（机械设计及理论专业论文）城市排水窨井清淤机关键技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅要 根据静平衡条件对清淤机做结构合理性设计；确定各运动机构的实现形 式；根据经验运动参数，确定各运动机构的运动规律，由加速度最大值求出 关键位置的受力，对机构进行尺寸强度设计；对抓斗部件的结构设计计算， 以确保其适应具体工作尺寸环境要求；以上工作完成了清淤机运动分析模型 的搭建；接着运用机器人空间动力学知识对整个运动学机构进行运动学分析， 动力学分析。列出机器人关节的空间动力学，运动学方程，完成三自由度机 构的空间分析实证；通过动力系统选择，确定出底盘回转运动、前臂俯仰运 动、伸缩臂的伸缩运动、抓斗臂的开闭控制运动的实现形式，根据运动参数 计算，国家标准，选择出各运动执行液压缸，确定安装尺寸。绘制液压动力 控制系统原理图，选择比例控制系统标准元件；电路设计主要集中在运用c 5 1 单片机，建立一个可进行简单人机交换，可进行信号测量数据处理，可通过 进行开关量控制，实现位移开环控制的电液控制系统。包括硬件选择设计， 软件设计。 关键词：清淤机，信号测量，电液控制系统，比例控制，c 一5 l 单片机。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w et r yt od e s i g nt h er o b o tm e c h a n i s mu s i n gt h er u l eo fs t a t i c - m e c h a n i c si n t h eb e g i n n i n go ft h er e a s e r c h m e n t w ec h o i c em a t e r i a l s ，s i z e so fs t a n d a r dp a r t s f r o mg u d i ef o r e n g i n e e r i n gd e s i g n m e n ti nt h ef o l l w i n gs t e p w ec a l c u l a t et h o s e p a r t s m a s s m o m e n to fi n e r t i aa n ds oo n w en e e dt og i v ee v e r yr o b o tj o i n ta t h r e et i m e sf u n c t i o nw h i c hu s ct i m e p a r a m e t e r 弱i t s b a s ev a r i a b l e s t h e s e f u n c t i o n sw i l lb eu s e da sj o i n t sm o v e m e n tm l e s w ec a ng e tt h em a xa c c e l e r a t e d v e l o c i t i e so ft h ea n a l y s e do b j e c t sf r o ma b o v ef u n c t i o n s , a n dt h o s ed a t a sa r ev e r y i m p o r t a n ti nc u c u l a t i n gf o r c e sw h i c hw i l lb eu s e di nt h ea n a l y s i so fi n t a n s i o n , w h e no b j e c t si sm o v i n g w ea l s od e s i g nt h er o b o t sg r a bb u c k e to f w h i c hs i z ei st o f i tt h er o d ee n v i r o n m e n t si nt w i n s a f t e rf i n i s hb u i l d i n gt h er o b o t sf r a m e w o f k m o d l e ，w ea n a l y s e dt h er o b o ti nc a r t e s i a ns p a c eu s i n gr o b t i ck i n e m a t i c s , d y l l a l n i e sa sg o o dm e t h o d s a n dt h er e s u l t sw i l lb eu s e di nt h es t u d yo ft h er o b t i c d y n a m i cc o n t r 0 1 i nt h ef o l l o w i n gs e g m e n t , w ed r a w nt h ee l e m e n t a ld r a f to ft h e e l e c t r o - h y d r a u f i cd y n a m i cs y s t e m a n dc h o i s es t a