【正文】 v1 = 100060 11?nd? = Vmax （ 61） 求 V 帶基準(zhǔn)長度和中心距 初步選取中心距 1 2 0 1 ( ) 2( )d d a d d? ? ? ?；取 0a ＝ 150mm。為了增大履帶的接觸地面的摩擦力，將另一段帶的背面和在帶輪上的 帶的背面用強(qiáng)力膠水粘和。梯形齒中按齒距可分為周節(jié)制，模數(shù)制，特殊節(jié)距制。同步帶傳動是靠帶上的齒和帶輪的齒相互嚙合來傳動的，因此工作時不會產(chǎn)生滑動，能獲得準(zhǔn)確的傳動比?？紤]到在輸油管道中行走，金屬履帶的抗腐蝕性較差，并且對管道的壁面產(chǎn)生一定的損壞，管道機(jī)器人的履帶行走系中的履帶部分采用橡膠履帶。因此，本次機(jī)械設(shè)計采用履帶式行走系的模塊設(shè)計。 輪式管道機(jī)器人的行走輪可按空間或平面配制．一般取 46輪，其驅(qū)動方式有獨(dú)輪或多輪驅(qū)動。 21 第 6章 履帶行走系設(shè)計 履帶行走系的初步構(gòu)想圖如圖 61所示。 根據(jù)上述計算，齒輪數(shù)據(jù) 如表 52。 (537) ? ?2F? = ? ?min22limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。 （ 3） 許用彎曲疲勞應(yīng)力 ? ?F? = ? ?minlimFFNFS K? (536) ① (根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 圖 1020) 小齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力 2li m 1 2 8 0 /F N m m? ? ，大齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力2lim 2 2 1 0 /F N mm? ? 。 （ 3） 直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸及參數(shù)保持不變 。 (532) 齒寬 b= 1dd? =?14=。 (528) 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?（ 1+2） =21mm 圓整為 a=21mm。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 圖 1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?1H? = ? ?min1lim1HHHNSK ? = =720 (N/mm2 )。 ④ 小齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù) N1e =60n1 jLh 。 ⑤ 載荷系數(shù) K＝ 。 b） 螺旋角 0?? 。 vK ＝ 1。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 表 107） （ 3） 載荷系數(shù) 。 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 Ⅱ級傳動系齒輪的設(shè)計計算 壽 命要求和初步數(shù)據(jù) Ⅱ級圓柱齒輪傳動的傳動扭矩 1 450T N mm??，高速軸轉(zhuǎn)速 n1 =200rpm，傳動比i=2，使用壽命為 30000 小時，工作時有輕度振動。 (519) 2F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa =（ N/mm2 ） 。 ③ 彎曲壽命系數(shù) 1eN =?108； 2eN =?108； K 1FN =K 2FN =。 （ 2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（根據(jù)機(jī)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 ? 。 （ 2）載荷系數(shù) K及其他參數(shù)均未變，均無需修正 。 （ 512） 齒寬 1 14 ( )db d mm?? ? ? ?。 （ 58） 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?(1+2)=21mm； 圓整為 a=21mm。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 圖 1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?1H? = ? ?min1lim1HHHNSK ? = =720（ N/mm2 ） 。 13 ④ 小齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù) N1e =60n1 jLh 。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 表 106） （ 6） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? 。 （直 齒） e） 總重合度 ? ? ?? ? ???＝ ； K? ＝ 。 a） 大齒輪齒數(shù) 21z iz? ＝ 2 14＝ 28 取 2z ＝ 28。 取小齒輪齒數(shù) 1z ＝ 14；初估小齒輪圓周速度 1v ＝ 。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算 軟齒輪， 根據(jù)機(jī)械設(shè)計 ??3 按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算 d1 ? ? ?3 21 12 ??????????HEHdZZuukT ? （ 51） （ 1） 齒數(shù)比 u=i=。 由式 (48)可求出管道機(jī)器人的牽引力 eF 的范圍為 [85N,110N]。 帶入式 (44), 由 [0,50 ]PN?? ，可算出所需要的推力 F 的范圍為?? NN , 。 下面是在管徑 R=100mm時的，機(jī)架的力學(xué)分析的計算。 10 以符號 eF 表示機(jī)器人的提供的牽引力，當(dāng)運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力足夠大的時候，牽引力 eF 為： Fe =（ ? ?? PN ） u2 。 （ 46） 式中 pn 、 d分別為滾珠絲杠的導(dǎo)程 、大徑： u1 為絲杠與螺母之間的摩擦系數(shù) 。 通過遠(yuǎn)程控制可調(diào)節(jié)電動機(jī)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(yùn)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 。 管道機(jī)器人正常行走時，其對稱中心和管道中心軸線基本重合，重力 G在對稱的中心線上面。 當(dāng)運(yùn)動驅(qū)動電動機(jī)的驅(qū)動力足夠大時，機(jī)器人所能提供的最大牽引力等于附著力 。 為了滿足管徑自適應(yīng)的功能，本次設(shè)計采用了基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，在由 0120 空間對稱分布的 3組平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，采用滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式，每組平行四邊形機(jī)構(gòu)帶有履帶的驅(qū)動裝置示意圖如 42所示 。