机械毕业设计（论文）-管道除尘机器人结构设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目：管道除尘机器人结构设计管道除尘机器人结构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 管道除尘机器人结构 设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除 了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕 业设计（论文） 不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 97 学 号： 0923825 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 管道除尘机器人结构设计的研究 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 1) 该课题为企业生产实际，目前，我国燃煤电厂输灰管道的除垢方 法基本上可分为化学法和物理法。经实践应用，上述方法均存在一定局限 性，不能同时符合环保及技术性、经济性要求，多数不被电厂接受。目前 常用的是化学清洗法和人工振击法。但这两种方法也各有缺点。 2) 本课题就是针对这一现状，对输灰管道清灰机器人进行初步探讨， 以期能达到清洁环保等功能，完成该课题可对我们大学期间所学知识进 行一次全面的专业训练，可以培养我们掌握如何运用过去所学知识去解 决生产中实际问题的方法，增强从事本专业实际工作所必需的基本能力 和开发研究能力，可以提高我们的专业素质，为今后走上工作岗位打下一 个良好的基础。 II 三、三、本设计（论文或其他）应达到的要求：本设计（论文或其他）应达到的要求： 1、能正确合理分析产品设计的具体要求和产品的功能实现； 2、能合理根据产品的设计要求拟定多种解决方案，并进行多方案优 化分析设计； 3、合理选择和设计部件的传动方案，并能进行一些必要的设计计算； 4、正确选择零部件中各零件，并能进行一定的校核计算和优化设计； 5、绘制机器人行走部件装配图； 6、设计绘制零件工作图若干； 7、编制设计计算说明书 1 份； 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机 械 97 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 III 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 摘摘 要要 基于利用行星磨头清洗技术对管道进行清洗的目的，在总结现有的管道机器人设计 方案的基础上，根据现场的实际情况，论文首先对管道清洗机器人行走部分进行方案设 计，经分析比较后确定了新型管道清洗机器人行走的较佳设计方案，并据此方案对机器 人作了行走部分结构设计;对机器人的行走特性进行了研究，提出了使机器人在管道内能 够保持稳定运行的方法.通过对机器人机构的设计和机器人在直管道内运动情况的思考研 究，进一步验证了设计思想的可行性。 最后，研究了管道清洗机器人行走系统的安全性能，给出了在高压情况下保证行走 系统安全的基本方案，为管道清洗机器人系统的实用化提供可靠的依据。 关键词关键词: 管道机器人；安全防护 ；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 目录目录 摘 要.III ABSTRACTIV 绪论.1 1 概述.2 1.1 管道清洗机器人常见问题分析.2 1.2 除垢机器人理念.2 1.3 基本设计任务.3 1.4 毕业设计的目的3 2.1 管道射流清洗机器人的本体设计.4 2.1.1 移动方式选择4 2.1.2 传动方案的选择4 2.2 管道清洗机器人变管径自适应性方案设计.6 2.3 动力系统的设计计算.9 2.3.1 管道机器人行驶阻力分析9 2.3.2 减速器的选择12 2.4 机器人的速度和驱动能力校核.13 2.4.1 运动速度校核13 2.4.2 驱动能力校核13 3 链轮传动的设计计算.14 3.1 链轮设计的初始条件.15 3.2 链轮计算结果15 3.3 历史结果16 4 蜗轮蜗杆的设计计算.18 4.1 蜗轮蜗杆基本参数设计18 4.1.1 普通蜗杆设计输入参数18 4.1.2 材料及热处理19 4.1.3 蜗杆蜗轮基本参数20 4.1.4 蜗蜗轮精度21 4.1.5 强度刚度校核结果和参数22 4.1.6 自然通风散热计算22 4.2 蜗杆轴的结构设计.23 4.2.1 轴的强度较核计算23 4.2.2 轴的结构设计24 4.2.3 键的校核25 5 弹簧的设计计算.25 VII 6 安全性能.26 结论.27 参考文献.28 致谢.30 管道除尘机器人行星结构设计 1 绪论绪论 1.1 本课题研究的内容和意义本课题研究的内容和意义 用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不 同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物， 腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失 效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺参数，进行水质处理措施可 以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗 行业长期以来 80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、 污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为 工业生产和人民生活的不可或缺的环节。 