n d a r d p a r t sb a s e ds o m e c u c u l a t i n gr e s u l t so ft h el o a da c t i n go nt h ep a r t s w eu s e da no p e nc o n t r o l l i n g c h a i nt os e t 叩t h ec o n t r o l s y s t e m ，a n dt h o s ee l e c t r i cs i g n a lg i v e nb ye x t e r n a l d i s p l a c e m e n ts e n s o r sw e r es e n t t om i c - c o n t r o l l e rt h r o u g hp r o c e d u r ec h a n n e l s a f t e rb e e nd i s p o s e di nc p u ，t h o s ed a t a si n f ow e r es e n tt oc o n t r o ls w i t c h e sw h i c h w i l lo p e no rc l o s et h ee l e c t r i c a ls i g n a l su s e db yp r o p o r t i o n a l - c o n t r o lp a r t s t h e c u r ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y 吼e mi n c l u d eb u m a m m a c h i n ee x c h a n g e m e n t f u n c t i o n , d a t a sc a c u l a t i n gf u n c t i o n , d a m st r a n s l a t e i n gf u n c t i o n , p r o g r a m ss a v i n g f u n c t i o n , r e s u l t sp r i n t i n gf u n c t i o n t h o s ea l lp r o c e d u r e sw e r ec o n t r o l l e db ym a n u a l c o m p i l e ds o f t ，t h es o f tc o d e s w i l lb ew r i t e di na s s e m b l el a n g u a g e k e y w o r d s ：r o b o t ；s i g n a lm e a s u r e m e n tg r a bb u c k e t ；e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l ； c - 5 1m i c c o n t r o l l e r ；p r o p o r t i o n a l c o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 目前，在国内成型的环保清理机械，挖泥设备，管道清除设备，种类繁 多有大型的垃圾清运车，集抓取，运输，倾倒于一体，承载量5 - 6 吨；冲 洗泵设备，使用高压水将堵塞的下水道冲开，泥沙随水带走；应用于小管径 管道疏通清理的小巧疏通设备，辅之于冲洗泵也可达到较为理想清洗效果 这些设备的优点：功率大，效率高，操作简单或者规模小，价格低缺点： 未考虑具体的城市窨井环境参数进行综合设计，因此对于符合建筑标准条件 下的窨井淤泥清掏机械却未有成型产品从国内研究状况来看，自动化机械 在我国发展的较晚。虽然在航空航天、工业制造( 焊接、喷漆、零件加工、 装配等) 、医疗、水下探测、娱乐等领域，机器人、自动控制机械有较大发 展，但技术普及比较慢单从机器人整体技术研究方面分析，结构设计的应 用比较落后。随着各种软件工具引进，计算机辅助分析设计过程更加精确高 效，在完善设计的产品基本功能同时，追求产品初始设计综合优化，整体设 计参数化。产品7 j u r a 自动化，设计生产加工一次成型的理念；运用仿真及虚 拟现实技术，充分考虑了产品具体使用工作过程和产品的应用实时环境空 间，进行了更精密设计，使得产品更完美更合理；产品材料选择使用倾向轻 便坚固功能性等，这使得结构更合理、外形更完美、体积更小、功能更全。 机体传动系统研究发展的比较成熟，齿轮传动、链传动、带传动等传统的方 式都已被广泛标准化引用，并向节能、高精度、低振动、低噪音方面发展 其中，液压传动，功率大易控制，精度高反馈灵敏是较早出现的机械驱动形 式，仍在大型中型机械广泛使用；电机驱动由于较其它驱动形式有着大的优 势，发展速度较快，在现代机器人技术中被广泛使用。控制系统研究的发展 最快，特别是随着计算机技术的飞速发展，微电子技术的日新月异，各种自 动控制方法被人们研究应用，控制硬件软件的使用逐渐被人们所熟悉，机电 的一体化，伺服控制越来越进入到工程领域，发展前途十分广阔。