管道除塵機器人結(jié)構(gòu)設計【輪式】

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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; walkVVI目錄目錄摘 要.IIIABSTRACT.IV緒論.11 概述.21.1 管道清洗機器人常見問題分析.21.2 除垢機器人理念.21.3 基本設計任務.31.4 畢業(yè)設計的目的.32.1 管道射流清洗機器人的本體設計.42.1.1 移動方式選擇.42.1.2 傳動方案的選擇.42.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案設計.62.3 動力系統(tǒng)的設計計算.92.3.1 管道機器人行駛阻力分析.92.3.2 減速器的選擇.122.4 機器人的速度和驅(qū)動能力校核.132.4.1 運動速度校核.132.4.2 驅(qū)動能力校核.133 鏈輪傳動的設計計算.143.1 鏈輪設計的初始條件.153.2 鏈輪計算結(jié)果.153.3 歷史結(jié)果.164 蝸輪蝸桿的設計計算.184.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設計.184.1.1 普通蝸桿設計輸入?yún)?shù).184.1.2 材料及熱處理.194.1.3 蝸桿蝸輪基本參數(shù).204.1.4 蝸蝸輪精度.214.1.5 強度剛度校核結(jié)果和參數(shù).224.1.6 自然通風散熱計算.224.2 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設計.234.2.1 軸的強度較核計算.234.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設計.244.2.3 鍵的校核.255 彈簧的設計計算.25VII6 安全性能.26結(jié)論.27參考文獻.28致謝.30管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計1 緒論緒論1.1 本課題研究的內(nèi)容和意義本課題研究的內(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作用，常常會高溫結(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，設備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學劑，采用合理的工藝參數(shù)，進行水質(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。我國的管道清洗行業(yè)長期以來 80%采用的是化學方法以及手工清洗和機械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠遠不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的要求。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。與化學清洗及手工、機械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術，具有可觀的經(jīng)濟和社會效益。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況國內(nèi)外發(fā)展狀況目前在管道清洗過程中，清洗設備絕大部分是采用無動力纜繩拖拉行走方式來進行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進行清洗參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，管徑的適應能力較差。為了解決這個問題，著眼于管道行走清洗機器人的研究開發(fā)，而在國內(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)和研制管道清洗機器人勢在必行。我們設計管道清洗機器人是把行星磨頭清洗技術與機器人技術結(jié)合起來，進行綜合設計開發(fā)，因此它的深入研究也將推動管道清洗技術的發(fā)展。1.3 本課題應達到的要求本課題應達到的要求作為高壓水和化學清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性：如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法無法應用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并取得良好的效果。我們采用的是壓縮空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題，怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機器人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動 (自帶動力源)、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)的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅(qū)動方式。采用雙步進電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，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，可以增大行走機構(gòu)和管道內(nèi)表面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。無錫太湖學院學士學位論文21 概述概述1.1 管道清洗機器人常見問題分析管道清洗機器人常見問題分析 目前，我國燃煤電廠輸灰管道的除垢方法基本上可分為化學法和物理法?；瘜W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、磁場、超聲波和高頻電磁場防垢，還有利用空穴效應和氣蝕原理清垢的液氣壓清垢法等。經(jīng)實踐應用，上述方法均存在一定局限性，不能同時符合環(huán)保及技術性、經(jīng)濟性要求，多數(shù)不被電廠接受。目前常用的是化學清洗法和人工振擊法。 大多數(shù)的排灰管道都使用化學清洗，一般每隔 12 年需對沖灰管道進行一次清垢 ，化學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)進行除垢。酸洗液的效能是對水垢有溶解，剝離和疏松的作用，從而達到除垢的目的。 酸洗除垢法工藝比較復雜，需要專業(yè)人員進行操作；酸洗液要根據(jù)水垢的性質(zhì)，厚度進行配制，要求較為嚴格；酸洗法因為有酸，故對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。當管道內(nèi)的灰垢沉積到一定程度，嚴重影響電廠正常生產(chǎn)時，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單，清理效果好，但需切割管道 ，容易使管道變形，且費工費時，勞動強度大。目前也有研究采用高壓水射流進行清洗的清洗機器人。但是采用高壓水射流一方面會產(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)生的廢水不及時處理會對農(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 除垢機器人理念除垢機器人理念作為高壓水和化學清洗的有效補充手段，行走式管路清洗方法具有一定的獨特性：如成本低廉、安全性好、無任何環(huán)境污染、水電消耗非常小。