管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),管道,除塵,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 編 號(hào) 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目：管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 學(xué) 號(hào)： 0923825 學(xué)生姓名： 趙金輝 指導(dǎo)教師： 鮑虹蘇（職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠(chéng) 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除 了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級(jí)： 機(jī)械 97 學(xué) 號(hào)： 0923825 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 1) 該課題為企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，目前，我國(guó)燃煤電廠輸灰管道的除垢方 法基本上可分為化學(xué)法和物理法。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，上述方法均存在一定局 限性，不能同時(shí)符合環(huán)保及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，多數(shù)不被電廠接受。 目前常用的是化學(xué)清洗法和人工振擊法。但這兩種方法也各有缺點(diǎn)。 2) 本課題就是針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)輸灰管道清灰機(jī)器人進(jìn)行初步探討， 以期能達(dá)到清潔環(huán)保等功能，完成該課題可對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)進(jìn) 行一次全面的專業(yè)訓(xùn)練，可以培養(yǎng)我們掌握如何運(yùn)用過去所學(xué)知識(shí)去解 決生產(chǎn)中實(shí)際問題的方法，增強(qiáng)從事本專業(yè)實(shí)際工作所必需的基本能力 和開發(fā)研究能力，可以提高我們的專業(yè)素質(zhì)，為今后走上工作崗位打下 一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 三、 本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： II 1、能正確合理分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求和產(chǎn)品的功能實(shí)現(xiàn)； 2、能合理根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求擬定多種解決方案，并進(jìn)行多方案 優(yōu)化分析設(shè)計(jì)； 3、合理選擇和設(shè)計(jì)部件的傳動(dòng)方案，并能進(jìn)行一些必要的設(shè)計(jì)計(jì) 算； 4、正確選擇零部件中各零件，并能進(jìn)行一定的校核計(jì)算和優(yōu)化設(shè) 計(jì)； 5、繪制機(jī)器人行走部件裝配圖； 6、設(shè)計(jì)繪制零件工作圖若干； 7、編制設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 1 份； 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī) 械 97 班 姓名 趙 金 輝 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng) 簽名 III 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 摘 要 基于利用行星磨頭清洗技術(shù)對(duì)管道進(jìn)行清洗的目的，在總結(jié)現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì) 方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，論文首先對(duì)管道清洗機(jī)器人行走部分進(jìn)行方案設(shè) 計(jì)，經(jīng)分析比較后確定了新型管道清洗機(jī)器人行走的較佳設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此方案對(duì)機(jī)器 人作了行走部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);對(duì)機(jī)器人的行走特性進(jìn)行了研究，提出了使機(jī)器人在管道內(nèi)能 夠保持穩(wěn)定運(yùn)行的方法.通過對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人在直管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況的思考研 究，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想的可行性。 最后，研究了管道清洗機(jī)器人行走系統(tǒng)的安全性能，給出了在高壓情況下保證行走 系統(tǒng)安全的基本方案，為管道清洗機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)用化提供可靠的依據(jù)。 關(guān)鍵詞: 管道機(jī)器人；安全防護(hù) ；行走 IV Abstract Based on the use of planetary grinding head cleaning technology for the purpose of cleaning pipes, at the conclusion of the existing pipeline robot design based on the actual situation at the scene, the first paper on the pipe cleaning robot to walk part of program design, by analysis and comparison a new pipeline after cleaning robot designed to walk a better program, and accordingly the program made a walk on part of the structure of robot design; characteristics of walking robots have been studied and put forward in the pipeline so that the robot was able to remain stable The method of operation. By the design of the robot body and the robot movement in the straight tube case study of thinking, and further verify the feasibility of the design idea. Finally, the research pipeline cleaning robot running the safety of the system performance, given the high-pressure circumstances to ensure that the basic operating system security program, for pipe cleaning robot system of the utility to provide a reliable basis. Key words: pipe robot; security; walk V VI 目錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 緒論 .1 1 概述 .2 1.1 管道清洗機(jī)器人常見問題分析 .2 1.2 除垢機(jī)器人理念 .2 1.3 基本設(shè)計(jì)任務(wù) .3 1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的 .3 2.1 管道射流清洗機(jī)器人的本體設(shè)計(jì) .4 2.1.1 移動(dòng)方式選擇 .4 2.1.2 傳動(dòng)方案的選擇 .4 2.2 管道清洗機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) .6 2.3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .9 2.3.1 管道機(jī)器人行駛 阻力分析 .9 2.3.2 減速器的選擇 .12 2.4 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 .13 2.4.1 運(yùn)動(dòng)速度校核 .13 2.4.2 驅(qū)動(dòng)能力校核 .13 3 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .14 3.1 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 .15 3.2 鏈輪計(jì)算結(jié)果 .15 3.3 歷史結(jié)果 .16 4 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計(jì) .18 4.1.1 普通蝸桿設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù) .18 4.1.2 材料及熱處理 .19 4.