毕业论文-地沟清淤机器人执行装置的设计及强度计算

地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算摘要全自动清淤机作为全新的产品和工业化扩展区域的需要，可以替代大量环境恶劣、渣屑强度大、渣屑硬度高的工作。本论文主要针对清淤机的执行装置进行设计，在机器人运行过程中，第一个齿形翻卷器挖卷起地面上的铁屑、泥渣等物品，通过翻卷器的转动运到第二个斜板形翻卷器，再通过第二翻卷器的转动把废品运到第三个斜板形翻卷器，第三个翻卷器的翻转使废屑传到传动装置运到目的地。整个装置都是通过电机控制转动，通过齿轮啮合控制各零件的转速与转向。本设计也系统地进行了轴的结构设计、装置的受力分析，研究各零件的固定方式，选择轴承及各零件材料，以及考虑到机器人所有可能的工作环境，得出这个最佳的执行装置构型。关键词：清淤机，清淤方法，机器人，执行装置I地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算AbstractThecompletelyautomaticdesiltingmachinetakesthebrand-newproductandtheneedingofexpandingintheindustrializationregion,maysubstitutethemassiveworkwhichisinbadenvironment,highdegreeofhardnessandbigintensityoftherefuse.Thepresentpapermainlyaimsatdesigningthedesiltingmachineexecutivedevicing,intherobotrunningprocess,thefirsttoothprofilewhirlsarounddigscurlsupironfilings,slimeandsoonthegroundgoods,whichthroughthewhirlsaroundrotationtransportstothesecondslantingshapeofstripwhirlsaround.throughthesecondwhirlsaroundrotationalsotransportsthewasteproducttothethirdslantingshapeofstripwhirlsaround,andthethirdwhirlsaroundturnoverenablesthedirttopasstothetransmissiondeviceandthentransportstothedestination.Theentireinstallmentisthroughthemotorcontrolingrotation,throughthegearmeshingcontrolingtherotationalspeedanddirectionofvariouscomponents.Thepresentpaperhascarriedontheaxisstructuraldesign,theinstallmentstressanalysissystematically,studiesvariouscomponentsthefixedway,choosesthebearingandvariouscomponentsmaterial,aswellasconsideredtherobotallpossibleworkingconditions,toobtainthisbestdirectorconfiguration.Keywords：Desiltingmachine,desiltingmethod,robot,executivedeviceII地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算目录摘要.IABSTRACT.II第一章前言.11.1地沟清淤机器人设计的意义.11.2地沟清淤机器人的发展现状.31.3本论文研究的基本内容和解决的问题.6第二章执行装置的结构设计.72.1挖掘器的设计.72.1.1链轮1的设计.72.1.2轴的设计.82.2铁渣盛皿的结构设计.92.3翻卷片结构的设计.92.3.1链轮2的设计.102.3.2轴的设计.102.4小车的结构设计.112.4.1车轮的设计.122.4.2轴的设计.122.4.3链轮的设计.132.4.4前轮长轴的设计.132.5地沟机器人执行装置的总体设计.14第三章强度计算.153.1挖掘器的强度计算.153.1.1挖掘器中铁渣质量的计算.153.1.2挖掘器的强度计算.163.2电动机的选择.183.3减速器的选择.203.3.1选择蜗轮蜗杆的传动类型.213.3.2选择材料.213.3.3按齿面接触疲劳强度计算进行设计.213.4轴的设计(按钮转强度计算）.223.4.1后车轮短轴的设计.223.4.2挖掘器轴的设计.283.5轴的校核.313.5.1挖掘器轴的校核.313.6轴承的校核.343.6.1挖掘器轴轴承的校核.34第四章结论与展望.374.1设计结论.37III地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算4.2对进一步设计的展望.38参考文献.39致谢.41声明.42IV地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算第一章前言1.1地沟清淤机器人设计的意义70年代以来，铁水预处理特别是铁水炉外脱硫技术发展很快，目前世界各国己在生产中广泛应用，它对提高产品的质量、扩大品种范围、改善炼铁炼钢各项经济指标都有重要的意义。