【正文】 式行走系的模塊設(shè)計(jì)。對(duì)于履帶式管道機(jī)器人基于履帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它在單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下，正壓力 eN 等于載體與管壁產(chǎn)生的正壓力，因此有大的附著力。 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(dòng)方式有獨(dú)輪或多輪驅(qū)動(dòng)。管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在管內(nèi)行走必須滿足機(jī)器人移動(dòng)載體對(duì)管壁的附著力 ,既牽引力 eF ，大于移動(dòng)載體的阻力 fF ： efFF? 。 21 第 6章 履帶行走系設(shè)計(jì) 履帶行走系的初步構(gòu)想圖如圖 61所示。 耐磨性條件計(jì)算 d2 = ? ?pF? (539) 式中 ? =2dH =3 ； Fmax =；查表 512 ??p =11；代入計(jì)算 d2 ≧ ，故耐磨性滿足要求。 根據(jù)上述計(jì)算，齒輪數(shù)據(jù) 如表 52。 所以 校 驗(yàn)合格 。 (537) ? ?2F? = ? ?min22limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。 19 ③ 彎曲壽命系數(shù) 1eN =?108 ； 2eN =?108 ； K 1FN =K 2FN =。 （ 3） 許用彎曲疲勞應(yīng)力 ? ?F? = ? ?minlimFFNFS K? (536) ① (根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??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? ? 。 1d =14mm； 2d ＝ 28mm； nm =m=1mm。 （ 3） 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何尺寸及參數(shù)保持不變 。 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 v1 = 100060 11?nd? = (534) 與初估 1v = /ms相符， vK 值無(wú)需修正。 (532) 齒寬 b= 1dd? =?14=。 (530) Z1 = iZZ ??1 21 =14，取 1z? 14，初選正確； Z2 =28。 (528) 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?（ 1+2） =21mm 圓整為 a=21mm。 (527) 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????。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?1H? = ? ?min1lim1HHHNSK ? = =720 (N/mm2 )。 ⑤ 大齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù) N2e = 1eN /i=? 810 。 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(jì) ??3 圖 1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim2H? ＝ 575 2/Nmm 。 ⑤ 載荷系數(shù) K＝ 。 (523) d） 縱向重合度 ?? ＝ 0。 b） 螺旋角 0?? 。（ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 104） ④ 載荷分布系數(shù) K? 。 vK ＝ 1。 （ 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 表 107） （ 3） 載荷系數(shù) 。 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè) 計(jì)計(jì)算 因?yàn)槭擒淉X輪，故 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 ??????????HEHdZZuukT ? (521) （ 1） 齒數(shù)比 u=i=2。 表 51 一級(jí)齒輪組的具體數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 單位 小齒輪 大齒輪 中心距 a mm 模數(shù) m mm 1 傳動(dòng)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(jí)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) Ⅱ級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)扭矩 1 450T N mm??，高速軸轉(zhuǎn)速 n1 =200rpm，傳動(dòng)比i=2，使用壽命為 30000 小時(shí)，工作時(shí)有輕度振動(dòng)。 15 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。 (519) 2F? =nmbdKT112 Y 1Fa Y 2Fa =（ N/mm2 ） 。 (517) ? ?2F? = ? ?min22limFFNFS K? = ? =(N/mm2 )。 ③ 彎曲壽命系數(shù) 1eN =?108； 2eN =?108； K 1FN =K 2FN =。 （ 3） 許用彎曲疲勞應(yīng)力 ? ?F? = ? ?minlimFFNFS K? （ 516） ① (根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??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）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 105） 小齒輪齒形系數(shù) 1 ? ，大齒輪齒形系數(shù) 2 ? 。 彎曲強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算 SaFanF YYmbdKT1 12?? （ 515） （ 1）基本尺寸 K=； 1T ＝ 300Nmm? ； 2T ＝ 600Nmm? 。 （ 2）載荷系數(shù) K及其他參數(shù)均未變，均無(wú)需修正 。 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 1 4 4 0 0 0 . 2 9 3 2 ( / )6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnv m s? ? ??? ? ???。 （ 512） 齒寬 1 14 ( )db d mm?? ? ? ?。 （ 510） 121 141zzz i????，取 1z? 14，初選正確； Z2 =28。 （ 58） 中心距 a? 21d (1+i)=21 ?14?(1+2)=21mm； 圓整為 a=21mm。 （ 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????。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 1019） 小齒輪許用接觸疲勞應(yīng)力： ? ?1H? = ? ?min1lim1HHHNSK ? = =720（ N/mm2 ） 。 ⑤ 大齒輪接觸應(yīng)力當(dāng)量循環(huán)次數(shù) N2e = 1eN /i=?108 。 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(jì) ??3 圖 1021） ② 大齒輪接觸疲勞極限應(yīng)力 lim2H? ＝ 575 2/Nmm 。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 106） （ 6） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ? 。 （ 4） 小齒輪轉(zhuǎn)矩 1 300(N )T mm??。 （直 齒） e） 總重合度 ? ? ?? ? ???＝ ； K? ＝ 。 （直齒） c） 端面重合度12111 . 8 8 3 . 2 ( ) c o szz?????? ? ?????＝ 。 a） 大齒輪齒數(shù) 21z iz? ＝ 2 14＝ 28 取 2z ＝ 28。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 圖 108） ③ 齒向載荷分布系數(shù) ? ? 。 取小齒輪齒數(shù) 1z ＝ 14；初估小齒輪圓周速度 1v ＝ 。 （ 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì) ??3 表 107） （ 3） 載荷系數(shù) AVK K K K K??? （ 52） ① 工況系數(shù) ? 。 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 ??????????HEHdZZuukT ? （ 51） （ 1） 齒數(shù)比 u=i=。 圖 51 機(jī)架部分傳動(dòng)系統(tǒng)三維圖 I 級(jí)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)圓柱齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)扭矩 1 300T N mm??，高速軸轉(zhuǎn)速 1 400n rpm? ，傳動(dòng)比i=2，使用壽命為 30000 小時(shí)，工作時(shí)有輕度振動(dòng)。 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 (45)可算出需要 輸入的切向力 F2 ? ?? NN , 。 帶入式 (44), 由 [0,50 ]PN?? ，可算出所需要的推力 F 的范圍為?? NN , 。采用的是履帶中驅(qū)動(dòng)的同種電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩 300T N mm? ,額定輸出轉(zhuǎn)速為200rpm 。 下面是在管徑 R=100mm時(shí)的，機(jī)架的力學(xué)分析的計(jì)算。 由 (44),(45)， (47)可知，隨著能所適應(yīng)的管道半徑的減小，機(jī)架部分所需要的推力和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是逐漸增大的。 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 。 （ 47） 式中 ? 為滾珠絲杠的螺母副的傳動(dòng)效率 。 （ 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) 。 絲杠螺母所產(chǎn)生的切向力 F2 =F1 tan（ ??? ） 。 通過(guò)遠(yuǎn)程控制可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩 T 帶動(dòng)絲杠螺母相對(duì) 轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生推動(dòng)力 F 推動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，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 。 12N N G?? （ 41） 隨著管道機(jī)器人在管內(nèi)移動(dòng)的距離的增加，或者在爬坡的時(shí)候，機(jī)器人可能由于自身重量所提供的附著力不夠時(shí)，導(dǎo)致打滑，這就需要管道機(jī)器人提供更大的牽引力來(lái)支持機(jī)器的行走。 管道機(jī)器人正常行走時(shí)，其對(duì)稱(chēng)中心和管道中心軸線基本重合，重力 G在對(duì)稱(chēng)的中心線上面。 摩擦系數(shù)由材料和接觸條件決定，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整 。 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 。 在 42中 ，當(dāng) 00[15 ,80 ]?? 時(shí)，機(jī)架適應(yīng)管道半徑的范圍在 ?? mm323,196 。 為了滿足管徑自適應(yīng)的功能，本次設(shè)計(jì)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(duì)稱(chēng)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(dòng)裝置示意圖如 42所示 。 圖 41 機(jī)架部分三維圖 機(jī)架 部分的功能和結(jié)構(gòu) 機(jī)架部分的主要功能為支撐在管道內(nèi)行走的管道機(jī)器人，使履帶行走系能緊密的貼在管道壁面，產(chǎn)生足夠的附著力，帶動(dòng)管道機(jī)器人往前行走。雙頭白光二級(jí)管探照光源。 攝象頭 ： CCD 探頭，具體尺寸可選。 實(shí)物圖如圖 31所示。 綜合以上幾點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多方查閱資料。 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)。以最小管徑 200mm 作為尺寸控制的參數(shù)，履帶行走機(jī)構(gòu)的高度 50mm，所用電動(dòng)機(jī)直徑