利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有 清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为 一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。 1.2 国内外发展状况国内外发展状况 目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行 清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了 解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为 了较好地解决管道(束)的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。我们设计管道 清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它 的深入研究也将推动管道清洗技术的发展。 1.3 本课题应达到的要求本课题应达到的要求 作为高压水和化学清洗的有效补充手段，行走式管路清洗方法具有一定的独特性： 如成本低廉、安全性好、无任何环境污染、水电消耗非常小。尤其是在化学清洗和高压 水清洗方法无法应用或成本不允许的情况下,利用除垢机器人清洗能够发挥独特的作用,并 取得良好的效果。 我们采用的是压缩空气喷洗机器人。除垢机器人的首要要解决的问题就是行走问题， 怎样使机器人在管道中行走是除垢机器人能否成功完成的重要环节之一。目前管内机器 人的驱动方式有自驱动 (自带动力源)、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。 根据输灰管道和回水管道内的实际情况，管道除垢机器人宜采用 自驱动方式。采用双步 进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以 采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但因管道内有灰、灰垢和其他 杂物，环境恶劣，附着能力差采用履带式方式比较合适，可以增大行走机构和管道内表 面的接触面积，提高行走时机器人的附着能力 。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1 概述概述 1.1 管道清洗机器人常见问题分析管道清洗机器人常见问题分析 目前，我国燃煤电厂输灰管道的除垢方法基本上可分为化学法和物理法。化学方法 有加酸、炉烟 (C02)、阻垢剂、分散剂；物理方法有人工振击法、管材法、三相流法、晶 种过滤、电解、电场、磁场、超声波和高频电磁场防垢，还有利用空穴效应和气蚀原理 清垢的液气压清垢法等。经实践应用，上述方法均存在一定局限性，不能同时符合环保 及技术性、经济性要求，多数不被电厂接受。目前常用的是化学清洗法和人工振击法。 大多数的排灰管道都使用化学清洗，一般每隔 12 年需对冲灰管道进行一次清垢 ，化学清洗法存在很多弊端。 酸洗除垢法大部分是采用盐酸或硝酸加入适量的缓蚀剂配制而成的酸洗液。注入(或打 入)管内进行除垢。酸洗液的效能是对水垢有溶解，剥离和疏松的作用，从而达到除垢的 目的。 酸洗除垢法工艺比较复杂，需要专业人员进行操作；酸洗液要根据水垢的性质，厚度 进行配制，要求较为严格；酸洗法因为有酸，故对管道有一定的腐蚀副作用，因而锅炉 酸洗次数不能过多 少数电厂为了环保和节约资金，采用人工振击法清理。当管道内的灰垢沉积到一定 程度，严重影响电厂正常生产时，将灰垢集中处的管道切割，用铁锤人工振击管道，使 灰垢和管道剥离 ，然后用吊车将管道吊起将灰垢倾倒出来。这种清理办法虽然简单，清 理效果好，但需切割管道 ，容易使管道变形，且费工费时，劳动强度大。 目前也有研究采用高压水射流进行清洗的清洗机器人。但是采用高压水射流一方面 会产生大量的废水，很难处理。有不少管道经过农田，清洗产生的废水不及时处理会对 农田造成很大的污染。另一方面高压水射流清洗成本较大，每清洗一段管道都要用去几 吨甚至十几吨水。 1.2 除垢机器人理念除垢机器人理念 作为高压水和化学清洗的有效补充手段，行走式管路清洗方法具有一定的独特性： 如成本低廉、安全性好、无任何环境污染、水电消耗非常小。尤其是在化学清洗和高压 水清洗方法无法应用或成本不允许的情况下,利用除垢机器人清洗能够发挥独特的作用,并 取得良好的效果。 我们采用的是压缩空气喷洗机器人。除垢机器人的首要要解决的问题就是行走问题， 怎样使机器人在管道中行走是除垢机器人能否成功完成的重要环节之一。目前管内机器 人的驱动方式有自驱动 (自带动力源)、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。 根据输灰管道和回水管道内的实际情况，管道除垢机器人宜采用 自驱动方式。采用双步 进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以 采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但因管道内有灰、灰垢和其他 杂物，环境恶劣，附着能力差采用履带式方式比较合适，可以增大行走机构和管道内表 面的接触面积，提高行走时机器人的附着能力 。 