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù) .20 4.1.4 蝸蝸輪精度 .21 4.1.5 強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù) .22 4.1.6 自然通風(fēng)散熱計(jì)算 .22 4.2 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .23 4.2.1 軸的強(qiáng)度較核計(jì)算 .23 4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .24 4.2.3 鍵的校核 .25 5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 .25 VII 6 安全性能 .26 結(jié)論 .27 參考文獻(xiàn) .28 致謝 .30 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義 用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過程中，因溫度、壓力不 同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會(huì)高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物， 腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失 效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝參數(shù)，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可 以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國(guó)的管道清洗 行業(yè)長(zhǎng)期以來 80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成本高、效率低、 污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的要求。探索和開發(fā)高效的清洗方法成為 工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。 利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機(jī)械清洗相比，具有 清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到返舊還新的效果。作為 一種清潔、高效、對(duì)環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 目前在管道清洗過程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來進(jìn)行 清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了 解決這個(gè)問題，著眼于管道行走清洗機(jī)器人的研究開發(fā)，而在國(guó)內(nèi)這方面研究尚少。為 了較好地解決管道(束) 的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機(jī)器人勢(shì)在必行。我們?cè)O(shè)計(jì)管道 清洗機(jī)器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，因此它 的深入研究也將推動(dòng)管道清洗技術(shù)的發(fā)展。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補(bǔ)充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨(dú)特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機(jī)器人清洗能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機(jī)器人。除垢機(jī)器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機(jī)器人在管道中行走是除垢機(jī)器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng) (自帶動(dòng)力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實(shí)際情況，管道除垢機(jī)器人宜采用 自驅(qū)動(dòng)方式。采用雙步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過諧波減速器將動(dòng)力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時(shí)機(jī)器人的附著能力 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1 概述 1.1 管道清洗機(jī)器人常見問題分析 目前，我國(guó)燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學(xué)法和物理法。化學(xué)方法 有加酸、爐煙 (C02)、阻垢劑、分散劑；物理方法有人工振擊法、管材法、三相流法、晶 種過濾、電解、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波和高頻電磁場(chǎng)防垢，還有利用空穴效應(yīng)和氣蝕原理 清垢的液氣壓清垢法等。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，上述方法均存在一定局限性，不能同時(shí)符合環(huán)保 及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學(xué)清洗法和人工振擊法。 大多數(shù)的排灰管道都使用化學(xué)清洗，一般每隔 12 年需對(duì)沖灰管道進(jìn)行一次清垢 ，化學(xué)清洗法存在很多弊端。 酸洗除垢法大部分是采用鹽酸或硝酸加入適量的緩蝕劑配制而成的酸洗液。注入(或打 入) 管內(nèi)進(jìn)行除垢。酸洗液的效能是對(duì)水垢有溶解，剝離和疏松的作用，從而達(dá)到除垢的 目的。 酸洗除垢法工藝比較復(fù)雜，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作；酸洗液要根據(jù)水垢的性質(zhì)，厚度 進(jìn)行配制，要求較為嚴(yán)格；酸洗法因?yàn)橛兴?，故?duì)管道有一定的腐蝕副作用，因而鍋爐 酸洗次數(shù)不能過多 少數(shù)電廠為了環(huán)保和節(jié)約資金，采用人工振擊法清理。當(dāng)管道內(nèi)的灰垢沉積到一定 程度，嚴(yán)重影響電廠正常生產(chǎn)時(shí)，將灰垢集中處的管道切割，用鐵錘人工振擊管道，使 灰垢和管道剝離 ，然后用吊車將管道吊起將灰垢傾倒出來。這種清理辦法雖然簡(jiǎn)單，清 理效果好，但需切割管道 ，容易使管道變形，且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 目前也有研究采用高壓水射流進(jìn)行清洗的清洗機(jī)器人。但是采用高壓水射流一方面 會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，很難處理。有不少管道經(jīng)過農(nóng)田，清洗產(chǎn)生的廢水不及時(shí)處理會(huì)對(duì) 農(nóng)田造成很大的污染。