計(jì) 由于整體上升的距離為 220mm,故其連桿 L1 設(shè)計(jì)為 220mm。L2 為 80mm,寬和高分別 為 20mm,30mm。材料為 40Cr 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。 B.連桿強(qiáng)度校核 因其所受的平均力較小，故不用校核。 32 32 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的題目是多功能電動(dòng)護(hù)理床及輔助解便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前市面上有此類產(chǎn) 品，但關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，技術(shù)路線及設(shè)計(jì)思路、方法，還有各類參數(shù)的信息量為零。不 斷地查閱資料后，關(guān)于設(shè)計(jì)思路還是沒有一點(diǎn)點(diǎn)的頭緒。然后決定先從理解各項(xiàng)指標(biāo) 入手，深刻理解要完成要求指標(biāo)需要進(jìn)行哪些工作，完成這項(xiàng)工作以后就覺得有點(diǎn)豁 然開朗了。緊接著對(duì)各項(xiàng)工作進(jìn)行了梳理,先從確定輸入輸出接口入手，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的 要求進(jìn)行一個(gè)電路的實(shí)現(xiàn),然后編制了一套切實(shí)可行的 PLC 梯形圖程序。經(jīng)過不斷的編 寫，調(diào)用，編譯、仿真，一遍一遍嘗試，多功能電動(dòng)護(hù)理床及輔助解便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié) 果終于一點(diǎn)點(diǎn)呈現(xiàn)在眼前，回過頭有核算了一遍各項(xiàng)指標(biāo)，將不盡人意的地方一一完 善和提升。再回過頭去看自己剛開始的躊躇和不知所措時(shí)覺得那些都是不存在的。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)帶給了我很多的體驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)及道理。以前的自己總會(huì)拿書本 上的東西照抄照搬，很多東西只要求自己懂個(gè)大概，還有很多東西是知其然不知其所 以然的。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)到了很多以前學(xué)過的知識(shí)，我也學(xué)到了很多課堂上沒有的 新知識(shí)，更了解到與他人分擔(dān)和分享的樂趣。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，把我在這幾年中學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了一次融會(huì)貫通，特別是對(duì) 液壓傳動(dòng)、機(jī)械設(shè)計(jì)、AutoCAD、機(jī)械制圖、工程材料、工程力學(xué)、互換性與測(cè)量技術(shù) 等專業(yè)知識(shí)又進(jìn)行了一次系統(tǒng)的理解和掌握，讓我充分的了解了它們之間的聯(lián)系。有 機(jī)的掌握了完成一次設(shè)計(jì)所需要的各個(gè)方面的知識(shí)。但由于本人的知識(shí)有限，因此在 設(shè)計(jì)中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些這樣或那樣的問題，同時(shí)我覺得我在以后的設(shè)計(jì)中會(huì)把 我的知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，不斷提高設(shè)計(jì)效率。 總的來(lái)說這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是比較成功的設(shè)計(jì)，它使我學(xué)到了很多有用的東西，拓寬 了知識(shí)面。但是在設(shè)計(jì)的過程中也體現(xiàn)出我好多專業(yè)知識(shí)學(xué)的很不踏實(shí)，很多東西都 是查了書才知道，連最基本的制圖常識(shí)都不太懂，動(dòng)手實(shí)踐能力好差，學(xué)的理論知識(shí) 不會(huì)恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，在今后的生活、學(xué)習(xí)當(dāng)中我會(huì)注意這方面能力的鍛煉。 33 33 參考文獻(xiàn) 1孫桓，陳作模.機(jī)械原理（第六版）.高等教育出版社.2001.5. 2李剛，李巧真，孫宏軍51 單片機(jī)節(jié)電模式的應(yīng)用J制造業(yè)自動(dòng)化，2000(11)： 57-60 3尚笠，葛元慶，周潤(rùn)德，等80c51 微處理器嵌入式內(nèi)核的設(shè)計(jì)研究J微電子學(xué)， 2000，1(30)：28-30 4金文高性能單片機(jī) AT89C1051ZT89C2051 的原理及應(yīng)用J國(guó)外電子元器件， 1997(9)：27-30 5張仁儉基于 89C2051 單片機(jī)的紅外遙控裝置及應(yīng)用航天制造技術(shù)，2005(3)： 21-23 6趙俊奇,祖靜.基于脈寬調(diào)制步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的拖動(dòng)研究J.華北工學(xué)院學(xué)報(bào), 2002,23(5):369-372. 7鄒麗新,黨蘭芬.步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行細(xì)分設(shè)計(jì)J.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào),2001,17(4):44-48. 8劉鴻文.材料力學(xué).高等教育出版社.2002.9 9范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué).北京，清華大學(xué)出版社.2004 10濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社.2001.4 第 7 版 11李杞儀，趙韓主編.機(jī)械原理.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2009.8 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