管道除尘机器人结构设计

摘 要 基于利用行星磨头清洗技术对管道进行清洗的目的，在总结现有的管道机器人设计方案的基础上，根据现场的实际情况，论文首先对管道清洗机器人行走部分进行方案设计，经分析比较后确定了新型管道清洗机器人行走的较佳设计方案，并据此方案对机器人作了行走部分结构设计 ；对机器人的行走特性进行了研究，提出了使机器人在管道内能够保持稳定运行的方法 .通过对机器人机构的设计和机器人在直管道内运动情况的思考研究，进一步验证了设计思想的可行性。 最后，研究了管道清洗机器人行走系统的安全性能，给出了在高压情况下保证行走系统安全的基 本方案，为管道清洗机器人系统的实用化提供可靠的依据。 关键词 : 管道机器人；安全防护 ；行走 Abstract Based on the use of planetary grinding head cleaning technology for the purpose of cleaning pipes, at the conclusion of the existing pipeline robot design based on the actual situation at the scene, the first paper on the pipe cleaning robot to walk part of program design, by analysis and comparison a new pipeline after cleaning robot designed to walk a better program, and accordingly the program made a walk on part of the structure of robot design； characteristics of walking robots have been studied and put forward in the pipeline so that the robot was able to remain stable The method of operation. By the design of the robot body and the robot movement in the straight tube case study of thinking, and further verify the feasibility of the design idea. Finally, the research pipeline cleaning robot running the safety of the system performance, given the high-pressure circumstances to ensure that the basic operating system security program, for pipe cleaning robot system of the utility to provide a reliable basis. Key words: pipe robot； security； walk 目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 绪论 . 1 1 概述 . 2 1.1 管道清洗机器人常见问题分析 . 2 1.2 除垢机器人理念 . 2 1.3 基本设计任务 . 3 1.4 毕业设计的目的 . 3 2.1 管道射流清洗机器人的本体设计 . 4 2.1.1 移动方式选择 . 4 2.1.2 传动方案的选择 . 4 2.2 管道清洗机器人变管径自适应性方案设计 . 6 2.3 动力系统的设计计算 . 9 2.3.1 管道机器人行驶阻力分析 . 9 2.3.2 减速器的选择 . 12 2.4 机器人的速度和驱动能力校核 . 13 2.4.1 运动速度校核 . 13 2.4.2 驱动能力校核 . 13 3 链轮传动的设计计算 . 15 3.1 链轮设计的初始条件 . 15 3.2 链轮计算结果 . 15 3.3 历史结果 . 16 4 蜗轮蜗杆的设计计算 . 18 4.1 蜗轮蜗杆基本参数设计 . 18 4.1.1 普通蜗杆设计输入参数 . 18 4.1.2 材料及热处理 . 19 4.1.3 蜗杆蜗轮基本参数 . 20 4.1.4 蜗蜗轮精度 . 21 4.1.5 强度刚度校核结果和 参数 . 22 4.1.6 自然通风散热计算 . 22 4.2 蜗杆轴的结构设计 . 23 4.2.1 轴的强度较核计算 . 23 4.2.2 轴的结构设计 . 27 4.2.3 键的校核 . 27 5 弹簧的设计计算 . 28 6 安全性能 . 30 结论 . 31 参考文献 . 33 致谢 . 