我国近几年也在研究和开发这项新工艺、新技术，除从日本引进KR法（机械搅拌法）铁水脱硫技术以外，自己研究开发的直接喷吹细石灰粉脱硫新工艺，效果好，已进入国际先进行列。经过脱硫的铁水必须先除渣，才能兑入转炉进行冶炼，否则渣中的硫和其他有害成分在冶炼过程中又要重新回到钢水中去，显现不出脱硫的效果。高炉铁水含渣量也较大，约为铁水量的1%左右，渣的硫含量有时高达1.5%，因此利用高炉铁水直接冶炼也要求先清淤。随着铁水炉外脱硫技术的发展，清淤机的使用将会愈来愈普遍。并且在浇铸过程中，铸模中铅液的表面浮着一层氧化渣，如不在铅液冷却凝固之前将其表面的浮渣去除，就会严重的影响铅锭的外观和质量，达不到铅锭标准要求。为保证铸锭的表面质量，国内的电铅冶炼企业通常采用人工方式将其逐模捞除。随着电铅冶炼生产线的引进，目前国内的冶炼企业中，电铅的生产过程中劳动强度最大的铸锭、堆垛、排板和制片等操作早已被先进的装备所取代，而一些配套的设备如捞渣、析出铅处理等的装备水平仍然有待提高。地沟清淤机器人即清淤机是地下掘进、开挖、装运机械设备代替人工和间歇式机械的替代新科技产品，是安全快速的地下工程施工的重要保障。属工程机械、洞采设备、地下开挖设备、隧道工程设备、铁路隧道工程设备、公路隧道工程设备、电站引水洞工程设备、矿业井巷掘进设备、水利工程导流洞掘进设备、涵洞掘进设备、煤矿巷道掘进设备、金属矿掘进设备、铁矿掘进设备、磷矿装运设备、锰矿采装设备、井巷工程装运设备、输送设备、装卸设备、施工设备、采掘设备、铲运设备、铲运机械、综采设备、土方机械、石方机械、混凝土机械、隧道与地下设备、筑路机械，、隧道机械、物料装卸机械、煤矿防爆设备。用途范围广泛，最适合场地狭小空间的狭矮作业。目前在各类冶炼厂中，清淤机的应用较广泛的是钢铁冶炼行业，主要用于炉内或钢水包的清淤。在有色冶金行业，铝、铅、锌等产品批量大的金属，通常采用铸型机铸锭的方式，需要铸模再线清淤，对清淤机的自动化程度、工艺适用性与工作可靠性提出了苛刻的要求。目前的技术难以1地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算满足生产要求，各企业还是采用人工方式清淤，许多清淤机开发尝试工作取得一定进展，但仍未推广应用。首先是冶炼金属的危害。由于一般冶炼的金属是属重金属，熔点沸点均比较高，浇铸现场存在从高温的铸模中逸出的金属蒸气。清淤作业工人长期近距离接触金属液，金属气经呼吸道和皮肤进入人体，造成重金属中毒。冶炼工人每年都需定期休假疗养，使用药物排毒。另外，人工清淤的工作条件十分恶劣，表现为：（1）环境温度高，铸模上方最高达500以上，烟尘重；（2）金属液遇水易发生爆炸飞溅，对清淤工人有烫伤的危险；（3）劳动量大，若由人工进行清淤，操作者在铸模旁弯腰作业，逐模清淤，动作频繁。因为在浇铸生产线上，金属浇铸以工艺要求的速度传送，要保证清淤效率，工人需要每8秒钟需完成一次清淤、抛渣、清铲、返回等动作循环。（4）成本、工费高。到目前，国内外还未研制出技术成熟、效果理想的自动清淤设备，在我国的金属生产冶炼行业中，仍是由工人在恶劣的生产现场实行人工清淤，严重损害工人的身体健康。所以，实行机械化、自动化清淤是金属冶炼生产行业中亟待解决的问题。清淤机的优点也有很多。清淤机包含液压行走，挖掘，采集，输送，装车，清理场地六种功能。其中液压行走的功能是通过液压马达，减速机，传动轴，再到减速机输送驱动车轮，液压马达具有前行，后退，自动刹车三种功能；挖掘采集功能由机械手完成的，机械手具有挖掘、伸臂、装料、卸料功能，大臂可上升、下降、左右回转，挖掘采集的操纵由全液压控制，由六个手柄操作，每一个手柄控制两个动作，共十二个动作，此技术综合采用大型挖掘机操作流程改进而成使用方便，易操作.输送，装车功能由输送机系统完成，其输送架由液压缸控制升降，输送架下降可将前轮支起，同时输送架前接料口与矿石接触面更紧密，工作时稳定性更强，同时可以接合散料，平整常地，传送带宽度为650-700mm，传送速度为800-900mm/秒，传送带又一台2.2kw电机带动减速机驱动的主动滚筒，此方式传动性能更稳定，使用寿命更长，维修更方便。清淤机改变了原来施工的半机械化、间断出渣装运并需大量人工协同的低速度高安全风险、高成本的状态。清淤机集扒、挖、耙、装、运、卸行走于一体，连续高效生产。是现在狭小场地施工保证高产、高效、低安全风险、低成本；增强市场竞争力；提高产量进度快速占领市场；提前超额完成任务工期等等可见的成效。