管道除尘机器人行星结构设计 3 1.3 基本设计任务基本设计任务 1.3.1 设计题目设计题目：管道清洗机器人行走部件的设计 1.3.2 任务任务： 1. 设计、计算涡轮和链轮机构； 2. 设计传动结构造型； 3. 用计算机绘制装配图和主要零件图； 4. 按指定格式和要求撰写毕业设计计算说明书 1.4 毕业设计的目的毕业设计的目的 毕业设计是对学生进行工程师基本训练的重要环节，通过毕业设计能达到以下目的。 1 巩固.熟悉并综合运用所学的知识； 2 培养理论联系实际的学风； 3 熟悉进行机械设计的一般步骤和常见问题，掌握机械设计的一般技巧。 4 学会查阅运用技术资料；初步掌握对专业范围内的生产技术问题进行研究的能力。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 管道射流清洗机器人管道射流清洗机器人 2.1 管道射流清洗机器人的本体设计管道射流清洗机器人的本体设计 管道清洗机器人应用于管道直径 350 600mm 的管道中工作，作业环境要求整个结 构的尺寸应尽可能的小并且具备一定的牵引力，整个设计从选取移动方式入手。 2.1.1 移动方式选择移动方式选择 管道清洗机器人要实现实际应用中的可靠性及实用性，必须依据管道内作业特点来 设计出稳定运行，满足清洗性能要求的机器人。在进行清洗时候，要求系统必须保证喷 头具备一定的对中性能，能适应不同的管径变化，对于在行进过程中，管内可能出现凸 凹不平情况，机器人还应具备一定的越障能力。如果机器人在运动过程中产生旋转或由 于重心偏移而使得机器人的轴线与管道的中心线产生偏转角，载体可能卡在管道内而无 法取出，严重时不得不破坏管道取出机器人。对于大口径的管道机器人，由于其自重较 大，如果支撑臂不具备自动定心性能，必定产生偏转角，其结果使机器人运动阻力增大， 出现“卡持”现象。为了提高作业的可靠性，设计中要求机器人应具有可靠的管道适应性和 定心性。 在现有的管道机器人设计中，移动型本体结构，主要有履带式、支腿式、轮式结构 以及蛇行、蠕动、变形运动等几种形式。如壁面爬行、水下推动等机构。蛇行、蠕动、 变形运动多适合于光滑的管壁、地面或水下。履带式着地面积大，对不平路面的适应性 强，但是是体积大，不易实现转弯，而且要保持履带的张紧，结构复杂，如图所示;支腿 式对粗糙表面性能较好、带载能力强，但其控制系统、机械结构均复杂、移动行走速度 慢;轮式移动方式速度快，转弯容易，对中性好，尤其是径向辐射轮式结构，能够保证机 器人在运行过程中，其中心轴线与管道轴线保持一致，缺点是着地面积相对较小，维持 附着牵引力较困难。 2.1.2 传动方案的选择传动方案的选择 机器通常是由原电机，传动系统和工作机三部分所组成。 传动系统是将原动机的运动和 动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器 的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中 传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都是很大的。所以 合理地设计传动系统是机械设计工作地一重要组成部分。 合理的传动方案首先应满足工作机的性能要求，其次是满足工作可靠、结构简单、 尺寸紧凑、传动效率高、使用维护方便、工艺性和经济性好等要求。很显然，要同时满 足这些要求肯定比较困难的，因此，要通过分析和比较多种传动方案，选择其中最能满 足众多要求的合理传动方案，作为最终确定的传动方案。 机器人常用的驱动方式有:液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动 管道除尘机器人行星结构设计 5 主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。液压与气动方式对环境要求较高，实 现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步 进电机作为机器人本体的驱动动力;减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减 速器减速后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选 择机器人传动方式过程中重点考虑的问题。结合径向辐射管道射流清洗机器人的结构布 局方式的特点，在本设计中主要通过一套动力变换装置和同步链传动机构来实现。 1、动力变换装置的设计 在如图所示的径向辐射轮式移动结构中，当预紧弹簧给于基本的预紧力后，刚 好使得位于最上侧的轮处于与管壁相接触的临界状态，也就是说上轮与管壁间的接 触压力刚好为零，所以机器人整体的驱动力绝大部分来自轮 1 和轮 3，而且机器人本体的 重心位置位于管道的轴线下方 40mm 左右(如图所示)，增强了机器人的稳定性。下面两轮 所在支腿中心线与减速器输出轴线垂直，且两支腿中心线的夹角为 120，故需要一动力 变换装置来实现动力的分流。 蜗杆传动是空间交错的两轴间传递运动和动力的一种 传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮 齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的次对又较多，故冲击载荷小，传动平 稳，噪声低。在设计中蜗杆与两蜗轮之间的轴线夹角为 90，两蜗轮轴线之间的夹角为 120。