【正文】 （ 41） 隨著管道機器人在管內(nèi)移動的距離的增加，或者在爬坡的時候，機器人可能由于自身重量所提供的附著力不夠時，導致打滑，這就需要管道機器人提供更大的牽引力來支持機器的行走。利用管道機器人自適應(yīng)管徑的平行四邊形絲杠螺母機構(gòu)，可提供附加的正壓力以增加管道機器人的附著力。 通過遠程控制可調(diào)節(jié)電動機輸出扭矩 T 帶動絲杠螺母相對 轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生推動力 F 推動推桿運動，使得各組履帶壓緊貼在管道內(nèi)壁，產(chǎn)生附加的正壓力 P 。 將各個履帶由于重力而產(chǎn)生的作用反力定義為 N? ,由附加正壓力所產(chǎn)生的作用反力定義為 P? ，絲杠螺母桿的推力為 F ，由力平衡原理可得： （ ? ?? PN ） cot? =F1 （ 42） 由 Lsin? +h1 +h=R得 cot? =1212 )(hhR hhRL ?? ??? （ 43） 絲杠螺母需施加的推力 F1 為 ： F1 =（ ? ?? PN ）1212 )(hhR hhRL ?? ??? （ 44） 式中 L、 R、 h、 h1 如圖 42所示 。 絲杠螺母所產(chǎn)生的切向力 F2 =F1 tan（ ??? ） 。 （ 45） 其中 ? =arctan dpn? ； ?? arctanu1 。 （ 46） 式中 pn 、 d分別為滾珠絲杠的導程 、大徑： u1 為絲杠與螺母之間的摩擦系數(shù) 。 電機需要輸出的扭矩為 T=F2 ? 22d /? 。 （ 47） 式中 ? 為滾珠絲杠的螺母副的傳動效率 。 查表知： u1 =； ? =80%。 10 以符號 eF 表示機器人的提供的牽引力，當運動驅(qū)動電機的驅(qū)動力足夠大的時候，牽引力 eF 為： Fe =（ ? ?? PN ） u2 。 (48) 式中 ? 2 為履帶的附著系數(shù)，近似于摩擦系數(shù)，因管道內(nèi)部環(huán)境條件，故按油潤滑條件來取值 u2 =。 由 (44),(45)， (47)可知，隨著能所適應(yīng)的管道半徑的減小，機架部分所需要的推力和電機的轉(zhuǎn)矩是逐漸增大的。因此，選擇機器人能所適應(yīng)的最小管道半徑R=100mm做力學分析，可以保證大管徑時管道機器人的強度和剛度條件。 下面是在管徑 R=100mm時的，機架的力學分析的計算。估算 P? 的范圍在 [0,50 ]N之間。采用的是履帶中驅(qū)動的同種電機，額定轉(zhuǎn)矩 300T N mm? ,額定輸出轉(zhuǎn)速為200rpm 。 由設(shè)計的尺寸可得 h=23mm,h1 =51mm， L=88mm， L1 =L2 = ,ph =3mm， d1 /2=11mm 由式 (43)可算出 cot? =。 帶入式 (44), 由 [0,50 ]PN?? ，可算出所需要的推力 F 的范圍為?? NN , 。 由式 （ 46） 計算 tan（ ??? ） =。 帶入式 (45)可算出需要 輸入的切向力 F2 ? ?? NN , 。 帶入式 （ 47） 可計算出所需要的轉(zhuǎn)矩為 T? ?? , 。 由式 (48)可求出管道機器人的牽引力 eF 的范圍為 [85N,110N]。 11 第 5 章 機架部分傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 根據(jù)管道機器人在管道中的運行，傳 動螺桿轉(zhuǎn)速不宜過高，所以 總傳動比： i=4 ；Ⅰ級傳動比： i=2； Ⅱ級傳動比： i =2，傳動部分的初步構(gòu)想如圖 51 所示。 圖 51 機架部分傳動系統(tǒng)三維圖 I 級傳動 系齒輪的設(shè)計計算 壽命要求和初步數(shù)據(jù) Ⅰ級圓柱齒輪傳動的傳動扭矩 1 300T N mm??，高速軸轉(zhuǎn)速 1 400n rpm? ，傳動比i=2，使用壽命為 30000 小時，工作時有輕度振動。 選用材料 小齒輪 40Cr鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)， 1 270H HB? ；大齒輪 45鋼，鍛件，調(diào)質(zhì)， 2 250H HB? ； 齒面粗糙度 。 接觸疲勞強度設(shè)計計算 軟齒輪， 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 按接觸疲勞強度設(shè)計計算 d1 ? ? ?3 21 12 ??????????HEHdZZuukT ? （ 51） （ 1） 齒數(shù)比 u=i=。 12 （ 2） 齒寬系數(shù) d? ：直齒取 d? ＝ 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 表 107） （ 3） 載荷系數(shù) AVK K K K K??? （ 52） ① 工況系數(shù) ? 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 表 102） ② 動載荷系數(shù) VK 。 取小齒輪齒數(shù) 1z ＝ 14；初估小齒輪圓周速度 1v ＝ 。 vK ＝ 1。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 108） ③ 齒向載荷分布系數(shù) ? ? 。（ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 104） ④ 載荷分 布系數(shù) K? 。 a） 大齒輪齒數(shù) 21z iz? ＝ 2 14＝ 28 取 2z ＝ 28。 b） 螺旋角 0?? 。 （直齒） c） 端面重合度12111 . 8 8 3 . 2 ( ) c o szz?????? ? ?????＝ 。 （ 53） d） 縱向重合度 ?? ＝ 0。 （直 齒） e） 總重合度 ? ? ?? ? ???＝ ； K? ＝ 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 10－ 9） ⑤ 載荷系數(shù) K＝ 。 （ 4） 小齒輪轉(zhuǎn)矩 1 300(N )T mm??。 （ 5） 材料彈性系數(shù) ? 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 表 106） （ 6） 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ? 。