畢業(yè)設計（論文）-多功能便攜式家用吸塵器結(jié)構(gòu)設計

1、多功能便攜式家用吸塵器結(jié)構(gòu)設計全套圖紙加V信153893706或扣 3346389411摘 要隨著生活水平的不斷提高，吸塵器成為家庭中必不可少的一件利用率非常高的電器產(chǎn)品。近些年來，許多用戶被便攜式吸塵器的便攜、空間占有率小等優(yōu)點所吸引并購買。而目前市面上的便攜式吸塵器大多使用集塵袋過濾的方式實現(xiàn)吸塵器的吸塵功能，這種方式會隨著時間的推移而使集塵袋上的小尺寸微塵堵死集塵袋造成吸塵器吸力下降。本課題將在吸塵器內(nèi)設計旋風分離器來解決這一問題。本課題運用SolidWorks等軟件進行計算機輔助設計，在設計的過程中先繪制草圖，再進行詳細的計算，將所得的數(shù)據(jù)進行了多次三維建模，最終得出吸塵器的整體結(jié)構(gòu)模

2、型。關鍵詞 吸塵器；旋風分離器；結(jié)構(gòu)設計Structure design of multifunctional portable household vacuum cleanerAbstractWith the continuous improvement of living standards, vacuum cleaners have become an indispensable household electrical product with high utilization rate. In recent years, many users are attracted and pu

3、rchased by the advantages of portable vacuum cleaners, such as small space occupation and so on. At present, most of the portable vacuum cleaners on the market use the way of dust bag filtration to realize the dust collection function of the vacuum cleaner. This way will cause the small size dust on

4、 the dust bag to block the dust bag and reduce the suction of the vacuum cleaner with the passage of time. This topic will design the cyclone separator in the vacuum cleaner to solve this problem.In this project, SolidWorks and other software are used for computer-aided design. In the process of des

5、ign, the sketch is drawn first, and then the detailed calculation is carried out. The data obtained are modeled in three dimensions for many times, and finally the overall structure model of the vacuum cleaner is obtained. Keywords Vacuum cleaner; cyclone separator; structure design目 錄 TOC o 1-3 h z

6、 u HYPERLINK l _Toc41661380 一 緒論 一 緒論（一） 引言在吸塵器剛剛出現(xiàn)在大家的視野中的時候，電力還不是它的動力來源，風箱則成為了吸塵器完成吸塵功能的原動力，這樣的吸塵裝置往往體積笨重。到了1901年，來自英國的布斯工程師來到英國倫敦參觀在這里舉辦的一種車箱除塵器的展覽。這個車箱除塵器的原理僅僅是用壓縮過的空氣把灰塵吹入容器內(nèi)。在布斯看來這樣的做法未免有點過于簡單，因為這樣做的吸塵效率極低，許多灰塵都沒能順利的吹入集塵器內(nèi)。他回去之后經(jīng)過再三的思考，用逆向思維的方法思考問題，想讓除塵器變成真正的吸塵器。于是，他做了個實驗：他將一塊手帕覆蓋在口鼻之上，再向內(nèi)吸氣，等

7、他拿下手帕之后發(fā)現(xiàn)再手帕的表面竟然附上了一層灰塵。于是，他便運用這個原理制成了吸塵器。這便是最早的吸塵器的雛形?，F(xiàn)在，吸塵器已經(jīng)融入到每個家庭中，不同價位不同品牌不同功能的吸塵器能夠滿足各個家庭的不同需求。吸塵器已經(jīng)融入了千家萬戶的生活之中，它也已經(jīng)被列入國家的統(tǒng)計項目中成為了排名第三位的家用電器，排在洗衣機和冰箱之后。由此可見，吸塵器的需求量是巨大的，市場潛力也是巨大的，吸塵器已經(jīng)在我們的日常生活中占據(jù)了十分重要的地位。（二） 課題背景放眼國際市場，中國是世界上最大的吸塵器制造基地。據(jù)統(tǒng)計，吸塵器出口量在所有白色家電之中以3000萬臺的成績排在前三位。如果算上中國香港、中國臺灣等地區(qū)的企業(yè)出

8、口量，則出口量達到了5000萬臺。與這個數(shù)字形成鮮明對比的是，國內(nèi)吸塵器的銷量只有300萬臺左右，和其他的日常使用家電的銷量相比相差甚遠。從吸塵器的出口量和銷量的對比中我們可以看到，吸塵器出口量和銷量的巨大差距并不能說明國內(nèi)消費者沒有能力購買或者消費吸塵器，只能說明國內(nèi)消費者對吸塵器的認知和理解還不到位，對它的用途及功能的理解比較淺顯。只有當消費者能夠清楚的明白吸塵器的用途及功能的時候，吸塵器的市場才會逐漸打開，我們也將會迎來吸塵器的消費高潮。放眼如今的吸塵器市場，其價格定位和價格區(qū)間相對于國內(nèi)消費者的消費能力來說還是比較合理的，由此可以看出吸塵器的價格并不是吸塵器銷量不佳的原因。那么為何面對

9、中國這樣龐大的市場，唯獨吸塵器的市場遲遲打不開局面。其一是國內(nèi)消費者所根深蒂固的清掃理念沒有得到改變?，F(xiàn)在的中國家庭可能還不能做到每家都有吸塵器，但是每個家庭肯定都有掃帚拖把等基本的清潔工具。其二是消費者對于吸塵器的清潔能力和功能了解的比較片面，他們對吸塵器的理解還是僅僅停留在吸塵器只能吸塵這一個方面，然而現(xiàn)在市面上在售的很多的吸塵器還有除螨等其他功能。發(fā)達國家的情況與我們恰恰相反，每個家庭可能不止擁有一臺吸塵器，他們會根據(jù)不同的需求配備各種各樣的吸塵器。消費者的思想與習慣在很大程度上影響著消費市場。1 國內(nèi)吸塵器現(xiàn)狀從1968年開始，上海就有企業(yè)開始進行吸塵器的專業(yè)化生產(chǎn)。換句話說，國內(nèi)吸塵