算法、人 工智能、模糊控制技术，在较高层次用于复杂系统。国内在清理窨井机械的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相关技术方面有以下研究 1 2 国内外在本课题上的发展现状 清淤机属特种机器人种类，特种机器人技术主要研究在非制造业应用并 服务于人类的各种先进机器人及其相关高技术，特种机器人是替代人在危 险、恶劣环境下作业必不可少的工具，可以辅助完成人类无法完成的如空间 与深海作业、精密操作、管道内作业等的关键技术装备由于特种机器人工 作环境的特殊性，在结构方面要考滤到适应地域狭小，垂直深度大，机械强 度的要求；单独的多自由度机械臂，要对运动约束，受力约束做较多设计， 可能有利于结构却不利于强度设计，若较多考虑运动的轨迹连续光滑，却在 设计机构时对工作干涉范围要求较高；在较大复杂环境情况下对执行工步遥 控的优势难以弥补空问运动不便引起的工作率低下等。运用机构的综合设 计，机构工作空间优化设计，在以受力分析为前提下对结构选择最优设计， 都成为可选择的实用方法国内在引进技术基础上，对多自由度挖掘机的机 构研究比较成熟，六自由度机器人技术也在结构研究中取得成果；精度定位 焊接操作臂结构优化设计在引进中日趋成熟；小巧自控助手工具机械也是一 个补充的方面这些都可做为有益启发的，较为普遍实用的是车载伸缩起重 吊臂卷扬结构，可进行一定范围内适应不同高低地形进行有距离操作，执行 器可达深度由吊锁长度来定立架式垂直型机构，由电动滑轮带挂抓斗进行 起升，下降操作；它们在结构，控制，强度等方面都比较成熟。国外在以上 方面都有很多可借鉴的技术，主要产品是以车辆作为动力源，运动载体的综 合机械：手控制小型机械工具刷子；轻型挖掘，机械电动力吸抽冲洗罐运输 车装置等都在市场上占有一席之地。 图1 1j b s 5 0 0 特种清淤车 2 。哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 美国里奇r i d g i d 牌通管机( 下水道清理机) 1 3 课题研究的意义 在城市发展的同时，城市的布局、城市生活环境设旌、消费结构矛盾相 当突出，特别是城市捧水排涝又面临着相当大的矛盾：城市地下管网既存在 结构性的问题，同时又由于人口密度分布、地形地貌特点、生活习惯等引起 的垃圾问题、污水的无序摔放，使得地下排水系统的堵塞，污水泛滥现象尤 为突出，解决好这个与人们生活息息相关的事情，成为每个人的关切窨井 中的沉淀大部分为水中的挟带泥沙，还包括人工垃圾等，它能严重的堵塞捧 水管，一场暴雨可能由于排水系统的不通而引起地区洪涝，因此管道的及时 清理十分重要。但由于工作场地狭小，环境危险，效率低下，工作量大，效 果不理想，浪费水资源( 传统的方法是用工具捅，然后用水浠释成水和泥胶 合物，用抽水机抽出倒掉1 ，在科技飞速发展的今天，急需一种能替代人力 的自动机械来完成这一工作，缓解下水道堵塞普遍存在的问题。这个问题的 解决，对更重要的交通安全，建筑根基维护，生活环境治理都带来良性结 果。同时环保的建设，事关社会可持续发展战略，是城市规划建设一个不可 缺少的环节，下水道系统的维护事关全局，在市场经济的今天，有着较大的 意义。 窨井清淤机是根据城市一般的道路窨井结构，清掏工作路面环境，需要 完成任务的参数，根据已往工作中总结的经验，急待解决问题，经过优化设 计的较为理想的一种方案它考虑到苛刻工作环境，工作人员素质，挖掘对 象的要求。提高了工作效率，节约水资源，降低工作强度，实现了全部工作 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的自动化它的最大优点是：采用液压驱动，以适应最大功率要求；采用自 动控制，可完成抓斗开闭，集抓取，承载，卸载于一体；最大挖掘深度可达 九米深之井底，一次最大起重量为8 千克，工作周期为5 分钟，1 次实现 抓取，提升，装卸，一条龙完成。这些都是传统的人工清掏所无法比拟的 同时，由于单片机性能的不断完善，电子组件性价比大幅度的提高使搭建高 性能的机电一体化控制平台得以实现、控制技术、接口、传感器技术、编程 语言的进一步完善都促进了过程技术的发展，使效率高价格合理成为可能。 1 4 课题的来源及内容 本课题是哈尔滨市科技攻关计划项目，由哈尔滨工程大学机电工程学院 海洋智能研究所进行预研究。课题要求设计适用城市道路窨井尺寸( 包括口 直径o 7 米，深度3 - 9 米) ；工作强度分轻、中、重、单次挖掘量小于1 吨车载运动方式，可电动力或液压动力，控制性能好，效率高。 主要完成的工作： ( 1 ) 综合国内外的相关资料，对清淤机做初步结构定型，再根据经验参 数初设机构的运动幅运动状态，计算并校核定出清淤机的各部件尺寸，用 p r o e n g i n e e r 和a u t o c a d 等计算机图形辅助设计软件完成该清淤机本体结 构图设计，零件图。 ( 2 ) 分析各种动力系统优缺点、选择主动力源、动力控制方式、计算液 动执行机构动力参数、绘制液压系统原理图，选相关标准件 ( 3 ) 控制电路的设计包括数据采集通道；人机的对话方式；数据存 储，数据二次处理，i o 扩展；控制信号串行口输出，开关量输出控制电 路 ( 4 ) 控制软件的编写，用汇编语言编写程序 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章清淤机本体结构设计 2 1 清淤机的工作要求和功能参数 清淤机工作过程包括：根据目标找正工位；放下，提起抓斗，执行工作 工步；完工复位。工作量：中等。抓斗工作环境：地面以下3 9 米，直径 0 7 米圆内。机体体积：2 6 0 0 x l o o o 2 0 0 0 毫米。重量：轻型。功能：清淤 机能在车载静止情况下，固定在工作台上，由微控制器系统控制，完成所需 工作任务，完工后车载移动；清淤机的三自由度运动参数：底盘旋转运动范 围9 0 - ( 向内为正，向外为负) ，前臂俯仰运动范围- , - 4 5 ( 向上为正，向下 为负) ，伸缩臂伸缩运动范围l 米；抓斗升降高度：7 - 1 0 米；单位最大起重 量8 0 0 k g ；完成一次工作循环需5 分钟；最大工作周期6 0 分钟。 根据设计经验，工步要求精度，抓取目标位置，移动重量等：可初定清 淤机结构，包括采用齿条齿轮机构的旋转底座、固定立柱、前操作臂、伸缩 臂、以电机为动力的蜗轮蜗杆机构驱动转轴，带动链盘的自锁链条起吊、放 下结构：挖泥抓斗总成，其总装置如图2 1 示3 d 装配图 图2 1 清淤机3 d 装配图 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 初定各件尺寸及运动参数 2 2 1 初定零件尺寸及安装位置 立柱采用冷弯空心型钢g b t 6 7 2 8 2 0 0 z ，外径d - 1 6 5 n n n ，壁厚 t 一8 m m ，理论重量m - 3 0 9 7 k g m ；前操作臂采用方型空心冷弯结构用钢， 截面边长l - 1 6 0 m m ，壁厚t - 8 m m ，理论重量材3 6 8 8 8 k g m ；伸缩臂采用 采用方型空心冷弯结构用钢，截面边长l - 1 4 4 r a m ，壁厚t - 8 r a m , 理论重量 m - 3 1 8 4 k g m ；底盘转轴材料采用3 5 号钢( g b 7 0 5 6 ) 。根据机体总尺存 可选底座高度o 5 m ，立柱高i 5 m ，前臂长1 6 m ，伸缩臂长，i 4 m ，起升最 大重量8 0 0 k g 。由静平衡分析如图2 2 示可得： e = 0 e = 0 z e = o 肘。= o e 肘o = o 图2 2 清淤机静平衡分析图 m s 脚+ 譬高掣一。 6 ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) 哈尔滨工程大学硕七学位论文 式中： e ，e ，e 坐标方向的受力； m o ，肘力对0 ，8 点的矩； x c 长度； y a b 长度； e 工作推力 由于初选液压缸最大允许静压工作推力为：f l = 1 5 3 4 0 ，取) ，- - l m 代入( 2 2 ) 式可求出x = o 2 8m ，根据实际尺寸干涉情况，可a b ：x 0 3 2 m , a c = y = l m 2 2 2 计算主动件转动惯量质量 底盘转轴相对z 轴转动惯量：，。= o 2 2 k g m 2 ： 立柱相对z 轴转动惯量：- ，。= o 2 1 k g m h 前操作臂重心转动惯量：_ ，：= ，：= 2 2 k g 以 伸缩臂重心转动惯量：l 3 = _ r ，= 1 0 7 7 k g m 2 ，t = 3 = 1 1 4 k g 酽； 抓斗重心转动惯量：，= 8 0 0 k g m 2 ，y 。4 = 3 8 7 2 k g m h ( 底盘转轴) = 2 6 7 k g 长：o 6 m ；j ，l - ( 支撑立柱) = 4 3 3 5 k g 长： 1 4 m ；孤( 俯仰操作臂) = 5 9 k g 长，1 6 m ；n h ( 伸缩臂取) = 4 4 5 k g 长： 1 4 m ；讲( 最大起动重量) = 8 0 0 k g 。 2 3 相关运动件受力计算和校核 2 3 1 设定各运动件运动规律 在己知定轴转动件的起始位移，速度，加速度时，由于整个时段内运动 的连续性，其极值必须在运动时间变量范围内，根据精度要求选取不同类型 插值函数。利用三次多项式插值处理求得回转运动底盘、俯仰运动前臂、伸 缩臂的运动学规律。 如图2 3 示回转运动底盘，操作前臂，伸缩臂的运动规律： t = 0 s 。8 = 0 0 。t = 3 0 s ，8 = - 9 0 ；8 ( o ) = o 。s ；口( 3 0 ) = 0 。s ； 设插值函数“4 ，8 ，c o ) = 6 0 + 甄f + 6 2 t z + 6 3 t 3 ， 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求解参数： b o = 0 ，6 l = o 。b 2 = 3 x 9 0 。3 0 2 ：o 3 ：毛一2 9 0 。