高压输电导线越障行走系统设计-毕设说明书

陕西理工大学毕业设计题 目 高压输电导线越障行走系统设计 学生姓名 贺小强 学号 1315014049 所在学院 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化(机自1302) 指导教师 王保民 完成地点 校内 2017年 6 月 20 日陕西理工大学本科毕业论文（设计）任务书院(系) 机械工程学院 专业班级 机自1302 学生姓名 贺小强(1315014049) 一、毕业设计题目 高压输电导线越障行走系统设计 二、毕业设计工作自2017年1月7日 起至_2017 _年 6 月20日止三、毕业设计进行地点: 校内 四、毕业论文（设计）应完成内容及相关要求：由于高压输电导线架空在离地面大约十几米的电线杆上，除冰机、清理机、防震锤复位机等机械装置工作时需要沿导线自动行走，又由于导线上还设置了防震锤、间隔棒等障碍物，因而在高压输电导线上行走的机械装置都需要具有跨越障碍物的功能。 本设计研究的主要目的是开发一种简单、实用的单导线、双导线用的越障行走装置。该装置蓄电池供电，远程遥控，能够自行跨域导线上的障碍物。根据题目要求完成越障行走机构的机构运动简图即机构运动方案设计，必要的设计计算、运动分析、受力分析等，最后完成结构设计，绘制装配图和零件工作图。 设计要求：本设计题目来源于工程实际,要求解决一个具体的工程实际问题 ,在完成毕业设计过程中，得到完整的训练。首先要广泛的收集相关的资料和信息,理解设计要求和工作特点;在方案设计阶段要针对设计要求和已有的专业知识,开拓思路提出尽可能多的设计方案,优选后确定设计方案。设计图纸要求符合制图规范和要求，说明书符合学校和学院相关规范和要求。设计参数：越障行走系统的行走速度5-10m分钟；驱动电机为直流电动机，蓄电池供电；障碍物主要是指电力系统中的间隔棒。具体任务：了解本课题目前相关研究情况，特别是设计要求和工作特点，完成开题报告和英文资料翻译。 越障行走系统的方案设计，对系统的总体方案和布局进行研究，对设计方案进行比较论证。绘制其机构运动简图。完成受力分析与运动分析，确定电动机的功率、转速、扭矩等，选择电动机型号，连接形式和尺寸。 完成系统的结构设计，绘制A0机械装配图和主要非标准件的零件图。 编写设计说明书1份，字数不少于15000字。 所绘图纸符合标准，说明书格式满足学院要求。 五、毕业论文（设计）应收集资料及参考文献：参考文献： 高等数学，机械制图，机械设计， 机械原理，理论力学，材料力学，CAD制图，机械设计手册，三维软件 UG(PROE)。 本次设计的是专用非标设备，相关参考资料包括专利技术、论文、图片等需要学生自己查找。 六、毕业论文（设计）的进度安排： （1）第一阶段：2017.1.7-2017.3.1 查阅资料，了解研究内容，理解机器工作原理、设计的主要参数和要求，撰写开题报告；（2）第二阶段2017.3.1-2017.3.30 进行外文翻译，同时研究机械的工作原理,开展方案设计,完成机构运动简图的绘制；（3）第三阶段2017.3.30-2017.4.30进行运动学与动力学计算,完成运动分析与受力分析,确定电动机转速与功率等主要参数；（4）第四阶段2017.4.30-2017.5.30进行图纸绘制工作，完成结构设计,确定详细结构参数,完成装配图设计后,绘制主要零部件的零件图，图纸要求符合制图规范和要求。（5）第五阶段2017.5.30-2017.6.20整理图纸及撰写说明书 1份。说明书要求符合学校和学院相关要求与规范。 根据老师意见，修改图纸和设计说明书，回顾设计过程，答辩。 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批准日期 2017-01-07 III第1页共23页高压输电导线越障行走系统设计作者：贺小强（陕西理工大学机械工程学院机械设计制造及其自动化专业1302班，陕西 汉中 723003）指导教师：王保民摘要本文针对输电导线结冰后，会造成杆塔倒塌电路中断等，会对人们正常的生产生活造成巨大的不便和利益损失。为了解决这一问题，从而设计出一种简单、实用的单导线、双导线用的越障行走除冰机。该机器具有自动爬行，制动、防滑、除冰、越障等能力。