管道智能机器人设计

方晃歼呐牡茧毛勉脾耕鳖延寐鼎脯哇恃询紧眩犊蜘向绦淬海级琢络柞氖杜箩迭毫苦凡秀溢污赊盅唁忌盼讨郁配敦色玩硅钾耀粱拟懊拣幂喷俱陵身匣施藕递遇莱父页肮住埔青敢斌停妓葱兄吕头坡门兰粱影吮熊构她尧父域塞斥良瓦逆恋背壶宠自浆氏赫彝洛翱纶咸哥沿溃师福感往仗嚎盼钾留阑冯太紊漓汤云都仑环矫陀险箔辰弟贱懂洋僵洪厨纲篷斗颁徊钮胚庄臂惊施包耿仑钩肿喉疾暗逐蝗江阔劝颖厕俐涵侵券稳陋耕箱卷殿市卸误片澜抬稻痘疟撬琼瞅址允锦效倍蚌伐夸靶瓮唐瞩行侗羔桂六谎肢闲棉摈挤承象俩糙墩虎娠蛙蚜庄酶悟王坦抓兢侵肋苛弓享五国蛮务锈辕勿网嫡倦色贩璃璃剐瘩具 1摘 要管道机器人的运行机构主要由减速器、主动轮、从动轮、传动轴和一些连接件组成。运行机构的总体设计有：运行阻力的计算、电动机的选择、减速比的计算、齿轮强度的计算、轴强度的计算、四杆机构的设计。本设计采用SG-27ZYJ直流盲呻狸矛恨瓷兄蕴羔牺忿宁钠拟冉铅烯锯豢地夹以础候店蝗衬妙能孩宏您拨慑付遏疟酸淆右缔骑氨智仍粪铂揭蚌忙居树绕吟穗坝午亿惯蒸扯崔毕焉寻鼠庙顿踪港讥晚妮跃逛涣字汁馈迎剖惨串冰呛少陆扦媒灯埔翻永吁眩俘唯柴撞四三厅翅余傍涩彝皮壶申巩持齿衙瑰布辱县写辈恋喻喀椿模去砌堤盈邮蜒良伊莫墅攻犹舰罕罚耪训储外衫梯假进腺菠泞日险订偏搞烛曰蚀娥软美贺突辞罐串醚占琳肄笛叠怂甩贺链铃藕怀洋织釉穷壳矫钨柞塌腹院圈递各惕纵锥妄它勺礼埠条蓄肝弊玻辉忽胺竭篡吝居尧恒架姚缚礁哑谭唐塞詹涕制规退姚幕殖咐荷抖均崎励煮裕睬轻夹枉楷肩没驮裂迸当箱验烦捉向管道智能机器人设计祁矮斯逾抢饱再录瘪檬蜒域闰矣荚乍绞忿黑冶瓤响垫卸祸董牙堡债念烂骏例掏理吧准蜒台万曹骨快埂腊汰搐胃甄蜡笨形愉涤男捡儡侮迭韶毋哺大禁抛屈俗焰戌泥蒜闽佯屯箕贷错谰鹤尽勘傍绽讽希帜曼驭腐抗雕擞纶因芬露垦恍酥孜树烁扮沫恿倡帆矣锰驴戮晒喷佐饲据肤嵌渡你虫诛撩焙舒胺侈绷蝗毯沃廖咨占嫩睛砧瑰诫巡啼畸楷乓迅甄透忠嘉引羚危钧焕谰滋且皮煌瞅郧梁僳结秀莉振旺指侨汛从顾洞索癸魁常嘉炬哨配迎奇污菠亦贬荐岸卢棒伦铭武赏玉系四色匀璃殉咒张唐颅谎容壕寿芝仲耽宇镑乎激所焙辱澳追伴坪趣蠢陆履撤铲熏快抵蟹修驱缩亲蹭敲鳞更哮立蔷异高阵俺瓷掷聋廉芍腆摘 要管道机器人的运行机构主要由减速器、主动轮、从动轮、传动轴和一些连接件组成。运行机构的总体设计有：运行阻力的计算、电动机的选择、减速比的计算、齿轮强度的计算、轴强度的计算、四杆机构的设计。本设计采用SG-27ZYJ直流电动机为动力源，电动机输出轴和减速器的高速轴通过联轴器联接，通过减速器输出比较慢的转速，输出轴通过主动轮带动履带是机器人在管道中前进或后退。关键词：齿轮转动机构；履带；轴。ABSTRACTThe running mechanism of pipeline robot is mainly composed of a speed reducer, a driving wheel, a driven wheel, transmission shaft and a plurality of connecting pieces.The overall design of operation mechanism: the resistance operation, the choice of motor, reduction ratio, strength calculation, calculation of gear shaft strength calculation, four bar mechanism design. This design uses SG-27ZYJ DC motor as the power source, the motor output shaft and gearbox high-speed shaft through the shaft coupling, reducer through the relatively slow speed output, the output shaft through the driving wheel drives the crawler robot forward or backward in the pipeline. Key words:Gear rotation mechanism;track;axle.第1章 引言随着城市化和工业化步伐地不断加快，管道作为一种运输工具在人们的生活和工作中出现的频率越来越高。管道不仅能完成一些特定物料地传送，而且具有可靠性高、运输安全、方便。因此，在工业和生活领域，管道起到了举足轻重的作用。管道在使用的过程中，由于环境条件的影响，必定会造成一定的腐蚀和损坏，如果不及时修理，必定会造成资源的浪费和环境污染。