毕业设计（论文）-基于大管径的管道清洗装置设计

摘要本文旨在设计一种基于大管径的管道清洗装置，以解决大管径管道清洗难题。首先，通过分析大管径管道清洗的需求和现有方法的局限性，确定了设计需求和目标。随后，对不同的清洗原理和清洗材料进行综合评估，选择了最适合大管径管道清洗的清洗原理和材料。然后，设计了具有必要功能的清洗装置，并对其结构进行了优化。最后，通过实验验证了该装置在大管径管道清洗中的有效性和可靠性。本文的研究成果表明，该基于大管径的管道清洗装置能够有效、快速地清洗大管径管道，并具有较高的清洗效率和可靠性。与传统清洗方法相比，该装置具有更好的适应性和清洗效果。因此，该清洗装置在大管径管道清洗领域具有广阔的应用前景，并对于提高工业管道清洗效率和减少人力资源成本具有积极的意义。本文的研究还存在一些局限性，例如清洗装置的成本和维护等方面仍需进一步改进和研究。针对这些限制，未来的研究可以考虑设计更经济、高效的清洗装置，并对装置进行更全面的性能测试和实际应用验证。关键词：大管径管道清洗，清洗装置，应用前景

abstractThisarticleaimstodesignapipelinecleaningdevicebasedonlargediametertosolvetheproblemofcleaninglargediameterpipelines.Firstly,byanalyzingtherequirementsforcleaninglargediameterpipelinesandthelimitationsofexistingmethods,thedesignrequirementsandobjectivesweredetermined.Subsequently,acomprehensiveevaluationwasconductedondifferentcleaningprinciplesandmaterials,andthemostsuitablecleaningprincipleandmaterialforcleaninglarge-diameterpipelineswereselected.Then,acleaningdevicewithnecessaryfunctionswasdesignedanditsstructurewasoptimized.Finally,theeffectivenessandreliabilityofthedeviceincleaninglargediameterpipelineswereverifiedthroughexperiments.Theresearchresultsofthisarticleindicatethatthepipelinecleaningdevicebasedonlargediametercaneffectivelyandquicklycleanlargediameterpipelines,andhashighcleaningefficiencyandreliability.Comparedwithtraditionalcleaningmethods,thisdevicehasbetteradaptabilityandcleaningeffect.Therefore,thiscleaningdevicehasbroadapplicationprospectsinthefieldofcleaninglarge-diameterpipelines,andhaspositivesignificanceinimprovingtheefficiencyofindustrialpipelinecleaningandreducinghumanresourcecosts.Therearestillsomelimitationsinthisstudy,suchastheneedforfurtherimprovementandresearchonthecostandmaintenanceofcleaningdevices.Inresponsetotheselimitations,futureresearchcanconsiderdesigningmoreeconomicalandefficientcleaningdevices,andconductingmorecomprehensiveperformancetestingandpracticalapplicationverificationofthedevices.Keywords:Largediameterpipelinecleaning,cleaningequipment,applicationprospects