本文首先分析了输电导线结冰后的实际情况，查阅大量资料后并且咨询指导老师后，确定了具有越障能力的除冰机的方案：直流电机驱动、链轮传动作为减速机构、通过压轮与夹紧轮配合行走、通过弹簧复位装置进行越障、使用敲击棒进行敲击和压轮挤压的方式除冰。这几种机构都比较容易制造，而且后期维护方便。然后进行传动系统的设计计算和整体结构设计。最后绘制机器整体的装配图以及重要部分的零件图。本文设计的除冰机，具有结构简单、重量轻、方便生产制造以及后期维护等优点。关键词除冰机;轮式小车;链轮传动;敲击除冰;弹簧复位第1页共23页Design of High Voltage Transmission Line for Obstacle Bracing SystemAuthor: He Xiaoqiang(Grade 4, Class 2, Major:Mechanical design manufacture and automation, Mechanical Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shaanxi)Tutor: Wang BaominAbstract:This article for the transmission line after the ice, will cause the tower collapse circuit disruption, etc., will be the normal production and life caused great inconvenience and loss of profits. In order to solve this problem, to design a simple, practical single wire, double wire with the barrier to walk the ice machine. The machine has automatic crawling, braking, anti-skid, deicing, obstacle and other capabilities.This paper first analyzes the actual situation after the icing of the transmission wire. After consulting a large amount of information and consulting the instructor, the scheme of the deaerator with obstacle capability is determined: the DC motor is driven and the sprocket wheel is used as the deceleration mechanism. With the clamping wheel with the walk, through the spring reset device for obstruction, the use of percussion bar and pressure roller squeeze the way de-icing. These institutions are easier to manufacture and are easy to maintain later.And then the design and calculation of the transmission system and the overall structure of the design.Finally draw the assembly diagram of the whole machine and the parts of the important parts of the map.This article designed the deicing machine, with a simple structure, light weight, easy to manufacture and post-maintenance and other advantages.Keywords: deicing machine;wheeled