【正文】 帶有履帶的驅(qū)動(dòng)裝置示意圖如 42所示。另外，管徑自適應(yīng)結(jié)構(gòu)由絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，也需要一個(gè)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，于是整個(gè)機(jī)器人需要 4 個(gè)電動(dòng)機(jī)。因此管道 探傷機(jī)器人有著廣闊的應(yīng)用前景。 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。 管道探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)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(zhǎng)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。 我國(guó)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(guó)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(guó)石油天然氣管道局等單位。決定采用一下型號(hào)的電動(dòng)機(jī)：型號(hào)： SG27ZYJ；額定功率： 10W 12V DC；額定 轉(zhuǎn)速度： 400rpm；額定轉(zhuǎn)矩： 300Nmm。履帶對(duì)管壁的正壓力與機(jī)器人重量有關(guān)，但通過管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以在不同管徑下提供附加正壓力，改變附著力，從而在一定 9 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)牽引力的動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此，選擇機(jī)器人能所適應(yīng)的最小管道半徑R=100mm做力學(xué)分析，可以保證大管徑時(shí)管道機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度條件。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 102） ② 動(dòng)載荷系數(shù) VK 。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??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??。 （ 514） 與初估 1v = /ms相符， vK 值無需修正。 根據(jù)上述計(jì)算，齒輪數(shù)據(jù)如表 51。（直齒） e）總重合度 ? ? ?? ? ???＝ ； K? ＝ 。 (531) 18 于是 1d ＝ 1mz ＝ 14mm； 2d ＝ 2mz ＝ 28mm。 標(biāo)準(zhǔn)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。 履帶按材料可分為金屬履帶，金屬橡膠履帶和橡膠履帶。 23 求大小帶輪基準(zhǔn)直徑 取 1240d d mm?? 。 （ 2）齒寬系數(shù) d? ：直齒取 d? ＝ 。（根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim2H? ＝ 575 2/N mm 。 28 彎曲強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算12 2 3 214 []( 1 0 . 5 ) 1F F a s a FRRKT YYz m u???????? （ 79） （ 1）已知數(shù)據(jù) K=； 1T ＝ 300Nmm? ； 2T ＝ 450 Nmm? 。 AVK K K K K??? （ 716） ① 工況系數(shù) ? 。（根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1021） ③ 最小許用接觸安全系數(shù)。 （ 2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校 正系數(shù) 小齒輪齒形系數(shù) 1 ? ，大齒輪齒形系數(shù) Y2F = 小齒輪應(yīng)力校正系數(shù) 1 ? ，大齒輪應(yīng)力校正系數(shù) Y 2Sa =。 vK ＝ 1。 （ 732） 1n ＝ 166 r/min； J=1； Lh =30000h； 1eN ＝ 810 。 b=5mm； 1d =16mm； 2d ＝ 40mm； nm =m=1mm。標(biāo)準(zhǔn)直齒 （ 7）許用接觸疲勞應(yīng)力 ? ?H? ＝ ? ?minlimHHNHS K? （ 731） ① 小齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim1H? ＝ 720 2/N mm 。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 因?yàn)槭擒淉X輪，故按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，按彎曲疲勞強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算 d1 ? ? ?3 21 12 ?????????? H EHd ZZuukT ? （ 728） （ 1）齒數(shù)比 u=i= （ 2）齒寬系數(shù) d? ：直齒取 d? ＝ 。 （ 2）載荷系數(shù) K 及其他參數(shù)均未變，均無需修正。 （ 4）小齒輪轉(zhuǎn)矩 1 450(N )T mm?? 31 （ 5）材料彈性系數(shù) ? 。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 因?yàn)槭擒淉X輪，故按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，按彎曲疲勞強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算。 參數(shù)的修正 （ 1）動(dòng)載荷系數(shù) kv 小齒輪實(shí)際圓周速 度 111 2 0 4 0 0 0 . 4 1 8 ( / )6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnv m s? ? ??? ? ???。 （ 4）小齒輪轉(zhuǎn)矩 1 300(N )T mm??。 25 第 7章 行走系中傳動(dòng)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)器人不宜行走過快，所以選用總傳動(dòng)比： i=；Ⅰ級(jí)傳動(dòng)： ? ；Ⅱ級(jí)傳動(dòng)： i=；Ⅲ級(jí)傳動(dòng)： i=，行走系初步構(gòu)想圖如圖 71所示。其中模數(shù) 2m? ,齒數(shù) 65bz ? ,帶寬 115sb? (此為最大的帶寬，廠方可根據(jù)客戶的要求進(jìn)行切割 )，履帶中帶寬 26sb mm? 。