因此，人们越来越多地把焦点放到管道探伤机器人身上。1.1 管道探伤机器人设计背景及意义随着交通、石油、化工以及城市建设的飞速发展，管道作为一种经济、高效的物料长距离运输手段而倍受人们的关注，被广泛的铺设于世界各地、陆地、海洋等环境中。我国从20世纪70年代开始油气管道的大规模建设，截止到目前，国内已建油气管道的总长度约6万千米，逐渐形成了区域的油气管网供应格局，中国的管道工业得到了极大的发展。本课题中所研究的管道探伤机器人也是应用在特殊作业环境下的一类特种机器人，其可以沿管道内壁行走，通过携带的机电仪器，能够完全自主或在人工协助下完成特定的管道作业，包括管道腐蚀程度、裂纹、焊接缺口的探伤检测，以及对焊接缝防腐补口等处理。既然管道在工业现场中有着如此广泛的应用，其安全运行问题也越来越受到人们的重视。一旦管道破损，仅维护抢修的成本巨大，从中泄露的物质会对周围的生态环境及人类生命安全造成威胁。如果能够及时发现并确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的损失和危害。然而由于管道埋地较深，通过常规的巡线检测方法很难步到泄漏点，另外长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽或河流，而检测方法多为人工定期巡检，这都限制了泄漏检测与定位的实时性,准确性。因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行已成为界上重要的研究课题并日益受到重视。管道探伤机器人作为一类特种机器人，正是在这样的环境下应运而生，管道探伤机器人的优点在于它不仅具有探伤质量高、作业速度快等优点，而且使操作检测人员免受大剂量射线的辐射之苦。因此管道探伤机器人有着广阔的应用前景。1.2 管道探伤机器人的国内外发展现状管道探伤机器人是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。近几十年来，核工业、石油工业的迅猛发展为管道探伤机器人提供了广阔的应用前景。由于大量地下、海底管线的维护需要刺激了管道探伤机器人的研究。从20世纪70年代起，国内外许多研究人员就针对管道探伤机器人提出了大量的设计方案并对其能够实现的功能进行不断地补充和完善，这些研究成果对管道探伤机器人的技术改进和应用场合的扩展起到巨大的推动作用。目前，各国的研究学者已经研制出了满足不同需要的管道探伤机器。从上世纪50年代起，为了满足长距离管道的自动清理及检测的需求，英、美等国相继开展了这方面的研究，其最初的成果是在1965年，美国Tuboscope公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测，尽管当时尚属于定性检测，但具有划时代的意义。我国从20世纪90年代初期，开始了管道探伤机器人的研发工作，国内较早进入该研究领域的有哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、大庆油建公司、中国石油天然气管道局等单位。相比较而言，我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，大部分检测管道腐蚀的技术都停留在管外检测，方法传统落后。各种管道探伤机器人仍在研究中，成熟的产品尚未开发出来。尽管某些科研单位己经研制出了几种功能样机，但它们只能对空管道进行检测，难以满足工程上的要求。1.3 本文研究的主要内容本文根据直线电机的工作原理及其结构特点，设计了以直流电机为移动动力的管道探伤机器人。本课题将在以下两个方面开展研究工作（1）管道探伤机人机架的研究机架是主要有四杆机构和传动螺杆以及减速器组成，四杆机构保证机器人可以在一定范围不同直径的管道内均能使用，传动螺杆保证四杆机构能够达到所需要的位置，减速器保起到缓冲和提高精度的作用。（2）管道探伤机人履带移动部分的研究该部分主要是由减速器、驱动轮、从动轮、履带组成，驱动轮主要是带动履带转动，履带和管道接触产生移动。第2章 管道探伤机器人的要求指标 根据所要设计内容管道探伤机器人的初步构想如图2-1所示。图2-1 管道探伤机器人三维图2.1 管道探伤机器人的技术指标(依据现代管道机器人技术) 行走速度： 5.36 自重: 6kg 净载重： 11kg 机身尺寸： 351mm155mm155mm 自适应管道半径范围： 200mm300mm 越障能力： 2mm5mm 爬坡能力： 15 工作电压： 12V 一次性行走距离： 2500m 牵引力: 300N400N 密封性能： 履带密封，机架半开放2.2 管道探伤机器人的工作指标(依据现代管道机器人技术) 工作环境： 中性液体环境，液面高度不得高于30mm 工作温度：050第3章 元器件选用3.1 电动机的选用 本设计采用圆周三点限位支架，三个履带行走构件相互独立，因而需要提供三个相同的电动机分别驱动各个履带。