trolley; gear drive;Percussion deicing; spring reset目 录1绪 论11.1 课题研究的内容和意义11.2 输电线的常见规格11.3输电线覆冰的危害11.4 除冰机器及其技术特点、发展趋向22总体原理方案设计42.1越障方案比较42.2 总体方案确定52.3驱动方式选择62.3.1 驱动源的类型的确定62.3.2减速方式的选择62.4除冰方式选择63运动参数的确定93.1行走电机参数的确定93.2敲击电机参数的确定93.3电机型号的选择103.4敲击盘的设计计算123.5翻转夹紧机构和复位机构重要零件的设计123.6 减速机构和弹簧的设计计算143.6.1链传动的设计计算143.6.2 敲击弹簧的设计计算163.6.3翻转机构弹簧设计183.6.4夹紧轮复位弹簧设计194传动轴及机架的设计计算204.1传动轴的设计204.1.1从动轴的设计计算204.2机架的设计计算23结束语25致谢26参考文献27附录I1绪 论1.1 课题研究的内容和意义 高压输电线路是目前运用广泛的远距离输电方法，由于电路在工作时悬挂在较高的地方，特别是偏远山区，线与线之间距离大，检修困难。结冰后很容易造成导线断裂，导线杆倒塌，造成大面积地区停电停产，停电时间长了可能会严重影响医院等特殊单位，可能会造成生命危险。目前主要是人为检修，虽然除冰效果好，不容易损伤导线，但是安全系数低，而且工作强度大效率低等问题非常突出。为了减少高压输电线结冰后对人们造成的利益损失，设计出方便电路检修人员使用一款高压输电线上具有自动除冰功能的机器尤为重要。 目前虽然已经有可以除冰的机器，但大多都是机器人，不能广泛的运用于实际生产中。在制造和使用时的费用都比较昂贵，而且大多处于理论或者技术不太成熟的阶段，因此创造出一种原理简单、自身重量轻、具有自动越障和除冰功能的机器，用来提高高压输电线路除冰时的工作效率、价格便宜，制造容易并保证工作人员安全的机器就显得非常必要了。1.2 输电线的常见规格经过询问我国有关输电部门，能够明白目前我国的输电情况，能够分为长距离和短距离输电，长距离主要有这几种类型: 110KV,输电导线横截面积240 ; 220KV,输电导线横截面积为500 ,一相两线,就是2500 ,每相两线之间用架子隔开,间距约为100mm; 500KV,导线横截面积为400mm2 ,一相四线,就是4 400 ,每相四线之间使用方形架子相对固定,间距约为100mm。近距离是市区和城镇，市区为10KV，横截面积50到120，城区为35KV，横截面积为120和150。可是两根导线杆之间的真实距离是根据当地的实际情况确定的，并没有固定的值。1.3输电线覆冰的危害 输电导线结冰具有很大危害，特别严重的时候是2008年南方雪灾的时候，导致了很多线塔的倒塌，并且导线结冰后每段距离的结冰厚度也可能不一样，在冰块脱落导线时有可能导致导线发生跳跃，导致输电线断裂；并且线路各档距内的覆冰厚度不均匀时，导线弧垂将会发生很大变化，造成悬垂的绝缘子倾斜，金具承受的水平方向作用力比较大，在覆冰过厚的电线杆之间，会造成导线严重下垂而发生接地事故22。架空地线因没有电流通过，温度低于导线的温度，其覆冰厚度可能大于导线，而使其弧垂值变大，从而缩小了与导线的距离，到一定程度时与导线之间会发生短路,在导线覆冰后容易发生导线晃动，相近的导线接触容易造成短路从而发生烧毁保险，从而导致停电23。具资料显示，1986年忻州分公司，由于导线覆冰10天内断电四次，共损失人民币3628.9739万元，给国家和人民造成了巨大的损失。绝缘子覆冰后，会大大降低绝缘性能，当冰块融化时容易形成冰柱，使绝缘子串短路，容易造成接地事故22。在今天这个智能时代，当没电时人们就已经无法正常生活，给人们造成了巨大不便，而且也会给国家或企业造成巨大的经济损失。因此研制一种实用的简单的除冰机对解决这个问题具有很现实的意义。图1.1 冰雪灾害造成的影响1.4 除冰机器及其技术特点、发展趋向 （1）2011年哈尔滨工业大学的学生发明创造出了一台高压线除冰巡检机器人，并且自已设计制造了随动越障扇轮、人字定心机构、碟形链传动等机构，使得该机器人在塔桥悬挂式电线上能够跨越障碍物而且速度不受影响，还能爬上30度左右的斜坡，可承受8级风力,这部除冰机器人上装有远程遥控模块，操作者可在室内控制机器人，具有无线视频功能可帮助工作人员在室内通过视频随时观察除冰机的工作状态及电线有无破损情况21。