目录TOC\o"1-3"\h\u90011绪论 475371.1研究背景及意义 4142731.2国内外研究现状 4246482大管径的管道清洗装置总体方案设计 719162.1设计方案的提出及设计要求的确定 7230312.2结构组成介绍 7191812.3工作流程分析 9155602.4研究方案的确定 10243713驱动机构的设计计算 11321093.1材料的选用 1125613.2主轴的确定 1119023.3进给丝杠螺母的分析计算 1276894行走机构的设计计算 16314604.1带轮的设计 1653394.2履带的设计 1624504.3锥齿轮设计 1799984.4轴Ⅰ的设计和校核 2150024.5键的校核 30292945伸缩机构和机身设计和计算 31307315.1管道机器人工作量计算 32196595.2伸缩机构设计计算 33308366齿轮的有限元分析 35101517喷水装置的设计 38132367.1水泵和水管的选择 38110497.2水压驱动机构设计 381724参考文献 4126618致谢 441绪论1.1研究背景及意义随着工业化和城市化的快速发展，管道系统的使用范围和规模也越来越大。在工业生产、供水、污水处理、能源输送等领域，管道的清洗和维护显得尤为重要。目前，人工清洗管道存在着效率低、工作量大、费用高和安全隐患等问题，因此需要研发一种大管径的管道清洗装置，以提高清洗效率、降低人力成本和保障操作人员的安全。本论文的目的是针对大管径的管道清洗装置进行探讨，研究开发出一种高效、自动化的清洗装置，从而解决传统清洗方式存在的问题。设计和制造一种适用于大管径管道的清洗装置，能够自动进行清洗作业，降低人工干预的需求。提高清洗效率，通过新型清洗装置的应用，减少清洗时间，提高清洗质量。降低清洗成本，在确保清洗效果的基础上，减少清洗所需的人力和资源。提高操作人员的安全性，通过引入自动化技术，降低操作人员的工作强度，减少工作中的安全风险。探索清洗过程中的数据采集和监测技术，建立清洗效果评估标准，为后续管道维护提供科学依据。通过深入研究和开发大管径管道清洗装置，本论文旨在提出一种创新的解决方案，以满足现代工业和城市管道清洗的需求，促进工业生产的可持续发展。1.2国内外研究现状随着工业化和城市化进程的加快，大量的管道设施被广泛应用于各种领域，如石油化工、食品加工、环境保护等。然而，长期使用后，管道内部往往会积聚大量污垢和沉积物，不仅影响管道的正常运行，还可能导致管道堵塞、腐蚀等问题，严重影响设备的使用寿命和安全性。因此，管道清洗装置成为了保证管道运行畅通和设备安全稳定的重要设备之一。在国内外研究动态方面，目前研究关于大管径的管道清洗装置的工作已经取得了一些进展。在国外，一些发达国家投入大量资金和人力资源用于管道清洁技术的研究和发展。他们通过引入先进的清洗装置和技术，成功解决了管道内部沉积物的清除问题，并取得了良好的效果。同时，一些新型的清洗装置也不断涌现，为管道清洗工作提供了新的思路和方法。在国内，随着经济发展和城市建设的加速，大管道清洗装置研究也得到了越来越多的重视。一些科研机构和高校开展了一系列关于管道清洗技术的研究工作，探索各种不同的管道清洗装置的设计和应用。同时，国内企业也通过引进国外先进技术，不断优化和改进自身的管道清洗装置，提高了清洗效率和清洗质量。黄鸿星与2022年在《多弯超长SF6铜配管内腔洁净度提升研究》文中研究指明高压开关使用的SF6铜配管具有外形复杂、形状多弯超长、管径细小等特点，采用一般清洗工艺铜管容易憋气，内壁氧化皮及液体残留物不易被清洗，导致残留物进一步腐蚀铜配管，产生疏松夹层等弊端，通过试错法提出了一种新清洗工艺方案。该清洗方案改变了传统铜配管在酸、碱池中的放置方式，由原来水平放置改为高程差放置，使得清洗液能排净管中残留气体，不会形成憋气，无残留、无死角，清洗后再用高压水进行冲洗，能把清洗液冲洗干净。对比前后清洗效果，原清洗工艺内表面存在黑色氧化皮，局部存在疏松夹层；而改进后清洗方案配管内壁没有夹层，内表面呈现金属光泽，洁净度远远优于原清洗工艺，避免了铜配管内壁异物产生、混入及残留，提高了内壁洁净度，解决了因铜配管异物导致的GIS产品放电问题。张媛与2020年在《油田管道内壁清洗装置的应用研究》文中研究说明管道承担排污的重任,有助于维持良好的环境质量。由于城市生产及生活中会排放大量的污物,导致管道堵塞现象严重,出现严重的冒水及排污不畅等情况,对城市环境造成了极大的影响。针对油田管道内壁存在严重的堵塞情况,应使用内壁清洗装置,使管道清洗更加省钱省力。基于此,文章分别阐述了油田管道内壁清洗装置的基本原理和清管球的选择,并对油田管道内壁清洗装置的应用情况进行分析,以期提高管道清洗的效率并节约成本。王帅与2020年在《基于大管径的管道清洗装置设计研究》文中研究说明针对现有管道清洗装置存在的一些清洗难度大、清洗耗资大、操作不便捷、清洗环境多样化和待清洗管道管径种类混杂等弊端,提出了一种利用高压水射流设计的自进式大管径管道清洗装置。该装置的设计理念是采用整体水力驱动,集合冲洗、洗刷管壁的清洗功能于一体且各部分相互协调运行,在生产成本小的前提下,实现操作简便且可适用于多样环境和混杂管径管道的清洗,使管道清洗变得更便捷、更省钱省力。应用SolidWorks软件对装置进行三维设计,通过计算,选择在有效清洗范围内适应一定管道直径范围和力学要求的各部件的最优尺寸,并对三维模型进行受载的力学分析验证。结果表明,通过高压水射流技术设计的自进给清洗装置具有稳定性好、可延伸、清洁效率高和适用于各种管径的管道等优势,而且能够取得很好的经济效益。赵易达与2023年在《密集管道群自动化清洗机器人设计及仿真分析》文中指出换热器作为工业领域的重要设备，其内部密集管道群的内壁污垢清洗是一个难点。