毕业设计（论文）地下管道检测机器人设计

一、地下管道检测机器人发展现状按照行走机构的类型，可将管内作业机器人行走机构分为轮式、履带式、蠕动式等几类。轮式行走机构图1（A）轮式行走机构轮式机构管内作业机器人的基本形式如图1（A）所示。对此类机器人的研究相对较多。机器人在管内的运动，有直进式的（即机器人在管内平动），也有螺旋运动式的（即机器人在管内一边向前运动，一边绕管道轴线转动）；轮的布置有平面的，也有空间的。一般认为，平面结构的机器人结构简单，动图1（B）自来水管道检测轮式机器人作灵活，但刚性、稳定性较差，而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好,但对弯管和支岔管的通过性不佳。图1（B）为英国的PEARPOINT有限公司开发的自来水管道检测轮式机器人，可在以135375MM的管径内直线行走，行走速度为012M/MIN。履带式行走机构图2（A）履带式行走机构图2（B）海水管道检测履带式机器人图2（A）是履带式行走机构的基本形式。这种类型的管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达能到良好的行走状态，但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体等原因，此类机器人应用较少。图2（B）是日本关西电力株式会社开发的适用于管径288388MM、管长100M的海水管道检查履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5M/MIN。整个地下输气管道检测维修用移动机器人系统由三大部分组成1履带式移动机器人。机器人小车上装有CCD摄像机，并可根据需要加挂其它检测单元。2圆盘式收放线装置。移动机器人通过电缆进行控制，视觉等信号也通过该线缆传输到控制计算机。3控制单元。其主体为一台工业控制计算机，负责整个机器人系统的控制、显示及信息存储等工作。操作人员通过界面完成所有操作。控制单元与收放线装置安装在一个专门设计的手推车体上，便于移动。蠕动式行走机构图3蠕动式行走机构蠕动式行走机构如图3所示。当头部支撑脚3收缩脱离与管道内壁接触，尾部支撑脚1伸出与管壁接触压紧，气缸2左缸供气,蠕动载体伸长,带动头部向前移动；当头部移动到位时，支撑脚1缩回，头部支撑脚3伸出与管壁接触压紧，气缸2右缸供气，则蠕动载体收缩，带动尾部向前运动。尾部移动到位，尾部支撑脚1伸出，支撑管壁，头部支撑脚缩回。蠕动式管内移动机器人支撑脚的伸缩和载体的蠕动均采用直线运动，当支撑脚支承载体与管壁压紧，不支承时可以与管壁脱离，解决了轮式和履带式管内移动机器人行走时驱动轮始终压紧在管壁上的问题，可以产生很大的牵引力。但由于蠕动式移动机器人的运动是间歇的，受驱动件启动频率的限制，移动速度比轮式、履带式低。轮式驱动机构具有结构简单，容易实现，行走效率高等优点，主要缺点是牵引力的提高受到封闭力的限制。履带式载体附着性能好，越障能力强，并能输出较大的牵引力，但结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体。二、课题目的及意义本项目是根据我国经济建设的实际需要而提出的一项亟待研究和解决的科研课题。地下管道（输水管道、煤气管道、供气管道）在长期使用过程中，由于受到管内、管外介质的腐蚀等原因，会产生裂纹、漏孔而出现漏气、漏水现象，这不仅会造成巨大的经济损失，甚至会出现人身事故，为此迫切需要一种能在管内行走的机器人来拖动或输送各种装置完成检测和维修工作。目前国外先进国家对地下管道的检测已开始采用管内移动机器人来完成，而国内主要采用废弃旧损管线、铺设新管线的方法，或人工入管修复，这不仅耗资巨大，修复周期过长，而且劳动强度大。据我们在中国石油天然气总公司和国内各城市自来水公司、供热公司调研表明，国内现继续地下输气管道、输水管道检测用移动机器人。因此开展地下输水输气管道检测用移动机器人的研究，对能源工业的发展及减少水资源浪费具有重大的理论意义和现实意义。目前，国内外对涵管的检测主要采取人工观察测量、局部破损检测的办法。所研制的管道机器人大部分也是针对工业管道和细小的管道。由此，笔者尝试性地做了关于涵管检测机器人行走机构的初步探讨。根据汽车理论，机器人若能在管道中正常行走，则必须满足下述条件，即式中，驱动力；为附着力，且TFTF，为附着系数。