如图 2-1 所示。 图2.1车轮端面图 2、同步链传动设计 由于设计的机器人具备在一定的管径变化范围内行走的能力，在管径发生变化的 时候，主动轮与管道中心的距离也相应发生改变，在现有的相关管道机器人传动方案中， 更多的是采用全齿轮传动方式，即动力经变换后，通过增加惰轮的方式，将动力传递到 主动轮，虽然该方案的传动效率较高，但是结构复杂，对环境的适应能力较差，可适应 管径变化范围较小，在本设计中，动力经蜗轮蜗杆装置变换后，通过传动比为 1:1 的齿轮 传动，将动力传递到各支腿，因为空间尺寸关系，在两者之间增加一惰轮机构，再应用 无锡太湖学院学士学位论文 6 同步链将动力传送到主动轮 1 和轮 3。同步带轮轴 1 与支腿与安装底座的连接轴同轴，故 无论管径如何变化，两个同步链轮间的轴线距离保持不变，只要支腿的长度足够长，就 可适应足够大的管径变化范围。 2.2 管道清洗机器人变管径自适应性方案设计管道清洗机器人变管径自适应性方案设计 管道由于制作误差、使用过程中局部结垢、局部压力过大而产生变形以及内表面杂 物的存在，清洗机器人在碰到变形部位及杂物时，由于阻力而使支撑臂收缩，同时在驱 动力的作用下通过变形部位，当再次达到管道正常段时，支撑臂能够在弹簧的作用下像 伞一样张开，使机器人重新恢复原来的平稳状态。这个过程就是机器人的自适应过程。 有了自适应性，机器人就能穿过一个个变形部位，以达到对管道进行有效清洗的目的， 在本设计中，对于自适应性的设计主要包括两方式:各支腿单独调整和支腿整体调整。 1、支腿单独调整方式 各支腿的单独调整方式。当机器人在行进过程中，其中的一个或多个支腿遇到障碍 物(包括突起和凹陷)时，利用支腿内部的调整弹簧来改变支腿的长度使得支腿与管壁处于 理想的接触状态，以满足稳定作业要求。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。 该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时， 则应使用支腿的整体调整方式。 2、支腿整体调整方式 目前管道机器人在适应不同管径的调节机构常用的有:蜗轮蜗杆调节方式,升降机调节 方式、滚珠丝杠螺母副调节方式和弹簧压紧调节方式。比较研究了各种调节机构的优缺 点，针对本课题的工程实际需要，并根据前后支腿的特性要求，在前支腿(即从动轮支腿) 选用弹簧压紧调节方式，后支腿(即主动轮支腿)选用滚珠丝杠螺母副调节方式。这两种调 节机构能保证机器人具有充裕并且稳定的牵引力，并且管径变化范围比较大，下面综合 分析该两种调节方式。 （1）滚珠丝杠螺母副调节方式自适应方案。其具体设计如图 2-2 所示是滚珠丝杠螺母 副调节方式示意图，其工作原理是:安装在轴套和丝杠螺母之间的压力传感器间接检测驱 动车轮和管道内壁之间的压力 Fy，并实时将压力值回馈回监控装置，当压力 Fy 的值小于 所允许的最小压力值 Fy时，连杆 AB 的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支 点 A，推杆 CD 与连杆 AB 铰接在 B 点，另一端铰接在轴套上 C 点，轴套在圆周方向相 对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而 带动推杆运动，进而推动连杆 AB 绕支点 A 转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同 的管径的目的。保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使机器人具有充足 且稳定的牵引力。 管道除尘机器人行星结构设计 7 图2.2滚珠丝杠螺母副调节方式 下面分析滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性，如图所示，以固定支点 A 为坐标系 的原点，建立如图所示的坐标系 XOY,石为连杆 AB 的长度，几是推杆 CD 的长度，乌是 支点 D 到固定支点 A 之间的距离， “是推杆 CD 与水平方向之间的夹角，尹是连杆 AB 与 水平方向之间的夹角，凡为管道内壁作用在车轮上的压力即封闭力，艺 F 是滚珠丝杠螺 母作用在推杆上的轴向推力，T 是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩。Tmda 是电机轴的输 出扭矩。 在坐标系 XOY 中，由几何关系可得: L sin=L sin 2 3 y =L sin （2.1） B1 x =L cos+L cos c2 3 对上式两边分别取微分可得: =L cos yB 1 L cos=L cos (2.2) 2 3 =-L sin-L sin xc 2 3 化简上式得: 无锡太湖学院学士学位论文 8 =-（tan+tan） （2.3） c x 1 3 L L B y 由虚功原理得: +=0 （2.4） F c x 3 1i Gi N B y 将式代入上式并化简得: = （2.5） FGi i N L L 3 1 3 1 )tan(tan 所采用的滚珠丝杠螺母副的导程记为, 为滚珠丝杠和丝杠螺母之间的相对转角，则丝P 杠螺母的位移为: S=。 2 h P 对上式等号两边分别取微分得: = (2.6) s 2 h P 考虑滚珠丝杠螺母副，由虚位移原理可得: (2.7)0 TF s 式中，为滚珠丝杠螺母副的传动效率。 合并整合上两式得: T= （2.8） Gi i hh N L PL F P 3 1 3 1 )tan(tan2 3 2 此式即为滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性。 （2）弹簧压紧调节方式 如图所示的是从动轮的弹簧压紧调节方式示意图，其工作原理与滚珠丝杠螺母副调 节方式原理类似，只是在张紧力调整方面采用被动调整方式。当管径发生变化时，作用 在从动轮上的压力变化，使得压紧弹簧产生伸缩，而带动推杆运动，进而推动连杆 AB 绕 支点 A 转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。与滚珠丝杠螺母副调 节方式的主要区别就在于在压紧力的调节方面由调整电机的的主动调整变为压紧弹簧的 被动调整。故在弹簧压紧调节方式的力学特性如下: 管道除尘机器人行星结构设计 9 图 2.3 弹簧压紧调节方式 选取其中的一个支承臂作为研究对象，其受力分析如图所示，由前述滚珠丝杠螺母副 调节方式的分析可知，弹簧压紧调节方式的力学平衡方程为: (2.9)0f sF 式中，f弹簧的压紧力，N。 整理得: f= (2.10) Gi 3 1i 3 1 N tantanL L ）（ 弹簧压紧力可表示为: f=k （2.11）（ 210 s-s-L-x f 为弹簧的初始长度(mm)，k 为弹簧的弹性系数（N/mm） 。从上边的式子可以看出， 弹簧压紧力 f 只是位移函数，因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封 闭力之和 N 变化不大。由此可见该机构具有常封闭特性，这样便增加了载体的稳定性和 可靠性，同时由于弹簧压紧力 f 的回馈作用可使机构具有自适应调节的功能。 2.3 动力系统的设计计算动力系统的设计计算 2.3.1 管道机器人行驶阻力分析管道机器人行驶阻力分析 在计算前，我们先设定我们所设计的机器人的行进速度是 1.8m/min。 机器人在管道内进行清洗作业时，必须克服来自管道内表面的滚动摩擦阻力， f F （2.12） Gf NfF 式中，f 是滚动摩擦因数，即轮子在一定条件下滚动所需要的推力。 为机器人轮子负荷之和。也就是： G N 无锡太湖学院学士学位论文 10 G cos（ 0 R )60 60 F =f f G cos（ -600 (2.13) R )60 式中机器人管内作业姿态角， 机器人本体重量，kg。 R G 当姿态角分别为 60或者-60时候，系统的阻力最大。 预设为 0.5，机器人重量为 10kg，由于轮子手的是弹簧调节，则弹簧对轮子又很大的压 力，由于我们采用的是型芯磨头切削，对车身的稳定性要求较其他更为严格，假设弹簧 对轮子的压力是 40 x9.8N, =10 9.8=490N。F 总阻力= =49 00.5=245N. FF 根据实际情况，我们设计主动轮半径 r=50mm，总阻力矩为： =24 50.05=12.25Nm rMF 已经设过机器人行进速度为 1.8m/min，则主动轮转速应该是: r/min v1.8 n5.73 2 r2 3.14 0.05 W 电机的额定转速为 1500r/min 系统传动比为 W n1500 i262 n5.73 S 电机提供的驱动力矩为： Nm q 12.25 0.15 i262 0.32 1.5 S M M W n q 0.15 1500 23 95509550 T P 考虑到机器人在管道内行进出现的在和突变情况，取安全系数为 2，则电机的功率为 46W,电 机选用 YS5614 型。如下表。 得：转速为 1500r/min 额定功率为 60W 额定电流为 0.28A 效率为 56% 功率因数为 0.58 额定转矩为 2.4Nm 管道除尘机器人行星结构设计 11 表2-4 YS 系列电机技术参数 型号额定功率 W 额定电流 A 额定电压 V 额定频率 Z H 同步转速 -1 minr 效率 （%） 功率因数 YS4512160.933000460.57 YS4514100.121500280.45 YS4522250.123000520.60 YS4524160.161500320.49 YS5012400.173000550.65 YS5014250.171500420.53 YS5022600.233000600.66 YS5024400.231500500.54 YS5612900.323000620.68 YS5614600.281500560.58 YS56221200.383000670.71 YS5624900.391500580.61 YS63121800.533000690.75 YS63141200.481500600.63 YS63222500.673000720.78 YS63241800.651500640.66 YS71123700.95300073.50.80 YS71142500.831500670.68 YS71161800.74 380220 或 380 50 1000590.63 无锡太湖学院学士学位论文 12 表 2-5 YS 系列电机技术参数 续 额定频率 Z H 同步转速 -1 minr 效率 （% ） 功 率 因 数 额定转矩 堵转转矩 额定电流 堵转电流 额定转矩 最大转矩 声功率极 ）（AdB 3000460.572.36.02.465 1500280.452.46.02.460 3000520.602.36.02.465 1500320.492.46.02.460 3000550.652.36.02.465 1500420.532.46.02.460 3000600.662.36.02.470 1500500.542.46.02.460 3000620.682.36.02.470 1500560.582.46.02.460 3000670.712.36.02.470 1500580.612.46.02.465 3000690.752.36.02.470 1500600.632.46.02.465 3000720.782.36.02.470 1500640.662.46.02.465 300073.50.802.36.02.475 1500670.682.46.02.465 50 1000590.632.05.52.060 2.3.2 减速器的选择减速器的选择 在选择了电机型号之后，需要选择与之相应的减速器。