32 绪论 1.1 本课题研究的内容和意义 用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物，腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺参数，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业长期以来 80%采用 的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。 利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。 1.2 国内外发展状况 目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行清洗，无法根据管道的内部情况进行 清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了解决这个问题，着眼于管道行走清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚少。为了较好地解决管道 (束 )的清洗难题，开发和研制管道清洗机器人势在必行。我们设计管道清洗机器人是把行星磨头清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设计开发，因此它的深入研究也将推动管道清洗技术的发展。 1.3 本课题应达到的要求 作为高压水和化学清洗的有效补充手段，行走式管路清洗方法具有一定的独特性：如成本低廉、安全性好、无任何环境污染、水电消耗非常小。尤其是在化学清洗和高压水清洗方法无法应用或成 本不允许的情况下 ,利用除垢机器人清洗能够发挥独特的作用 ,并取得良好的效果。 我们采用的是压缩空气喷洗机器人。除垢机器人的首要要解决的问题就是行走问题，怎样使机器人在管道中行走是除垢机器人能否成功完成的重要环节之一。目前管内机器人的驱动方式有自驱动 (自带动力源 )、利用流体推力、通过弹性杆外加推力三种方式。根据输灰管道和回水管道内的实际情况，管道除垢机器人宜采用 自驱动方式。采用双步进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但 因管道内有灰、灰垢和其他杂物，环境恶劣，附着能力差采用履带式方式比较合适，可以增大行走机构和管道内表面的接触面积，提高行走时机器人的附着能力 。 1 概述 1.1 管道清洗机器人常见问题分析 目前，我国燃煤电厂输灰管道的除垢方法基本上可分为化学法和物理法。化学方法有加酸、炉烟 (C02)、阻垢剂、分散剂；物理方法有人工振击法、管材法、三相流法、晶种过滤、电解、电场、磁场、超声波和高频电磁场防垢，还有利用空穴效应和气蚀原理清垢的液气压清垢法等。经实践应用，上述方法均存在一定局限性，不能同时符合 环保及技术性、经济性要求，多数不被电厂接受。目前常用的是化学清洗法和人工振击法。 大多数的排灰管道都使用化学清洗，一般每隔 1 2 年需对冲灰管道进行一次清垢 ，化学清洗法存在很多弊端。 酸洗除垢法大部分是采用盐酸或硝酸加入适量的缓蚀剂配制而成的酸洗液。注入 (或打入 )管内进行除垢。酸洗液的效能是对水垢有溶解，剥离和疏松的作用，从而达到除垢的目的。 酸洗除垢法工艺比较复杂，需要专业人员进行操作；酸洗液要根据水垢的性质，厚度进行配制，要求较为严格；酸洗法因为有酸，故对管道有一定的腐蚀副作用，因而锅炉酸 洗次数不能过多 少数电厂为了环保和节约资金，采用人工振击法清理。当管道内的灰垢沉积到一定程度，严重影响电厂正常生产时，将灰垢集中处的管道切割，用铁锤人工振击管道，使灰垢和管道剥离 ，然后用吊车将管道吊起将灰垢倾倒出来。这种清理办法虽然简单，清理效果好，但需切割管道 ，容易使管道变形，且费工费时，劳动强度大。 目前也有研究采用高压水射流进行清洗的清洗机器人。但是采用高压水射流一方面会产生大量的废水，很难处理。有不少管道经过农田，清洗产生的废水不及时处理会对农田造成很大的污染。另一方面高压水射流清洗成本较大，每 清洗一段管道都要用去几吨甚至十几吨水。 1.2 除垢机器人理念 作为高压水和化学清洗的有效补充手段， 行走式 管路清洗方法具有一定的独特性 ： 如成本低廉、安全性好、无任何环境污染、水电消耗非常小。尤其是在化学清洗和高压水清洗方法无法应用或成本不允许的情况下 ,利用除垢机器人 清洗能够发挥独特的作用 ,并取得良好的效果。 我们采用的是压缩空气喷洗机器人。除垢机器人的首要要解决的问题就是行走问题，怎样使机器人在管道中行走是除垢机器人能否成功完成的重要环节之一。目前管内机器人的驱动方式有自驱动 (自带动力源 )、利用流体推力、 通过弹性杆外加推力三种方式。根据输灰管道和回水管道内的实际情况，管道除垢机器人宜采用 自驱动方式。采用双步进电机驱动，通过谐波减速器将动力传递给行走装置。