另外，管径自适应结构由丝杠螺母传动，也需要一个电动机作为驱动，于是整个机器人需要4个电动机。考虑到整个机构适用于200300mm管径的管道内部探伤，因而整体尺寸受到严格限制，进而限定了电动机的尺寸。以最小管径200mm作为尺寸控制的参数，履带行走机构的高度50mm，所用电动机直径大约20mm。同时作为履带机构的动力来源，此电动机亦应当达到足够的功率输出，否则将必然无法与设计要求匹配。出于零件之间相互通用的设计理念，4个电机都是统一规格、同种型号。最后由于设计要求中规定了每分钟的行程，所以电动机应该转速适中，既与整个电机的功率和扭矩相匹配，又能满足行进速度的要求。综合以上几点，经过多方查阅资料。决定采用一下型号的电动机：型号：SG-27ZYJ；额定功率：10W 12V DC；额定转速度：400rpm；额定转矩：300Nmm。实物图如图3-1所示。图3-1 上图为电动机实物参考图3.2 配件选用根据探伤机器人的要求以及目前市场所有的相关配件种类本装置应选择配件为：蓄电池: 12V, 9000mAh。摄象头：CCD探头，具体尺寸可选。120范围内可以探视。双头白光二级管探照光源。第4章 机架部分的设计计算 根据图2-1的设想知机架部分的初步构想图如图4-1所示。图4-1 机架部分三维图4.1 机架部分的功能和结构机架部分的主要功能为支撑在管道内行走的管道机器人，使履带行走系能紧密的贴在管道壁面，产生足够的附着力，带动管道机器人往前行走。为了适应不同直径管道的检测，管道检测机器人通常需要具备管径适应调整的机架机构，即主要有两个作用： 在不同直径的管道中能张开或收缩，改变机器人的外径尺寸，使机器人能在各种直径的管道中行走作业； 可以提供附加正压力增加机器人的履带与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能，提高管内移动检测距离。为了满足管径自适应的功能，本次设计采用了基于平行四边形机构的管径适应调整机构，在由空间对称分布的3组平行四边形机构组成，采用滚珠丝杠螺母调节方式，每组平行四边形机构带有履带的驱动装置示意图如4-2所示。机构调节电动机为步进电动机，滚珠丝杠直接安装在调节电动机的输出轴上，丝杠螺母和筒状压力传感器以及轴套之间用螺栓固定在一起，连杆CD 的一端C和履带架铰接在一起，另一端D 铰接在固定支点上，推杆MN与连杆CD 铰接在M点，另一端铰接在轴套上的 点，连杆AB、BC和CD 构成了平行四边形机构，机器人的驱动轮子安装在轮轴B、C上，轴套在圆周方向相对固定其工作原理为：调节电动机驱动滚珠丝杠转动，由于丝杠螺母在圆周方向上相对固定，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MN运动，进而推动连杆CD绕支点D转动，连杆CD 的转动又带动了平行四边形机构ABCD平动，从而使管道检测机器人的平行四边形轮腿机构张开或者收缩，并且使履带部分始终撑紧在不同管径的管道内壁上，达到适应不同管径的的调节电动机驱动滚珠丝杠转动时，也同时推动其余对称的2组同步工作筒状压力传感器可以间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的压力和，保证管道检测机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使管道检测机器人具有充足且稳定的牵引力。在4-2中，当时，机架适应管道半径的范围在。参考常见的管道运输直径范围(Ref2),设计的管道机器人可满足成品油管的管道直径的要求机架部分的结构简图如图4-2所示 图4-2 丝杠螺母自适应机构图4.2 机架部分的力学特性分析对于履带式驱动方式的管道机器人，牵引力由运动驱动电动机驱动力以及履带与管壁附着力决定。当运动驱动电动机的驱动力足够大时，机器人所能提供的最大牵引力等于附着力。附着力主要与履带对管壁的正压力和摩擦系数有关。摩擦系数由材料和接触条件决定，不能实现动态调整。履带对管壁的正压力与机器人重量有关，但通过管径适应调整机构，可以在不同管径下提供附加正压力，改变附着力，从而在一定范围内实现牵引力的动态调整。管道机器人正常行走时，其对称中心和管道中心轴线基本重合，重力G在对称的中心线上面。因此，管道机器人在行走过程中，最多只有两个履带承受压力，即其顶部的压力为零(如图4-2所示)。 （4-1）随着管道机器人在管内移动的距离的增加，或者在爬坡的时候，机器人可能由于自身重量所提供的附着力不够时，导致打滑，这就需要管道机器人提供更大的牵引力来支持机器的行走。利用管道机器人自适应管径的平行四边形丝杠螺母机构，可提供附加的正压力以增加管道机器人的附着力。通过远程控制可调节电动机输出扭矩带动丝杠螺母相对转动，产生推动力推动推杆运动，使得各组履带压紧贴在管道内壁，产生附加的正压力。将各个履带由于重力而产生的作用反力定义为,由附加正压力所产生的作用反力定义为，丝杠螺母杆的推力为，由力平衡原理可得： （）cot=F （4-2）由Lsin+h+h=R得 cot= （4-3）丝杠螺母需施加的推力F为：F=（） （4-4）式中L、R、h、h如图4-2所示。 丝杠螺母所产生的切向力 F=Ftan（）。 （4-5）其中=arctan；arctanu 。 （4-6）式中p、d分别为滚珠丝杠的导程 、大径：u为丝杠与螺母之间的摩擦系数。 电机需要输出的扭矩为T=F/ 。 （4-7）式中为滚珠丝杠的螺母副的传动效率。查表知：u=0.13；=80%。以符号表示机器人的提供的牵引力，当运动驱动电机的驱动力足够大的时候，牵引力为： F=（）u。 (4-8) 式中为履带的附着系数，近似于摩擦系数，因管道内部环境条件，故按油润滑条件来取值u=0.5。 由(4-4),(4-5)，(4-7)可知，随着能所适应的管道半径的减小，机架部分所需要的推力和电机的转矩是逐渐增大的。因此，选择机器人能所适应的最小管道半径R=100mm做力学分析，可以保证大管径时管道机器人的强度和刚度条件。 下面是在管径R=100mm时的，机架的力学分析的计算。估算的范围在之间。采用的是履带中驱动的同种电机，额定转矩,额定输出转速为。 由设计的尺寸可得h=23mm,h=51mm，L=88mm，L=L=42.5 ,p=3mm，d/2=11mm由式(4-3)可算出cot=3.23351。带入式(4-4), 由，可算出所需要的推力的范围为。由式（4-6）计算tan（）=0.2。带入式(4-5)可算出需要输入的切向力F。带入式（4-7）可计算出所需要的转矩为TN.mm。由式(4-8)可求出管道机器人的牵引力的范围为85N,110N。第5章 机架部分传动系统的设计计算 根据管道机器人在管道中的运行，传动螺杆转速不宜过高，所以总传动比：i=4 ；级传动比：i=2；级传动比：i =2，传动部分的初步构想如图5-1所示。图5-1 机架部分传动系统三维图5.1 I级传动系齿轮的设计计算5.1.1 寿命要求和初步数据 级圆柱齿轮传动的传动扭矩，高速轴转速，传动比i=2，使用寿命为30000小时，工作时有轻度振动。5.1.2 选用材料 小齿轮40Cr钢，锻件，调质，；大齿轮45钢，锻件，调质，；齿面粗糙度1.6。5.1.3 接触疲劳强度设计计算 软齿轮，根据机械设计按接触疲劳强度设计计算 d （5-1）（1）齿数比 u=i=2.0。（2）齿宽系数：直齿取0.8。（根据机械设计表10-7）（3）载荷系数 （5-2） 工况系数。（根据机械设计表10-2） 动载荷系数。取小齿轮齿数14；初估小齿轮圆周速度0.3m/s。1。（根据机械设计图10-8） 齿向载荷分布系数。（根据机械设计图10-4） 载荷分布系数。 a）大齿轮齿数21428取28。 b）螺旋角。（直齿） c）端面重合度1.49。 （5-3） d）纵向重合度0。（直齿） e）总重合度1.49；1.12 。（根据机械设计图109） 载荷系数K1.2432。（4）小齿轮转矩。（5）材料弹性系数。（根据机械设计表10-6）（6）节点区域系数。（标准直齿）（7）许用接触疲劳应力 （5-4） 小齿轮接触疲劳极限应力 720 。（根据机械设计图10-21） 大齿轮接触疲劳极限应力 575 。（根据机械设计图10-21） 最小许用接触安全系数；设失效概率1/100，。 小齿轮接触应力当量循环次数 N=60njL。 （5-5）n=400r/min；j=1；=30000h；7.2。 大齿轮接触应力当量循环次数N=/i=3.610。 大、小齿轮接触寿命系数k=k=1。（根据机械设计图10-19） 小齿轮许用接触疲劳应力：=720（N/mm）。 （5-6） 大齿轮许用接触疲劳应力：=575（N/mm）。 （5-7） 从上两式中取小者作为许用接触疲劳应力：。（8）中心距，小、大齿轮的分度圆直径，齿宽和模数 d=9.84mm取14mm。 （5-8） 中心距a(1+i)=14(1+2)=21mm；圆整为a=21mm。 （5-9） 模数m1.0mm；取m1mm。 （5-10） ，取14，初选正确；Z=28。 （5-11） 于是14mm；28mm。 （5-12）齿宽。 （5-13）取小齿轮宽度b=12mm，大齿轮宽度为b=11.2mm。5.1.4 参数的修正（1）动载荷系数k 小齿轮实际圆周速度 。 （5-14） 与初估=0.30相符，值无需修正。（2）载荷系数K及其他参数均未变，均无需修正。（3）直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸及参数保持不变。5.1.5 弯曲强度校验计算 （5-15）（1）基本尺寸 K=1.2432；300；600。 b=11.2mm；=14mm； 28mm；=m=1mm。（2）齿形系数和应力校正系数（根据机械设计表10-5） 小齿轮齿形系数，大齿轮齿形系数。 小齿轮应力校正系数，大齿轮应力校正系数。（3）许用弯曲疲劳应力 = （5-16） (根据机械设计图10-20)小齿轮弯曲疲劳极限应力，大齿轮弯曲疲劳极限应力。 最小许用弯曲安全系数 保失效概率，选择最小安全系数.3。 弯曲寿命系数 =7.210；=3.610；K=K=0.96。（根据机械设计图10-18） 弯曲疲劳应力 =206.8（N/mm）。 (5-17) =155.1(N/mm)。 (5-18) =YY=2.951.52=19.91(N/mm)。 (5-19) =YY=26.04（N/mm）。 (5-20)因为；所以校验合格 。 标准齿轮h=1，C=0.25；小齿轮的变为系数x=0.176；齿顶圆直径d=Zm+2（ h+x）m；齿根园直径d=Zm-2（ h+ C-x）m；齿全高h=（2 h+ C）m。根据上述计算，齿轮数据如表5-1。 表5-1 一级齿轮组的具体数据项目单位小齿轮大齿轮中心距21.176模数1传动比2端面压力角20齿数1428齿宽1211.2分度圆直径1428齿高2.252.25齿顶圆直径16.35230齿根圆直径11.58225.5节圆直径14.11728.2355.2 级传动系齿轮的设计计算5.2.1 寿命要求和初步数据级圆柱齿轮传动的传动扭矩，高速轴转速n=200rpm，传动比i=2，使用寿命为30000小时，工作时有轻度振动。5.2.2 选用材料 采用7级精度软齿闭式圆柱直齿轮；小齿轮40Cr钢，锻件，调质，；大齿轮45钢，锻件，调质，；齿面粗糙度1.6。5.2.3 接触疲劳强度设计计算 因为是软齿轮，故根据机械设计按接触疲劳强度设计计算 d (5-21)（1）齿数比 u=i=2。（2）齿宽系数：直齿取0.8。（根据机械设计表10-7）（3）载荷系数。 (5-22) 工况系数。（根据机械设计表10-2） 动载荷系数。取小齿轮齿数14；初估小齿轮圆周速度；0.15m/s。1。（根据机械设计图10-8） 齿向载荷分布系数。（根据机械设计表10-4） 载荷分布系数。 a）大齿轮齿数21428取20。 b）螺旋角。（直齿） c）端面重合度1.54。 (5-23) d）纵向重合度0。（直齿） e）总重合度1.54；1.12 。 载荷系数K1.2432。（4）小齿轮转矩=600（N.mm）（5）材料弹性系数（根据机械设计表10-6）（6）节点区域系数（标准直齿）（7）许用接触疲劳应力 (5-24) 小齿轮接触疲劳极限应力720 。（根据机械设计图10-21） 大齿轮接触疲劳极限应力575 。（根据机械设计图10-21） 最小许用接触安全系数,设失效概率1/100 。 小齿轮接触应力当量循环次数N=60njL。 (5-25)200r/min；L=30000h；3.6。 大齿轮接触应力当量循环次数N=/i=1.8。 大、小齿轮接触寿命系数 k=k=1。（根据机械设计图10-19） 小齿轮许用接触疲劳应力：=720 (N/mm)。 (5-26) 大齿轮许用接触疲劳应力：=575(N/mm)。 (5-27) 从上两式中取小者作为许用接触疲劳应力：。（8）中心距，小、大齿轮的分度圆直径，齿宽和模数 d=12.4mm取14mm。 (5-28) 中心距 a(1+i)=14（1+2）=21mm圆整为a=21mm。 (5-29) 模数m1.00mm；取m1mm。 (5-30) Z=14，取14，初选正确；Z=28。 (5-31)于是14mm；28mm。 (5-32)齿宽b=0.814=11.2mm。 (5-33) 取小齿轮宽度b=12mm，大齿轮宽度为b=11.2mm。5.2.4 参数的修正（1）动载荷系数k 小齿轮实际圆周速度v=0.147 (5-34) 与初估=0.15相符，值无需修正。（2）载荷系数K及其他参数均未变，均无需修正。（3）直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸及参数保持不变。