3 0 3 = - 0 0 0 6 7 ； 日：o 3 t 2 - 0 0 0 6 7 t ，o - - o 6 t - o 0 2 t 2 ： 一_ i x = 4 8 x 石1 8 0 。= 0 0 8 4 r a d s ： 6 = 0 6 - 0 0 4 t ，百。= o 6 x _ r 1 8 0 。= o 0 1 0 4 r a d s 2 。 r o d s 2 ) 00 2 前臂 一0 0 2 ( r m d 0 0 底盘 一00 让) 兰也 篓 图2 3 速度加速度位移曲线图 同理可得俯仰运动前臂运动规律插值： f = 1 5 s ；( 0 ) = o 。；( 1 5 ) - - 4 5 。； = 0 6 t 2 - 0 0 2 6 6 t 3 ：西= 1 2 t - 0 0 7 9 9 9 t 2 ； 6 = 1 2 - 0 1 6 t ；瓴。= 1 2 x p 1 8 0 = 0 0 2 1r a d s 2 ；西一= 0 0 7 8 r a d s ； 又可得伸缩臂运动规律插值函数； t = 1 2 ，口( o ) = 0 l n ；4 ( 1 2 ) = l m ；( o ) = o 0 6 舶s 2 ；五：o 0 6 m s ； 占= o 0 3 m ，s 2 五= 0 0 3 t 口= o 0 1 5 t o + o 4o s t 2 s ； 石= 0 m s 2 五= 0 0 6a = 0 0 6 t + o 3 42 s f l o s ： 五= - 0 0 3m s 2五= 0 3 6 - 0 0 3 ta = 0 3 6 t - o 0 1 5 t z 1 1 61 0 s t 1 2 s 2 3 2 对各相关运动件受力的分析 对构件运动学分析是为了计算受力点的最大受力以校核结构尺寸，使运 8 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 动机构更加合理；运用达朗伯原理分析运动构件受力： j f + f o l + 磊2 0 ( 2 3 ) 【虬( ，1 ) + m o ( f 扣1 ) + 虬( f p ) 1 ) - - 0 式中：，。一主动外力； f o l 一主动内力； 凡一惯性力； m一力矢对点的主矩。o 2 3 2 1 伸缩臂做伸缩运动时的受力 根据已知条件：m 4 = 8 0 0 k g ，起动时物体在牵引力r 作用下运动轨迹为 一曲线如图2 4 示，( + ，一与轴方向一致) 。 z 轴方向上加速度：a 一= o 0 3 m e ； l ，轴方向上加速度： 屯= o 0 1 0 4 r a d s 2 ； z 轴方向上加速度：吒。= 4 - 0 0 2 1 珊啪2 ； 图2 4 物体受力分析图 可求出互，l ，疋，正方向为坐标正方向： 互2 + 8 0 0 x 0 0 3 2 + 2 4 n ； 弓2 + 8 0 0 x 2 2 x 0 0 1 0 4 2 1 8 n ； = 8 0 0 x 9 8 8 0 0 x 0 0 1 0 4 x 2 2 = 7 8 5 8 n ( 7 8 2 2 n ) ； 伸缩臂受力分析如下图2 5 1 ，图2 5 2 示 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 因为，j 。一c ；，：- 弓；扎一t ； 故 k = 千m 4 五千1 4 x g x d n m ； ，2 n 4 x 西x 2 2 ； 由于z 只：0 ，z e = o ，z e = 0 ，j i f = o ； 所以由公式( 2 3 ) 根据受力图2 5 得： 图2 5 1 伸缩臂受力分析图 重物对于伸缩臂的作用力为点力； ( y ) 、z - 蒜璐 彬 r 。嫘俗 n 4 - z - ，小4 x 一一t 、f ， ( z ) y 。 f g e 卢叉n 4 y 髫文、! 颡一 h 。、矛。t r 一一，。- ， 俯视图 图2 5 2 伸缩臂受力分析图 尼+ z + 膈i + m 3 x g x s j n m + l ，蠢= 0 台y + m y + 岛y + ，1 3 x 口x o 3 = 0 z + n l ，x g x c o s , m + a i z + 历z + ，l ，o 3 x 西= o ( 2 - 4 ) 1 0 印钿司 c 0 c r，r、1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i m y = 0 0 4 xg ，；+ m s x g x 0 3 x c o s a p 一4 ：x l = ( j 3 + j ) 西 i 丝= oo 4 x 一1 ：( + ) 声 取百毒0 0 1 0 4 r a d s 2 ；面莳0 0 2 1 r a d s 2 ；i - a i = o 0 3 m s 2 ： 五。2 0 0 6 m s ；n 1 4 2 8 0 0 k g ；鸭= 4 5 k gj 4 3 = 1 0 8 k g m 2j 。4 = 3 8 7 2 k g m 2 计算： 在启动时 j v 0 2 + 2 4 n ；，= 1 8 n ：r e , ：= 一7 8 5 8 n ( 一7 8 2 2 n ) ；代入( 2 4 ) m 2 0 。