10、器生產(chǎn)的起步不是很晚，但由于當時普遍生產(chǎn)技術(shù)達不到要求，造成吸塵器的產(chǎn)量很低，所以國內(nèi)使用吸塵器的企業(yè)與個人還是比較少，只有一些對環(huán)境清潔有所要求的場所在使用吸塵器。在當時，吸塵器這個家電還沒有真正的融入到消費者的生活中。近年來，隨著我國輕工業(yè)的飛速發(fā)展，吸塵器的生產(chǎn)技術(shù)也越來越好，產(chǎn)量也大幅增加。如今，我們可以在市場上看到許多國內(nèi)外不同品牌的吸塵器，而吸塵器本身也在朝著多元化多功能化的方向發(fā)展，不同的價位更是能滿足不同家庭的需要。2 國外吸塵器現(xiàn)狀早在1869年，美國工程師麥克加菲就發(fā)明過一款名為“旋風”的真空吸塵器。1908年由胡佛公司制造的“OModel”則是世界上最早的便攜式吸塵器。一

11、開始國外生產(chǎn)的吸塵器都是用來清理大型工廠，功率超大的吸塵器可以有效地清理工廠內(nèi)的廢料，因此當時吸塵器在工業(yè)上的使用頻率較高。但人們漸漸開始思考，吸塵器能否應用到每個家庭的日常生活中來呢？所以吸塵器才逐漸從工業(yè)走進了人們的日常生活中。縱觀吸塵器的發(fā)展歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)吸塵器的更新?lián)Q代主要體現(xiàn)在改變電機功率和調(diào)整調(diào)速器上，很少對吸塵器的集塵方式進行改動。傳統(tǒng)的吸塵器集塵方法就是在集塵倉中安裝一個集塵袋，這樣就可以把所有吸進來的灰塵廢物集中在一起，它的缺點在于在收集滿垃圾之后需要清理并清洗集塵袋，除此以外，由于過濾精度的影響，很多細小的灰塵和紙屑等容易吸附于集塵袋的內(nèi)壁，大大降低了吸塵器的吸塵能力，

12、嚴重可能會造成吸塵器電機短路。1978年，英國設計師戴森發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)集塵袋降低吸塵器吸塵能力的問題。在制作了上千個模型后，戴森終于設計出了第一款便攜式無濾塵袋吸塵器。1986年戴森在日本成功推廣了一個叫做G-動力真空吸塵器的產(chǎn)品，這款產(chǎn)品的原理是將氣流加速至每小時321公里，再以每小時1448公里的超音速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使灰塵以及含塵顆粒落入集塵袋中。如今，“戴森”已經(jīng)成為了吸塵器行業(yè)的標桿企業(yè)。（三） 課題研究目的意義本課題研究的目的是設計出一款更加便攜簡易多功能的家用吸塵器。目前，國內(nèi)的家用吸塵器大部分功能單一，使用不便，需要經(jīng)常清洗集塵袋。本課題所設計的多功能吸塵器與之相比有如下

13、幾點優(yōu)點：不僅僅只有吸塵這一個功能，而是能將除濕等一些附加功能有效的結(jié)合起來，使吸塵器變得更加多功能化。本課題的設計通過計算能夠有效的提高吸塵器的工作效率，增加吸塵器的實用性。與傳統(tǒng)的集塵袋不同，運用旋風分離除塵技術(shù)，避免了清洗過濾網(wǎng)的反復清洗步驟。該吸塵器體積較小，重量較輕，功能化全面，實用價值和性價比極高，投入市場潛力極大。通過對其三維模型的建立，數(shù)據(jù)的處理和分析，最終的設計成果對日后吸塵器的創(chuàng)新研究具有參考意義。本次課題設計的難點：如何將工業(yè)上的旋風分離除塵技術(shù)巧妙的運用到日常家電產(chǎn)品中如何對電機風葉輪進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化二 便攜式吸塵器概述隨著人們生活水平的提高，對于吸塵器的要求也越來越高。用

14、戶在打掃衛(wèi)生時，在承受著繁重的體力勞動的同時，不再愿意去承受吸塵器帶來的不便感。人們越來越希望有一個輕松舒適的設備改善對待勞動的態(tài)度，使得打掃衛(wèi)生不再費力而無趣。在這種大環(huán)境下，便攜式吸塵器的到來便顯得極為重要。（一） 吸塵器的組成和分類1 吸塵器的組成吸塵器的組成可以分為三個部分，分別是吸塵器的吸頭、集塵分離裝置和負壓裝置。其中包含的結(jié)構(gòu)部件有電動機、離心式風機、濾塵網(wǎng)和其他一些吸塵附件。吸頭現(xiàn)在市面上的吸塵器一般都帶有好幾個可替換吸頭，供用戶在不同的需求環(huán)境下自行調(diào)節(jié)使用。常見的替換吸頭有圓孔吸頭、扁吸頭、邊吸頭等。圓孔式吸頭的使用范圍較廣，很多的場合都可以使用，也可以搭配其他吸頭一起使用

15、。扁吸頭和邊吸頭主要用于清理房間內(nèi)的各種死角。集塵分離裝置據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在吸塵器上用的集塵分離裝置有以下幾種：傳統(tǒng)濾紙過濾、無紡布過濾、有濾芯的水平旋風過濾和立式旋風過濾。負壓裝置這個裝置的主要作用是通過離心風葉輪的高速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生負壓，將灰塵吸入集塵筒中。2 吸塵器的分類吸塵器的分類方式有很多，在本課題中我將逐一為你介紹各個分類方式的名稱以及其分類標準。按照功率分類便攜式吸塵器按功率可分為高功率吸塵器、中功率吸塵器和低功率吸塵器。大功率吸塵器通常是老式的吸塵器，功率范圍為3000瓦至4500瓦。它們通常用于工廠或清潔面積大的環(huán)境中。市場上通常使用中等功率的吸塵器，功率范圍為300瓦至2000瓦。與