2地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算1.2地沟清淤机器人的发展现状清淤机是冶金行业普遍使用的，用于清除熔融金属液表面浮渣的专用设备。目前在各类冶炼厂中，清淤机的应用较广泛的是钢铁冶炼行业，主要用于炉内或钢水包的清淤。在有色冶金行业，铝、铅、锌等产品批量大的金属，通常采用铸型机铸锭的方式，需要铸模在线清淤，对清淤机的自动化程度、工艺适用性与工作可靠性提出了苛刻的要求。目前的技术难以满足生产要求，各企业还是采用人工方式清淤，许多清淤机开发尝试工作取得一定进展，但仍未推广应用。（1）铁水清淤机现在我国钢铁冶炼行业，清淤机已得到广泛应用。因为对于冶炼低硫钢种的铁水和实现少渣冶炼操作的钢厂来说，在铁水预处理后需增加清淤工序，除去铁水表面的渣。其中典型铁水清淤机的有以下几种型式：全气动小车走行式清淤机，液压小车行走式清淤机，液压伸缩臂式清淤机。全气动小车走行式清淤机是国内使用较早的铁水罐除渣设备。它采用压缩空气作为动力源，在清淤小车上装有清淤臂上下摆动装置、清淤板位置微调装置、清淤臂夹紧装置和清淤臂旋转装置。清淤机行走、回转、清淤等动作都通过气缸完成。其特点是工作速度快、但占地面积较大，清淤力小，结构较单薄。液压小车行走式清淤机的形式与气动小车行走清淤机相似，但采用液压驱动。设备包括：液压站、小车行走装置、清淤臂上下摆动装置、清淤机左右摆动装置、清淤板初始位置微调装置、电气控制系统等几部分。其特点是结构形式较气动清淤机牢固，工作稳定可靠、清淤力大，但占地面积也较大，液压设备要求高。液压伸缩臂式清淤机是通过清淤臂的伸缩、清淤臂旋转和清淤臂升降3动作的协调来完成清淤任务。由液压站、操作站、清淤臂伸缩驱动装置、机身整体回转装置、清淤臂整体抬升装置，清淤臂上下摆动装置、机座、液压管线、电气控制系统等部分组成。其特点是占地面积较液压小车行走式清淤机小，工作稳定可靠、清淤力大，但伸缩臂结构复杂，液压设备要求高。3地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图11铁水清淤机（2）铝铸型机用清淤机中南大学机电工程学院曾在1999年研制了应用于电解铝行业的全自动清淤机。根据铝渣容易粘结，质量较轻的特点，铝清淤机采用了动铲和定铲配合的方式清淤，然后通过气缸驱动的冲渣机构清铲，其工作原理示意图如图12所示。它由底座、调整台、台车、同步机构、清淤机构、冲渣机构、清淤臂、提铲落铲机构和倒渣机构等部分组成。其工作过程如下：初始位：清淤臂抬起，动铲缩回，台车返回左端；第一步：在同步摆杆限速作用下台车与铸模徒步移动，同时铲渣与铸模对正。第二步：落铲，清淤臂在不等边四杆升降机构的带动下，使动铲与定铲同时落入铸模的两端；第三步：清淤且同时倒渣，动铲匀速将铸模内浮渣从一端扒向另一端，与定铲合拢，同时渣斗完成倒渣与复位动作，清空斗内上次循环留下的铝渣；第四步：提铲捞渣，升降机构带动动铲与定铲将扒拢的铝渣捞出并提至渣斗上方；第五步：冲渣，冲渣气缸经齿轮齿轮条机构，驱动冲头作往复运动，将渣冲入渣斗内；第六步：复位，台车与动铲返回，等待下一循环。图12铝铸型机用清淤机结构图4地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算该机采用独特的动铲定铲清淤方式，止推式同步摆杆机构，不等边四杆提铲捞渣机构以及气缸后置式冲渣机购，达到了铲模对正基同步移动可靠，清淤干净，捞渣快捷，清铲干净，使用维护方便等工业生产要求。它能自动完成在线逐模清淤作业，清淤死区小，清淤质量达到国家重熔铝锭外观质量标准要求。由于铅渣和铝渣的性质不同，铝渣密度较小，容易粘结，而铅渣不易粘结，因此若采用这种双铲式的机构应用于铅清淤机，也容易使铅渣掉落。（3）日本契岛冶炼厂的铅清淤机清淤机作业为电铅冶炼生产线的辅助装置，目前还没有技术成熟的设备投入使用。国内外冶炼企业多是根据各自生产情况，制定了相关设计方案。日本契岛冶炼厂所提出的清淤机方案如图1-3所示。图13契岛冶炼厂清淤机设计方案清淤机布置在电铅铸锭机定量浇注机处，清淤机各部件设置在一个小车上，而集渣斗、渣斗设置在电铅铸锭机旁。清淤小车随铸定机的锭模同步运行，两个清淤机械手在气缸作用下张开，同时下降到铅液中，机械手合拢，将铅锭表面浮渣捞起后，清淤小车脱离铅锭模返回时，清淤机械手在气缸作用下横向移到集渣斗上方后张开，铅渣落入集渣斗中，在气缸作用下集渣斗刮板将浮渣刮入渣斗之中。该设备采用两清淤板合拢的方式除渣，尚未见投入生产应用以及工作情况的报道。该方案中实现清淤机械手的合拢运动较为困难，且由于机构复杂，其合拢精度和工作可靠性都难以保证。5地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算1.3本论文研究的基本内容和解决的问题目前，工程类的机械设计基本上有两种情况。其一，是根据具体加工对象的具体的情况进行专门设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着我国机械行业的不断发展与成熟，广大机械设计者总结自己的理论与实践经验，将某些部件组合起来，有可能设计出具有新功能的通用部件。