尤其是在化學清洗和高壓水清洗方法無法應用或成本不允許的情況下,利用除垢機器人清洗能夠發(fā)揮獨特的作用,并取得良好的效果。我們采用的是壓縮空氣噴洗機器人。除垢機器人的首要要解決的問題就是行走問題，怎樣使機器人在管道中行走是除垢機器人能否成功完成的重要環(huán)節(jié)之一。目前管內(nèi)機器人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動 (自帶動力源)、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)的實際情況，管道除垢機器人宜采用 自驅(qū)動方式。采用雙步進電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，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，可以增大行走機構(gòu)和管道內(nèi)表面的接觸面積，提高行走時機器人的附著能力 。管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計31.3 基本設計任務基本設計任務1.3.1 設計題目設計題目：管道清洗機器人行走部件的設計1.3.2 任務任務： 1. 設計、計算渦輪和鏈輪機構(gòu)； 2. 設計傳動結(jié)構(gòu)造型； 3. 用計算機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)設計計算說明書1.4 畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計是對學生進行工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設計能達到以下目的。1 鞏固.熟悉并綜合運用所學的知識；2 培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的學風；3 熟悉進行機械設計的一般步驟和常見問題，掌握機械設計的一般技巧。4 學會查閱運用技術資料；初步掌握對專業(yè)范圍內(nèi)的生產(chǎn)技術問題進行研究的能力。無錫太湖學院學士學位論文42 管道射流清洗機器人管道射流清洗機器人2.1 管道射流清洗機器人的本體設計管道射流清洗機器人的本體設計 管道清洗機器人應用于管道直徑 350 600mm 的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個結(jié)構(gòu)的尺寸應盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個設計從選取移動方式入手。2.1.1 移動方式選擇移動方式選擇 管道清洗機器人要實現(xiàn)實際應用中的可靠性及實用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點來設計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。在進行清洗時候，要求系統(tǒng)必須保證噴頭具備一定的對中性能，能適應不同的管徑變化，對于在行進過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，機器人還應具備一定的越障能力。如果機器人在運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由于重心偏移而使得機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，嚴重時不得不破壞管道取出機器人。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機器人運動阻力增大，出現(xiàn)“卡持”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設計中要求機器人應具有可靠的管道適應性和定心性。在現(xiàn)有的管道機器人設計中，移動型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運動等幾種形式。如壁面爬行、水下推動等機構(gòu)。蛇行、蠕動、變形運動多適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對不平路面的適應性強，但是是體積大，不易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復雜，如圖所示;支腿式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)均復雜、移動行走速度慢;輪式移動方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持附著牽引力較困難。 2.1.2 傳動方案的選擇傳動方案的選擇 機器通常是由原電機，傳動系統(tǒng)和工作機三部分所組成。傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和 動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設計傳動系統(tǒng)是機械設計工作地一重要組成部分。合理的傳動方案首先應滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經(jīng)濟性好等要求。很顯然，要同時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方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動方案，作為最終確定的傳動方案。機器人常用的驅(qū)動方式有:液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。電動驅(qū)動管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計5主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設計中選用步進電機作為機器人本體的驅(qū)動動力;減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應性的基礎上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結(jié)合徑向輻射管道射流清洗機器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點，在本設計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。1、動力變換裝置的設計在如圖所示的徑向輻射輪式移動結(jié)構(gòu)中，當預緊彈簧給于基本的預緊力后，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，所以機器人整體的驅(qū)動力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機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)，增強了機器人的穩(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，故需要一動力變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。 蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的次對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。在設計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、同步鏈傳動設計 由于設計的機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)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關管道機器人傳動方案中，更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結(jié)構(gòu)復雜，對環(huán)境的適應能力較差，可適應管徑變化范圍較小，在本設計中，動力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為 1:1 的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關系，在兩者之間增加一惰輪機構(gòu)，再應用無錫太湖學院學士學位論文6同步鏈將動力傳送到主動輪 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，兩個同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就可適應足夠大的管徑變化范圍。2.2 管道清洗機器人變管徑自適應性方案設計管道清洗機器人變管徑自適應性方案設計 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，清洗機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅(qū)動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應過程。有了自適應性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設計中，對于自適應性的設計主要包括兩方式:各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 1、支腿單獨調(diào)整方式各支腿的單獨調(diào)整方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物(包括突起和凹陷)時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長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。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調(diào)整方式。 2、支腿整體調(diào)整方式目前管道機器人在適應不同管徑的調(diào)節(jié)機構(gòu)常用的有:蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式,升降機調(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)機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動輪支腿)選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機構(gòu)能保證機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)方式自適應方案。其具體設計如圖 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驅(qū)動車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 Fy，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當壓力 Fy 的值小于所允許的最小壓力值 Fy時，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 A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點，另一端鉸接在軸套上 C 點，軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點 A 轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計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)方式的力學特性，如圖所示，以固定支點 A 為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系 XOY,石為連桿 AB 的長度，幾是推桿 CD 的長度，烏是支點 D 到固定支點 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 是電機軸的輸出扭矩。 在坐標系 XOY 中，由幾何關系可得:L sin=L sin23y =L sin （2.1）B1 x =L cos+L cosc23 對上式兩邊分別取微分可得:=L cosyB1 L cos=L cos (2.2)23 =-L sin-L sinxc23 化簡上式得:無錫太湖學院學士學位論文8 =-（tan+tan） （2.3）cx13LLBy 由虛功原理得: +=0 （2.4）Fcx31iGiNBy 將式代入上式并化簡得: = （2.5）FGiiNLL3131)tan(tan 所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為, 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，則絲P杠螺母的位移為: S=。2hP對上式等號兩邊分別取微分得: = (2.6)s2hP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效率。合并整合上兩式得: T= （2.8）GiihhNLPLFP3131)tan(tan232此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學特性。（2）彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調(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)整方面采用被動調(diào)整方式。當管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點 A 轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。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)整電機的的主動調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學特性如下:管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計9圖 2.3 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式選取其中的一個支承臂作為研究對象，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)方式的力學平衡方程為: (2.9)0fsF式中，f彈簧的壓緊力，N。