时g 3 ；= - 1 9 7 8 k n ( 一1 9 6 8 k n ) ；3 ：= 2 8 0 8 k n ( 2 7 9 6 k n ) ； g ，2 + 6 6 n , ，：千8 4 n , 弓= 2 5 ( 2 3 ) n ；= on ； 启动后第2 s 时 x 轴方向取五。= 0 0 6 m s ；占。= 0 0 3 m s 2 ： y 方向西= o 0 3 6 r a d s ；西= o 0 1 5 3 r a d s 2 ；口= 2 1 8 。l z 方向d = o 0 0 9 r a d s 2 ；口= o 0 2 r a d s ；口= 1 1 5 。： 绕，轴旋转，绕z 轴旋转时： 名( 科氏惯性力) = 2 m 面x a ；( 牵连惯性力) = 2 4 ； 0 = 千m 4 d 千m 4 x g x s i nc o = 千5 1 1 6 n ； ，= t - m 4 x 0 x 2 2 = 千1 5 n ： 4 ：2 m 4 x g x c o s m 面x 2 2 = 7 9 8 3 n ( 7 6 9 6 n ) ； 2 2 鸭x 西口2 1 4 9 n ；2 + 2 x o x a = o 8 3 n ： 0 2 打x 吐，k a 。士o 0 3 n ( 略) ；= o 0 1 8 n ( 略) ； r e 2 0e + 心一k m 3 x g x s i n m + 瑶+ 千鸭x a = 0 l 2 0 0 一4 ，一g ，+ 一鸭x 百x 0 2 4 = 0 ( 2 - 5 ) j e 2 0 ，一鸭x g x c o s o ) 一：一一一m b x 0 2 4 x & = 0 i 膨，2 00 4 xg 3 ：一e h x g x 0 2 4 x c o s o d 一心x 0 3 6 - le x 0 9 6 = j 。3 x 面+ j 4 x l b 、m ：= 00 4 x g 3 ，一，x 0 3 6 = ( _ ，。3 + ) x b 计算： q ，2 士3 6n ；g 3 ；= 7 6 0 1 ( 7 3 4 3 ) n ； 3 ：2 1 6 k n ( 1 5 5 k n ) ；3 ，2 5 4 n ；只2 5 4 0 3 n ；虬，= 0 n ； 在一4 5 。起动向上时受力： 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当存在口m = o 0 1 0 4 r a d s 2 ；面= 0 0 8 4 r a d s 2 ；蠢_ f0 0 3 m s 2 ： 可求出：i 一( 啊x 占+ x g x s i n ) = 一5 1 1 6 n = ，= 1 7 7 n ； 川：= - 6 0 2 6 n 1 。+ _ 6 6 n ；瓯一1 5 8 k n ；= 2 6 8 l n ；3 ，= - f 8 4 n ； e 2 ：k 5 4 0 3 n 由比较知前臂在启动时= o ，向上运动时y ，z 向处于最大力状态 z 轴向e 在= 4 5 4 时达到最大受力态。 2 3 2 2 前操作臂受力分析 z 图2 6 前操作臂受力图 如图2 7 示，由以上计算可知； 岛2 岛：千6 6 n = 2 ，一3 ，2 士8 4 n ：皖= g ，；= 1 9 7 8 k n ( 1 9 6 8 k n ) ； 2 ：一3 ，= - 2 8 0 8 j n ( - 2 7 9 6 k n ) ； f 2 e = 5 4 0 3 n ；( 4 5 。) ，f z = l l k n ； 毛：2 千4 5 x i 2 = 千5 4 n m ；m 2 z = - f 6 3 x 1 2 = 7 6 n m ； m 3 y ( 2 8 2 8 1 9 9 8 ) k n ( 2 8 1 6 1 9 8 8 k n ) x o 8 8 = 7 1 ( 7 3 ) k n m 2 0 n ；民2f , c o s 2 2 5 。5 l1 0 0 0 x 0 9 2 1 0 2 k n ，也= 5 6 5 k n ； 由公式( 2 7 ) ，( 2 8 ) 可求：e ，& ，巳，兄 f e = o f h + 最，+ ，+ 瓦+ m 2 x g x s i n = 0 j 0 2 0 2 ，+ o 4 百x m 2 + 易一嘭= 0 、 e 2 0 e z - - 2 ：一瓦一m 2 x g x c o s m 2 x 0 4 西+ 兄= 0 ( 2 6 ) l m ：- o 2 ，x 1 1 千j 2 。占一0 2 = 0 l 呜2 0 一m 3 7 - 棚2 x g x o 0 8 c o s + e ：x 0 7 2 一- ，西+ 兄x 0 3 2 = 0 ，2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计算： e ：= 4 4 7 6 3 ( 4 3 7 8 8 ) n ； - - - 9 6 ( 一1 0 2 ) k n ；= 千2 3 0 n ；如一瓦= - 4 7 9 7 n i 瓦= 4 4 7 6 3 ( 4 3 7 8 8 ) x o 3 2 = 1 4 3 ( 1 4 ) k n , 瓦= 1 9 k n ( 1 8 7 ) k n 五= e ，( s i n c x ) = 4 6 9 ( 4 5 9 ) k n ；s i n a = 0 9 5 。 