16、大功率吸塵器相比，它的吸塵能力較弱，但對于普通家庭來說這種能力已經(jīng)足夠了。地板、墻壁和地毯上的灰塵可以清理。低功率真空吸塵器的功率范圍在60W至200W之間，三種不同功率吸塵器中吸塵能力最弱。它可以用來清潔電腦鍵盤縫隙、衣物表面和其他不需要太大吸力的地方。它的特點是省電。按照結(jié)構(gòu)分類按照吸塵器結(jié)構(gòu)組成的不同我們可以將吸塵器分為以下幾種：罐式吸塵器、棒式吸塵器、無繩式吸塵器、立式吸塵器、干濕式吸塵器和中央式吸塵器。其中，罐式吸塵器是歐洲最常見的吸塵器，它的噴嘴通過一根管子和一根軟管與吸塵器的主體相連接。棍棒式吸塵器是手持吸塵器，它與無繩吸塵器一樣由可充電電池供電。無繩式吸塵器和棒式吸塵器的噴嘴直

17、接安裝在吸塵器的機身上，使它們比罐式吸塵器的結(jié)構(gòu)更緊湊。立式吸塵器主要在美國和英國銷售，它們比無繩吸塵器更大，通過一根管道提供能量，使立式吸塵器比無繩吸塵器有更強大的動力。干濕式吸塵器能夠吸濕地板，這些吸塵器的主要市場是巴西。中央吸塵器安裝在有幾個出水口并連接管道的房子里。不同結(jié)構(gòu)的吸塵器如圖3.1所示。罐式棒式無繩式立式干濕式中央式圖3.1 不同結(jié)構(gòu)的吸塵器（二） 便攜式吸塵器的特點便攜式吸塵器具有吸塵、吸水、除螨等功能，使其更加的多功能化。這么做可以在很大的程度上使人們使用吸塵器更加的方便便捷。而這正在成為家庭必備家電的一個大趨勢，很多的家電不再只有單一的功能和角色，而是盡可能的多功能化。

18、這樣的設計符合市場需求，也在很大程度上滿足了大眾對其功能的需求。1 便攜式吸塵器的工作原理想要了解一臺真正的吸塵器，便要先了解它的工作原理。吸塵器的工作原理如下：吸塵器可以連接交流或者直流電源，將吸塵器連接電源后，按下啟動按鈕，電動機便會開始工作，帶動葉輪進行高速旋轉(zhuǎn)，在吸塵器內(nèi)部會形成局部的真空，利用集塵筒內(nèi)部與外部的氣壓差產(chǎn)生一定的吸力，吸塵器便可以將灰塵等垃圾吸入集塵桶內(nèi)了。在集塵筒的內(nèi)部一般還設有過濾裝置，方便集塵筒把一些灰塵污垢留在集塵筒中。過濾后的空氣通過后殼排出。2 吸塵器的形態(tài)特征在設計吸塵器時，主要通過兩方面體現(xiàn)其形態(tài)特征：造型和色彩。在造型設計方面，完美的結(jié)合直線與曲線，既

19、讓女性消費者感受到這款產(chǎn)品線條的柔和，也可以讓男性消費者感受到它的線條與力量。在現(xiàn)在的市場環(huán)境中，要想推出一款能夠引起熱度的產(chǎn)品就必須要在產(chǎn)品外觀上多下功夫，要做到讓消費者看的第一眼就被其獨特的外觀深深的吸引。只有這樣，才能讓消費者有可能去繼續(xù)了解它的性能、價格等參數(shù)。所以我們應該做到在追求產(chǎn)品造型設計的同時不丟下產(chǎn)品的功能設計。3 吸塵器的附屬功能很多人覺得吸塵器只能用來吸塵，殊不知吸塵器除了日常吸塵打掃之外還有許多的附屬功能。例如，當季節(jié)變化，我們通常都會把過季的衣服收拾進袋子里留到明年再穿，這時候吸塵器就派上了用場，我們可以用用吸塵器抽一下真空袋，這樣真空袋的體積便明顯變小，占用的空間也

20、更小了。（如圖2.1）夏天來臨的時候，很多人都飽受蚊蟲叮咬的困擾，這時候我們就可以用吸塵器來吸掉蚊子、小飛蟲等小生物，這樣也不至于在墻上留下蚊子的尸體，只要簡單清洗一下集塵筒就可以了。除此以外，在家里掉了一些很小的物件，如果他們掉到了床底下或者沙發(fā)底下的話找起來很麻煩，這時候當你擁有一臺吸塵器，一切都會變得很簡單。你只需要在吸塵器的吸塵口處裹上一層紗布，這樣開啟吸塵器之后就可以把掉落的物品吸附在紗布上了，這樣十分的方便。圖2.1 用吸塵器抽取真空袋內(nèi)的空氣三 吸塵器整體方案設計（一） 吸塵器的市場在中國，吸塵器市場需求正在持續(xù)快速的增長。吸塵器更是擺脫了電源線的限制，憑借其更高的自由度，已經(jīng)成

21、為吸塵器市場中發(fā)展迅速的產(chǎn)品之一。根據(jù)新世界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布一份報告，2018年，中國吸塵器的總市場規(guī)模接近200億元，同比增長約32%。在這之中，吸塵器市場規(guī)模約占40%，同比增速超過50%。種種數(shù)據(jù)表明吸塵器市場發(fā)展前景光明，潛力巨大，勢頭強勁。目前，我國吸塵器市場上的主要品牌有戴森、萊克、美的、松下、小狗等。其中，戴森、萊克和美的在總市場份額中排名前三。其中，戴森的銷量更是一路領先。在目前的吸塵器市場上，國產(chǎn)品牌的比例高于國外品牌，但是在中高端市場方面，國外品牌依舊是占領市場，國產(chǎn)品牌主要在中低端市場展開競爭?，F(xiàn)階段，我國的吸塵器市場的普及率依然尚未達到預期水平，在不久的將來，相信隨著國

22、民消費力的提升及消費觀念的轉(zhuǎn)變，吸塵器能夠在我國得到更為廣闊的發(fā)展空間。（二） 吸塵器設計定位正如前文所提到的，隨著國民生活水平的不斷提高，人們對吸塵器的要求已經(jīng)不再僅僅是它能吸塵就可以了，而是要求它有多功能的屬性。不管是何種用戶人群，都希望能夠通過吸塵器來在提高勞動效率的基礎上能夠減輕勞動負擔。當我們在進行日常打掃的時候，會遇到需要打掃的區(qū)域有積水的情況。在這個時候，傳統(tǒng)的單一功能的吸塵器便不能繼續(xù)工作，需要我們把積水處理干凈。而這時吸塵器的優(yōu)勢便體現(xiàn)了出來，既可以把積水清理干凈，還不損壞電機。在外形設計上，目前市場上主要有流線型外觀和直線型外觀兩種，這兩種所針對的人群都太過明顯。吸塵器應該