2N根据汽车理论，设计取08，可得3734N由以上计算可知行走条件满足。53机器人驱动方案和电机选择按照汽车的驱动理论原则，管道机器人的驱动方式采用后轮驱动的方式，并且由于工作条件对小车尺寸的要求，采用减速器装置，使电机的告诉输出轴连接在减速器输入轴上，然后通过减速器减速，并且把减速器的输出轴通过套筒式联轴器与一对锥齿轮和小车的后轴相连接，从而带动车轮转动。后轮轴的两端伸出部分安装上铸钢轮，为了附着性能，在铸钢轮的外面嵌入了橡胶圈，使机器人能可靠在管道里行走。由，0TQGTTRIF037AGRNUI其中，电机转矩，单位TQNM变速器传动比；GI主减速器传动比；0车轮半径，单位为；RT传动效率；N发动机转速，单位为；/MINR机器人行驶速度，单位为。AU/KH设计中初选，；10GI2I60R5INAU可得N22736R/MIN,01116；TQTNM选定电机的条件电机的额定转矩；TQT电机的额定转速；N电机的额定转动惯量。J由选定条件可初步选择BAYSIDE公司的BM060型直流伺服电动机，其技术数据如表1所示，外形尺寸如表2所示。54减速器设计车轮转矩053470614TFTRNM轮表1BM060型直流伺服电动机的技术数据型号电压电枢电流输出功率最高转速额定转矩BM060300V015A300W6400R/MIN054NM表2BM060型直流伺服电动机的外型尺寸总长外径轴径转动惯量164MM60MM11MM30271即联轴器输出转矩选PS800型，其技术数据如表3所示。表3PS600型减速器技术数据型号减速比GI额定输出转矩（NM）最大输出转矩（）瞬时惯量（2KG）效率法兰（MM）输出轴径（MM）总长（MM）质量（KG）PS601004513551093601612872656齿轮传动设计561齿轮选择选用支持圆锥齿轮传动，大小齿轮东选用硬齿面，材料均为40CR，并经调质及表面淬火，齿面硬度为4850HRC。因采用表面淬火，齿轮的变形不大，不需磨削，故初选5级精度（GB1009588）。选小齿轮齿数，大齿轮齿数17Z。2134UZ562按齿根弯曲皮料强度设计弯曲想读的设计公式为12324105FASRRUYKTM式中，模数，单位MM载荷系数；小齿轮传递的扭矩，单位；1TMN齿宽系数；R齿形系数；FAY应力校正系数；S许用弯曲疲劳强度，单位MPAF（1）确定公式内的各计算数值查得大小齿轮的弯曲疲劳强度极限；1FE2650MPA查得弯曲疲劳寿命系数；1FNK2计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由公式得S25FNES；110FNEMPA2250FEMPA计算载荷系数K1016598AVF取齿形系数；1285FAY23FA查取应力校正系数；154SAY2176SA计算大、小齿轮的并加以比较F；12851408FASY；23765FAS小齿轮的数值大，应以小齿轮计算。小齿轮传递的转矩1041MNT轮齿宽系数；1/3R设计计算24875007951113MM取模数。563按齿面接触疲劳强度校核接触强度的校核公式为123055EHHRRMPAUKTZD（1）确定公式内的个计算数值查得大小齿轮的接触疲劳强度极限；LIM1LI29HA查得接触疲劳寿命系数123535HNN计算解除疲劳许用应力取接触疲劳安全系数，由公式得SLIMHKS1LIM11975HNMPAKS2LI220H取。105PA载荷系数；98K查取弹性影响系数；1EMPAZ计算小齿轮分度圆直径；D134M校核计算2319804518990797553HHPAMPA齿轮设计符合要求。564几何尺寸计算（1）计算分度圆直径；1134MDZ2268MDZ计算中心距；12/5A计算锥距R221380146MD计算齿轮宽度；7RB圆整取。1201MB57车轮轴及齿轮轴设计571车轮后轴设计（1）最小直径的设计车轮轴的转矩3470628FTRNMT车轮轴车轮轴的功率；95NP车轮轴选取轴的材料为40CR，许用扭转应力。5TMPA3MIN9501242TMND取。14（2）车轮轴的结构设计，如图所示，详图请参考零件图。图10车轮轴的结构简图（3）轴承的选择根据结构选择角接触球轴承（GB29283）。