机器人上部还装有可以夜视的灯头，可以在黑夜和重度污染的天气下工作，但目前还处于实验阶段，并未投入实际使用。图1.2 高压线除冰巡检机器人 （2）中国科院沈阳自动化所在2006年研制成功了一台除冰机器人样机，该机器人采用双臂悬挂结构，通过机器本身配备的摄像机识别障碍物。通过机械臂的交替移动，对于高压线路一般障碍物都可以顺利跨越20。通过摄像设备该机器人对于线路设备损伤可以进行实时监测，但此机器对于间隔棒等难以跨越。 （3）长春理工大学研究的攀爬除冰机器人,涉及除冰机器人领域,解决了现有除冰机器人存在的靠人工送到铁塔高处、只能实现单一除冰功能的问题。包括传动机构、两个结构相同的第一除冰机构和第二除冰机构、两个结构相同的第一攀爬机构和第二攀爬机构、两个结构相同的第一机械手机构和第二机械手机构,第一除冰机构和第二除冰机构分别安装在传动机构左右两侧,第一攀爬机构和第二攀爬机构分别安装在传动机构前后两端,第一机械手机构安装在第一攀爬机构上端,第二机械手机构安装在第二攀爬机构上端19。本实用新型采用滑轮与机械臂相配的方式实现越障,结构简单,可靠性高,实现了机械臂攀爬、除冰、越障、检测等灵活多用的目的。 （4）哈尔滨工程大学发明了一种适用于输电线路巡检机器人的行走越障机械臂行进轮在自身重力的作用下实现对高压线的上夹持,并在遇到障碍物时能够克服压缩弹簧的弹力在竖直方向上发生偏移,以实现自主越障。但此设计只能用于具有成熟技术的除冰机的改进。 （5）美国魁北克水电研究所在90年代研究出了了一套面向120315kV线路的融冰优化的思路，通过实验模拟线路覆冰以后的情况，调整线路中的电流观察除冰效果。该仿真工具能够分析出不同网络结构下线路的除冰情况，通过最优控制方法以达到线路覆冰最小化的效果18。工作人员可以根据实际情况控制这种基于动态规划的除冰线路优化方法，并为实际的融冰方法的制定提供依据，以方便科学选择停运除冰线路。正常工作情况下通过控制转移电流很不放便，这有可能会引起系统的不稳定，虽然应用的输电网络PACTS设备范围越来越使得电网在电流控制方面更加灵活，但对于电网大面积结冰后，采用该除冰方法作用有限，而且耗费能源。 （6）美国TRC公司在90年代研制了悬臂自治巡线机器人,具有架空线长距离爬行、执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头灯检查任务，并将数据处理后传送给工作人员。当机器人遇到杆塔时，使用仿人攀爬的方法从侧面越过，但是该机器人的体积较大，不适合挂线和下线操作17。图1.3 悬线自治巡线机器人 由目前的研究成果看，由于工作环境特殊，各方面条件的限制，国内外还没有较为结构以及控制简单的具有跨越间隔棒或防振锤的成熟的越障除冰出现，目前除冰机正在向着结构简单、智能、小型化的方向发展。第 5 页 共 28页2总体原理方案设计2.1越障方案比较 （1）靠机械臂实现越障：这种方法一般对机器整体的控制系统要求较高，需要很复杂的控制系统，重量很难控制，并且没有除冰功能，但可以越过较大障碍物1。 （2）主动式越障机构：它由齿轮减速机构、支撑盖、转动圆盘、方位滚轮、方位滚珠和距离传感器组成。自锁电机可以实现除冰机在正常的直线除冰过程中的自锁,保证除冰机在线上的稳定性。在越障过程中,除冰机整机的前行和越障机构转动圆盘的转动以一定速度运动,使转动圆盘相对于障碍物转动,保证其顺利通过障碍物方位滚轮和方位滚珠沿转动圆盘的周向均匀分布于左右支撑盖内,也对转动圆盘起到了定位作用。这种机构虽然理论上可以实现越障，但机构本身体积受转动圆盘的限制，再加上除冰机整个机器体积就显得比较大了，重量也得不到控制，不合适高空作业的需求9。 图2.1 越障机械臂简图 图2.2 主动式越障机构简图 （3）压轮夹持的越障机构：行走时靠压轮夹持和高压线间的摩擦力带动除冰机前进，遇到障碍时夹紧轮由于受到间隔棒等障碍物的压力迫使弹簧发生形变，从而实现越障。遇到电线杆时靠连接夹紧轮的四杆机构偏转一定角度从而靠机械手使机器转到下一个电线杆2。图2.3 压轮夹持的除冰机简图 （4）夹爪夹持越障机构：其主要由连接杆、左右爪片以及旋转棘轮三部分组成。当整机遇到障碍物的时候,旋转棘轮能够绕轴线自由旋转使得障碍物顺利通过的同时还能自主回到旋转棘轮的初始位置。