在确定了减速器的类型后， 减速器的选择关键在减速比的选择。 1、考虑驱动能力时减速比的计算 根据电机的相关资料，可知电机的额定转矩为 0.9N m，为满足机器人能正常行驶， 则整个驱动系统电机的驱动力矩经传动系统减速增扭后，驱动力矩应大于等于机器人所 受到的总的阻力矩，即应保证传动系统的传动比应满足： min i min 12.5 i5.06 2.42 D M M 2.考虑机器人最高运行速度传动比的计算 根据电机相关资料，可知电机的额定转速为r/min 则传动系统的最大传 d n1500 动比应该满足： max i d max w n1500 i261.75 n5.73 基于上述传动比，我们可以确定传动系统的传动比应该满足： s i 管道除尘机器人行星结构设计 13 (2.14) minsmax iii 传动比里面蜗杆传动的传动比为:=5-80,选用 20 w i 则减速器的出动比为： r i (2.15) maxmin r w dw d ii i i ii i 我们选用=12 r i 根据小功率计算机书上说明，选用 GBX40 行星减速器。其参数如截图所示： 图2-6 减速器参数表 2.4 机器人的速度和驱动能力校核机器人的速度和驱动能力校核 确定电机和减速器后，我们必须进行机器人的运动速度和驱动能力的校核，以确保 机器人有足够驱动力的同时，能满足机器人的最高行走速度要求。 2.4.1 运动速度校核运动速度校核 根据以上所选电机和减速器的性能指针，可知电机的额定转速= 3000r/min，减 d n 速器的传动比是 12，以及机器人所要求的主动轮半径 r= O.O5m，可以计算出机器人在 确定电机和减速器后的最高车速 V: d r w d 2 rn2 3.14 0.5 1500 1.8 i i i12 20 1 V 虽然 V 大于预期设定速度，但是我们可以通过控制电机的转速已使机器人低于此速度行 驶，而且还有一定得速度储备，在机器人需要快速行进至工作位置的情况下，尽可能有 较快的速度。 2.4.2 驱动能力校核驱动能力校核 根据电机的额定输出转矩为 2.4Nm，传动比 i 为 240，则机器人总的驱动力矩为： 2.4 240576 W MM 因为机器人总的驱动力矩大于其所受到的总的阻力矩，所以机器人能够有足够的动 无锡太湖学院学士学位论文 14 力起车，并有一定的动力储备。 经过上述计算和校核，所选的施奈德 BSH4552T 伺服电机和 GBX40 行星齿轮减速器 能够满足管道射流清洗机器人的性能要求，从而可以由其组成机器人的行驶驱动系统。 管道除尘机器人行星结构设计 15 3 链轮传动的设计计算链轮传动的设计计算 3.1 链轮设计的初始条件链轮设计的初始条件 链轮设计的初始条件如图 3-1 所示 表3-1初始条件 名称数值单位 传递功率0.023 小链轮转速5.73 minr 平均转动比1；可大或小 0.5% 大链轮转速5.73 minr 传动转类倾斜传动 传动速度 低速转动（）smv 润滑条件由设计结果确定（推荐） 中心距条件可调 载荷性质平稳载荷 原动机种类电动机或汽轮机 弹紧装置张紧轮 3.2 链轮计算结果链轮计算结果 经过设计手册的计算，得到的链轮计算结果如下： 表3-2设计结果 名称数值单位 小链轮齿数38 大齿轮齿数38 张紧轮齿数38 平均传动比1.000 大链轮转速5.730 minr 设计功率0.02KW 链条节距12.700mm 链号08A 链条速度0.046 sm 润滑方式油刷或油壶人工定期润滑 粗定中心距254.00mm 链长节数78.00节 链条长度0.991m 无锡太湖学院学士学位论文 16 理论中心距508.00mm 实际中心距506mm 续表 3-2 名称数值单位 有效圆周力499.04N 作用于轴上的拉力586.37N 滚子外径（最大值）7.95mm 链条排距14.38mm 内链板高（最大值）12.07mm 许用静强度安全系数4.00 静强度安全系数27.65 铰链比压11.27MPa 由上面我们得到链轮的基本尺寸： 排拒 14.38mm 分度圆直径 89.28mm 齿顶圆直径 96.5mm 齿根圆直径 80.84mm 3.3历史结果历史结果 由手册计算我们的历史结果如表： 表3-3历史结果 名称符号数值单位公式说明 小链齿轮数z 138.0 0 zz，z =9,z 应参照链速选 1 min min 1 取 链速0.63388 z 1 15 17 19 21 23 25 连轮齿数应优先选取以下数列： 17,19,21,23,25,38,57,76,95,114 增大 z ，链条紧边 1 的总拉力下降，多 边形效应减小，磨 损小，但尺寸重量 增大当 z和 z 为奇 1 2 数而 L 为偶数时， P 将有利于链条和链 轮齿均匀磨损 z 和 z 的选取应考 1 2 虑 大齿轮参数z 238.0 0 z=z i 通常 z120 z =150 2 1 2 minz增大时，节距 2 （或总长）磨损伸 长率许用值减少， 链传动的磨损寿命 降低，且传动尺寸 大 平均传动比i1.00 000 ,通常，推荐 1 2 2 1 z z n n i 7i i=23.5，当 v1 时，取 e=0.5d，但不小于（0.250.35）B；对于调心轴承， e=0.5B。 （a）向心轴承 （b）向心推力轴承 （c）并列向心轴承 d 滑动轴承 图 4.3 轴的支反力作用点 在做计算简图时，应先求出轴上受力零件的载荷（若为空间力系，应把空间力分为圆 周力、轴向力和径向力，然后把他们全部转化到轴上） ，并将其分解为水平分力和垂直分 力，如图 4.4a 所示。然后求出各支承处的水平反力 F和垂直反力 F（轴向反力可表 NHNV 示在适当的面上，图 4.4c 是表示在垂直面上，图 4.4c 是表示在垂直面上，故标以 F） , 1NV （2） 做出弯矩图 根据上述 简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别 做出水平面上的弯矩 M图（图 4.4b）和垂直面上的弯矩 M 图（图 4.4c） ；然后按下式 HV 计算总弯矩并做出 M 图（图 4.4d） 。 无锡太湖学院学士学位论文 26 图 4.4 轴的载荷分析图 （3） 做出扭矩图 扭矩图如图 4.4e 所示 管道除尘机器人行星结构设计 27 （4）.初步估算轴的直径 选择轴的材料为 40Cr 经调质处理，由表 26.1-1 查得材料机 械数据为: 700 b MP 500 sa MP 1 320 a MP 1 185 a MP 根据公式初步计算轴直径 3 9550000 0.2 T p d n 3 3 9550000 0.2 T p n 3 0 p n A 带入数据得出 d 11.2mm 即轴的最小直径为 11.2，现在选择=12.5mm， min d 4.2.2 轴的结构设计轴的结构设计 根据轴上面的定位要求，现在轴的基本参数如下图所示： 图4.5轴的基本尺寸参数 4.2.3 键的校核键的校核 选用 A 型普通键，轴键、轮毂的材料都用 20 钢。 b h=6 6 取 L 为 20. 3 210 410 II bb T Kld 无锡太湖学院学士学位论文 28 式中：T传递的转矩； K键与轮毂、键槽的接触高度 K=0.5h=3 键的工作长度： =L-b=17mm；ll d轴的直径； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa，见表 6-2； p 表 6-2 许用应力参数 载荷性质许用挤压应力、 许用压力 连接方式键或毂、轴的 材料静载荷轻微冲击冲击 钢1201501001206090 p 静连接 铸铁708050603045 410 b 所以此键符合要求. 管道除尘机器人行星结构设计 29 5 弹簧的设计计算弹簧的设计计算 根据我们的设计情况，我们应该选用圆柱螺旋压缩弹簧。 当此机器人在管道内行走时受到的最大压力为 40KG，急弹簧的最大压力为 。其受力图如图 5.1 所示40 9.8392N 图 5.1 弹簧受力图 1.根据条件选择材料，并确定其许用应力。 因弹簧在一般在和条件下工作，可以按第 3 类弹簧来考虑，现选用碳素弹簧钢丝 C 级，我们设计导柱为 14mm,间隙 c 为 4mm，则弹簧中径 D 为 18mm。现估计取弹簧直径 为 3mm. 2.根据强度条件计算弹簧钢丝直径。 现选取旋绕比 c=6，由机械设计16-4 得： 5.1 4c 10.615 1.25 4c+1c K 根据式（16.12）得 2 c392 1.25 6 d1.61.63.46 628 F K 改取 d=3.2mm，不变，故（）不变，取 D=18mm，c=5.625.计算得 B 18 3.2 K=1.253，于是 2 c392 1.253 5.625 d1.61.63.18 628 F K 上值与原来估计值相近，取弹簧钢丝的标准直径 d=3.2mm，此时 D=18mm，是标 准值，则： =D+d=18+3.2=21.2mm 2 D 3.根据刚度条件，计算弹簧圈数 n。据我们设计要求，可选弹簧圈数为 10 圈。 无锡太湖学院学士学位论文 30 4.验算。 （1）弹簧初拉力 5.2 011F FFk 初应力按式（16.8）得 0 =95.44Mpa 0 0 3 8F D K d 按照图 16-9，当 C=5.62 时，初应力的推荐值为 65150Mpa，所以此初应力 0 值合适。 （2）极限工作应力 取=0.56，则 lim lim B =0.56 1570Mpa=879.2Mpa。 lim 管道除尘机器人行星结构设计 31 6 6 安全性能安全性能 在现有的管道清洗作业中，水射流清洗应该是比较先进的一种清洗方式，但是水射 流清洗在安全性能上与我们所设计的差了不少。 高压水射流设备在高压工况运行时，自高压泵组(或增压器)的高压缸体至喷嘴，所有 过流部件均处于高压蓄能状态。此时，水的可压缩性已不能被忽略不计。由于水被压缩， 使其处于类似气体被压缩时的蓄能状态，性能随压力变化情况的比较。通过研究发现， 在大约 80MPa 压力的水能够贮存和 1Mpa 下的空气一样多的能量;在大约 30OMpa 压力下， 水所贮存的能量大约为 3Mpa 下空气所存能量的 3 倍。因此，根据高压下流体的体积、容 器的结构和材料，在 70Mpa 及以上水压下的失效可能是灾难性的崩裂甚至爆炸，此时， 失效零件以高速飞出，流体迅速膨胀而形成冲击波，其结果必然会造成周围设备的损坏 及人员的伤害，即使在 70MPa 压力下的高压零部件失效，也会形成裂片、接头的崩出或 软管结构的拔脱，被其触及的设备或人员也会受到不同程度的伤害。 水射流本身潜在的破坏力是显而易见的，从水射流所具备的清洗、除锈等功能上 很容易使人认识到它的伤害性。然而，低压射流或较长靶距射流的危害性往往不为人们 所重视。