23、將這兩種外形設計有機結(jié)合起來，讓不同的人群都感到很舒服。設計定位總結(jié)：人群定位：20-40歲中青年。追求效果：外觀獨特、性價比高、功能齊全。附屬功能：可吸水、無線設計、便攜性強。（三） 吸塵器的整體分析1 吸塵器的性能參數(shù)標準吸塵器基本參數(shù)有以下幾個：輸入功率輸入功率代表了吸塵器的消耗電功率。在裝配完吸塵器后，在一切調(diào)試完畢后，調(diào)整到額定電壓，使其穩(wěn)定運行，在這種條件下測出的電功率就是輸入功率。吸入功率吸入功率表示吸塵器的有效功率。如不考慮誤差，吸入功率代表吸塵器進風口中空氣的能量。吸塵器效率吸塵器效率可以用如下公式表示：（3.1）公式中的P為吸塵器的吸入功率；w為吸塵器在P條件下的輸入功率。

24、繞組溫升吸塵器電動機的繞組溫升具體表現(xiàn)在吸塵器上為繞組的發(fā)熱程度。發(fā)熱程度越高，那么電動機的絕緣老化越快，壽命也就相應的越短。2 集塵分離方式吸塵器的集塵分離方式一般可以分為兩種，一種叫塵倉式，另一種叫塵袋式。塵袋式，顧名思義就是把收集到的灰塵集中到一個袋子中。這種集塵分離模式的好處就是可以及時更換集塵袋，不用花費時間去清洗集塵袋。缺點就是價格比較昂貴，不適合國內(nèi)用戶，而且其頻繁的更換紙質(zhì)集塵袋也不夠環(huán)保，用無紡布材料的話，又增加了清洗集塵袋的步驟。而塵倉式集塵袋便和塵袋式有所不同，塵倉式的集塵分離方式運用旋風分離法將灰塵收集到集塵筒內(nèi)。用戶只需要在清掃活動結(jié)束后打開集塵筒，沖洗干凈集塵筒即可

25、，操作方便是它最大的優(yōu)點。然而在用塵倉式集塵分離法集塵的過程中，有的灰塵過大或帶有堅硬的棱角時，會對集塵筒內(nèi)壁造成不同程度的劃傷，縮短集塵筒的使用壽命，也會在一定程度上影響集塵筒的美觀。（四） 吸塵器集塵分離裝置方案設計在設計吸塵器的集塵分離裝置時，一般有一下三種方案可供參考，如圖3.1所示。 方案一 方案二方案三圖3.1 三種不同的集塵分離裝置方案在表3-1中，我對三種不同的設計方案進行了對比，分析了各個方案的不同優(yōu)缺點，并在選出的最優(yōu)方案中進行了改進設計。表3-1 吸塵器設計方案對比優(yōu)點缺點方案一結(jié)構(gòu)簡單，成本低，清洗集塵罩方便風力損失大，導致真空度下降，吸塵效率不高，噪音大方案二采用了旋

26、風橫向技術(shù)，氣流直線進入機身，減小阻力，氣流速度快，吸塵效率高，噪音小結(jié)構(gòu)相對方案一復雜，不易清洗集塵罩，成本高方案三采用旋風直立分離技術(shù)，效果比方案二偏好，可吸水，防止水份進入電風機，清洗集塵罩方便，噪音小氣體流動路徑設計結(jié)構(gòu)復雜，成本高通過上述三個方案的對比，可以看出方案三是三者中的最優(yōu)方案，但鑒于其產(chǎn)生的成本較高，于是對其進行方案改進，把后方負壓裝置旋轉(zhuǎn)90，再對其集塵分離裝置分成兩級分離，第二級則采用小6旋風并聯(lián)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下： 圖3.2 第一級旋風過濾器 圖3.3 第二級旋風過濾器（五） 吸塵器電機選擇電機就是吸塵器的心臟。電機的好壞與吸塵器的吸塵效果直接相關，目前，市面上的吸塵器

27、基本配備的電機通?？梢苑謨煞N，一種是有刷電機，另一種是無刷電機。無刷電機使用如圖3.4的半導體開關器件來實現(xiàn)電子換向，也可以說就是用電子開關裝置替代了傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷。優(yōu)點包括干擾低、低噪音、壽命長、較低的維護成本等等。有刷電機的工作原理則略有不同，當電機工作時線圈和換向器是持續(xù)旋轉(zhuǎn)，而磁鋼和碳刷則不旋轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)的換向器和電刷完成線圈電流方向的交替變化。如圖3.5所示，其優(yōu)點是價格便宜，技術(shù)簡單。 圖3.4 無刷電機 圖3.5 有刷電機通過類比以上兩種電機性能得出表3-2：電機類型噪聲使用壽命價格是否需接驅(qū)動器直流有刷電機大一般（電刷易磨損）便宜否直流無刷電機極小長昂貴是表3-2 有

28、限與無刷電機對比目前國內(nèi)市場上大部分的便攜式吸塵器的電機都采用的是普通直流電機（即有刷電機），然而，根據(jù)本課題設計意圖，以及整體結(jié)構(gòu)的設計需要，若采用普通直流電機無法達到要求，綜合考慮，采用直流無刷電機。.其型號參數(shù)如下：型號：57BL-0880N1-LSB功率：80W額額定電壓：24V(DC)額定轉(zhuǎn)速：8000 rpm額定轉(zhuǎn)矩：0.095 Nm額定電流：6.2A 最大電流：12.4A極對數(shù)：5重量：0.8Kg適配驅(qū)動器：BL-0804 V1.5四 吸塵器結(jié)構(gòu)設計與計算（一） 旋風分離器結(jié)構(gòu)設計旋風分離器是目前市面上將氣固分離、固液分離應用較為廣泛的設備之一。1 旋風分離原理含塵氣體從旋風分離