（標準直齒） （ 7） 許用接觸疲勞應(yīng)力 ? ?H? ＝ ? ?minlimHHNHS K? （ 54） ① 小齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim1H? ＝ 720 2/Nmm 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim2H? ＝ 575 2/Nmm 。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 1021） ③ 最小許用接觸安全系數(shù) ； 設(shè)失效概率 ? 1/100， ? ? ? ?m in m in 1 .0 0HFSS??。 13 ④ 小齒輪接觸應(yīng)力當量循環(huán)次數(shù) N1e =60n1 jLh 。 （ 55） n1 =400r/min； j=1； ht =30000h； 1eN ＝ 810 。 ⑤ 大齒輪接觸應(yīng)力當量循環(huán)次數(shù) N2e = 1eN /i=?108 。 ⑥ 大、小齒輪接觸壽命系數(shù) k 1HN =k 2HN =1。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?1H? = ? ?min1lim1HHHNSK ? = =720（ N/mm2 ） 。 （ 56） 大齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?2H? = ? ?min2lim2HHHNSK ? = =575（ N/mm2 ） 。 （ 57） 從上兩式中取小者作為許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ? ? ? 22 5 7 5 ( / )HH N m m????。 （ 8） 中心距 a ，小、大齒輪的分度圓直徑 12,dd，齒寬 12,bb和模數(shù) m d 1min = ? ?3 21 12 ??????????HEHdZZuukT ?＝ 取 14mm。 （ 58） 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?(1+2)=21mm； 圓整為 a=21mm。 （ 59） 模數(shù) m＝122azz? ＝ ； 取 m＝ 1mm。 （ 510） 121 141zzz i????，取 1z? 14，初選正確； Z2 =28。 （ 511） 于是 1d ＝ 1mz ＝ 14mm； 2d ＝ 2mz ＝ 28mm。 （ 512） 齒寬 1 14 ( )db d mm?? ? ? ?。 （ 513） 取小齒輪寬度 b1 =12mm，大齒輪寬度為 b2 =。 參數(shù)的修正 （ 1）動載荷系數(shù) kv 小齒輪實際圓周速度 111 1 4 4 0 0 0 . 2 9 3 2 ( / )6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnv m s? ? ??? ? ???。 （ 514） 與初估 1v = /ms相符 ， vK 值無需修正。 （ 2）載荷系數(shù) K及其他參數(shù)均未變，均無需修正 。 14 （ 3） 直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸及參數(shù)保持不變 。 彎曲強度校驗計算 SaFanF YYmbdKT1 12?? （ 515） （ 1）基本尺寸 K=； 1T ＝ 300Nmm? ； 2T ＝ 600Nmm? 。 b=； 1d =14mm； 2d ＝ 28mm； nm =m=1mm。 （ 2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（根據(jù)機械設(shè)計 ??3 表 105） 小齒輪齒形系數(shù) 1 ? ，大齒輪齒形系數(shù) 2 ? 。 小齒輪應(yīng)力校正系數(shù) 1 ? ， 大齒輪應(yīng)力校正系數(shù) 2 ? 。 （ 3） 許用彎曲疲勞應(yīng)力 ? ?F? = ? ?minlimFFNFS K? （ 516） ① (根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 1020)小齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力 2lim 1 2 8 0 /F N mm? ? ，大齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力 2lim 2 2 1 0 /F N mm? ? 。 ② 最小許用彎曲安全系數(shù) 保失效概率 1/100? ，選擇最小安全系數(shù) ? ? ? ?m in 1 m in 2 1FFSS??.3。 ③ 彎曲壽命系數(shù) 1eN =?108； 2eN =?108； K 1FN =K 2FN =。 （ 根據(jù)機械設(shè)計 ??3 圖 1018） ④ 彎曲疲勞應(yīng)力 ? ?1F? = ? ?min11limFFNFS K? = ? =（ N/mm2 ） 。 (517) ? ?2F? = ? ?min22limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。 (518) 1F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa = 11412 ?? ?? ??=(N/mm2 )。 (519) 2F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa =（ N/mm2 ） 。 (520) 因為 11[]FF??? ； 22[]FF??? ； 所以 校驗合格 。 15 標準齒輪 h*a =1， C? =； 小齒輪的變?yōu)橄禂?shù) x= 1717 1Z? =； 齒頂圓直徑da =Zm+2（ h*a +x） m； 齒根園直徑 df=Zm2（ h*a + C? x） m； 齒全高 h=（ 2 h*a + C? ）m。 根據(jù)上述計算，齒輪數(shù)據(jù) 如表 51。 表 51 一級齒輪組的具體數(shù)據(jù) 項目 單位 小齒輪 大齒輪 中心距 a mm 模數(shù) m mm 1 傳動比 i 2 端面壓力角 t? ()? 20 齒數(shù) z 14 28 齒寬 b mm 12 分度圓直徑 d mm 14 28 齒高 h mm 齒頂圓直徑 ad mm 30 齒根圓直徑 fd mm 節(jié)圓直徑 mm