尽管自驱动管内机器人行走可以采用的轮式、脚式爬行式、蠕动式，履带式等多种形式，但因管道内有灰、灰垢和其他杂物，环境恶劣，附着能力差采用履带式方式比较合适，可以增大行走机构和管道内表面的接触面积，提高行走时机器人的附着能力 。 1.3 基本设计任务 1.3.1 设计题目 ：管道清洗机器人行走部件的设计 1.3.2 任务 ： 1. 设计、计算涡轮和链轮 机构； 2. 设计传动结构造型； 3. 用计算机绘制装配图和主要零件图； 4. 按指定格式和要求撰写毕业设计计算说明书 1.4 毕业设计的目的 毕业设计是对学生进行工程师基本训练的重要环节，通过毕业设计能达到以下目的。 1 巩固 .熟悉并综合运用所学的知识； 2 培养理论联系实际的学风； 3 熟悉进行机械设计的一般步骤和常见问题，掌握机械设计的一般技巧。 4 学会查阅运用技术资料；初步掌握对专业范围内的生产技术问题进行研 究的能力。 2 管道射流清洗机器人 2.1 管道射流清洗机器人的本体设计 管道清洗机器人应用于管道直径 350 600mm 的管道中工作，作业环境要求整个结构的尺寸应尽可能的小并且具备一定的牵引力，整个设计从选取移动方式入手。 2.1.1 移动方式选择 管道清洗机器人要实现实际应用中的可靠性及实用性，必须依据管道内作业特点来设计出稳定运行，满足清洗性能要求的机器人。在进行清洗时候，要求系统必须保证喷头具备一定的对中性能，能适应不同的管径变化， 对于在行进过程中，管内可能出现凸凹不平情况，机器人还应具备一定的越障能力。如果机器人在运动过程中产生旋转或由于重心偏移而使得机器人的轴线与管道的中心线产生偏转角，载体可能卡在管道内而无法取出，严重时不得不破坏管道取出机器人。对于大口径的管道机器人，由于其自重较大，如果支撑臂不具备自动定心性能，必定产生偏转角，其结果使机器人运动阻力增大，出现 “卡持 ”现象。为了提高作业的可靠性，设计中要求机器人应具有可靠的管道适应性和定心性。 在现有的管道机器人设计中，移动型本体结构，主要有履带式、支腿式、轮式结构以及蛇行、蠕 动、变形运动等几种形式。如壁面爬行、水下推动等机构。蛇行、蠕动、变形运动多适合于光滑的管壁、地面或水下。履带式着地面积大，对不平路面的适应性强，但是是体积大，不易实现转弯，而且要保持履带的张紧，结构复杂，如图所示 ；支腿式对粗糙表面性能较好、带载能力强，但其控制系统、机械结构均复杂、移动行走速度慢 ；轮式移动方式速度快，转弯容易，对中性好，尤其是径向辐射轮式结构，能够保证机器人在运行过程中，其中心轴线与管道轴线保持一致，缺点是着地面积相对较小，维持附着牵引力较困难。 2.1.2 传动方案的选择 机器通常是由原电机，传动系统和工作机三部分所组成。 传动系统是将原动机的运动和 动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都是很大的。所以合理地设计传动系统是机械设计工作地一重要组成部分。 合理的传动方案首先应满足工作机的性能要求，其次是满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护方便、工艺性和经济性好等要求。很显然，要同时满足这些要求肯定比较困难的 ，因此，要通过分析和比较多种传动方案，选择其中最能满足众多要求的合理传动方案，作为最终确定的传动方案。 机器人常用的驱动方式有 :液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步进电机作为机器人本体的驱动动力 ；减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减速器减速 后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选择机器人传动方式过程中重点考 虑的问题。结合径向辐射管道射流清洗机器人的结构布局方式的特点，在本设计中主要通过一套动力变换装置和同步链传动机构来实现。 1、动力变换装置的设计 在如图所示的径向辐射轮式移动结构中，当预紧弹簧给于基本的预紧力后，刚 好使得位于最上侧的轮处于与管壁相接触的临界状态，也就是说上轮与管壁间的接触压力刚好为零，所以机器人整体的驱动力绝大部分来自轮 1 和轮 3，而且机器人本体的重心位置位于管道的轴线下方 40mm 左右 (如图所示 )，增强了机器人的稳定性。下面两轮所在支腿中心线与减速器输出轴线垂直，且两支腿中心线的夹角为 120，故需要一动力变换装置来实现动力的分流。 蜗杆传动是空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的次对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。在设计中蜗杆与两蜗轮之间的轴线夹角为 90，两蜗轮轴线之间的夹角为 120。如图 2-1所示。 