29、器入口進入后，沿著集塵筒內(nèi)壁作高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力將粉塵從氣體中分離出來。粉塵等顆粒在集塵筒內(nèi)所受到的離心力遠遠大于粉塵顆粒所受到的重力和慣性力，因此旋風分離器的分離效率很高。軸向進氣和切向進氣是旋風分離器的兩種常見的入口進氣方式（如圖4.1所示）。軸向進氣是指含塵氣體沿軸向方向進入旋風分離器，之后在電機葉片的旋轉(zhuǎn)作用下將含塵氣體的軸向運動變?yōu)榍邢蛐D(zhuǎn)運動。切向進氣則是含塵氣體沿切向入口進入旋風分離器，之后再進行旋轉(zhuǎn)運動。圖4.1 切向進氣的筒錐形旋風分離器旋風分離器主要有以下一些尺寸參數(shù)：(1) 旋風分離器本體直徑，D；(2) 旋風分離器總高，H；(3) 升氣管直徑，Dx(4) 升氣管插入

30、深度，S；(5) 入口截面的高度和寬度分別為a和b；(6) 錐體段的高度，Ha(7) 排塵口直徑，Dd2 旋風分離器的性能參數(shù)通常旋風分離器的主要性能參數(shù)指標有兩個，一個是通過旋風分離器的氣體壓強降，另一個是粉塵顆粒的分離性能。（1）粉塵顆粒的分離性能旋風分離器的分離性能的強弱理論上通?？梢杂媚芡耆蛛x下來的最小粒子尺寸：臨界粒徑c及分離效率 eq oac(,1) 臨界粒徑c：旋風分離器可完全分離的最小粒徑。假定：將在旋風分離器內(nèi)顆粒與氣流產(chǎn)生的相對運動稱為層流；顆粒在旋風分離器內(nèi)的切線速度不變化，且與進氣處的氣速ui相等；含塵顆粒沉降所穿過的最大距離為進氣口寬度B，則導出臨界粒徑c的估算式（

31、4.1）式中：B：旋風分離器的進口管寬度，標準型B=D4Ne：氣流的有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，一般取值在0.53，標準型取值在35，通常取值為5ui：進氣口氣體進氣速度，單位m：氣體粘度，單位kgss：固相的密度，單位kc越小，旋風分離器的分離效率越高。從上述估算式可以看出，c隨著旋風分離器筒體直徑 eq oac(,2) 分離效率分離效率有總效率和粒級效率兩種表示方式。總效率用公式表示為：（4.2）式中，C1 C2總效率通常被人們用在工程計算上，在工程上的效率計算中它是最常用的，同時，它還有一個優(yōu)點是它的分離效率的測定十分簡單。它的缺點也是很顯而易見的，總效率不能顯示旋風分離器分離不同粒徑大小的顆粒的效果

32、。粒級效率：粒級效率是根據(jù)顆粒的大小不同，分別表示其被分離的質(zhì)量分數(shù)。眾所周知，氣體中所有的顆粒的粒子直徑都是不同的，在經(jīng)過旋風分離器的分離效果后，不同尺寸的顆粒別分離下來的可能性也是不同的。為了方便研究，通常把含塵氣體中所含有的顆粒的粒徑尺寸范圍等分成幾個小部分，那么，其中平均粒徑為i的第（4.3）對于粒徑不同的顆粒來說，他們所對應的粒級效率也是不同的。參照臨界粒徑的定義可知，粒徑大于或等于臨界粒徑c的顆粒，其粒級效率為100%。而粒級效率為50%d（4.4）（2）旋風分離器的壓強降壓強降可以表示成進口氣體動能的倍數(shù)，用公式可以表示為：（4.5）其中，為阻力系數(shù)，對于相同型號規(guī)格以及相同尺寸

33、比例的旋風分離器來說，是一個常數(shù)。標準型旋風分離器的值為8。3 影響旋風分離器的性能因素影響旋風分離器的性能因素主要有幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)。筒體直徑D從時銘顯等【1】關于旋風分離器的相似放大實驗研究可以得出，吸塵器集塵筒筒體的直徑減小，那么顆粒受到的離心力會增大，提高了集塵筒對顆粒的分離效率，隨之而來的是壓降的增大。排氣管插入深度S根據(jù)已有研究表明，排氣管插入深度增加，旋風分離器的分離效率會呈現(xiàn)先增大后變小的變化規(guī)律，換句話說，排氣管的插入深度存在一個極值，也可以說是最佳值。根據(jù)Heumann研究的結(jié)果可以得出，排氣管的插入深度的最佳值在Sa=1.051.80之間，在S總高H和筒高h根據(jù)時銘

34、顯等人的研究我們可以得知，在上文提到的排氣管插入深度S固定時，增加旋風分離器的高徑比（HD），那么分離空間4 旋風分離器的結(jié)構(gòu)形式旋風分離器的分離效率受到多方面的影響，旋風分離器的結(jié)構(gòu)尺寸對分離效率的影響也是巨大的。近年來，有許多為了提高分離效率而降低壓降的措施，在設計旋風分離器的過程中得到運用。主要有以下幾點：采用又細又長的器身。這樣的話可以減小筒體直徑，同時可以增大含塵氣體中顆粒所受到的慣性離心力，而拉長器身則可以延長含塵氣體在旋風分離器集塵筒內(nèi)的停留時間。所以，改用細長的器身可以有效地提高旋風分離器的分離效率。消除下旋流的影響。旋風分離器中，當筒體內(nèi)旋氣流上升時，會把已經(jīng)在集塵筒底經(jīng)過旋

35、風分離的顆粒再次吹起，這樣旋風分離器的分離效率大大下降。為了解決這一情況，設計了凸緣式旋風分離器。更加合理的設計下沉口和排氣管的尺寸，這樣對提高旋風分離器的分離效率有顯著效果。綜上所述，必須重新設計改進旋風分離器，并在此基礎上設計出一種新的結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)已經(jīng)針對各種類型的氣旋系列制定了一系列的標準。各種型號的性能和其相關尺寸參數(shù)均可以資料和手冊中查到?；ぶ谐Ｒ姷膸追N旋風分離器如下：XLT/A型：具有傾斜螺旋面的入口結(jié)構(gòu)，設計成傾斜的進氣口方向進氣，可以在一定程度上減少渦流對除塵效果的影響，降低氣流阻力，阻力系數(shù)的值可取5.05.5。XLP型：XLP型旋風旁路分離室，蝸殼進口，沿略高于頂蓋控