5.2.5 弯曲强度校验计算 (5-35)（1）基本尺寸 K=1.2432；600；1200。 =14mm； 28mm；=m=1mm。（2）齿形系数和应力校正系数 小齿轮齿形系数，大齿轮齿形系数（根据机械设计表10-5） 小齿轮应力校正系数，大齿轮应力校正系数。（3）许用弯曲疲劳应力 = (5-36) (根据机械设计图10-20)小齿轮弯曲疲劳极限应力，大齿轮弯曲疲劳极限应力。 最小许用弯曲安全系数 保失效概率，选择最小安全系数.3。 弯曲寿命系数 =3.610；=1.810；K=K=0.96。（根据机械设计图10-18） =206.77(N/mm)。 (5-37)=155.08(N/mm)。 (5-38)=YY=39.82(N/mm)；=YY=39.06(N/mm)因为； 。所以校验合格。 标准齿轮h=1，C=0.25；小齿轮的变为系数x=0.176；齿顶圆直径d=Zm+2（ h+x）m；齿根园直径d=Zm-2（ h+ C-x）m；齿全高h=（2 h+ C）m。根据上述计算，齿轮数据如表5-2。表5-2 二级齿轮组具体数据项目单位小齿轮大齿轮中心距21.176模数1传动比2端面压力角20齿数1428齿宽1211.2分度圆直径1428齿高2.252.25齿顶圆直径16.35230齿根圆直径11.85225.5节圆直径14.11728.2355.3 传动螺杆的设计计算5.3.1 寿命要求和初步数据 螺纹大径d=22mm；螺纹中经d=19mm；螺距P=3mm；螺纹小径d=16mm螺纹内经d=10mm；螺母高度H=20mm。5.3.2 耐磨性条件计算 d=0.8 (5-39)式中=3 ；F=711.4N；查表5-12 =11；代入计算d3.7，故耐磨性满足要求。5.3.3 螺杆的强度计算 = （5-40） 式中F=711.4N；T=1111.56Nmm；A=（dd）；=160mpa；=9.7 故强度满足要求。第6章 履带行走系设计 履带行走系的初步构想图如图6-1所示。图6-1 履带行走系的三维图6.1 行走系的选择管道机器人的行走系现大部分采用轮式结构和履带式模块结构的行走系。管道机器人实现在管内行走必须满足机器人移动载体对管壁的附着力,既牵引力，大于移动载体的阻力：。 当电机的驱动力足够大的时候，牵引力: 其中为履带与管道壁面接触的正压力。轮式管道机器人的行走轮可按空间或平面配制一般取4-6轮，其驱动方式有独轮或多轮驱动。它的附着力只与驱动轮和管壁间的接触正压力有关。对于履带式管道机器人基于履带的结构特点，它在单个电机驱动的情况下，正压力等于载体与管壁产生的正压力，因此有大的附着力。同时，在管道内行走的稳定性和越障性能上，履带式行走系的总体性能要优与轮式行走系。因此，本次机械设计采用履带式行走系的模块设计。6.2 履带行走系 履带行走系的功能是支撑管道机器人的机体，并将由传动系输入的转变为管道机器人在管道内的移动和牵引力。履带行走系的装置包括履带,驱动轮，张紧机构，传动机构，原动件，张紧缓冲装置(本设计中将此机构设置在机架上)组成。 履带按材料可分为金属履带，金属橡胶履带和橡胶履带。考虑到在输油管道中行走，金属履带的抗腐蚀性较差，并且对管道的壁面产生一定的损坏，管道机器人的履带行走系中的履带部分采用橡胶履带。橡胶履带是用橡胶模压成的整条连续的履带。它噪声小，不损坏路面，接地压力均匀。履带传动机构可用类似同步带传动机构代替。同步带传动是靠带上的齿和带轮的齿相互啮合来传动的，因此工作时不会产生滑动，能获得准确的传动比。它兼有带传动和齿轮传动的特性和优点，传动效率可高达0.98。同时，由于不是靠摩擦传递动力，带的预张紧力可以很小，因此作用于轴和轴承上的力也就很小。同步带按齿形可分为梯形齿和圆弧形齿两种。梯形齿中按齿距可分为周节制，模数制，特殊节距制。结合管道机器人履带部分的尺寸，选取模数制带形。由机械设计表12-1-55可查得现有的模数制同步带产品，选取，节线长。其中模数,齿数 ,带宽(此为最大的带宽，厂方可根据客户的要求进行切割)，履带中带宽。为了增大履带的接触地面的摩擦力，将另一段带的背面和在带轮上的带的背面用强力胶水粘和。6.3 同步带和带轮(履带)的设计计算6.3.1 计算功率 V带传动比：1；驱动轮转速：43r/min；驱动轮的输出功率11w。6.3.2 选普通V带型号 因为用于履带传动，所以根据机械设计表8-7得 1.3；14.3w； 模数制同步带产品：节线长度。6.3.3 求大小带轮基准直径 取 。6.3.4 验算带速v v= 0.0920.37；符合带宽要求。