另一方面高壓水射流清洗成本較大，每清洗一段管道都要用去幾 噸甚至十幾噸水。 1.2 除垢機(jī)器人理念 作為高壓水和化學(xué)清洗的有效補(bǔ)充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨(dú)特性： 如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學(xué)清洗和高壓 水清洗方法無法應(yīng)用或成本不允許的情況下,利用除垢機(jī)器人清洗能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用,并 取得良好的效果。 我們采用的是壓縮空氣噴洗機(jī)器人。除垢機(jī)器人的首要要解決的問題就是行走問題， 怎樣使機(jī)器人在管道中行走是除垢機(jī)器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機(jī)器 人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng) (自帶動(dòng)力源)、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。 根據(jù)輸灰管道和回水管道內(nèi)的實(shí)際情況，管道除垢機(jī)器人宜采用 自驅(qū)動(dòng)方式。采用雙步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過諧波減速器將動(dòng)力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以 采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但因管道內(nèi)有灰、灰垢和其他 雜物，環(huán)境惡劣，附著能力差采用履帶式方式比較合適，可以增大行走機(jī)構(gòu)和管道內(nèi)表 面的接觸面積，提高行走時(shí)機(jī)器人的附著能力 。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1.3 基本設(shè)計(jì)任務(wù) 1.3.1 設(shè)計(jì)題目：管道清洗機(jī)器人行走部件的設(shè)計(jì) 1.3.2 任務(wù)： 1. 設(shè)計(jì)、計(jì)算渦輪和鏈輪機(jī)構(gòu)； 2. 設(shè)計(jì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)造型； 3. 用計(jì)算機(jī)繪制裝配圖和主要零件圖； 4. 按指定格式和要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)能達(dá)到以下目的。 1 鞏固.熟悉并綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)； 2 培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)； 3 熟悉進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟和常見問題，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般技巧。 4 學(xué)會(huì)查閱運(yùn)用技術(shù)資料；初步掌握對(duì)專業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)問題進(jìn)行研究的能力。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 管道射流清洗機(jī)器人 2.1 管道射流清洗機(jī)器人的本體設(shè)計(jì) 管道清洗機(jī)器人應(yīng)用于管道直徑 350 600mm 的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個(gè)結(jié) 構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個(gè)設(shè)計(jì)從選取移動(dòng)方式入手。 2.1.1 移動(dòng)方式選擇 管道清洗機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中的可靠性及實(shí)用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點(diǎn)來 設(shè)計(jì)出穩(wěn)定運(yùn)行，滿足清洗性能要求的機(jī)器人。在進(jìn)行清洗時(shí)候，要求系統(tǒng)必須保證噴 頭具備一定的對(duì)中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對(duì)于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸 凹不平情況，機(jī)器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由 于重心偏移而使得機(jī)器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無 法取出，嚴(yán)重時(shí)不得不破壞管道取出機(jī)器人。對(duì)于大口徑的管道機(jī)器人，由于其自重較 大，如果支撐臂不具備自動(dòng)定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力增大， 出現(xiàn)“卡持”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計(jì)中要求機(jī)器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和 定心性。 在現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)中，移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu) 以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。如壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)。蛇行、蠕動(dòng)、 變形運(yùn)動(dòng)多適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對(duì)不平路面的適應(yīng)性 強(qiáng)，但是是體積大，不易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖所示;支腿 式對(duì)粗糙表面性能較好、帶載能力強(qiáng)，但其控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動(dòng)行走速度 慢;輪式移動(dòng)方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對(duì)中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機(jī) 器人在運(yùn)行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點(diǎn)是著地面積相對(duì)較小，維持 附著牽引力較困難。 2.1.2 傳動(dòng)方案的選擇 機(jī)器通常是由原電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和工作機(jī)三部分所組成。 傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和 動(dòng)力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器 的重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很大比重。因此，在機(jī)器中 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整部機(jī)器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以 合理地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地一重要組成部分。 合理的傳動(dòng)方案首先應(yīng)滿足工作機(jī)的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)方便、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好等要求。很顯然，要同時(shí)滿 足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿 足眾多要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確定的傳動(dòng)方案。 