2 3 2 3 支撑立柱和底盘转轴受力分析 上支撑立柱受力如图2 7 示 图2 7 上支撑立柱受力分析图 根据已知条件： ，二一匕= 1 9 ( 1 8 8 ) k n ； 巧2 _ _ 2 3 0 n , 砭- - 9 6 ( 1 0 2 ) l 【n ；e = e 一4 6 9 ( 一4 5 9 ) k n ； = 4 3 3 5 k g ，= 0 2 1 4 k g m 2 ；m n 一 = 千2 1 n m ； 由公式( 2 3 ) 可求出： e = 0 f ，- o e 2 0 m = o 瓦，毛，最，m ；：( 扭矩) ，互，( 弯矩) 砭一砭+ 瓦= o 瓦一焉= 千2 3 0 n 砭一砭一x g + 吒2 0 m z 2 = 2 3 ，1 莎= 2 l n m 1 3 ( 2 - 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 互2 x l 5 = 3 4 5 n - m 。砭1 5 + 砭x 0 5 = 3 6 k n m 五= - 3 5 6 ( 一3 3 6 ) k n 疋= 4 7 9 0 ( 4 8 0 0 ) n ； 旋转底盘转轴受力如图2 8 示： ：、z 2 f k 。tx ：l t 0o z * z 2 x 2 一 么 0 2 f kz y 2 厂 - z l 、 m z3 x 1 m o 0 1 f h j f jz x 图2 8 底盘转轴受力分析图 根据以上计算及公式( 2 - 3 ) 得： 肼：2 一膨：i = v 2 1 n m 气一4 8 0 0 n ； 尼一3 5 6 ( 一3 3 s ) k n ；瓦2 2 3 0 n ； r 2 2 3 2 2 n mr2 m , 3 = 2 1 k n m 可求出，巴，乙，乙，只，m ：， f e = o吃+ 只+ 2 0 i 0 - - 0+ 2 0 ( 2 8 ) 气e 2 0民+ j ，l o x g + 2 0 i = o乙一x o 6 - z 20 m r # = 0+ f h x o 6 - 巧2 0 肘d m ：2 = 4 - 2 1 j o 口眦= 只x o 0 9 4 ； 只= _ + 2 1 8 n ： 如2 5 ( 4 6 ) k n ： 2 千2 3 0 n ： t 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 凡= 一3 5 7 ( 一3 3 8 ) i 【n ； 乙= 4 8 3 n m 乙。3 3 k n m m ，= 2 1 n - m ； 2 4 螺栓和轴校核和标准件选择 2 4 1 伸缩臂部分包括强度滑轮轴径 由公式 m 。= m 2 + 1 3 r 2 1 枣：t ； d = 争 n 跞 式中： m 。当量弯矩； l ，t y ，z 方向弯矩； m 扭矩： ( 2 - - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 矽结构用钢弯扭截面系数； d 转轴直径； 仃弯扭应力； 盯 材。料许用应力。 在伸缩幅处由于受垂直y ，z 轴的弯矩为： l = 1 8 n m ；c = 7 9 9 2 n m ；由( 2 - 1 0 ) t = 7 9 9 2 n m ； 选取方型空心冷弯结构用钢弯扭截面系数为；形= 耽= 1 6 4 8 c m 3 ，钢为 3 5 # ， 盯 = 1 7 7 m p ； 由公式( 2 - 9 ) 可求o = 4 8 5 归1 7 7 m p a ，载荷安全。 在最大伸长幅，= 0 ，时手腕部z 轴方向所受拉力最大z = 7 8 5 8 n ，按当量 弯矩计算滑轮轴径：d 3 2 , m 当安全系数为1 5 时取d = 5 0 m 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 2 操作臂( 包括强度滑轮轴径) a 支撑点0 1 受总弯矩 m 。= 吒o 7 2 + 巴x 0 3 2 = 7 3 3 2 n m ；钢为3 5 号， 盯j = 1 7 7 m p ；职= 矾= 2 2 2 i c m 3 由公式( 2 - 9 ) 得仃= 3 3 肝1 7 7 m p ； 载荷状况安全。 b 转轴受到工，z 轴向的力产生的弯矩为： l = 1 9 0 0 0 2 x 0 1 5 2 = 1 4 4 4 n m ； 之= 1 0 2 0 0 2 x 0 0 8 = 4 0 8 n m ； 由公式( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 得： t = 1 5 3 6 n m ；s = 1 5 ，d 4 6 衄；转轴直径取7 0 m 2 4 3 立柱与底盘接合螺拴校核 根据公式 叫i 雩3 x 需4 x f ： 昂簪 e 昂+ x q c + i i 式中：d 螺栓直径； f 横向载荷； 盯卜- 材料许用应力； k 系数； r 扭转力矩； z 螺栓个数； r 螺栓距几何中心最大半径； 矗螺栓预紧力； e 单个螺栓工作力； c l ，c 2 材料弹性系数。 