这种方法机构的爬坡能力不足，越障机构运动较为复杂6。图2.4 夹爪夹持越障机构 （5）这是指导老师讲解的一种越障方案，通过查阅资料，转动圆盘式的越障机构，靠圆盘转动从而机械手抓到导线上，既实现了行走，既实现了越障，但此方案对制造和安装精度要求较高3。图2.5 机械手转动越障 通过参考已有越障的方法，机械臂、压轮夹持、转动圆盘、夹爪夹持这几种，虽然均能实现越障但都有各种不足之处，所以本次设计要求结构要更简单，性能更好。2.2 总体方案确定 本次设计的重点是跨越间隔棒和跨越电线杆，所以最少最少需要两种以上机构才能完成越障4。通过查阅大量资料7，构思了以下两种方案： 方案一越障原理：除冰机放置在导线上，依靠压轮和夹紧轮与导线之间产生的摩擦力前进，遇到间隔棒时夹紧轮随着接触障碍物的程度变大，从而变成与导线平行的位置，通过障碍物后通过弹簧复位装置夹紧轮又回到正常工作位置，又与压轮夹紧导线继续前进，从而完成对间隔棒的跨越。最后利用类似曲柄滑块装置在机械手的帮助下实现对电线杆的越障。简图如下：图2.6 除冰机方案一 方案二：行走和跨越间隔棒还是采用同样的机构。把方案一中类似曲柄滑块机构替换为翻转装置，在跨越电线杆时，由机械手向下拉使夹紧轮离开导线，并向机器自身的外侧偏转一的角度，由机械手移动到下根导线，从而完成对电线杆的跨越。机构简图即如下图：图2.7 方案二 在对两种方案的机构的简洁性以及可制造性对比之下，确定最后方案为方案二。2.3驱动方式选择 2.3.1 驱动源的类型的确定 交流电机：电机功率虽然较大可以实现动力要求，但由于导线受空间的限制，不可以用于高空作业，因此在这里不合适。直流电机：振动方面有着不可替代的优势。绿色无污染，可以满足环环境保护要求的型号较多，选择种类多。现在已经有的电机，可以参考的有Z系列和ZY系列和ZT系列，但Z系列的电机一般使用在海拔高度较低的地方，但此除冰机大部分都是用在我国海拔较高的地区故不适合本次设计，本次需要的电机都不需要高频率调速，因此不考虑ZT系列的电机，所以最后确定用ZY系列的电动机。 所以设计最后采用ZY系列直流电机为驱动电机，采用蓄电池供电作为驱动源。 2.3.2减速方式的选择 （1）带传动 抗拉强度较大，耐湿性好，廉价，可以传送较大功率，但所需空间比较大，对空间要求比较高要求一定空间才能正常工作，使用时间长了容易产生打滑和疲劳破坏15。 （2）蜗杆传动 蜗杆传动用于交错轴间传递运动及动力，传动比大，零件数目少，工作较平稳，噪声低，结构紧凑，可以自锁；效率低，易发热，蜗轮制造需要贵重的有色金属，当滑动速度过大时，会产生严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化15。 （3）链传动 链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力情况较好，承载能力较大；与带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，可以适应高温和潮湿的环境有一定的缓冲与减震性能；中心距可大而结构轻便。但是同样，所需空间较大，但结构简单，使用方便比较适合本次设计要求15。 （4）齿轮传动 具有传动效率高、传动比大、传动扭矩大、寿命长等，但有传动距离小，噪声大、制造安装精度较高、价格较贵等缺点15。 为了能适应恶劣的环境，传动距离大、能具有一定的减震性能，以及机械效率等，所以最终选择链轮传动作为减速机构。2.4除冰方式的选择 目前已经用于实际的除冰方式有这几种： （1）靠热能除冰：通过使用交流电，利用热电阻原理是冰块消融，或者通过人工直接加热，这种方法虽然对环境无污染，但太耗费能源。 （2）化学方法除冰：通过使用化学物品洒落在导线上，从而使冰块慢慢融化，但这种方法容易损坏导线，对地面植被的损坏也比较严重。 （3）敲击棒除冰：此方法靠电机带动，从而不断敲打导线上的冰块，最终达到脱落的目的，这种方法高效节能。 （4）铣削除冰：这种方法除冰效率高，也无污染，但容易划伤导线磨损刀具。因此设计最终采用敲击锤除冰，这种绿色的除冰方式。 （5）挤压除冰：当挤压力达到一定的程度后，挤破冰块，这种除冰绿色环保，且易于实现，经济性好。 本次设计为了达到结构简单，易于制造等要求，故采用敲击棒敲击除冰和挤压除冰。设计的挤压轮和敲击棒如下图所示：图2.8 敲击锤示意图 图2.9 压轮示意图 1.