整理得: f= (2.10)Gi31i31NtantanLL）（彈簧壓緊力可表示為: f=k （2.11）（210s-s-L-xf 為彈簧的初始長度(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)，因此該機構(gòu)具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封閉力之和 N 變化不大。由此可見該機構(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，同時由于彈簧壓緊力 f 的回饋作用可使機構(gòu)具有自適應調(diào)節(jié)的功能。2.3 動力系統(tǒng)的設計計算動力系統(tǒng)的設計計算2.3.1 管道機器人行駛阻力分析管道機器人行駛阻力分析在計算前，我們先設定我們所設計的機器人的行進速度是 1.8m/min。機器人在管道內(nèi)進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力，fF （2.12）GfNfF式中，f 是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。 為機器人輪子負荷之和。也就是：GN無錫太湖學院學士學位論文10G cos（ 0R)6060F =ffG cos（ -600 (2.13)R)60式中機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， 機器人本體重量，kg。RG當姿態(tài)角分別為 60或者-60時候，系統(tǒng)的阻力最大。預設為 0.5，機器人重量為 10kg，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴格，假設彈簧對輪子的壓力是 40 x9.8N, =10 9.8=490N。F總阻力= =49 00.5=245N. FF根據(jù)實際情況，我們設計主動輪半徑 r=50mm，總阻力矩為： =24 50.05=12.25Nm rMF已經(jīng)設過機器人行進速度為 1.8m/min，則主動輪轉(zhuǎn)速應該是:r/min v1.8n5.732 r2 3.14 0.05W電機的額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min 系統(tǒng)傳動比為Wn1500i262n5.73S電機提供的驅(qū)動力矩為：Nmq12.250.15i262 0.32 1.5SMMWnq0.15 15002395509550TP考慮到機器人在管道內(nèi)行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2，則電機的功率為 46W,電機選用 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管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計11表2-4 YS 系列電機技術參數(shù)型號額定功率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)YS4512160.933000460.57YS4514100.121500280.45YS4522250.123000520.60YS4524160.161500320.49YS5012400.173000550.65YS5014250.171500420.53YS5022600.233000600.66YS5024400.231500500.54YS5612900.323000620.68YS5614600.281500560.58YS56221200.383000670.71YS5624900.391500580.61YS63121800.533000690.75YS63141200.481500600.63YS63222500.673000720.78YS63241800.651500640.66YS71123700.95300073.50.80YS71142500.831500670.68YS71161800.74380220或380501000590.63無錫太湖學院學士學位論文12表 2-5 YS 系列電機技術參數(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）（AdB3000460.572.36.02.4651500280.452.46.02.4603000520.602.36.02.4651500320.492.46.02.4603000550.652.36.02.4651500420.532.46.02.4603000600.662.36.02.4701500500.542.46.02.4603000620.682.36.02.4701500560.582.46.02.4603000670.712.36.02.4701500580.612.46.02.4653000690.752.36.02.4701500600.632.46.02.4653000720.782.36.02.4701500640.662.46.02.465300073.50.802.36.02.4751500670.682.46.02.465501000590.632.05.52.0602.3.2 減速器的選擇減速器的選擇在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關鍵在減速比的選擇。 1、考慮驅(qū)動能力時減速比的計算 根據(jù)電機的相關資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為 0.9N m，為滿足機器人能正常行駛，則整個驅(qū)動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統(tǒng)的傳動比應滿足：minimin12.5i5.062.42DMM2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據(jù)電機相關資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)速為r/min 則傳動系統(tǒng)的最大傳dn1500動比應該滿足：maxidmaxwn1500i261.75n5.73 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比應該滿足：si管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計13 (2.14)minsmaxiii傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為:=5-80,選用 20wi則減速器的出動比為：ri (2.15)maxminrw dw diiii ii i我們選用=12ri 根據(jù)小功率計算機書上說明，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 機器人的速度和驅(qū)動能力校核機器人的速度和驅(qū)動能力校核 確定電機和減速器后，我們必須進行機器人的運動速度和驅(qū)動能力的校核，以確保機器人有足夠驅(qū)動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。