36、制機構(gòu)。含塵的空氣進入旋風分離器立刻分成兩股旋風氣流，上、下兩股氣流。旁路分離結(jié)構(gòu)旋風器迫使自旋氣流的氣旋帶來的細微粉塵顆粒重新凝聚頂部，并通過下旋氣流進入到分離室，隨后向下旋轉(zhuǎn)分離出超過5m的塵埃顆粒的主要空氣粒子流，具有較高的分離效率。根據(jù)不同形狀的身長度，XLP型分為A，B兩種形式，其風阻系數(shù)的值是可取的4.8至5.8。擴散式：主要特征是具有上小下大的外殼，底部安裝有擋灰板(也叫做反射屏)。擋灰板是倒置的漏斗型，在上端頂部的中央位置設置有孔，器壁底圈和下沿之間留有一定的縫隙。在離心力的作用下，粉塵顆粒沿壁面落下，進入間隙并落入集塵筒內(nèi)，主體氣流則被擋灰板隔開，進入集塵筒內(nèi)的少量含塵氣體通

37、過擋灰板頂部的小孔返回上部容器內(nèi)，與上升氣旋流匯合，最終通過排氣管排出。擋灰板可以有效防止沉入的粉塵顆粒被氣流卷起，產(chǎn)生揚起現(xiàn)象，因而使得分離效率提高，尤其對10m以下的粉塵顆粒，分離效果更為明顯。表4-1 旋風分離器的主要性能參數(shù)類型標準式XLT/AXLP/B擴散式適宜進口氣速ui/(m/s)1020101812201216阻力系數(shù) 85.05.54.85.86.57.0對粒度適應性/（m）10以上10以上5以上10以下對濃度適應性/(g/m3)4.050寬范圍1.7200考慮到吸塵器尺寸大小，改進了標準旋風分離器，設計出了一種全新的結(jié)構(gòu)形式。如圖4.2所示：圖4.2 旋風分離器剖視圖5 旋

38、風分離器的結(jié)構(gòu)尺寸定型選擇旋風分離器時，首先根據(jù)具體的含塵氣體分離任務，結(jié)合各不同種類的設備特點，選擇相應的旋風分離器類型，而后通過計算決定尺寸與個數(shù)。計算的主要依據(jù)是含塵氣的體積流量，要求達到的分離效率以及允許的壓力降。本旋風分離器結(jié)構(gòu)設計方法是根據(jù)現(xiàn)有旋風器結(jié)構(gòu)進行改進，再對其做相關數(shù)據(jù)分析，以此達到吸塵器整體尺寸和除塵要求。旋風分離器的D參數(shù)確定： 假設在900 m3s總風量下，通過計算旋風分離器分離效果的出 一臺旋風分離器： 取p=1460Pa，=5.3，允許的最大氣速：ui= 取c=6m，Ne=5，進氣口寬度hB= D =0.299m D =4B, B=0.075m 入口高度 h=D

39、/2=0.150m； 處理量=uiBh=0.252 m 臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27Duis- d/ d50 =1.67； 查詢手冊可知，為0.84。 兩臺旋風分離器并聯(lián)： 取p=1460Pa， =5.3，允許的最大氣速：ui=(2p/p)1/2=22.4m/s 取c=6m，Ne=5，進氣口寬度hB= D=0.211m； D=4B，B=0.053m； 入口高度 h=D/2=0.106m； 處理量= uiBh =0.126 m 臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27Duis-1/2 d/ d50 =2； 查詢手冊可知，為0.9。 六臺旋風分離器并聯(lián)： 取p=1460Pa，=5.3，允許的最大氣

40、速：ui=(2p/p)1/2=22.4m/s 取c=6m，Ne=5，進氣口寬度hB= D=0.036m； D=4B B=0.037m； 入口高度 h=D/2=0.018m； 處理量=uiBh =0.062 m 臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27Duis- d/ d50 =2.4；查詢手冊可知，為0.93。通過以上分離性能校核，最終確定采用了六個小旋風分離器并聯(lián)除塵。圖4.3 粒級效率與顆粒直徑比d/dc的關系曲線圖(2)旋風分離器其它參數(shù)設計計算：圖4.4 旋風分離器相關參數(shù)通過查閱相關手冊，標準旋風分離各個尺寸間關系如圖4.4所示。由(1)中已確定了D=36 mm，則：h=D/2=18mm，

41、 H1=2*D=72mm, H2=2*D=72mm, S=D/8=45mm， D1=D/2=18mm，D2=D/4=9mm，為了適應加工工藝要求，本設計的旋風分離，把螺旋進風口單獨分開，因此，必須對標準旋風器所計算出的尺寸進行調(diào)整。調(diào)整后的尺寸如表4-2。表4-2 旋風器尺寸參數(shù)H113H280錐角10由(1)的設計計算中，可知最終采用六個并聯(lián)式的旋風結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖4.5所示。圖4.5 六旋風分離器結(jié)構(gòu)圖（二） 風葉輪設計1 風葉輪的機構(gòu)選型風葉輪根據(jù)其葉片結(jié)構(gòu)可分為前向式、徑向式和后向式三種。(1) 前向式 風機的葉片向葉輪旋轉(zhuǎn)方向彎曲，葉片的出口安裝角190(2) 徑向式 風機葉片朝徑

42、向伸出，2=90(3) 后向式 葉片的彎曲方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，29090靜壓=靜壓靜壓流量系數(shù)Q0.30.60.050.30.10.30.050.20.050.350.10.35壓力系數(shù)P0.91.20.70.90.550.750.550.750.30.60.30.6效率0.60.780.70.880.70.880.70.880.750.90.750.92b0.60.60.050.30.10.30.050.20.050.350.10.35比較速度5010010503060255040805080特性及適用范圍體積小，轉(zhuǎn)速地，噪聲低，適用于空調(diào)儀表轉(zhuǎn)速高，壓力高，噪聲高，適用于阻力大的系統(tǒng)葉