本课题是地沟清淤机器人的执行装置设计与强度计算，基本是基于第一种情况而进行设计。鉴于传送装置的结构设计的特点，对本设计提出如下要求：(1）效率高，能够平稳的把地面煤渣运到后面的收集皿中，再经传送装置运到目的地。(2）结构简单，清淤机运行操作时变换空间不大，造价便宜。(3）根据现场使用情况，要求该执行装置能扎入地面以达到清淤干净的效果。根据以上要求，本设计拟解决以下几个问题：(1）完成对执行装置的设计。(2）完成对几个重要部件的选择及计算。(3）为了防止在拾取中钢渣不能掉落，要求执行装置挖掘器的运行翻转速度不能太快，要选择一个合适的电动机和减速器来控制其速度。6地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算第二章执行装置的结构设计2.1挖掘器的设计图2-1挖掘器结构挖掘器位于小车的最前面，清淤机到达工作地点后，通过链传动和轴连接，电机带动挖掘器转动，挖掘器拾取地面的铁渣翻转到后面的铁渣盛皿中，再经后两个翻卷片使铁渣运送到传动装置。2.1.1链轮1的设计把链轮固定在挖掘器轴上，通过链轮外啮合连接固定在小车上的链轮。7地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2-2链轮1的形状与尺寸2.1.2轴的设计轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。地沟清淤机器人车体中作回转运动的零件-挖掘器就装在轴上。轴穿在轴承中间，有键槽处的轴段安装链轮。轴的第二粗段与轴承相接触(便宜安装于固定)，已知挖掘器的转速和受力情况等条件，通过计算来确定轴最细处的直径，并按照轴的设计规则确定其他轴段的轴径以及长度。图2-3轴的形状8地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2-4轴的尺寸2.2铁渣盛皿的结构设计图2-5铁渣盛皿如图所示，铁渣盛皿由三段弧面构成，最前面弧上是挖掘器，后两段弧上是翻卷片。在小车上设置盛皿使铁渣在拾取运送过程中不致于掉落在车上。2.3翻卷片结构的设计翻卷片的作用是把铁渣运送到传动装置，最终运走铁渣，实现清理功能。9地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2-6翻卷片2.3.1链轮2的设计把链轮2固定在翻卷轴上，两个链轮，一个通过链条连接与蜗轮蜗杆减速输出轴连接的轴上的链轮。另一个通过链条连接固定在小车上的链轮，详细连接方式见装配图式。图2-7链轮2的形状与尺寸2.3.2轴的设计地沟清淤机器人车体中翻卷片也是作为回转运动的零件，也是通过轴来支承转动零件并与之一起回转，翻卷片就装在轴上。轴穿在轴承中间，有键槽处的轴段安装链轮。轴的第二粗段与轴承相接触(便宜安装于固定)，由前面挖掘器转速和链轮传动特点，计算出翻卷片的转速与受力情况等条件，通过计算来确定轴最细处的直径，并按照轴的设计规则确定其他轴段的轴径以及长度。10地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2-8轴的形状2.4小车的结构设计行走机构包括电动机、减速器、车轮、轴承、轴、联轴器等部件。电动机通过链传动带动减速器转动，减速器再通过链传动带动前车轮轴的转动，从而实现清淤机器人的行走功能。考虑车轮的转动速度，电动机采用Y系列三相异步电动机。为了节省车内的空间并考虑到车体的高度，采用体积较小的蜗轮蜗杆减速器。两个前车轮之间用一个长轴经联轴器连接起来，长轴上安装有链轮，经链传动与减速器相连。图2-9行走机构的形状11地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算2.4.1车轮的设计考虑到车身的高度和载重，确定轮毂的直径为460mm，轮毂外圈采用橡胶轮胎，增大车体与地面的摩擦力，使车体行走起来更平稳。尺寸标注是1:5图2-10车轮的尺寸与形状2.4.2轴的设计车轮作回转运动的零件就装在轴上，轴穿在轴承中间，有键槽处的轴段安装车轮。轴的最粗段与轴承相接触，已知车轮的转速和受力情况等条件，通过计算来确定轴最细处的直径，并按照轴的设计规则确定其他轴段的轴径以及长度。图2-11轴的形状12地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2-12轴的尺寸2.4.3链轮的设计把链轮固定在减速器的输出轴上和前轮长轴上，通过链条连接。图2-13链轮的尺寸与形状2.4.4前轮长轴的设计长轴位于两个前轮之间，通过两个联轴器与车轮轴连接起来。长轴上固定有一个链轮，电动机通过链传动驱动长轴转动，带动两个前轮转动，使地沟清淤机器人行走起来。