表5GB29283型号36204轴承的参数型号内径（MM）外径（MM）宽度（MM）额定动载荷（KN）额定静载荷（KN）36204047141230850（4）车轮轴的校核由于该轴既承受扭矩又承受弯矩，故按弯扭合成强度条件校核，并同时按疲劳强度条件进行精度校核。步骤如下轴的受力简图，如图所示。图11车轮轴的受力简图其中，12020873491TMNTFD273496TGTG。22COSCOS748COS63194RTN。2INININ2AT。；34715TTNF；0MT轮112COSINCOSIN1328LLNAHNFGGZ256739382MANMDMF图中其他各力数值如表所示。表6车轮轴受力数值载荷水平面H垂直面V支反力12405R3HN2915283NR74V根据轴的计算见图做出轴的弯矩图，扭矩图和计算弯矩图，如图12所示按弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大计算弯矩的截面。，故安全。3129045872701CAMCAMPAPAW精确校核轴强度经判断A，B处为危险截面I）校核A面右侧抗弯截面系数；33301208DM抗扭截面系数；16WA面右侧弯矩；678MNA面右侧扭矩；20T截面上的弯曲应力；97BMPA截面上的扭转切应力130T轴材料为40CR,调质处理，B75PA，135MPA120图形截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及由，查得，1052RD210DD193213轴的材料的敏性系数7,08Q有效应力集中系数，117K11258QK尺寸系数；扭转尺寸系数095轴用磨削加工，其表面质量系数02轴未经表面强化处理，即，则综合系数为1，1805KK14KK材料特性系数，取；，取230201501计算安全系数CAS135937802970AMSK12613142A2855CAS故可知其安全。II）校核A面左侧抗弯截面系数33301210648WDM抗扭截面系数9A面左侧弯矩；678MNA面左侧扭矩；20T截面上的弯曲应力；156BPAW截面上的扭转切应力978TM过盈配合处的值K25,0258,轴用磨削加工，其表面质量系数9轴未经表面强化处理，即，则综合系数为1，12937K12367K材料特性系数，取；，取0001501计算安全系数CAS135762971602AMK11588932A269125CASSIII）校核B面右侧抗弯截面系数；333008WDM抗扭截面系数；216B面右侧弯矩；96MNB面右侧扭矩；08T截面上的弯曲应力；72BPAW截面上的扭转切应力394TM过盈配合处的值K25,082503轴用磨削加工，其表面质量系数9轴未经表面强化处理，即，则综合系数为1，1267K127K材料特性系数，取；，取03001501计算安全系数CAS1517326702AMK146394112A24605CASS故可知其安全。IV）校核II面右侧抗弯截面系数；33301852WDM抗扭截面系数；333021864WDMII面右侧弯矩；5974MNII面右侧扭矩；8T截面上的弯曲应力；102BMPA截面上的扭转切应力785T截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及由，查得，10568RD2018DD18628轴的材料的敏性系数7,0Q有效应力集中系数，1162K1124QK尺寸系数；扭转尺寸系数0轴用磨削加工，其表面质量系数09轴未经表面强化处理，即，则综合系数为Q1，1749KK13KK材料特性系数，取；，取0230201501计算安全系数CAS151982749102AM15678532AK291CASS故可知其安全。轴承校核预计寿命10HL寿命根据公式进行计算6RTHPNPFC式中，温度系数，；TF1TF载荷系数，；PP转速，；N592/MINNR当量动载荷。P11222405831874HVHVNNRR所以209,6N求两轴承的计算轴向力和1A2初选04E则113098NS227615R143AAF250N，1034178C2051038A得12,39E再计算，14219507NSR2207861393AAF26N，1048015C2096012885A值相差不大，因此，0AC12043,79E当量动载荷和1P2由；113489520R22603798AER得，11,3,XYX由中等冲击得，取PF15PF150429524893NP26106校核轴承寿命因，所以136601020659710598RTHPHNPFCL故满足要求。