图 2.1 车轮端面图 2、同步链传动设计 由于设计的机器人具备在一定的管径变化范围内行走的能力，在管径发生变化的时候，主动轮与管道中心的距离也相应发 生改变，在现有的相关管道机器人传动方案中，更多的是采用全齿轮传动方式，即动力经变换后，通过增加惰轮的方式，将动力传递到主动轮，虽然该方案的传动效率较高，但是结构复杂，对环境的适应能力较差，可适应管径变化范围较小，在本设计中，动力经蜗轮蜗杆装置变换后，通过传动比为 1:1 的齿轮传动，将动力传递到各支腿，因为空间尺寸关系，在两者之间增加一惰轮机构，再应用同步链将动力传送到主动轮 1 和轮 3。同步带轮轴 1 与支腿与安装底座的连接轴同轴，故无论管径如何变化，两个同步链轮间的轴线距离保持不变，只要支腿的长度足够长，就可适应足 够大的管径变化范围。 2.2 管道清洗机器人变管径自适应性方案设计 管道由于制作误差、使用过程中局部结垢、局部压力过大而产生变形以及内表面杂物的存在，清洗机器人在碰到变形部位及杂物时，由于阻力而使支撑臂收缩，同时在驱动力的作用下通过变形部位，当再次达到管道正常段时，支撑臂能够在弹簧的作用下像伞一样张开，使机器人重新恢复原来的平稳状态。这个过程就是机器人的自适应过程。有了自适应性，机器人就能穿过一个个变形部位，以达到对管道进行有效清洗的目的，在本设计中，对于自适应性的设计主要包括两方式 :各支腿单独调整和支腿 整体调整。 1、支腿单独调整方式 各支腿的单独调整方式。当机器人在行进过程中，其中的一个或多个支腿遇到障碍物(包括突起和凹陷 )时，利用支腿内部的调整弹簧来改变支腿的长度使得支腿与管壁处于理想的接触状态，以满足稳定作业要求。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时，则应使用支腿的整体调整方式。 2、支腿整体调整方式 目前管道机器人在适应不同管径的调节机构常用的有 :蜗轮蜗杆调节方式 ,升降机调节方式、滚珠丝杠螺母副调节方式 和弹簧压紧调节方式。比较研究了各种调节机构的优缺点，针对本课题的工程实际需要，并根据前后支腿的特性要求，在前支腿 (即从动轮支腿 )选用弹簧压紧调节方式，后支腿 (即主动轮支腿 )选用滚珠丝杠螺母副调节方式。这两种调节机构能保证机器人具有充裕并且稳定的牵引力，并且管径变化范围比较大，下面综合分析该两种调节方式。 （ 1）滚珠丝杠螺母副调节方式自适应方案。其具体设计如图 2-2 所示是滚珠丝杠螺母副调节方式示意图，其工作原理是 :安装在轴套和丝杠螺母之间的压力传感器间接检测驱动车轮和管道内壁之间的压力 Fy，并实时将压力 值回馈回监控装置，当压力 Fy 的值小于所允许的最小压力值 Fy时，连杆 AB 的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点 A，推杆 CD 与连杆 AB 铰接在 B 点，另一端铰接在轴套上 C 点，轴套在圆周方向相对固定，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，从而带动推杆运动，进而推动连杆 AB 绕支点 A 转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使机器人具有充足且稳定的牵引力。 图 2.2 滚珠丝杠螺母副调节方式 下面分析滚珠丝杠螺母副调节方式的力 学特性，如图所示，以固定支点 A 为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系 XOY,石为连杆 AB 的长度，几是推杆 CD 的长度，乌是支点D 到固定支点 A 之间的距离， “是推杆 CD 与水平方向之间的夹角，尹是连杆 AB 与水平方向之间的夹角，凡为管道内壁作用在车轮上的压力即封闭力，艺 F 是滚珠丝杠螺母作用在推杆上的轴向推力， T 是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩。 Tmda 是电机轴的输出扭矩。 在坐标系 XOY 中，由几何关系可得 : L2 sin =L3sin yB =L1 sin （ 2.1） xc=L2 cos +L3cos 对上式两边分别取微分可得 : yB=L1 cos L2 cos=L3cos (2.2) xc=-L2 sin-L3sin 化简上式得 : cx=-13LL（ tan +tan ）By （ 2.3） 由虚功原理得 : Fcx+31i GiN By =0 （ 2.4） 将式代入上式并化简得 : F =Gii NLL 31 31 )ta n(ta n （ 2.5） 所采用的滚珠丝杠螺母副的导程记为 P , 为滚珠丝杠和丝杠螺母之间的相对转角，则丝杠螺母的位移为 : S= 2hP。 对上式等号两边分别取微分得 : s=2hP (2.6) 考虑滚珠丝杠螺母副，由虚位移原理可得 : 0 TF s (2.7) 式中， 为滚珠丝杠螺母副的传动效率。 