13地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图2.14前轮长轴的形状2.5地沟机器人执行装置的总体设计图2.15执行装置的总体设计14地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算第三章强度计算3.1挖掘器的强度计算3.1.1挖掘器中铁渣质量的计算根据体积公式，初步估算托台上的铁渣的体积，VSL（3-1）图3-1图3-1中：L1=128mmL2=106mmL3=72mmL4=21mmR1=97mm1=45R2=120mm2=60S=S1S2+S3+S4式中S1为梯形面积，S2为大扇形面积，S3为三角形面积，S4为弧形面积铁渣的体积:12872106V2603601201245722136019729075800V3346.4cm铁渣的密度=7.8103kg/m3，15地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算铁渣的质量mv7.83346.410261.02kg铁渣的重力Gmg261.02kg9.8N/kg2557.996N挖掘器本身的体积vs.h1259080018902.8cm挖掘器是由铁制造的，所以挖掘器的密度=7.8103kg/m3，挖掘器的质量mv7.818902.810147.44kg挖掘器的重力Gmg147.449.81444.91N所以挖掘器上总的重力GGG2557.9961444.914002.9N3.1.2挖掘器的强度计算图3-2挖掘器的受力图剪切强度条件为F=（3-2）d20416地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算挤压强度条件为F=（3-3）PPdL0min式中：F工作剪力，N；d剪切面的直径，mm；0L连接杆与孔壁挤压面的最小高度，mm；min许用挤压应力，MPa；P许用切应力，MPa。如上图FG4002.9Nd30mmL16.5mm所以F5.666MPa4FdL8.087MPa查表可知:挖掘器采用45钢，进行正火处理，=355，安全系数为3。符s合计算结果要求。17地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算3.2电动机的选择（1）选择电动机类型按工作要求选用Y系列全封闭自扇冷式笼形三相异步电动机，电压380V。（2）选择电动机容量电动机所需工作功率为Pd=Pw（3-4）工作机所需功率为FvP=kW（3-5）w1000初步估算清淤机器人的总重量约为270kg，轮胎与地面的摩擦因数为0.36，车的速度为4m/s0.25G0.25270100.36243NFv10000.972Kw传动装置的总效率为=21234（3-6）确定各部分效率：链传动效率=0.96，滚动轴承传动效率（一对）：=0.99，蜗轮蜗杆传动效率：=0.82，联轴器效率：=0.99带入得=0.960.9920.820.99=0.764所需电动机功率为Fv24300.4P=1.3kWd100010000.76418地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算因载荷平稳，电机的额定功率Ped略大于Pd即可。由下表，Y系列电动机技术参数，选电动机的额定功率Ped为1.5kW。（3）确定电动机转速轮子的工作转速n=60r/minw图3-3电动机外形i1=25；蜗轮蜗杆减速器传动比常用范通常，链传动的传动比常用范围为i2=1040；则总传动比的范围为i=20200，故电动机转速的可选范围围为为n=in=(20200)60=120012000r/mindw符合这一范围的同步转速有1500和3000r/min，现以同步转速3000和1500r/min三种方案进行比较表3.1两种电动机的技术参数方案电动机型额定功率同步转速满载转速参考价格总传动比号/kWr/minr/min/元1Y90S-21.530002840910942Y90L-41.5150014009184719地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算方案1电动机重量轻，价格便宜，但总传动比大，传动装置外廓尺寸大，制造成本高、结构不紧凑，故不可取。综合考虑，现选用方案2，即确定电动机型号为Y90L-4。表3.2Y系列电动机的技术参数电动机型号额定功率满载转速堵转转矩最大转矩额定转矩额定转矩/kW/(r/min)同步转速1500r/min,4级Y801-40.5513902.22.2Y802-40.7513902.22.2Y90S-41.114002.22.2Y90L-41.514002.22.2Y100L-42.214202.22.23.3减速器的选择图3-4蜗轮蜗杆减速器20地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算3.3.1选择蜗轮蜗杆的传动类型根据GB/T10085-1988选择ZI3.3.2选择材料蜗杆选45钢，齿面要求淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用ZCuSn10P1，金属模制造。为了节约材料齿圈选青铜，而轮芯用灰铸铁HT100制造。