雙頭白光二級管探照光源。 實物圖如圖 31所示。 出于零件之間相互通用的設(shè)計理念， 4 個電機(jī)都是統(tǒng)一規(guī)格、同種型號。另外，管徑自適應(yīng)結(jié)構(gòu)由絲杠螺母傳動，也需要一個電動機(jī)作為驅(qū)動，于是整個機(jī)器人需要 4個電動機(jī)。本課題 將在以下兩個方面開展研究工作 （ 1）管道探傷機(jī)人機(jī)架 的研究 機(jī)架是主要有四桿機(jī)構(gòu)和傳動螺桿以及減速器組成，四桿機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可以在一定范圍不同直徑的管道內(nèi)均能使用，傳動螺桿保證四桿機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到所需要的位置，減速器保起到緩沖和提 高精度的作用。相比較而言，我國的地下管道檢測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分檢測管道腐蝕的技術(shù)都停留在管外 檢測，方法傳統(tǒng)落后。從 20 世紀(jì) 70 年代起，國內(nèi)外許多研究人員就針對管道探傷機(jī)器人提出了大量的設(shè)計方案并對其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行不斷地補(bǔ)充和完善，這些研究成果對管道探傷機(jī)器人的技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用場合的擴(kuò)展起到巨大的推動作用。因此管道 探傷機(jī)器人有著廣闊的應(yīng)用前景。如果 能夠及時發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點(diǎn)，就能有效地減輕泄漏事故造成的損失和危害。我國從 20 世紀(jì) 70年代開始油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，截止到目前 ，國內(nèi)已建油氣管道的總長度約 6萬千米，逐漸形成了區(qū)域的油氣管網(wǎng)供應(yīng)格局，中國的管道工業(yè)得到了極大的發(fā)展。因此，在工業(yè)和生活領(lǐng)域，管道起到了舉足輕重的作用。 2 ABSTRACT The running mechanism of pipeline robot is mainly posed 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 SG27ZYJ DC motor as the power source, the motor output shaft and gearbox highspeed 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。 1 摘 要 管道機(jī)器人的運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由減速器、主動輪、從動輪、傳動軸和一些連接件組成。 關(guān)鍵詞： 齒輪轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)； 履帶；軸。管道不僅能完成一些 特定物料地傳送，而且具有可靠性高、運(yùn)輸安全、方便。 管道探傷機(jī)器人設(shè)計背景及意義 隨著交通、石油、化工以及城市建設(shè)的飛速發(fā)展，管道作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的物料長距離運(yùn)輸手段而倍受人們的關(guān)注，被廣泛的鋪設(shè)于世界各地、陸地、海洋等環(huán)境中。一旦管道破損，僅維護(hù)搶修的成本巨大，從中泄露的物質(zhì)會對周圍的生態(tài)環(huán)境及人類生命安全造成威脅。 管道探傷機(jī)器人作為一類特種機(jī)器人，正是在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，管道探傷機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它不僅具有探傷質(zhì)量高、作業(yè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且使操作檢測人員免受大劑量射線的輻射之苦。由于大量地下、海底管線的維護(hù)需要刺激了管道探傷機(jī)器人的研究。 我國從 20 世紀(jì) 90年代初期，開始了管道探傷機(jī)器人的研發(fā)工作，國內(nèi)較 早進(jìn)入該研究領(lǐng)域的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大慶油建公司、中國石油天然氣管道局等單位。 本文研究的主要內(nèi)容 本文根據(jù)直線電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計了以 直流 電機(jī)為移動動力的管道探傷機(jī)器人。 圖 21 管道探傷機(jī)器人三維圖 管道探傷機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機(jī)器人技術(shù) ) 行走速度： minm 自重 : 6kg 凈載重： 11kg 機(jī)身尺寸： 351mm?155mm?155mm 自適應(yīng)管道半徑范圍： 200mm 300mm 越障能力： 2mm 5mm 爬坡能力 ： 150 工作電壓： 12V 一次性行走距離： 2500m 牽引力 : 300N 400N 密封性能： 履帶密封，機(jī)架半開放 管道探傷機(jī)器人的工作指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機(jī)器人技術(shù) ) 工作環(huán)境： 中性液體環(huán)境，液面高度不得高于 30mm 工作溫度 ： 00 500 6 第 3 章 元器件選用 電動機(jī)的選用 本設(shè)計采用圓周三點(diǎn)限位支架，三個履帶行走構(gòu)件相互獨(dú)立，因而需要提供三個相同的電動機(jī)分別驅(qū)動各個履帶。同時作為履帶機(jī)構(gòu)的動力來源，此電動機(jī)亦應(yīng)當(dāng)達(dá)到足夠的功率輸出，否則將必然無法與設(shè)計要求匹配。決定采用一下型號的電動機(jī) ： 型號 ： SG27ZYJ；額定功率 ： 10W 12V DC； 額定 轉(zhuǎn)速度： 400rpm； 額定轉(zhuǎn)矩： 300Nmm。 1200 范圍內(nèi)可以探視。 為了適應(yīng)不同直徑管道的檢測，管道檢測機(jī)器人通常需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整的機(jī)架機(jī)構(gòu)，即主要有兩個作用：① 在不同直徑的管道中能張開或收縮，改變機(jī)器人的外徑尺寸，使機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；② 可以提供附加正壓力增加機(jī)器人的履帶與管道內(nèi)壁間的壓力，改善機(jī)器人的牽引性能，提高管內(nèi)移動檢測距離。參考常