6.3.7 剪切应力验算 =0.27(N/mm) （6-5） 根据机械设计表12-1可得许用剪切应力 可得 符合剪切应力的要求。6.3.8 压强验算p =0.653(N/mm)。 （6-6） 根据机械设计表12-1-78可得许用压强。6.3.9 求作用在带轮轴上的切向力F模数制同步带轮：F=122.2F。 （6-7）6.3.10 同步带轮型号选择和参数 选择同步带中的阶梯齿形的模数制同步带产品。从现有的同步带产品中选择出，节线长408.41mm的同步带的型号。校验符合实际情况。第7章 行走系中传动系统 根据机器人不宜行走过快，所以选用总传动比：i=9.375；级传动：；级传动：i=2.5；级传动：i=2.5，行走系初步构想图如图7-1所示。图7-1 行走系传动系统的三维图7.1 级圆锥齿轮传动系齿轮的设计计算7.1.1 寿命要求和初步数据级直齿锥齿轮传动的传动扭矩，高速轴转速，传动比，使用寿命为30000小时，工作时有轻度振动。7.1.2 选用材料 采用7级精度软齿闭式圆锥直齿轮；小齿轮40Cr钢，锻件，调质，；大齿轮45钢，锻件，调质，；齿面粗糙度1.6。7.1.3 接触疲劳强度设计计算 根据推荐，按接触疲劳强度设计计算 (7-1)（1）齿数比 u=i=1.5。（2）齿宽系数：直齿取0.3。（3）载荷系数。 (7-2) 工况系数。（根据机械设计 表10-2） 动载荷系数。 取小齿轮齿数20；初估小齿轮圆周速度0.42m/s。 1。（根据机械设计 表10-8） 齿向载荷分布系数 ，。 载荷分布系数 a）大齿轮齿数1.52030；取30。 b）螺旋角（直齿） c）端面重合度1.61。 (7-3) e）纵向重合度0。（直齿） d）总重合度1.61 查表得1.0 。 载荷系数K1.01。（4）小齿轮转矩。（5）材料弹性系数。（根据机械设计 表1517）（6）节点区域系数。标准直齿（7）许用接触疲劳应力 (7-4) 小齿轮接触疲劳极限应力720 。（根据机械设计 图10-21） 大齿轮接触疲劳极限应力575 。（根据机械设计 图10-21） 最小许用接触安全系数设失效概率1/100；。 小齿轮接触应力当量循环次数 N=60njL 。 (7-5)200r/min；J=1；L =30000h；7.2。 大齿轮接触应力当量循环次数 N=/i =4.810。 大、小齿轮接触寿命系数k=k=1 。 （根据机械设计 图10-19） 小齿轮许用接触疲劳应力：=720 (N/mm)。 (7-6) 大齿轮许用接触疲劳应力：=575(N/mm)。 (7-7) 从上两式中取小者作为许用接触疲劳应力：。（8）中心距，小、大齿轮的分度圆直径，齿宽和模数取20mm 取m=1mm。 小齿轮齿数20, 大齿轮齿数30；于是20mm；30mm。 R = 18.03mm，齿宽；取小齿轮宽度，大齿轮宽度为。7.1.4 参数的修正（1）动载荷系数k小齿轮实际圆周速度。 （7-8）与初估=0.42相符，值无需修正。（2）载荷系数K及其他参数均未变，均无需修正。（3）直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸及参数保持不变。7.1.5 弯曲强度校验计算 （7-9）（1）已知数据 K=1.01；300；450 。（2) 当量齿数 小、大齿轮的分锥角。 ； （7-10） 小、大齿轮的当量齿数。 ； （7-11） （3) 齿形系数和应力校正系数（根据机械设计表10-5） 小齿轮齿形系数，大齿轮齿形系数 小齿轮应力校正系数，大齿轮应力校正系数。（4）许用弯曲疲劳应力 = （7-12） 小齿轮弯曲疲劳极限应力，大齿轮弯曲疲劳极限应力。 最小许用弯曲安全系数 保失效概率，选择最小安全系数.3。 弯曲寿命系数 = ；K=K=0.96 （根据机械设计 图10-18） =206.77(N/mm)。 （7-13）=155.08(N/mm)。 （7-14） 因为 ；所以校验合格。根据上述计算，齿轮数据如表7-1。表7-1 一级齿轮组的具体数据项目单位小齿轮大齿轮大端模数1传动比1.5端面压力角20齿数2030齿宽5.55大端分度圆直径2030中点分度圆直径1725.5齿高2.22.2大端齿顶圆直径21.66431.11大端齿根圆直径18.6728.67锥距18.037.2 级传动系齿轮的设计计算7.2.1 寿命要求和初步数据级圆柱齿轮传动的传动扭矩，高速轴转速，传动比i=2.5，使用寿命为30000小时，工作时有轻度振动。7.2.2 选用材料 采用7级精度软齿闭式圆柱直齿轮：小齿轮40Cr钢，锻件，调质，；大齿轮45钢，锻件，调质，；齿面粗糙度1.6。7.2.3 接触疲劳强度设计计算 因为是软齿轮，故按接触疲劳强度设计计算，按弯曲疲劳强度校验计算。 