合并整合上两式得 : T=Gii hh NLPLFP 31 31 )t a n( t a n2 32 （ 2.8） 此式即为滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性。 （ 2）弹簧压紧调节方式 如图所示的是从动轮的弹簧压紧调节方式示意图，其工作原理与滚珠丝杠螺母副调节方式原理类似，只是在张紧力调整方面采用被动调整方式。当管径发生变化时，作用在从动轮上的压力变化，使得压紧弹簧产生伸缩，而带动推杆运动，进而推动连杆 AB 绕支点A 转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。与滚珠丝杠螺母副调节方式的主要区别就在于在压紧力的调节方面由调整电机的的主动调整变为压紧弹簧的被动调整。故在弹簧压紧调节方式的力学特性 如下 : 图 2.3 弹簧压紧调节方式 选取其中的一个支承臂作为研究对象，其受力分析如图所示，由前述滚珠丝杠螺母副调节方式的分析可知，弹簧压紧调节方式的力学平衡方程为 : 0f sF (2.9) 式中， f弹簧的压紧力， N。 整理得 : f=Gi31i 31 Nta nta nL L ）（ (2.10) 弹簧压紧力可表示为 : f=k ）（210 s-s-L-x （ 2.11） f 为弹簧的初始长度 (mm)， k 为弹簧的弹性系数（ N/mm）。从上边的式子可以看出，弹簧压紧力 f 只是位移函数，因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封闭力之和 N 变化不大。由此可见该机构具有常封闭特性，这样便增加了载体的稳定性和可靠性，同时由于弹簧压紧力 f 的回馈作用可使机构具有自适应调节的功能。 2.3 动力系统的设计计算 2.3.1 管道机器人行驶阻力分析 在计算前，我们先设定我们 所设计的机器人的行进速度是 1.8m/min。 机器人在管道内进行清洗作业时，必须克服来自管道内表面的滚动摩擦阻力fF， Gf NfF （ 2.12） 式中， f 是滚动摩擦因数，即轮子在一定条件下滚动所需要的推力。 GN为机器人轮子负荷之和。也就是： GR cos（ )60 0 60 Ff=f GR cos（ )60 -60 0 (2.13) 式中 机器人管内作业姿态角， RG机器人本体重量， kg。 当姿态角分别为 60或者 -60时候，系统的阻力最大。 预设 为 0.5，机器人重量为 10kg，由于轮子手的是弹簧调节，则弹簧对轮子又很大的压力， 由于我们采用的是型芯磨头切削，对车身的稳定性要求较其他更为严格，假设弹簧对轮子的压力是 40x9.8N, F =10 9.8=490N。 总阻力 F = F =49 00.5=245N. 根据实际情况，我们设计主动轮半 径 r=50mm，总阻力矩为： rMF=24 50.05=12.25Nm 已经设过机器人行进速度为 1.8m/min，则主动轮转速应该是 : v 1 . 8n 5 . 7 32 r 2 3 . 1 4 0 . 0 5W r/min 电机的额定转速为 1500r/min 系统传动比为 Wn 1 5 0 0i 2 6 2n 5 . 7 3S 电机提供的驱动力矩为： q1 2 . 2 5 0 . 1 5i 2 6 2 0 . 3 2 1 . 5SMM Nm nq 0 . 1 5 1 5 0 0 239 5 5 0 9 5 5 0TP W 考虑到机器人在管道内行进出现的在和突变情况，取安全系数为 2，则电机的功率为 46W,电机选用 YS5614 型。如下表。 得：转速为 1500r/min 额定功率为 60W 额定电流为 0.28A 效率为 56% 功率因数为 0.58 额定转矩为 2.4Nm 表 2-4 YS 系列电机技术参数 型号 额定功率W 额定电流 A 额定电压 V 额定频率 ZH 同步转速 -1minr 效率 （ %） 功率因数 YS4512 16 0.93 380220 或 380 50 3000 46 0.57 YS4514 10 0.12 1500 28 0.45 YS4522 25 0.12 3000 52 0.60 YS4524 16 0.16 1500 32 0.49 YS5012 40 0.17 3000 55 0.65 YS5014 25 0.17 1500 42 0.53 YS5022 60 0.23 3000 60 0.66 YS5024 40 0.23 1500 50 0.54 YS5612 90 0.32 3000 62 0.68 YS5614 60 0.28 1500 56 0.58 YS5622 120 0.38 3000 67 0.71 YS5624 90 0.39 1500 58 0.61 YS6312 180 0.53 3000 69 0.75 YS6314 120 0.48 1500 60 0.63 YS6322 2