2.4.1 運動速度校核運動速度校核 根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速= 3000r/min，減dn速器的傳動比是 12，以及機器人所要求的主動輪半徑 r= O.O5m，可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速 V:dr w d2 rn2 3.14 0.5 15001.8i i i12 20 1V雖然 V 大于預期設定速度，但是我們可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速已使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。2.4.2 驅(qū)動能力校核驅(qū)動能力校核根據(jù)電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為 2.4Nm，傳動比 i 為 240，則機器人總的驅(qū)動力矩為：2.4 240576WMM因為機器人總的驅(qū)動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動無錫太湖學院學士學位論文14力起車，并有一定的動力儲備。 經(jīng)過上述計算和校核，所選的施奈德 BSH4552T 伺服電機和 GBX40 行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅(qū)動系統(tǒng)。管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計153 鏈輪傳動的設計計算鏈輪傳動的設計計算3.1 鏈輪設計的初始條件鏈輪設計的初始條件鏈輪設計的初始條件如圖 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5.73minr平均轉(zhuǎn)動比1；可大或小 0.5%大鏈輪轉(zhuǎn)速5.73minr傳動轉(zhuǎn)類傾斜傳動傳動速度低速轉(zhuǎn)動（）smv 潤滑條件由設計結(jié)果確定（推薦）中心距條件可調(diào)載荷性質(zhì)平穩(wěn)載荷原動機種類電動機或汽輪機彈緊裝置張緊輪3.2 鏈輪計算結(jié)果鏈輪計算結(jié)果經(jīng)過設計手冊的計算，得到的鏈輪計算結(jié)果如下：表3-2設計結(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平均傳動比1.000大鏈輪轉(zhuǎn)速5.730minr設計功率0.02KW鏈條節(jié)距12.700mm鏈號08A鏈條速度0.046sm潤滑方式油刷或油壺人工定期潤滑粗定中心距254.00mm鏈長節(jié)數(shù)78.00節(jié)鏈條長度0.991m無錫太湖學院學士學位論文16理論中心距508.00mm實際中心距506mm 續(xù)表 3-2名稱數(shù)值單位有效圓周力499.04N作用于軸上的拉力586.37N滾子外徑（最大值）7.95mm鏈條排距14.38mm內(nèi)鏈板高（最大值）12.07mm許用靜強度安全系數(shù)4.00靜強度安全系數(shù)27.65鉸鏈比壓11.27MPa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)果歷史結(jié)果由手冊計算我們的歷史結(jié)果如表：表3-3歷史結(jié)果名稱符號數(shù)值單位公式說明小鏈齒輪數(shù)z 138.00zz，z =9,z 應參照鏈速選 1 min min 1取鏈速0.63388z 1151719212325連輪齒數(shù)應優(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，多邊形效應減小，磨損小，但尺寸重量增大當 z和 z 為奇 1 2數(shù)而 L 為偶數(shù)時， P將有利于鏈條和鏈輪齒均勻磨損z 和 z 的選取應考 1 2慮大齒輪參數(shù)z 238.00z=z i 通常 z120 z =150 2 1 2 minz增大時，節(jié)距 2（或總長）磨損伸長率許用值減少，鏈傳動的磨損壽命降低，且傳動尺寸大平均傳動比i1.00000,通常，推薦1221zznni7ii=23.5，當 v1 時，取 e=0.5d，但不小于（0.250.35）B；對于調(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 滑動軸承圖 4.3 軸的支反力作用點在做計算簡圖時，應先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應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?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，故標以F）,1NV（2） 做出彎矩圖根據(jù)上述 簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(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HV計算總彎矩并做出 M 圖（圖 4.4d） 。無錫太湖學院學士學位論文26圖 4.4 軸的載荷分析圖（3） 做出扭矩圖扭矩圖如圖 4.4e 所示管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計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 查得材料機械數(shù)據(jù)為: 700bMP500saMP1320aMP1185aMP根據(jù)公式初步計算軸直徑 395500000.2Tpdn3395500000.2Tpn 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，mind4.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計根據(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. 3210410IIbbTKld無錫太湖學院學士學位論文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 鍵的工作長度： =L-b=17mm；ll d軸的直徑； 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，MPa，見表 6-2；p表 6-2 許用應力參數(shù)載荷性質(zhì)許用擠壓應力、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1201501001206090p靜連接鑄鐵708050603045 410b所以此鍵符合要求.管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計295 彈簧的設計計算彈簧的設計計算根據(jù)我們的設計情況，我們應該選用圓柱螺旋壓縮彈簧。當此機器人在管道內(nèi)行走時受到的最大壓力為 40KG，急彈簧的最大壓力為 。其受力圖如圖 5.1 所示40 9.8392N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，我們設計導柱為 14mm,間隙 c 為 4mm，則彈簧中徑 D 為 18mm?，F(xiàn)估計取彈簧直徑為 3mm. 2.根據(jù)強度條件計算彈簧鋼絲直徑。 現(xiàn)選取旋繞比 c=6，由機械設計16-4 得： 5.14c 10.6151.254c+1cK 根據(jù)式（16.12）得2c392 1.25 6d1.61.63.46 628F K 改取 d=3.2mm，不變，故（）不變，取 D=18mm，c=5.625.