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有:液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。液壓與氣動(dòng)方式對(duì)環(huán)境要求較高，實(shí) 現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計(jì)中選用步 進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力;減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力從電機(jī)經(jīng)由減 速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪上，是選 擇機(jī)器人傳動(dòng)方式過程中重點(diǎn)考慮的問題。結(jié)合徑向輻射管道射流清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布 局方式的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中主要通過一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 1、動(dòng)力變換裝置的設(shè)計(jì) 在如圖所示的徑向輻射輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧給于基本的預(yù)緊力后，剛 好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接 觸壓力剛好為零，所以機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機(jī)器人本體的 重心位置位于管道的軸線下方 40mm 左右(如圖所示)，增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。下面兩輪 所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為 120，故需要一動(dòng)力 變換裝置來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的分流。 蝸桿傳動(dòng)是空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪 齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的次對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平 穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計(jì)中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為 90，兩蝸輪軸線之間的夾角為 120。如圖 2-1 所示。 圖 2.1 車輪端面圖 2、同步鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 由于設(shè)計(jì)的機(jī)器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的 時(shí)候，主動(dòng)輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機(jī)器人傳動(dòng)方案中， 更多的是采用全齒輪傳動(dòng)方式，即動(dòng)力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動(dòng)力傳遞到 主動(dòng)輪，雖然該方案的傳動(dòng)效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng) 管徑變化范圍較小，在本設(shè)計(jì)中，動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動(dòng)比為 1:1 的齒輪 傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到各支腿，因?yàn)榭臻g尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機(jī)構(gòu)，再應(yīng)用 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 同步鏈將動(dòng)力傳送到主動(dòng)輪 1 和輪 3。同步帶輪軸 1 與支腿與安裝底座的連接軸同軸，故 無論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，就 可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。 2.2 管道清洗機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) 管道由于制作誤差、使用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜 物的存在，清洗機(jī)器人在碰到變形部位及雜物時(shí)，由于阻力而使支撐臂收縮，同時(shí)在驅(qū) 動(dòng)力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時(shí)，支撐臂能夠在彈簧的作用下像 傘一樣張開，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個(gè)過程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過程。 有了自適應(yīng)性，機(jī)器人就能穿過一個(gè)個(gè)變形部位，以達(dá)到對(duì)管道進(jìn)行有效清洗的目的， 在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于自適應(yīng)性的設(shè)計(jì)主要包括兩方式: 各支腿單獨(dú)調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 1、支腿單獨(dú)調(diào)整方式 各支腿的單獨(dú)調(diào)整方式。當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過程中，其中的一個(gè)或多個(gè)支腿遇到障礙 物(包括突起和凹陷) 時(shí)，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長(zhǎng)度使得支腿與管壁處于 理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。 該裝置主要是針對(duì)相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時(shí)， 則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。 2、支腿整體調(diào)整方式 目前管道機(jī)器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)常用的有:蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式,升降機(jī)調(diào)節(jié) 方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺 點(diǎn)，針對(duì)本課題的工程實(shí)際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動(dòng)輪支腿) 選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動(dòng)輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)能保證機(jī)器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合 分析該兩種調(diào)節(jié)方式。 （1）滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計(jì)如圖 2-2 所示是滾珠絲杠螺母 副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是:安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測(cè)驅(qū) 動(dòng)車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 Fy，并實(shí)時(shí)將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力 Fy 的值小于 所允許的最小壓力值 Fy時(shí)，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支 點(diǎn) A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上 C 點(diǎn)，軸套在圓周方向相 對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動(dòng)，從而 帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 AB 繞支點(diǎn) A 轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同 的管徑的目的。保證管道機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)器人具有充足 且穩(wěn)定的牽引力。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 2.2 滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn) A 為坐標(biāo)系 的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系 XOY,石為連桿 AB 的長(zhǎng)度，幾是推桿 CD 的長(zhǎng)度，烏是 支點(diǎn) D 到固定支點(diǎn) A 之間的距離， “是推桿 CD 與水平方向之間的夾角，尹是連桿 AB 與 水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力，藝 F 是滾珠絲杠螺 母作用在推桿上的軸向推力，T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 Tmda 是電機(jī)軸的輸 出扭矩。 在坐標(biāo)系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得: L sin =L sin23 y =L sin （2.1）B1 x =L cos +L cosc23 對(duì)上式兩邊分別取微分可得: =L cosyB1 L cos=L cos (2.2)23 =-L sin -L sinxc 化簡(jiǎn)上式得: 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 =- （tan +tan ） （2.3）cx13LBy 由虛功原理得: + =0 （2.4）Fcx31iGiNBy 將式代入上式并化簡(jiǎn)得: = （2.5）GiiL 311)tan( 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為 , 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，則絲P 杠螺母的位移為: S= 。2h 對(duì)上式等號(hào)兩邊分別取微分得: = (2.6)sh 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得: (2.7)0TFs 式中， 為滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。 合并整合上兩式得: T= （2.8）Gii hh NLPP311)tan(2 此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。 （2）彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 如圖所示的是從動(dòng)輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào) 節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動(dòng)調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)，作用 在從動(dòng)輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 AB 繞 支點(diǎn) A 轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào) 節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機(jī)的的主動(dòng)調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的 被動(dòng)調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性如下: 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 圖 2.3 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 選取其中的一個(gè)支承臂作為研究對(duì)象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副 調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為: (2.9)0fsF 式中，f彈簧的壓緊力，N。 整理得: f= (2.10)Gi 31i1NtanL）（ 彈簧壓緊力可表示為: f=k （2.11）（ 210s-x f 為彈簧的初始長(zhǎng)度(mm)，k 為彈簧的彈性系數(shù)（N/mm） 。從上邊的式子可以看出， 彈簧壓緊力 f 只是位移函數(shù)，因此該機(jī)構(gòu)具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，在一定的管徑變化范圍?nèi)，封 閉力之和 N 變化不大。由此可見該機(jī)構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和 可靠性，同時(shí)由于彈簧壓緊力 f 的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 2.3 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1 管道機(jī)器人行駛阻力分析 在計(jì)算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的行進(jìn)速度是 1.8m/min。 機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動(dòng)摩擦阻力 ，fF （2.12）GfNF 式中，f 是滾動(dòng)摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動(dòng)所需要的推力。 為機(jī)器人輪子負(fù)荷之和。也就是：GN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 G cos（ 0R)606 F =ff G cos（ -60 0 (2.13) 式中 機(jī)器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， 機(jī)器人本體重量，kg。R 當(dāng)姿態(tài)角分別為 60或者-60 時(shí)候，系統(tǒng)的阻力最大。 預(yù)設(shè) 為 0.5，機(jī)器人重量為 10kg，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對(duì)輪子又很大的壓 力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧 對(duì)輪子的壓力是 40 x9.8N, =10 9.8=490N。F 總阻力 = =49 00.5=245N. 根據(jù)實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑 r=50mm，總阻力矩為： =24 50.05=12.25Nm rM 已經(jīng)設(shè)過機(jī)器人行進(jìn)速度為 1.8m/min，則主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是: r/min v1.8n5.732r340W 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min 系統(tǒng)傳動(dòng)比為 ni26.S 電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為： Nmq1.50.1i263SM Wnq0.295TP 考慮到機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2，則電機(jī)的功率為 46W,電 機(jī)選用 YS5614 型。