事实上，由于受射流作用的部位不向、即使是 0.55Mpa 的低压射流也足够对眼 睛造成严重的伤害。另外，一项用射流对公牛生皮进行的系列试验说明，压力为 15Mpa 流量为 32.6L/min 的水射流，在 705mm 的较长靶距下，仍可在几秒钟内射穿牛皮。也就 是说，同等条件下的水射流足以造成对人的任何裸露部位的伤害。而射流作用物体后的 反射、及碎屑的飞溅等。也只有具有一定的破坏力，让其直接触及到设备或人员也足以 造成损坏或伤害。 射流作业时除高压设备及时流本身的潜在危险性外，还有作业场所、环境和作业对 象等存在的潜在安全问题。作业场所主要是指是否在水下作业、作业空间是否狭小等； 作业环境主要指是否周围有放射性污染源、是否在有毒环境下作业及是否在高温或寒冷 环境中作业;而作业对象存在的隐患主要是被作用物是否安装或放置稳定，作业中是否会 有毒气、毒雾或其它有害物质产生。作业产生的碎屑或切块是否会产生砸伤事故等。 而我们所设计的管道机器人和铣刀原理结合的清洗技术则有效较小了这方面的危险 性，由于我们所设计的机器人行进速度慢，铣刀对周围环境的危险子那个大大降低，同 时又在管道内作业，它对人体的潜在危险性可以不计了，这是本设计作品的又一大优势！ 无锡太湖学院学士学位论文 32 结论结论 本论文在研究了国内外管道清洗技术及管道机器人技术的基础上，提出了一种全新 的用于管道清洗的管道射流清洗机器人。此种机器人可在自主动力的驱动下，进入地下 管道，利用行星磨头对其进行清洗、维护。而此论文则是对机器人的行走做单独的研究。 本研究取得最重要的进展如下： 对管道射流清洗机器人变管径自适应性方案分析比较，设计出具有变径范围大，结 构简单的各支腿单独调整和支腿整体调整组合方案，并对变径过程的传递关系进行了详 细的分析计算，所设计机构在一定的管径变化范围内，具有常封闭特性，增加了载体的 稳定性和可靠性，机构具有自适应调节的功能。 毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较 完整的管道除垢机器人的行走部分的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际 设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时 也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且 通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼， 经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是 我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程 繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种管道的 安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更 使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。 管道除尘机器人行星结构设计 33 致谢致谢 经过近半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕 业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导， 以及一起学习的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在论文写作过程中，得到了鲍虹苏老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态 度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到 项目的最终完成，韩老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，韩 老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除 了敬佩韩邦华老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜 样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向韩老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少 可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感 谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 最后我还要感谢无锡太湖学院四年来对我的栽 培。 无锡太湖学院学士学位论文 34 参考文献参考文献 1 濮良贵. 机械设计M. 高等教育出版社, 2007. 2 陆玉. 机械设计课程设计J. 机械工业出版社, 2006. 3 余俊. 机械设计M. 高等教育出版社, 1997. 4 徐灏. 机械设计手册M. 机械工业出版社, 1991. 5 杨毅. 数控加工的工艺设计J. 机械工程师, 2001. 6 邹青. 机械制造技术基础课程设计指导教程M. 机械工业出版社社, 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