机架 2.小链轮 3.大链轮 4.敲击电机 5.敲击锤 6.行走轮 7.行走电机图2.10 行走机构简图 1.大链轮 2.行走轮 3.夹紧轮 4.辅助支撑杆1 5.复位弹簧 6.辅助支撑杆2 7.夹紧轮支撑杆 8.机架 图2.11 越障机构简图 综合考虑:本次设计采用压轮和夹紧轮、复位装置和翻转机构实现越障、驱动采用ZY直流电机、除冰方式为敲击棒敲击除冰和压轮挤压除冰、采用链轮减速装置，从而完成导线上的越障和除冰。3运动参数的确定3.1行走电机参数的确定 经过参考我国现有的架线应力弧垂表，确定电线在最大档距120m左右弧垂最大为4m的情况下，算得导线与水平面之间的最大角度约为15，在此处考虑到电线结冰后导线之间的弧度会受重力影响会变大，所以此处取30。(1)对机器整体进行受力分析10，如下图：在此处M80Kg,=0.32,经计算可知(摩擦系数为硅铝合金与刚纸的摩擦系数)图3.1 行走轮在输电导线上上坡时的受力分析图(2)小车的行走速度为5到10，在此处取V=6m/min=0.1m/s (3)电动机功率的确定，经查资料知链传动的效率=0.96，由=621.7=64.7W考虑到过间隔棒时轮子的阻力，安全系数在此处取为1.3，则行走电动机的功率为 =64.71.3=84.11W,取P=85W. （3.1）(4)电机转速的确定 行走轮的最大直径取为100mm,行走轮内圈接触滚动直径取为60mm，行走轮速度 r/min， （3.2）最后确定链轮的传动比i=2.2，因此可知电动机的转速r/min（5）行走电动机扭矩的确定，2个行走轮扭矩的确定：， 3.2敲击电机参数的确定 取覆冰时的最大厚度为30mm2,覆冰的密度取850,环境的温度为-10摄氏度。由我国建筑中流冰的 ,此时导线的横截面积 A=,由公式可计算出剪应力的大小为 ,， （3.3）由 24.26=145.2W,敲击盘上有四个敲击棒，每次有一个棒参与敲击所以总功率1145.2=145.2W总扭矩=424.20.256=24.7N,最终取敲击电机的扭矩=25 图3.2 导线结冰后的横截面图 图3.3 敲击锤敲击冰块的示意图3.3电机型号的选择 因为机器是在高空工作，交流电机的性能不适合这里，而且磁电机的节能效果比异步机好；在转速方面异步电机的转速比永磁直流电机的转速更难控制，因此选择永磁直流电机作为设计的电机类型。型号SDDM-转矩（mN.m）转速（r/min）功率（W）电压（V）电流（A）不大于允许顺逆转速差（r/min）附注90ZYT013231500501100.6610090ZYT023231500502200.331002943000921101.22002943000922200.620090ZYT05294300092246.120090ZYT515101500801101.11005101500802200.5510090ZYT55510150080245.010048030001501102.020090ZYT5448030001502201.020079615001251101.610090ZYT10279615001252200.810090ZYT1067961500125246.520090ZYT10373330002301102.820090ZYT10473330002302201.520073330002302413.5200表3.1 电机选型表 因为该机器对重量的控制很严格，所以重量较小的电机因优先选择，而一般电池的电压和重量成正比例关系，因此为了符合设计要求的情况下选择行走电90ZYT05PX36A3。敲击电机为90ZYT106PX36A3，两种均为端盖安装方式。电机安装尺寸，如下图所示图3.4 电机安装及外形尺寸型号速比ABCDFGGAMSLALPJ55ZYT-PX4(6)16(36)64(216)256(1296)62441612204 9.5605.582.596.5110.5124.517118520922372J70SZ-PX4(6)16(36)64(216)256(1296)624416122049.5605.582.596.5110.5124.5203.5217.5213.5245.572J90SZ-PX4(6)16(36)64(216)256(1296)884416122049.576780.594.5108.5122.522423825226692J110SZ-PX41664 25611072402250618.9949145170195220335360385410112表3.2 电机安装尺寸表第 37 页 共 28 页3.4敲击盘的设计计算 本此设计采用敲击棒除冰，既达到了节能，又达到了除冰的效果。