如下表。 得：轉(zhuǎn)速為 1500r/min 額定功率為 60W 額定電流為 0.28A 效率為 56% 功率因數(shù)為 0.58 額定轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 表 2-4 YS 系列電機(jī)技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 額定功率 W額定電流 A額定電壓 V額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr效率 （ %） 功率因數(shù) YS4512 16 0.93 3000 46 0.57 YS4514 10 0.12 1500 28 0.45 YS4522 25 0.12 3000 52 0.60 YS4524 16 0.16 1500 32 0.49 YS5012 40 0.17 3000 55 0.65 YS5014 25 0.17 1500 42 0.53 YS5022 60 0.23 3000 60 0.66 YS5024 40 0.23 1500 50 0.54 YS5612 90 0.32 3000 62 0.68 YS5614 60 0.28 1500 56 0.58 YS5622 120 0.38 3000 67 0.71 YS5624 90 0.39 1500 58 0.61 YS6312 180 0.53 3000 69 0.75 YS6314 120 0.48 1500 60 0.63 YS6322 250 0.67 3000 72 0.78 YS6324 180 0.65 1500 64 0.66 YS7112 370 0.95 3000 73.5 0.80 YS7114 250 0.83 1500 67 0.68 YS7116 180 0.74 3802 或 380 50 1000 59 0.63 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 表 2-5 YS 系列電機(jī)技術(shù)參數(shù) 續(xù) 額定頻率 ZH同步轉(zhuǎn)速 -1minr效率 （% ） 功 率 因 數(shù) 額 定 轉(zhuǎn) 矩堵 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 額 定 電 流堵 轉(zhuǎn) 電 流 額 定 轉(zhuǎn) 矩最 大 轉(zhuǎn) 矩 聲功率極 ）（ AdB 3000 46 0.57 2.3 6.0 2.4 65 1500 28 0.45 2.4 6.0 2.4 60 3000 52 0.60 2.3 6.0 2.4 65 1500 32 0.49 2.4 6.0 2.4 60 3000 55 0.65 2.3 6.0 2.4 65 1500 42 0.53 2.4 6.0 2.4 60 3000 60 0.66 2.3 6.0 2.4 70 1500 50 0.54 2.4 6.0 2.4 60 3000 62 0.68 2.3 6.0 2.4 70 1500 56 0.58 2.4 6.0 2.4 60 3000 67 0.71 2.3 6.0 2.4 70 1500 58 0.61 2.4 6.0 2.4 65 3000 69 0.75 2.3 6.0 2.4 70 1500 60 0.63 2.4 6.0 2.4 65 3000 72 0.78 2.3 6.0 2.4 70 1500 64 0.66 2.4 6.0 2.4 65 3000 73.5 0.80 2.3 6.0 2.4 75 1500 67 0.68 2.4 6.0 2.4 65 50 1000 59 0.63 2.0 5.5 2.0 60 2.3.2 減速器的選擇 在選擇了電機(jī)型號(hào)之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后， 減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。 1、考慮驅(qū)動(dòng)能力時(shí)減速比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)的相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 0.9N m，為滿足機(jī)器人能正常行駛， 則整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于等于機(jī)器人所 受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)滿足：inmin12.5064DM 2.考慮機(jī)器人最高運(yùn)行速度傳動(dòng)比的計(jì)算 根據(jù)電機(jī)相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 r/min 則傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳dn150 動(dòng)比 應(yīng)該滿足：maxi dmaxwn150i26.7.3 基于上述傳動(dòng)比，我們可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足：si 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 (2.14)minsaxi 傳動(dòng)比里面蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為: =5-80,選用 20w 則減速器的出動(dòng)比 為：ri (2.15)maxinrwddi 我們選用 =12ri 根據(jù)小功率計(jì)算機(jī)書上說明，選用 GBX40 行星減速器。其參數(shù)如截圖所示： 圖 2-6 減速器參數(shù)表 2.4 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 確定電機(jī)和減速器后，我們必須進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的校核，以確保 機(jī)器人有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能滿足機(jī)器人的最高行走速度要求。 2.4.1 運(yùn)動(dòng)速度校核 根據(jù)以上所選電機(jī)和減速器的性能指針，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 = 3000r/min，減dn 速器的傳動(dòng)比是 12，以及機(jī)器人所要求的主動(dòng)輪半徑 r= O.O5m，可以計(jì)算出機(jī)器人在 確定電機(jī)和減速器后的最高車速 V: drw2n3.14051.8i2V 雖然 V 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速已使機(jī)器人低于此速度行 駛，而且還有一定得速度儲(chǔ)備，在機(jī)器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有 較快的速度。 2.4.2 驅(qū)動(dòng)能力校核 根據(jù)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，傳動(dòng)比 i 為 240，則機(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩為： 2.40576WMM 因?yàn)闄C(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機(jī)器人能夠有足夠的動(dòng) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 力起車，并有一定的動(dòng)力儲(chǔ)備。 