3.3.3按齿面接触疲劳强度计算进行设计总传动比ian1400=，p=1.3kwm23.33n60w（1）根据闭式蜗杆传动的设计进行计算。先按齿面接触疲劳强度进行设计再校正齿根弯曲疲劳强度，传动中心距ZZaKT()（3-7）e2N按z=，估取=0.75，则：11PP蜗轮上的转矩T=9.951062=9.951061（3-8）nn12i161.30.75=9.9510=161664.4Nm140023.33（2）确定载荷系数K应工作比较稳定，取载荷分布不均系数K=1.3；选取使用系数1.15K=；A由于转速不大，工作冲击不大，可取动载荷系数K=1.05；则rK=KKK=1.31.151.05=1.57（3-9）Ar（3）确定弹性影响系数ZE因选用的是45钢的蜗杆和蜗轮用ZCuSn10P1匹配的缘故，有21地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算1Z=160MPa（3-10）2E（4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径dd和中心距a的比值10.35=，可查到Z2.91a（5）确定许用接触应力H根据选用的蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度45HRC，可查得蜗轮的基本许用应力H=268MPa。应力循环次数1400N=60jnL=601(183008)=6.910（3-11）7223.33寿命系数107K=8HN6.91070.79（3-12）则H=KHNH=0.79268MPa=211.72MPa（3-13）（6）计算中心距a1602.91.57161664.4()=54.523211.72取a=55mm，取模数m=1.6，蜗杆分度圆直径d=mm。以上算法有效。128（7）精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度选择8级精度，侧隙种类为f。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度。3.4轴的设计(按钮转强度计算）3.4.1后车轮短轴的设计1）初步设计22地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为T9.5510P6=MPa（3-14）W0.2dn3T式中：为轴的扭切应力，MPa；T为转矩，Nmm；W为抗扭截面系数，Td3mm，对圆截面轴0.23W=d3；P为传递的功率，kW；n为轴的转速，T16r/min；d为轴的直径，mm；为许用扭切应力，MPa。初步估算清淤机器人的总重量约为270kg，轮胎与地面的摩擦因数为0.36，车的速度为4m/s则0.25G0.25270100.36243N（3-15）F0.972Kw（3-16）n=60r/min表3.3常用材料的值和C值轴的材料Q235,20354540Cr,35SiMn/MPa1220203030404052采用45钢作为轴的材料，许用扭切应力取30MPa则，把数据代入确定轴的最细处的直径23地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算9.5510P9.55100.97266d=30mm330.2n0.26030确定轴的最细处的直径为40mm。2）确定轴的径向尺寸当相邻轴段直径变化处的轴肩是为了固定轴上零件或承受轴向力时，其直径变化值要大些；当相邻轴段直径变化处的轴肩仅为了装拆方便或区别加工表面时，其直径变化值可较小，甚至可采用同一公称直径而取不同的偏差值。其直径的变化量可取1-3mm。所以，确定第二段轴的直径d2=45mm，第三段轴的直径d3=50mm。图3.5轴的形状和尺寸3）确定轴的轴向尺寸轴向安装传动零件的轴段长度应由所装零件的轮毂长度确定。由于存在制造误差，为了保证零件轴向固定和定位可靠，应使轴的端面与轮毂端面间留有一定距离l一般取l=1-3mm。同理，轴端零件的固定也如此。安装键的轴段，应使键槽靠近直径变化处，以便于在装配时，轮毂上的键槽与轴上的键容易对准。轴的外伸长度取决于外接零件及轴承盖的结构。如轴承端装有联轴器，则必须留有足够的装配距离。车轮的轮毂的长度为50mm，确定轮毂处轴的长度为60mm，第二段的轴的长度L2=30mm，第三段轴的长度L3则应根据所选轴承的宽度来确定。4）轴承的选择与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点，所以获得广泛应用。它的缺点是抗冲击能力较差，高速时出24地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算现噪声，工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。表3.4滚动轴承的主要类型和特性综合清淤机器人的使用情况，轴承采用深沟球轴承，原因是深沟球轴承主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的轴向载荷，车轮主要受车的重力和摩擦力，属于径向载荷，因此采用深沟球轴承比较合适。