键与键槽的设计102MPAP与锥齿轮连接处选用A型平键GB109679，此处，6BHLLLB08TNM因此220863951PPTAKLD满足要求。与车轮连接处选用C型平键（GB109679），此处，4BHLLLB041TNM因此210482659PPTMAKLD满足要求。572齿轮轴的设计（1）最小直径的设计齿轮轴的转矩104N2M车轮轴齿轮轴齿轮轴的功率3014TN95KWP齿轮轴选取轴的材料为40CR，许用扭转应力。54TMPA得，取。3MIN062TMND10D（2）齿轮轴的结构设计，见零件图（3）轴承选择根据结构选择深沟球轴承（GB27689），具体参数如表7所示。表7GB29289参数型号内径（MM）外径（MM）宽度（MM）额定动载荷（KN）额定静载荷（KN）362011232104270（4）齿轮轴的校核轴的受力简图，如图12所示其中，；17349TNF1239RANF12964ARNF；1602MMAD04MT齿图中其他各力数值如表8所示。根据轴的计算简图作出轴的弯矩，扭矩图和计算弯矩图，如图13所示。表8齿轮轴的受力数值载荷水平面H垂直面V支反力R239HN73491VNR转矩M14HM16VMM精确校核轴的强度经判断A处为危险截面I）校核A面左侧抗弯截面系数；333012178WD抗扭截面系数；456MA面右侧弯矩；4786MNII面右侧扭矩；10T截面上的弯曲应力；57BMPAW截面上的扭转切应力3012T过盈配合处的值K6,860轴用磨削加工，其表面质量系数92材料特性系数，取；0230015则综合系数为，169KK127KK计算安全系数CAS1351542698702AM18312AK2149125CAS故可知其安全。II）校核A面右侧抗弯截面系数；333016409WDM抗扭截面系数；2812A面右侧弯矩；478MNA面右侧扭矩；10T截面上的弯曲应力；3610BMPAW截面上的扭转切应力27T轴材料为40CR,调质处理，B35PA135PA120MPA截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及由，查得，10625RD13DD2017轴的材料的敏性系数078,Q有效应力集中系数，1178K1156QK尺寸系数；扭转尺寸系数0轴用磨削加工，其表面质量系数9轴未经表面强化处理，即，则综合系数为1，18KK16KK材料特性系数，02305计算安全系数CAS152383610AM1209201716AMSK24925CAS故可知其安全。573前轴设计（1）结构简图如图14所示，详图见零件图（2）轴承选择选用深沟球轴承204（GB27689），结构参数如图9所示。表9深沟球轴承（GB27689）的结构参数内径D外径D宽度B额定动载荷C额定静载荷020MM47MM14MM1000KN630KN58其他零部件的设计581轴承盖的设计采用螺钉联接式轴承盖取联接螺钉直径，303,5215MMD047312E5DM选用毡圈油封8D选用螺钉（GB6785），数量4个。510M582车轮的设计车轮材料选用HT150铸造。为了使轮胎最大限度地与管壁接触，以获得较大的摩擦力，所以车轮受力面铸成斜面，外面匝以实心橡胶轮圈。轮圈胎面为圆弧形，其中点处设计为力点，径向半径为60MM。车轮通过键联接与轴相连，轴向定位则靠轴肩和螺钉紧固。583箱体设计两侧壁厚4MM，前后壁厚10MM,底部厚5MM,轴承座内径D47MM,外径D72MM，厚B18MM。59校核机器人的各部分性能591电机转动惯量校核转动部分折算到电机轴上的转动惯量（1）车轮车轮采用HT150材料，3790/KGM221022271112064796831RGKGMJI轮轮轮（2）锥齿轮材料40CR，390/222120222222710505791112004RRGGKGMJII（3）减速器5231J（4）后轴22402271115487900RGKMI（5）移动负载折算到电机轴上的转动惯量22325660155103VKGMNJ综上所述，所需转动惯量524212345027KGJJ故满足要求。592机器人越障能力校核俺水平越障能力计算（1）前轮由公式得1221ALDHD1243M（2）后轮由公式得221H20963M故