計算得B183.2K=1.253，于是 2c392 1.253 5.625d1.61.63.18 628F K 上值與原來估計值相近，取彈簧鋼絲的標準直徑 d=3.2mm，此時 D=18mm，是標準值，則： =D+d=18+3.2=21.2mm2D 3.根據(jù)剛度條件，計算彈簧圈數(shù) n。據(jù)我們設計要求，可選彈簧圈數(shù)為 10 圈。無錫太湖學院學士學位論文30 4.驗算。 （1）彈簧初拉力 5.2011FFFk 初應力按式（16.8）得0=95.44Mpa 0038F DKd 按照圖 16-9，當 C=5.62 時，初應力的推薦值為 65150Mpa，所以此初應力0值合適。 （2）極限工作應力 取=0.56，則limlimB =0.56 1570Mpa=879.2Mpa。lim管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計316 6 安全性能安全性能 在現(xiàn)有的管道清洗作業(yè)中，水射流清洗應該是比較先進的一種清洗方式，但是水射流清洗在安全性能上與我們所設計的差了不少。高壓水射流設備在高壓工況運行時，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，水的可壓縮性已不能被忽略不計。由于水被壓縮，使其處于類似氣體被壓縮時的蓄能狀態(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難性的崩裂甚至爆炸，此時，失效零件以高速飛出，流體迅速膨脹而形成沖擊波，其結(jié)果必然會造成周圍設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，被其觸及的設備或人員也會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識到它的傷害性。然而，低壓射流或較長靶距射流的危害性往往不為人們所重視。事實上，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劬υ斐蓢乐氐膫ΑＡ硗?，一項用射流對公牛生皮進行的系列試驗說明，壓力為 15Mpa流量為 32.6L/min 的水射流，在 705mm 的較長靶距下，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，讓其直接觸及到設備或人員也足以造成損壞或傷害。射流作業(yè)時除高壓設備及時流本身的潛在危險性外，還有作業(yè)場所、環(huán)境和作業(yè)對象等存在的潛在安全問題。作業(yè)場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產(chǎn)生砸傷事故等。而我們所設計的管道機器人和銑刀原理結(jié)合的清洗技術則有效較小了這方面的危險性，由于我們所設計的機器人行進速度慢，銑刀對周圍環(huán)境的危險子那個大大降低，同時又在管道內(nèi)作業(yè)，它對人體的潛在危險性可以不計了，這是本設計作品的又一大優(yōu)勢！無錫太湖學院學士學位論文32結(jié)論結(jié)論本論文在研究了國內(nèi)外管道清洗技術及管道機器人技術的基礎上，提出了一種全新的用于管道清洗的管道射流清洗機器人。此種機器人可在自主動力的驅(qū)動下，進入地下管道，利用行星磨頭對其進行清洗、維護。而此論文則是對機器人的行走做單獨的研究。本研究取得最重要的進展如下：對管道射流清洗機器人變管徑自適應性方案分析比較，設計出具有變徑范圍大，結(jié)構(gòu)簡單的各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整組合方案，并對變徑過程的傳遞關系進行了詳細的分析計算，所設計機構(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，機構(gòu)具有自適應調(diào)節(jié)的功能。畢業(yè)論文是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的管道除垢機器人的行走部分的設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，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行畢業(yè)設計的目的所在。雖然畢業(yè)設計內(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，各種設備的選用標準，各種管道的安裝方式，我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。和老師的溝通交流更使我從經(jīng)濟的角度對設計有了新的認識也對自己提出了新的要求。管道除塵機器人行星結(jié)構(gòu)設計33致謝致謝經(jīng)過近半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)論文設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)論文，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有老師的督促指導，以及一起學習的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。在論文寫作過程中，得到了鮑虹蘇老師的親切關懷和耐心的指導。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，韓老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。多少個日日夜夜，韓老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，除了敬佩韓邦華老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。在此謹向韓老師致以誠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，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 最后我還要感謝無錫太湖學院四年來對我的栽培。無錫太湖學院學士學位論文34參考文獻參考文獻1 濮良貴. 機械設計M. 高等教育出版社, 2007.2 陸玉. 機械設計課程設計J. 機械工業(yè)出版社, 2006.3 余俊. 機械設計M. 高等教育出版社, 1997. 4 徐灝. 機械設計手冊M. 機械工業(yè)出版社, 1991. 5 楊毅. 數(shù)控加工的工藝設計J. 機械工程師, 2001.6 鄒青. 機械制造技術基礎課程設計指導教程M. 機械工業(yè)出版社社, 2010. 7 甘永立. 幾何量公差與檢測M. 上?？茖W技術出版社, 2001.8 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊J. 機械工業(yè)出版社, 2004.9 吳宗澤. 機械零件設計手冊M. 機械工業(yè)出版社, 2004.10 劉朝儒, 高政一. 機械制圖M. 高等教育出版社, 2000.11 ShoWaDenGYoshaAmemiyaTAdvancedFxonometricsM, 1985.12 Zhang C，Wang HRobust design of assembly and machining toleranceallocations lIE TransactionsM, 1998.13 Creveling C M. 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