在对轴的选择过程中可知，安装轴承处的轴的直径为50mm，所以轴承的内径也为50mm，轴承内径代号为“10”。直径系列代号选择“轻”，代号为“2”，所以轴承的代号为6210系列。由下图可知，6210系列的轴承的外形尺寸为：内径d=50mm外径D=90mm宽度B=20mm25地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算表3.5深沟球轴承（GB/T276-94摘录）附表22深沟球轴承单位：mm轴承型号外形尺寸轴承型号外形尺寸dDBdDB(0)26204204714(0)46404207219尺寸6205255215尺寸6405258021系列6206306216系列6406309023620735721764073510025620840801864084011027620945851964094512029621050902064105013031621155100216411551403362126011022641260150356213651202364136516037621470125246414701804262157513025641575190456216801402664168020048621785150286417852105262189016030641890225546219951703264199524055622010018034642010025058根据以上尺寸画出轴承的UG三维图如下图所示：26地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图3-6轴承的形状和尺寸根据选择的轴承，确定L3=44mm5）键的选择键槽处于车轮轴的最小直径的轴段，直径d=40mm，根据下表可选择合适的平键。表3.6键的尺寸参数键的尺寸键槽轴的直径dbhC或rLtt1半径r38-441280.4-0.628-1405.03.30.25-0.4图3-7键槽的尺寸标号27地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算最后选定键的尺寸为：A型b=12mmh=8mmL=50mm。3.4.2挖掘器轴的设计1）初步设计对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为T9.5510P6=MPaW0.2dn3T由上述选择的电机与减速器，以及链传动和齿轮啮合中转速的传递关系，计算出挖掘器轴的转速，如图链接关系：图3.8图中：60r/min，140，zzz200；则nnzz;nn;nnzz;nn;nnzz（3-17）n85.7r/min初步估算清淤机器人挖掘器的总重量约为4002.9N，铁渣与挖掘器的摩擦因数为0.5，车的速度为0.4m/s，则挖掘器的速度也为0.4m/s；28地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算则FG4002.90.50.51000N（3-18）PFv100010000.410000.4KW确定各部分效率：链传动效率=0.96（三条），滚动轴承传动效率（五对）：=0.99，联轴器效率：=0.99带入得0.833（3-19）则根据功率传输关系算得挖掘器轴可得的功率为P0.9750.8330.8kw（3-20），能达到要求；表3.7常用材料的值和C值轴的材料Q235,20354540Cr,35SiMn/MPa1220203030404052采用45钢作为轴的材料，许用扭切应力取30MPa则，把数据代入确定轴的最细处的直径9.5510p0.2nd9.55100.40.285.73019.5mm确定轴的最细处的直径为30mm。29地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算2）确定轴的径向尺寸当相邻轴段直径变化处的轴肩是为了固定轴上零件或承受轴向力时，其直径变化值要大些；当相邻轴段直径变化处的轴肩仅为了装拆方便或区别加工表面时，其直径变化值可较小，甚至可采用同一公称直径而取不同的偏差值。其直径的变化量可取1-3mm。所以，确定第二段轴的直径d2=35mm，第三段轴的直径d3=40mm。图3-9轴的形状和尺寸3）确定轴的径轴向尺寸轴向安装传动零件的轴段长度应由所装零件的轮毂长度确定。由于存在制造误差，为了保证零件轴向固定和定位可靠，应使轴的端面与轮毂端面间留有一定距离l一般取l=1-3mm。同理，轴端零件的固定也如此。安装键的轴段，应使键槽靠近直径变化处，以便于在装配时，轮毂上的键槽与轴上的键容易对准。轴的外伸长度取决于外接零件及轴承盖的结构。如轴承端装有联轴器，则必须留有足够的装配距离。链轮的轮毂的长度为30mm，确定轮毂处轴的长度为40mm，第三段的轴的长度L3=50mm，第二段轴与第四段轴的长度L2、L4则应根据所选轴承的宽度来确定。