通过参考有关资料得知两根导线之间的距离为400mm,且确定每次有一个敲击棒敲击导线，这样有利于减小所需电机的扭矩和功率，从而减小能耗。通过计算发现，当一个角度为51，另一个角度为61。时既可以实现除冰，又能减小电动机的功率。原理图如图所示，图3.5 敲击盘设计示意图. 根据工作条件选择在此处取敲击头的重量为0.5kg,由于敲击盘旋转时主要受到离心力的作用，计算知最小敲击力 =103N, （3.4）（为弹簧的自由长度，为受到离心力时的伸长量），在此处设计R=127+40+=256mm，敲击头的长度为80mm,弹此时圆簧自身长度为51mm,再伸长38mm,此时敲击棒的质心刚好可以敲在导线上，最大限度的利用了电机的动能。盘中心距离导线的垂直距离为=161.1mm敲击盘装配图：图3.6 敲击盘装配示意图3.5翻转夹紧机构和复位机构重要零件的设计 由于除冰机再遇到电线杆时要有一定的越障能力，故设计一翻转机构在机械手的帮助下翻越电线杆。翻转夹紧机构的设计要考虑三个方面，一是要有翻转能力，二是要有一定的夹紧能力。通过查阅相关资料13，作出了以下简图。翻转机构简图： 图3.7 翻转机构机构简图 在这里设上翻转杆的长度为A，弹簧长为B，弹簧夹紧时的长度为C,套筒底部到下机架的长度为D，夹紧轮的半径为R，机器总高为H。即要满足当正常工作时,要翻转时应满足.经计算可知，具体尺寸如图所示。还有夹紧轮支撑杆如下图所示： 图3.8 下翻转机构零件图 图3.9 上翻转杆零件图图3.10 夹紧轮支撑杆示意图3.6 减速机构和弹簧的设计计算 由于前面确定使用链轮减速器，故在此对链轮和链条的参数进行确定。由机械设计手册可知，滚子链和链轮啮合的基本参数是节距，滚子外径和内链节内宽，并且所有的元件都需要进行热处理，以提高其强度、耐磨性、抗冲击性，考虑我国链条的生产历史现状，以及世界上许多国家的链节距都是采用英制单位，我国主要使用的A系列滚子链传动的设计15。因此本次设计也采用A系列链传动进行设计。 齿形链在工作时没有噪声，传动更平稳，承受冲击性能好，但齿形链比滚子结构复杂，难于制造，价格较高,故本次设计确定为设计一个滚子链15。要求链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度，由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受的冲击也大，故小链轮应采用更好地制造材料，滚子链是由滚子、套筒、销轴、内链板和外链板组成，内链板和套筒之间，外链板与销轴之间为过盈配合，滚子与套筒之间、套筒与销轴之间为间隙配合，当内外链板相对挠曲时，套筒可绕销轴自由转动，滚子是活套在套筒上的，工作时，滚子链沿链轮齿廓滚动，这样就可以减轻齿廓的磨损15。链的磨损主要发生在销轴和套筒的接触面上，因此，内外链板至少应该留有间隙，以便润滑油渗入销轴和套筒的摩擦面之间，链板一般为8字形，以使它的各个很截面具有接近相等的抗拉强度，同时也减少了链的质量以及运动时的惯性力，当传递大功率时，可采用双排链或多排链，故本次设计采用单排链，链的寿命取决于材料和热处理方法，故所有链的组成原件均需采用热处理15。3.6.1链传动的设计计算 取链传动的传动比i=2.2,主动轮69.96r/min.齿数的选择：取小链轮的齿数,则大链轮的齿数 (1) 确定计算功率.查工况系数表知,查主动链轮齿数系数，单排链则 1.01.364.7=84.11W （3.5）(2) 选择链条型号和节距. 根据=84.11W，n=69.96r/min和,查表滚子链规格和主要参数表可选08A号链条，链条节距P=12.7mm.计算链节数和中心距.初选中心距=（30-50)P=381mm-635mm,相应的链长节数为 =96.29mm， （3.6）取链长节数97mm.查链传动布置表，采用线性插值法计算得到中心距，最大中心距为 =624.84mm. （3.7）计算链速V. ， （3.8)由V=0.2m/s和08A，所以本链条应采用滴油润滑。