同時(shí)，在管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性和越障性能 22 上，履帶式行走系的總體性能要優(yōu)與輪式行走系。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1018） ? ?1F? = ? ?min11limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。 （ 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 ?????????? H EHd ZZuukT ?＝ 取 14mm。 a）大齒輪齒數(shù) 21z iz? ＝ 2 14＝ 28 取 2z ＝ 20。 (518) 1F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa = 11412 ?? ?? ??=(N/mm2 )。 （ 511） 于是 1d ＝ 1mz ＝ 14mm； 2d ＝ 2mz ＝ 28mm。 （ 5）材料彈性系數(shù) ? 。 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 。查表知： u1 =； ?=80%。參考常見的管道運(yùn)輸直徑范圍 (Ref2),設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可滿足成品油管的管道直徑的要求 機(jī)架部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 42所示 Raduis履帶?R1=200mmR2=325mm 圖 42 絲杠螺母自適應(yīng)機(jī)構(gòu)圖 機(jī)架部分的力學(xué)特性分析 對(duì)于履帶式驅(qū)動(dòng)方式的管道機(jī)器人，牽引力由運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力以及履帶與管壁附著力決定。同時(shí)作為履帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，此電動(dòng)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(jì)要求匹配。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。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。因此，在工業(yè)和生活領(lǐng)域，管道起到了舉足輕重的作用。從 20世紀(jì) 70年代起，國(guó)內(nèi)外許多研究人員就針對(duì)管道探傷機(jī)器人提出了大量的設(shè)計(jì)方案并對(duì)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(duì)管道探傷機(jī)器人的技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用場(chǎng)合的擴(kuò)展起到巨大的推動(dòng)作用。 出于零件之間相互通用的設(shè)計(jì)理念， 4個(gè)電機(jī)都是統(tǒng)一規(guī)格、同種型號(hào)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力足夠大時(shí)，機(jī)器人所能提供的最大牽引力等于附著力。 10 以符號(hào) eF 表示機(jī)器人的提供的牽引力，當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力足夠大的時(shí)候，牽引力 eF 為： Fe =（ ? ?? PN ） u2 。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 軟齒輪，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 d1 ? ? ?3 21 12 ?????????? H EHd ZZuukT ? （ 51） （ 1）齒數(shù)比 u=i=。 （根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 106） （ 6）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? 。 （ 512） 齒寬 1 0 .8 1 4 1 1 .2 ( )db d m m?? ? ? ?。 (519) 2F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa =（ N/mm2 ）。 b）螺旋角 0?? 。 (528) 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?（ 1+2） =21mm 圓整為 a=21mm。 (537) ? ?2F? = ? ?min22limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。因此，本次機(jī)械設(shè)計(jì)采用履帶式行走系的模塊設(shè)計(jì)。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。 圖 71 行走系傳動(dòng)系統(tǒng)的三維圖 Ⅰ級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)系齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 壽命要求和初步數(shù)據(jù) Ⅰ級(jí)直齒錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)扭矩 1 300T N mm??，高速軸轉(zhuǎn)速 1 400n rpm? ，傳動(dòng)比 ? ，使用壽命為 30000 小時(shí)，工作時(shí)有輕度振動(dòng)。 （ 5）材料彈性系數(shù) ? 。 （ 78） 與初估 1v = /ms相符， vK 值無需修正。 d1 ? ? ?3 21 12 ?????????? H EHd ZZuukT ? （ 715） （ 1）齒數(shù)比 u=i=。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 106） （ 6）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? 。 （ 3）直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸及參數(shù)保持不變。（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 107） （ 3）載荷系數(shù) AVK K K K K??? （ 729） ① 工況系數(shù) ? 。（根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim2H? ＝ 575 2/N mm 。 （ 2）齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 1021） 小齒輪齒形系數(shù) 1 ? ，大齒輪齒形系數(shù)