4）轴承的选择综合清淤机器人的使用情况，此轴轴承也采用深沟球轴承，原因是挖掘器主要受自身的重力和摩擦力，属于径向载荷，因此采用深沟球轴承比较合适。30地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算在对轴的选择过程中可知，安装轴承处的轴的直径为35mm，所以轴承的内径也为35mm，轴承内径代号为“07”。直径系列代号选择“轻”，代号为“2”，所以轴承的代号为6207系列。由表3.5可知，6207系列的轴承的外形尺寸为：内径d=35mm外径D=72mm宽度B=17mm考虑到轴上所装其它零件，设定L2=L4=25mm；5）键的选择键槽处于轴的最小直径的轴段，直径d=30mm，根据下表可选择合适的平键。表3.8键的尺寸参数键的尺寸键槽轴的直径dbhC或rLtt1半径r30-381080.4-0.622-1105.03.30.25-0.4最后选定键的尺寸为：A型b=10mmh=8mmL=25mm。同理可以对翻卷片的轴进行设计与计算，请读者自己完成。3.5轴的校核3.5.1挖掘器轴的校核以上设计出挖掘器轴外形尺寸为：最细段轴的直径d1=35mm，第二、四段轴的直径d2=d4=35mm，第三段轴的直径d3=40mm；径向尺寸L1=40mm，L3=50mm，L2=L4=25mm图3-1031地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算图3-10中:轴所受的径向载荷FG4002.9N；圆周力FG0.525581279N，a40mm，b60mm，图中力F来自链轮的压力，现估测F1000N1）求垂直面的支撑反力FVFVFbb2F22001N（3-21）2）求水平面的支撑反力FHFHF2639.5N（3-22）3）F力在支点产生的反力FFFab10004060666.7N（3-23）FFFFF1666.7N4）绘垂直面的弯矩图MVFVb220013060N.m,MV60N.mMV（3-24）5）绘水平面的弯矩图FHb2639.53019.2N.m（3-25）6）F力产生的弯矩图Fa10004040N.m（3-26）在受力截面a-a处F力产生的弯矩为：32地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算FF666.73020N.m2（3-27）7）求合成弯矩图考虑到最不利的情况，把与MVMH直接相加MMVMHMF6019.22083N.m,M83N.mM（3-28）MMF40N.m8）求轴传递的转矩d40TF12792225.58.（3-30）9）求危险截面的当量弯矩从图中可见，aa截面最危险，其当量弯矩为MMT（3-31）如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，曲折合系数0.6，代入上式得：M830.625.5884.4N.m（3-32）10)计算危险截面处的直径轴的材料选用45钢，正火处理，查手册上轴的常用材料及其主要力学性能表得B600MPa，再查轴的许用弯曲应力表得55MPa，则M84.4d0.10.15524.85mm（3-33）设计结果dd，因此挖掘器轴强度适合33地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算3.6轴承的校核3.6.1挖掘器轴轴承的校核以上挖掘器轴承已选深沟球轴承，代号6207系列，外形尺寸为：内径d=35mm外径D=72mm宽度B=17mm轴承所受径向载荷FG4002.9N；轴向载荷FG0.525581279N，转速n=85.7r/min，要求使用寿命不少于L3年，1）求当量动载荷P深沟球轴承6207的径向额定静载荷C15200N，则FC1279152000.084，则e0.28（3-34）因FF12794002.90.32（3-35）右下表查得X=0.56，Y=1.55。得PXFYF0.564002.91.551279N4224N（3-36）表3.9向心轴承当量载荷的X、Y值轴承类型F/CeF/FF/FeXYXY0.0140.192.300.0280.221.9934地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算0.0560.261.710.0840.281.55深沟球轴承0.110.300.56101.450.170.341.310.280.381.150.420.421.040.560.441.00即轴承在径向载荷F4002.9N，轴向载荷F1279N作用下的使用寿命，相当于在纯径向载荷为4786.8N作用下的使用寿命计算所需的径向基本额定动载荷CNL（3-37）表3.10温度系数f轴承工作温度/100125150200250300温度系数f10.950.900.800.700.60表3.11载荷系数f载荷性质无冲击或轻微冲击中等冲击强烈冲击f1.01.21.21.81.83.0由表3.10、3.11，得f1.1;f1，深沟球轴承3。所以35地沟自动清淤机器人执行装置设计及强度计算C1.1422416085.7