计算压轴力. , （3.9）压轴力系数,=1.053200=3360N (7) 链条型号为08A-1，链轮齿数=10,=22,链节数=97,中心距a=500mm. 小链轮参数:=41mm , （3.10） =55mm （3.11）41-2=39mm ,=7.3mm, =1.651mm , （3.12） =p=13 （3.13） 大链轮参数：， （3.14）=104mm90-2=88mm,=7.3mm,=1.651mm,=p=13图3.11 大链轮示廓图3.6.2 敲击弹簧的设计计算 弹簧在各种机械中应用十分广泛，主要用于：控制机构的运动，例如离合器中的控制弹簧，减震和缓冲，像汽车的弹簧，储存和输出能量，像枪的扳机，测量力的大小，像弹簧测力计15。按照承受的载荷又可以分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，而按弹簧的形状的不同，又可以分为螺旋弹簧，环形弹簧，蝶形弹簧，板簧，平面涡卷弹簧等等15。为了满足结构设计以及实现机构功能，特设计如下图所示带钩的拉伸弹簧15。 图3.12 带钩拉伸弹簧1.敲击弹簧的设计 (1).根据工作条件选择材料和许用应力。现选用碳素弹簧丝SL型，在此处取敲击头的重量为0.5kg,由于敲击盘旋转时主要受到离心力的作用，知最大敲击力 =103N, （3.15）从弹簧材料及其许用应力表知，=564MPa,（为弹簧的自由长度，为受到离心力时的伸长量），在此处设计R=127+40+=256mm （2).现选取弹簧的旋绕比C=6，则由 =1.25, （3.16）根据公式可得=1.87mm，所以在此处取d=2mm.查=1540MPa，重新计=548MPa取D=14mm,C=10,计算得K=1.1448，与原估值相近，根据GB/T1358-2009,取d=2mm,D=14mm (3)根据刚度计算弹簧圈数n. =18.5 （3.17）,此时弹簧的刚度=3.11(4) 验算 弹簧的初拉力=18.8N, （3.18） 初应力=119MPa, （3.19）按照弹簧初应力选择表可知C=6时，推荐值为60到145MPa,所以此应力值合适。极限工作应力 =862.4MPa,极限工作载荷F=161.7N,抗弯扭系数b=3.6,节距P=2mm螺旋角 =2.604最后根据GB/T2087-2001中选择与计算接近的弹簧为 d=2mm,D=14mm,n=18.5,=51mm3.6.3翻转机构弹簧设计 (1)考虑到下半部分机架和轮子的重量，取一半重量为10kg,平均每个弹簧的工作应力为 =50N,最小伸缩量应大于轮子半径值，还是选用SL型碳素弹簧丝，从弹簧材料及其许用应力表查， =0.80.51600=640MPa (2)根据强度条件计算簧丝直径，现选取旋绕比C=7，由知k=1.212,由 =1.303mm由于空间限制还是取标准簧丝直径d=2mm,D=20mm C=10. （3）根据刚度条件，计算弹簧圈数n由 ，知=0.963,由弹簧及其材料许用应力表知G=81000MPa,则弹簧的圈数为=20.5，此时弹簧的刚度为=0.963N/M （4）验算 弹簧初拉力 =9.24N,初应力 =58.8MPa,由弹簧应力选择图知，C=10时推荐值为45MPa到130MPa,所以此值符合要求。 极限工作应力=896MPa,极限工作载荷F=107N最终确定弹簧参数为d=2mm.D=20mm,=61mm，P=2mm,=1.83.6.4夹紧轮复位弹簧设计1.夹紧轮复位弹簧设计(1) 此处考虑到夹紧轮在受到间隔棒的阻力时可以正常工作，所以弹簧的拉力应大于轮子与间隔棒之间的摩擦力，既可以实现拉伸，又不会影响机器整体的前进。弹簧的拉力应大于 =0.321010=32N.(2) 弹簧采用SL型碳素材料，查弹簧材料及其许用应力表知，=1550MPa (3) 根据强度条件设计簧丝直径，现选取旋绕比C=5，由K的计算公式知：，由实际情况初步确定簧丝直径d=2mm,D=18mm,C=9.根据刚度条件设计弹簧圈数n.由 0.648N/M,由弹簧及其材料许用应力表知G=82000MPa,则弹簧的圈数为,此时弹簧的刚度0.648(3) 验算弹簧初拉力 =9.24N,初应力 =69.35MPa，由旋绕比C=10时，推荐值为30MPa到90MPa，所以此设计符合要求。 极限工作应力=0.561550M