43、片簡單，轉(zhuǎn)速低，適用于農(nóng)機和排塵系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高，適用于冶金、排塵和燒結(jié)效率較高，噪聲較小，適用于鍋爐、空調(diào)、礦井、建筑、排塵系統(tǒng)等比較分析表表明，本課題采用的葉輪結(jié)構(gòu)為后向式圓弧葉片、弧線前盤的葉輪。2 風葉輪的理論設計葉輪是風機的最主要部件, 葉輪的設計決定了風機能否獲得其所需要的真空度與風量。葉輪的設計還需考慮到電動機的轉(zhuǎn)速、輸入功率及壽命等其他因素。根據(jù)空氣動力學的歐拉方程式, 無限多葉片葉輪的理論真空度為13-14：HT（4.6）式中: ：空氣密度, 標準狀態(tài)時 = 1.2( kg /m3 ) ; u2 ：葉輪出口圓周速度, 單位是( m/s ) u1：葉輪入口圓周速度, 單位是( m/s

44、 ) C2u ：葉輪出口的絕對圓周分速度, 單位是( m/s) C1u ：葉輪出的絕對圓周分速度, 單位是( m/s)對于吸塵器風機，氣體呈90進入葉片，此時，C1u，且C2u=u2-CH（4.7）式中：C2r ：葉輪出口的絕對徑向分速度，單位是（m/s） 2A流經(jīng)葉輪的理論風量為：QT即C（4.8）式中：QT ：風機的理論風量, ( m3/s)；D2 ：葉輪的出日直徑,單位是( m )b2 ：葉輪的出口寬度,單位是( m )將（4.8）式代入（4.7）式得：H（4.9）吸塵器在一定轉(zhuǎn)速下工作時，由（4.9）式知，HT和QT的關系曲線是一條直線，見圖4.6圖4.6 風葉輪的真空度衰減特性曲線圖

45、圖中，線表示無限多葉片的理論真空度曲線；線表示有限多葉片的理論真空度曲線；線表示考慮流動損失后的真空度曲線；線表示實際真空度曲線。實際上，葉片輪的葉片數(shù)是有限的，受軸向渦流的影響，風機的真空度減小，減小的比率叫真空度減小系數(shù)。真空度減小導數(shù)可用ECK的實驗公式求得：（4.10）式中：Z:葉輪的葉片數(shù)；D1、D有限多葉片輪的理論真空度為：H（4.11）根據(jù)（4.10）式可得到圖4.6的曲線。風機的流動損失（包括入口氣流沖擊損失），也會引起風機的真空度降低。設流動效率為h則風機的實際真空度為：H（4.12）見圖4.6的曲線。另外，為了比較風機的性能，常引入引因次參數(shù)-真空度系數(shù)H和風量系數(shù)：H=H

46、/（4.13）在相同的轉(zhuǎn)速n和直接D2下，真空系數(shù)H越大，真空度越高；風量系數(shù)Q越大，風量 越大。3 風葉輪的設計參數(shù)確定吸塵器工作時，從吸嘴進入旋風分離器、濾網(wǎng)等進入風機，然后再通過電機內(nèi)部通道冷卻電機后釋放到空氣中。在氣體流動過的每一部分都會受到一定的阻力，必然使真空度下降，因此在確定風葉的設計參數(shù)時，必須考慮到損失部分。根據(jù)電風機的性能關系曲線（圖4.7），我們可以得出，真空度H于風量Q呈拋物線函數(shù)關系，真空度升高，風量減少。在實際使用中，電風機的H、Q隨著吸口面積的變化而相應的變化，電風機沒有固定的工況。圖4.7 電風機的性能關系曲線H-真空度曲線；P1-輸入功率曲線；P2-吸入功率曲

47、線；圖4.8 風機設計參數(shù)與電風機性能參數(shù)關系風葉輪的基本設計參數(shù)HN、Qn、HN=(0.50.6)H由前面對電機方案選擇，可知，電機輸入功率P=80W，最大流量時轉(zhuǎn)速為7000r/min，最大真空度Hm時轉(zhuǎn)速為8000r/min。吸風口為0.5時，轉(zhuǎn)速為7500r/min，流量為101/sec根據(jù)經(jīng)驗葉輪尺寸設計如下：葉輪外徑d2=58mm，葉輪內(nèi)徑d1=18mm，葉輪外圓軸向?qū)挾萣=5mm。(1)葉輪最大真空度 H(2)葉輪最大流量Q額定真空度 額定風量Q葉輪吸入功率P電機輸入功率為80W時，電機效率(7)吸塵器吸入效率小結(jié)：通過以上的理論設計和參數(shù)計算，得出葉片輪尺寸和電風機性能參數(shù)如表

48、4-4。表4-4葉片輪尺寸和電風機性能參數(shù)葉片輪外徑(mm)58葉片輪內(nèi)徑(mm)18額定輸入功率(W)80電機效率0.753吸塵效率0.679吸塵器額定吸力(Pa)301.59吸塵器額定流量(1/sec)0.02最大吸力(Pa)603.18最大流量(1/sec)0.4（三） 集塵筒蓋的彈射開關設計由于集塵筒蓋內(nèi)設置有密封圈，在開啟的時候，若不設計特殊裝置，則得人工開啟，使得操作者在使用吸塵器過程中造成極大的不方便，通過對現(xiàn)有吸塵器大部分采用彈簧卡口式開關，此開關安裝方便，操作性能一般，缺陷則是：在按下開關的同時需要對集塵倉或集塵蓋施加輔助的力，才能完全開啟，達到清楚垃圾的目的。也有一部分開關

49、屬于電子開關，但此類開關結(jié)構(gòu)安裝上麻煩且使整個吸塵器的成本升高，不利制造。于此，設計出一種新的開關結(jié)構(gòu)，安裝方便，無需耗電能，操作簡單。其三維模型如圖所示。該開關裝置內(nèi)在縱向和橫向都設置有彈簧，按鈕的復位通過橫向彈簧實現(xiàn)，縱向彈簧則是實現(xiàn)對集塵筒蓋的卡口彈射。功能實現(xiàn)機理如下：按下開關按鈕，前Z型導桿橫向移動，卡口脫離Z型導桿的支撐有向下滑落傾勢，此時縱向彈簧從壓縮狀態(tài)對卡口有一定的向下壓力，卡口被彈出，縱向和橫向彈簧復位，如圖4.9所示。圖4.9 集塵筒蓋彈射開關效果圖（四） 過濾網(wǎng)罩設計在前面已經(jīng)提到，本次吸塵器采用兩級過濾的方式，在第一級的粗過濾設計也是尤為重要的，它的過濾效果好壞對第二