經(jīng)過上述計(jì)算和校核，所選的施奈德 BSH4552T 伺服電機(jī)和 GBX40 行星齒輪減速器 能夠滿足管道射流清洗機(jī)器人的性能要求，從而可以由其組成機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件 鏈輪設(shè)計(jì)的初始條件如圖 3-1 所示 表 3-1 初始條件 名稱 數(shù)值 單位 傳遞功率 0.023 小鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 minr 平均轉(zhuǎn)動(dòng)比 1；可大或小 0.5% 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.73 ir 傳動(dòng)轉(zhuǎn)類 傾斜傳動(dòng) 傳動(dòng)速度 低速轉(zhuǎn)動(dòng)（ ）smv 潤(rùn)滑條件 由設(shè)計(jì)結(jié)果確定（推薦） 中心距條件 可調(diào) 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)載荷 原動(dòng)機(jī)種類 電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī) 彈緊裝置 張緊輪 3.2 鏈輪計(jì)算結(jié)果 經(jīng)過設(shè)計(jì)手冊(cè)的計(jì)算，得到的鏈輪計(jì)算結(jié)果如下： 表 3-2 設(shè)計(jì)結(jié)果 名稱 數(shù)值 單位 小鏈輪齒數(shù) 38 大齒輪齒數(shù) 38 張緊輪齒數(shù) 38 平均傳動(dòng)比 1.000 大鏈輪轉(zhuǎn)速 5.730 minr 設(shè)計(jì)功率 0.02 KW 鏈條節(jié)距 12.700 mm 鏈號(hào) 08A 鏈條速度 0.046 s 潤(rùn)滑方式 油刷或油壺人工定期潤(rùn)滑 粗定中心距 254.00 mm 鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù) 78.00 節(jié) 鏈條長(zhǎng)度 0.991 m 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 理論中心距 508.00 mm 實(shí)際中心距 506 mm 續(xù)表 3-2 名稱 數(shù)值 單位 有效圓周力 499.04 N 作用于軸上的拉力 586.37 N 滾子外徑（最大值） 7.95 mm 鏈條排距 14.38 mm 內(nèi)鏈板高（最大值） 12.07 mm 許用靜強(qiáng)度安全系數(shù) 4.00 靜強(qiáng)度安全系數(shù) 27.65 鉸鏈比壓 11.27 MPa 由上面我們得到鏈輪的基本尺寸： 排拒 14.38mm 分度圓直徑 89.28mm 齒頂圓直徑 96.5mm 齒根圓直徑 80.84mm 3.3歷史結(jié)果 由手冊(cè)計(jì)算我們的歷史結(jié)果如表： 表 3-3 歷史結(jié)果 名稱 符號(hào) 數(shù)值 單位 公式 說明 小鏈齒輪數(shù) z 1 38.0 0 z z ，z =9,z 應(yīng)參照鏈速選 1 min min 1 取 鏈速 0.63 38 8 z 1 15 17 19 21 23 25 連輪齒數(shù)應(yīng)優(yōu)先選取以下數(shù)列： 17,19,21,23,25,38,57,76,95,114 增大 z ，鏈條緊邊 1 的總拉力下降，多 邊形效應(yīng)減小，磨 損小，但尺寸重量 增大當(dāng) z 和 z 為奇 1 2 數(shù)而 L 為偶數(shù)時(shí)， P 將有利于鏈條和鏈 輪齒均勻磨損 z 和 z 的選取應(yīng)考 1 2 慮 大齒輪參數(shù) z 2 38.0 0 z =z i 通常 z 120 z =150 2 1 2 min z 增大時(shí)，節(jié)距 2 （或總長(zhǎng)）磨損伸 長(zhǎng)率許用值減少， 鏈傳動(dòng)的磨損壽命 降低，且傳動(dòng)尺寸 大 平均傳動(dòng)比 i 1.00 000 ,通常 ，推薦1 2zni7i i=23.5，當(dāng) v1 時(shí)，取 e=0.5d，但不小于（0.250.35）B；對(duì)于調(diào)心軸承， e=0.5B。 （a）向心軸承 （b）向心推力軸承 （c）并列向心軸承 d 滑動(dòng)軸承 圖 4.3 軸的支反力作用點(diǎn) 在做計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓 周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上） ，并將其分解為水平分力和垂直分 力，如圖 4.4a 所示。然后求出各支承處的水平反力 F 和垂直反力 F （軸向反力可表NHNV 示在適當(dāng)?shù)拿嫔?，圖 4.4c 是表示在垂直面上，圖 4.4c 是表示在垂直面上，故標(biāo)以 F ）,1NV （2） 做出彎矩圖 根據(jù)上述 簡(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別 做出水平面上的彎矩 M 圖（圖 4.4b）和垂直面上的彎矩 M 圖（圖 4.4c） ；然后按下式H V 計(jì)算總彎矩并做出 M 圖（圖 4.4d） 。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 4.4 軸的載荷分析圖 （3） 做出扭矩圖 扭矩圖如圖 4.4e 所示 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 （4）.初步估算軸的直徑 選擇軸的材料為 40Cr 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由表 26.1-1 查得材料機(jī) 械數(shù)據(jù)為: 70bMP5sa1328a 根據(jù)公式初步計(jì)算軸直徑 3950.Tpdn33.2T 30pnA 帶入數(shù)據(jù)得出 d 11.2mm 即軸的最小直徑為 11.2，現(xiàn)在選擇 =12.5mm， mind 4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸上面的定位要求，現(xiàn)在軸的基本參數(shù)如下圖所示： 圖 4.5 軸的基本尺寸參數(shù) 4.2.3 鍵的校核 選用 A 型普通鍵，軸鍵、輪轂的材料都用 20 鋼。 b h=6 6 取 L 為 20. 3210410IbTKld 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩； K鍵與輪轂、鍵槽的接觸高度 K=0.5h=3 鍵的工作長(zhǎng)度： =L-b=17mm；l l d軸的直徑； 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa ，見表 6-2；p 表 6-2 許用應(yīng)力參數(shù) 載荷性質(zhì)許用擠壓應(yīng)力、 許用壓力 連接方式 鍵或轂、軸的 材料 靜載荷 輕微沖擊 沖擊 鋼 120150 100120 6090 p靜連接 鑄鐵 7080 5060 3045 410b 所以此鍵符合要求. 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29 5 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)我們的設(shè)計(jì)情況，我們應(yīng)該選用圓柱螺旋壓縮彈簧。 當(dāng)此機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)受到的最大壓力為 40KG，急彈簧的最大壓力為 。其受力圖如圖 5.1 所示409.832N 圖 5.1 彈簧受力圖 1.根據(jù)條件選擇材料，并確定其許用應(yīng)力。 因彈簧在一般在和條件下工作，可以按第 3 類彈簧來考慮，現(xiàn)選用碳素彈簧鋼絲 C 級(jí)，我們?cè)O(shè)計(jì)導(dǎo)柱為 14mm,間隙 c 為 4mm，則彈簧中徑 D 為 18mm?，F(xiàn)估計(jì)取彈簧直徑 為 3mm. 2.根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算彈簧鋼絲直徑。 現(xiàn)選取旋繞比 c=6，由機(jī)械設(shè)計(jì)16-4 得： 5.14c10.65.2+K 根據(jù)式（16.12）得 2c3921.56d1.6.3.48F 改取 d=3.2mm， 不變，故（ ）不變，取 D=18mm，c= =5.625.計(jì)算得B18.2 K=1.253，于是 2c3921.5.62d1.6. 3.8FK 上值與原來估計(jì)值相近，取彈簧鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)直徑 d=3.2mm，此時(shí) D=18mm，是標(biāo) 準(zhǔn)值，則： =D+d=18+3.2=21.2mm2D 3.根據(jù)剛度條件，計(jì)算彈簧圈數(shù) n。據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)要求，可選彈簧圈數(shù)為 10 圈。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 4.驗(yàn)算。 （1）彈簧初拉力 5.201Fk 初應(yīng)力 按式（16.8）得0 =95.44Mpa 0038DKd 按照?qǐng)D 16-9，當(dāng) C=5.62 時(shí)，初應(yīng)力 的推薦值為 65150Mpa，所以此初應(yīng)力0 值合適。 （2）極限工作應(yīng)力 取 =0.56 ，則limliB =0.56 1570Mpa=879.2Mpa。li 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 6 安全性能 在現(xiàn)有的管道清洗作業(yè)中，水射流清洗應(yīng)該是比較先進(jìn)的一種清洗方式，但是水射 流清洗在安全性能上與我們所設(shè)計(jì)的差了不少。 