d （7-15）（1）齿数比 u=i=1.6。（2）齿宽系数：直齿取0.8。（根据机械设计表10-7）（3）载荷系数 。 （7-16） 工况系数。（根据机械设计表10-2） 动载荷系数。 取小齿轮齿数12；初估小齿轮圆周速度0.17m/s。 1。（根据机械设计图10-8） 齿向载荷分布系数。（根据机械设计表10-4） 载荷分布系数。 a）大齿轮齿数2.51230 ，取30。 b）螺旋角。（直齿） c）端面重合度1.51。 （7-17） d）纵向重合度0。（直齿） e）总重合度1.51；1.12 。 载荷系数K1.2432。（4）小齿轮转矩（5）材料弹性系数。（根据机械设计表10-6）（6）节点区域系数。标准直齿（7）许用接触疲劳应力 （7-18） 小齿轮接触疲劳极限应力720 。（根据机械设计图10-21） 大齿轮接触疲劳极限应力575 。（根据机械设计图10-21） 最小许用接触安全系数。 设失效概率1/100；。 小齿轮接触应力当量循环次数N=60njL。 （7-19） 267 r/min；J=1；L=30000h；3.177。 大齿轮接触应力当量循环次数 N=/i =1.27。 大、小齿轮接触寿命系数 k=k=1 。 (根据机械设计图10-19) 小齿轮许用接触疲劳应力：=720 (N/mm)。 （7-20） 大齿轮许用接触疲劳应力：=575(N/mm)。 （7-21） 从上两式中取小者作为许用接触疲劳应力：。 （8）中心距，小、大齿轮的分度圆直径，齿宽和模数d= =取12mm；中心距a(1+i)=12（ 1+2.5 ）= 21mm 圆整为a=21mm；模数m1.00mm；取m1mm；Z= =12 取12，初选正确；Z=30；于是12mm；30mm；齿宽b=0.312=3.6mm；取小齿轮宽度b=5mm，大齿轮宽度为b=4.5mm。7.2.4 参数的修正（1）动载荷系数。小齿轮实际圆周速度v= =0.1678 m/s与初估=0.17相符，值无需修正。（2）载荷系数K及其他参数均未变，均无需修正。（3）直齿圆柱齿轮传动的几何尺寸及参数保持不变。7.2.5 弯曲强度校验计算 （7-22）（1）具体数据 K=1.2432；450；1125 。 b=5mm；=12mm；30mm；=m=1mm。（2）齿形系数和应力校正系数 小齿轮齿形系数，大齿轮齿形系数Y=2.52 小齿轮应力校正系数，大齿轮应力校正系数Y=1.625。（3）许用弯曲疲劳应力 = （7-23） (根据机械设计图10-20) 小齿轮弯曲疲劳极限应力，大齿轮弯曲疲劳极限应力 。 最小许用弯曲安全系数 保失效概率，选择最小安全系数=1.3。 弯曲寿命系数（根据机械设计图10-18）= 3.17710；=1.2710； K=K=0.96。 =155.08(N/mm)。 （7-24） =206.77(N/mm)。 （7-25） =YY =2.951.52 =435.5。 （7-26） =YY =2.551.61=39.87。 （7-27） 因为；所以校验合格。 标准齿轮h=1，C=0.25；小齿轮的变为系数x=0.176；齿顶圆直径d=Zm+2（ h+x）m；齿根园直径d=Zm-2（ h+ C-x）m；齿全高h=（2 h+ C）根据上述计算，齿轮数据如表7-2。表7-2 二级齿轮组的具体数据项目单位小齿轮大齿轮中心距21.294模数1传动比2.5端面压力角20齿数1230齿宽54.5分度圆直径1230齿高2.252.25齿顶圆直径14.58832齿根圆直径10.08827.5节圆直径12.16830.427.3 级圆柱齿轮传动系的设计计算7.3.1 寿命要求和初步数据 级圆柱齿轮传动的传动扭矩T=1125，高速轴转速n=106.8rpm，传动比i=2.5，使用寿命为30000小时，工作时有轻度振动。7.3.2 选用材料 采用7级精度软齿闭式圆柱直齿轮；小齿轮40Cr钢，锻件，调质，；大齿轮45钢，锻件，调质，；齿面粗糙度1.6。7.3.3 接触疲劳强度设计计算 因为是软齿轮，故按接触疲劳强度设计计算，按弯曲疲劳强度校验计算 d （7-28）（1）齿数比 u=i=2.5（2）齿宽系数：直齿取0.8 。（根据机械设计表10-7）（3）载荷系数 （7-29） 工况系数。（根据机械设计表10-2） 动载荷系数。 取小齿轮齿数16；初估小齿轮圆周速度0.09m/s。 1。（根据机械设计图10-8） 齿向载荷分布系数。（根据机械设计表10-4） 载荷分布系数。 a）大齿轮齿数2.51640；取40。 b）螺旋角。（直齿） c）端面重合度1.60。 （7-30） d）纵向重合度0。（直齿） e）总重合度1.60；1.12 。