50、級有這極大的影響。然而，由于整體結(jié)構(gòu)的設計需要，第一級的過濾結(jié)構(gòu)不再像傳統(tǒng)旋風分離器結(jié)構(gòu)，而是旋風分離器的一種演變。其結(jié)構(gòu)圖（圖4.10）所示。整個一級旋風分離器，采用了倒置結(jié)構(gòu)，集塵筒與過濾網(wǎng)之間的的間距在小端在入口的上方。圖4.10 過濾網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)剖面圖圖4.11 第一級過濾器裝配圖由于上方的間距要求，過濾網(wǎng)罩上方傾斜角度設計為110，在傾斜部分不對其打網(wǎng)孔，這樣可以避免產(chǎn)生氣流紊亂或湍流現(xiàn)象。過濾網(wǎng)罩中部的網(wǎng)孔的直徑為5mm。過濾網(wǎng)罩的關鍵設計部分在其下方的凸緣。下方的結(jié)構(gòu)設計有多種方式。圖4.12 凸緣向內(nèi)設計方式一：如圖4.12所示凸緣向網(wǎng)罩內(nèi)部突出，往上傾斜。在傾斜部分打有網(wǎng)孔，產(chǎn)生

51、的氣流旋風的內(nèi)旋氣流可以通過凸緣網(wǎng)孔進入。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。缺點：沒有引導槽，氣流會出現(xiàn)兩路分叉情況（內(nèi)側(cè)和外側(cè)），壓降損失大。圖4.13 凸緣向外伸出方式二：如圖4.13凸緣向網(wǎng)罩外部突出，內(nèi)側(cè)封閉，氣流從外側(cè)斜凸緣的網(wǎng)孔通過，再經(jīng)過網(wǎng)罩中部網(wǎng)孔。優(yōu)點：對一級集塵效果很好，氣流穩(wěn)定。缺點：外側(cè)網(wǎng)孔易堵塞。通過對以上兩種方式的對比，方式二的結(jié)構(gòu)偏好，但要對其進行改進，避免網(wǎng)孔堵塞情況，因為無論是在整個吸塵器的哪個部分，只要是氣流通過的路徑產(chǎn)生堵塞情況，對吸塵器的整機性能會大大下降，甚至會損壞吸塵器。改進方式如圖4.14所示。此方式，在網(wǎng)罩外側(cè)設置凸緣，內(nèi)側(cè)安裝小網(wǎng)罩，因為內(nèi)旋氣流所卷起

52、的粉塵顆粒受到向心力的作用，往外側(cè)凸緣旋轉(zhuǎn)，而氣流則可順利的通過內(nèi)側(cè)小網(wǎng)罩進入第二級的旋風分離器。于此，解決了網(wǎng)孔堵塞、壓降損失過大、氣流紊亂等問題。圖4.14 方式二改進（五） 螺旋進風口設計螺旋進風口的難點是螺旋上升的斜板設計，因為其螺距在上升的過程中是不斷變化的，通了對風量的計算和模擬，不斷的修正螺距變化的參數(shù)，最后得出了螺距變化參數(shù)是螺旋上升比030%：螺距05mm；螺旋上升比3035%：螺距518mm；螺旋上升35 100%：螺距18mm。但考慮到加工成本及其加工工藝，再對其螺距變化做了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當設計螺距18mm不變的時候，與前面的螺旋曲線所建立出的模型仿真效果的出的風量值相差不大

53、，因此最終采用了螺距不變18mm參數(shù)。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖4.15所示。圖4.15 螺旋進風口模型（六） 小結(jié)結(jié)構(gòu)設計是本次課題研究與設計的中心環(huán)節(jié)，在本章中對吸塵器的各個重要部件包括旋風分離器、風葉輪、集塵筒蓋彈射開關裝置、過濾網(wǎng)罩及一些輔助部件進行了具體結(jié)構(gòu)設計。在設計中，對一些重要部件進行了功能分析，對其塑料結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了設計計算。五 吸塵器的總裝吸塵器產(chǎn)品的各個部分設計完成之后，就需要進行模擬裝配、干涉檢查、運動分析15。本課題的三維模型是通過SolidWorks三維軟件設計完成的，SolidWorks提供了一個強大的裝配環(huán)境，其可以完成對產(chǎn)品設計的后期工作。其裝配環(huán)境包括如圖5.1所示

54、的幾方面功能。圖5.1 SolidWorks裝配環(huán)境（一） 干涉檢查對三維模型進行干涉檢查是非常重要的一個步驟，因為通過干涉檢查可以檢查出所設計出的零件在虛擬裝配中是不合理，從而也降低了實際樣機制造的成本。在模型完成的初期中，進行了第一次干涉檢查，其結(jié)果如圖5.2所示。其中紅色部分為干涉部分。圖 5.2 干涉檢查結(jié)果圖通過利用干涉檢查得出的結(jié)果，再對其相應的每一個干涉部位進行診斷，從中發(fā)現(xiàn)，有部分安裝連接面在實際中是可以裝配上的，如：吸嘴的安裝。再者，干涉部分都是一些小部位干涉，且最終產(chǎn)品加工是以二維圖為準，因此，在二維圖中做出了正確的修改,其最終結(jié)果圖如圖5.3所示。圖5.3 吸塵器整體結(jié)構(gòu)模型（二） 吸塵器工作過程從圖5.4中可知，旋風分離裝置包括上游旋風器3，該上游旋風器3具有圓柱形側(cè)壁2和集塵筒蓋7。切向入口1設置在側(cè)壁2的上部。在使用中，切向入口1沿與側(cè)壁2成切向的方向傳送攜帶顆粒的流體到上游旋風器3的內(nèi)部，以在上游旋風器的內(nèi)部中建立回旋流。該回旋的螺旋流導致流體流中攜帶的較大顆粒的一部分從該流體流分離。側(cè)壁2的下部和集塵筒蓋7一起形成用于顆粒的收集器，該顆粒例如是