高壓水射流設(shè)備在高壓工況運(yùn)行時(shí)，自高壓泵組(或增壓器)的高壓缸體至噴嘴，所有 過流部件均處于高壓蓄能狀態(tài)。此時(shí)，水的可壓縮性已不能被忽略不計(jì)。由于水被壓縮， 使其處于類似氣體被壓縮時(shí)的蓄能狀態(tài)，性能隨壓力變化情況的比較。通過研究發(fā)現(xiàn)， 在大約 80MPa 壓力的水能夠貯存和 1Mpa 下的空氣一樣多的能量;在大約 30OMpa 壓力下， 水所貯存的能量大約為 3Mpa 下空氣所存能量的 3 倍。因此，根據(jù)高壓下流體的體積、容 器的結(jié)構(gòu)和材料，在 70Mpa 及以上水壓下的失效可能是災(zāi)難性的崩裂甚至爆炸，此時(shí)， 失效零件以高速飛出，流體迅速膨脹而形成沖擊波，其結(jié)果必然會(huì)造成周圍設(shè)備的損壞 及人員的傷害，即使在 70MPa 壓力下的高壓零部件失效，也會(huì)形成裂片、接頭的崩出或 軟管結(jié)構(gòu)的拔脫，被其觸及的設(shè)備或人員也會(huì)受到不同程度的傷害。 水射流本身潛在的破壞力是顯而易見的，從水射流所具備的清洗、除銹等功能上 很容易使人認(rèn)識(shí)到它的傷害性。然而，低壓射流或較長(zhǎng)靶距射流的危害性往往不為人們 所重視。事實(shí)上，由于受射流作用的部位不向、即使是 0.55Mpa 的低壓射流也足夠?qū)ρ?睛造成嚴(yán)重的傷害。另外，一項(xiàng)用射流對(duì)公牛生皮進(jìn)行的系列試驗(yàn)說明，壓力為 15Mpa 流量為 32.6L/min 的水射流，在 705mm 的較長(zhǎng)靶距下，仍可在幾秒鐘內(nèi)射穿牛皮。也就 是說，同等條件下的水射流足以造成對(duì)人的任何裸露部位的傷害。而射流作用物體后的 反射、及碎屑的飛濺等。也只有具有一定的破壞力，讓其直接觸及到設(shè)備或人員也足以 造成損壞或傷害。 射流作業(yè)時(shí)除高壓設(shè)備及時(shí)流本身的潛在危險(xiǎn)性外，還有作業(yè)場(chǎng)所、環(huán)境和作業(yè)對(duì) 象等存在的潛在安全問題。作業(yè)場(chǎng)所主要是指是否在水下作業(yè)、作業(yè)空間是否狹小等； 作業(yè)環(huán)境主要指是否周圍有放射性污染源、是否在有毒環(huán)境下作業(yè)及是否在高溫或寒冷 環(huán)境中作業(yè);而作業(yè)對(duì)象存在的隱患主要是被作用物是否安裝或放置穩(wěn)定，作業(yè)中是否會(huì) 有毒氣、毒霧或其它有害物質(zhì)產(chǎn)生。作業(yè)產(chǎn)生的碎屑或切塊是否會(huì)產(chǎn)生砸傷事故等。 而我們所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人和銑刀原理結(jié)合的清洗技術(shù)則有效較小了這方面的危險(xiǎn) 性，由于我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人行進(jìn)速度慢，銑刀對(duì)周圍環(huán)境的危險(xiǎn)子那個(gè)大大降低，同 時(shí)又在管道內(nèi)作業(yè)，它對(duì)人體的潛在危險(xiǎn)性可以不計(jì)了，這是本設(shè)計(jì)作品的又一大優(yōu)勢(shì)！ 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 結(jié)論 本論文在研究了國(guó)內(nèi)外管道清洗技術(shù)及管道機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新 的用于管道清洗的管道射流清洗機(jī)器人。此種機(jī)器人可在自主動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入地下 管道，利用行星磨頭對(duì)其進(jìn)行清洗、維護(hù)。而此論文則是對(duì)機(jī)器人的行走做單獨(dú)的研究。 本研究取得最重要的進(jìn)展如下： 對(duì)管道射流清洗機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案分析比較，設(shè)計(jì)出具有變徑范圍大，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單的各支腿單獨(dú)調(diào)整和支腿整體調(diào)整組合方案，并對(duì)變徑過程的傳遞關(guān)系進(jìn)行了詳 細(xì)的分析計(jì)算，所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的 穩(wěn)定性和可靠性，機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較 完整的管道除垢機(jī)器人的行走部分的設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際 設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí) 也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且 通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉， 經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是 我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過程 繁瑣但我的收獲卻更加豐富。各種系統(tǒng)的適用條件，各種設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，各種管道的 安裝方式，我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。和老師的溝通交流更 使我從經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)設(shè)計(jì)有了新的認(rèn)識(shí)也對(duì)自己提出了新的要求。 管道除塵機(jī)器人行星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 33 致謝 經(jīng)過近半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢 業(yè)論文，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有老師的督促指導(dǎo)， 以及一起學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在論文寫作過程中，得到了鮑虹蘇老師的親切關(guān)懷和耐心的指導(dǎo)。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài) 度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到 項(xiàng)目的最終完成，韓老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。多少個(gè)日日夜夜，韓 老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，除 了敬佩韓邦華老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜 樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹(jǐn)向韓老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少 可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感 謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 最后我還要感謝無錫太湖學(xué)院四年來對(duì)我的栽 培。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 34 參考文獻(xiàn) 1 濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì)M. 高等教育出版社, 2007. 2 陸玉. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)J. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006. 3 余俊. 機(jī)械設(shè)計(jì) M. 高等教育出版社, 1997. 4 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. 5 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