1 6 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 螺栓受扭转力矩，倾翻力矩，拉力根据公式( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 得： 膨3 = 2 1 n m ；t - t 2 + 2 = 3 6 k n m 凡= 3 5 6 k n , f l l = 4 8 0 0 n 按受横向载荷校核螺栓： 根据公式( 2 - 1 3 ) 卢兄8 = 6 0 0 n ：d 4 m 按受扭转力矩载荷校核螺栓： 届= 1 5 x 2 1 x 0 8 3 = 2 6 n 由公式( 2 - 1 5 ) 得： 尼- - 2 6 + 3 5 6 0 0 x 0 2 = 7 1 4 6 n ， 仃 = 8 0 m p ad 1 2 r m ； 按倾翻加预紧校核： e = 2 1 0 0 0 x 1 2 + 7 1 4 6 = 3 3 k n = d 1 8 咖；考虑安全系数s = i 3 取d = 2 5 m ，选m 2 5 号螺栓。 2 4 4 链盘和卷桶轴校核 受力分析如图2 9 示： 恐 ， zz 2 l z l r 皿i f r a m 1 7 1 r a m蒯、 ll i ，葩 。! x o ，1t z 旷 i7m 咖7 。 f xx l f h 。1 ，7 产7 i 1 f 2 “y i f l m 吨i p y 。 y ， f z晶，向： 图2 9 传动轴受力分析图 由上图分析根据公式 吃一互k 一 1 8 0 x = v v - - p w m ，。面面丽习丐j 豇孑 d 2 面南 式中：吃总功率； 只，输出功率； 1 7 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p 节距： 只工作力； k 工作速度； 转速； z 链轮齿数； d 链轮直径： m 。切向力 当已知t = 8 0 0 x 9 8 = 7 8 4 0 n ； 7 z = ( t 2 ) x c o s 8 2 = 5 4 5 n = t z ；t y = ( t 2 ) x s i n 8 2 = 3 8 8 1 n = t y ； 计算电机功率： 尸总2 e k 2 1 5 x 8 0 0 x 9 8 + 0 0 6 x 5 4 0 3 + 2 8 0 0 0 x o 0 1 7 9 + 2 1 8 x 0 0 9 4 x 0 0 8 4 + 3 4 5 0 x 0 0 2 = 1 2 6 5 k w 取电机功率1 5 k w ，转速n = 1 5 0 0r r a i n ，额定转矩：m = 7 9 9n m 肌，( 切向力) = 1 7 1 9k n ，声= 3 2 。； 肼( 额) = 槐x o 0 6 2 ( 蜗轮半径) = 1 0 6 6n m 若1 1 = 0 8 3 ， 最大输出m ，= 1 0 6 6 x 0 8 3 = 8 8 5n - m ； 帆( 轴向力) = t 9 3 2 。x 1 7 1 9 - - 9 5 k n = 蜗轮蜗杆传动比：4 0 ，则轴的转速：5 0 r m i n ；蜗轮宽度：1 2 - 1 8 d ( 轴 径) = 1 2 x 6 5 = 7 8 m m = 链轮轮毂的宽度：1 2 - - 2 d t = 3 4 m ； 链轮的齿数：z = - 2 0 ；直径d = 1 2 1 7 7 m m ( 扭矩) = 肘，_ ( 7 8 4 0 2 ) x o 0 6 2 = 2 4 3 n m ； 轻型板链( g b t 6 0 7 4 一1 9 9 5 ) ；p ( 节距) = 1 9 0 5 岫，2 x 2 组合。 由图示受力分析列方程； i 厨2 0 鸭+ e + e 2 0 i 砂2 0 届+ 形+ 乃+ 1 ：+ 2 0 弋尼= o 五+ t - - f , 一巧= o ( 2 1 9 ) l m y l 2 0 历，x 0 1 5 9 + c x o 0 6 7 一巧x 0 2 3 8 + f ；x 0 1 7 1 2 0 l m n = o x o 1 5 9 + 0 0 5 9 x 互一r x 0 2 3 8 + 巧x 0 1 7 1 2 0 计算： 】8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r = 爿- - - 9 5 2 = 4 7 5 k n ；e = - 1 2 1 3 k n ； 6 1 2 7 4 k n ；f = 5 7 0 n ； 卮= 5 2 0 n ；用= 1 7 1 9 k n ； 坍，= o n ；m ，- - - 9 5 k n ； 链板，卷桶轴受力矩图如图2 1 0 示： 缸哑哩0 恶u 呵躲p r ： 一13 7n 生吾白o 36un 2 4 丑砭匹口卫l 且卫。“1 。y 一4 8 nn 一4 4 a n 8 8 5 n n 匝k 笠田砌 。 图2 1 0 传动轴力矩分析图 由