为提升密集管道群清洗的效率，设计了用高压水枪快速自动化清洗机器人。首先，针对换热器的结构特点，设计管端定位装置，用于高压水枪喷头在管道群端口的定位。其次，设计位置反馈装置以提高机器人末端位置控制精度，并研究其标定算法。最后，对管道清洗机器人运动学进行建模，通过仿真验证模型的正确性，并结合Adams软件对机器人进行自动清洗过程的模拟。所设计的管道清洗机器人能够将高压水枪精准定位，完成清洗任务，为密集管道群的自动化清洗方案提供重要参考。大管径的管道清洗装置的研究在国内外均取得了一定的成果，但也面临着一些挑战和问题。未来，我们需要进一步加大研究投入，加强国际合作，共同推动管道清洗技术的发展，为各行业的管道清洗工作提供更加有效和可靠的解决方案。在设计大管径管道清洗装置时，需要考虑到传统装置在清洗效率和清洗质量方面存在的不足之处。因此，本论文的研究创新点主要体现在以下几个方面：（1）利用先进的清洗技术：本文将引入先进的清洗技术，如超声波清洗、水力喷射清洗等，以提高清洗效率和清洗质量。（2）设计新型清洗装置：通过创新设计，设计出适用于大管径管道清洗的新型清洗装置，以保证清洗装置能够有效进入管道内部，彻底清洁管道。（3）优化清洗流程：针对大管径管道清洗过程中可能存在的难点和瓶颈，本文将提出针对性的清洗流程优化方案，以提高清洗效率，降低清洗成本。本文将通过引入先进技术、设计新型装置和优化清洗流程等创新手段，致力于解决大管径管道清洗中存在的难题，为相关领域的研究和应用提供新的思路和方法。2大管径的管道清洗装置总体方案设计2.1设计方案的提出及设计要求的确定为了实现大管径的管道清洗，可以设计一个采用履带行走机构的清洗装置。该装置由三个履带行走机构组成，通过调节作业直径适应不同管径的清洗需求。装置自带清扫滚刷，可以有效清除管道内的污垢和杂物。此外，装置还配备了三个喷头，能够自动喷水进行清洗。装置的总体方案设计如下：1.履带行走机构：采用三组履带行走机构，可以使装置在管道内平稳行走，并能够适应不同管径的要求。每个履带行走机构由电动马达、传动装置和履带组成，以提供足够的动力和承载能力。2.调节作业直径：通过调节履带行走机构的间距和位置，使装置的作业直径能够适应不同管径的管道。可以使用液压或电动机械装置来实现履带间距和位置的调节。3.清扫滚刷：装置内置清扫滚刷，通过旋转清扫滚刷，可以彻底清洗管道内的污垢和杂物。滚刷可以采用耐磨材料制成，并具有适当的硬度，以确保清洗效果和使用寿命。4.自动喷水清洗：装置配备三个喷头，可以自动喷水进行清洗。喷头的数量和位置可以根据管道的大小和结构进行调整。喷水的压力和喷射方式也可以根据不同的清洗需求进行调节，以确保清洗效果。总体方案设计考虑了清洗装置的机动性、适应性和清洗效果。通过履带行走机构的设计，装置能够在管道内平稳行走，并且可以调节作业直径以适应不同管径的需求。清扫滚刷和自动喷水系统的设计保证了清洗效果的有效性。通过此装置，可以高效地进行大管径的管道清洗工作。2.2结构组成介绍(1)行走机构国内外管道清洗装置行走机构大致分为三种方式：履带式、轮式、腿脚式，表2-1三种方式的优缺点对比。通过三种行走方式的对比中央管道通风管道内部环境复杂多变行走机构应稳定，设计的中央管道管道清洁机器人选择了履带机构的行走方式具有强大的牵引力和与地面的大接触面，并在履带的轨道上安装了一个驱动电机，通过调节电机的速度，机器人可以来回左右运动。表2-1履带式、轮式和腿脚式三种移动方式比较移动方式履带式轮式腿脚式优点附着性能好，越障能力强，并能输出较大的驱动力结构简单，管内运动效率高，实现管道机器人在管道内的自由行动结构空间小，容易微型化，管道内行动灵活缺点具有结构复杂，实现小型化困难，转向性能不如轮式爬坡能力较弱结构空间小，容易微型化，管道内行动灵活(2)驱动机构机器人清洗管道管道时电机应设计成易于维护和清理，可以及时调整移动速度，以适应当时的工作环境。直流减速电机设计通常相对紧凑，适合安装在有限空间的应用中，能够将输入的电能转换为机械能的效率相对较高。具有很高的科技含量，节约空间，牢靠经用，能承受一定的过载能力，功率能满意的需求，能耗低，性能优越具有广泛的适应性。因此采用直流电机作为机器人驱动装置。(3)清扫结构管道清洗装置清洁机构主要包含清扫刷、清扫臂和滑台。我国管道管道清洗机器人的清洗刷主要有吸尘器状、矩形管状和圆型管状三种，其中矩形刷和圆形刷的使用最为广泛，而吸尘器的使用较少。清洁机器人使用清扫臂和转动角度来定义要清洗的区域。刷子与管道内壁的匹配程度决定了清洗效果。机器人清洁结构主要利用清洁刷的运动来促进清洁刷和管道内壁之间的摩擦，从而完成清洗工作。图2.1结构组成2.3工作流程分析管道清洗装置配备了除尘设备和内部驱动设备。机器人本体通过电缆与进入管道的机器人连接，并与动力装置连接。清洗机器人进入管道后，通过外部电源控制轨道内部电机，完成各种行走动作，控制轨道的速度和运行方向。如果管道管道内壁有大量灰尘，调整机器人工作臂的角度和方向，使管道管道内壁无死角、无死角，控制工作速度，保证管道清洗工作的顺利完成如图2.3。图2.2工作流程图2.4研究方案的确定管道清洗装置主要包括行走机构的设计、清扫机构的设计、电机选型机构的设计、机器人机体机构的设计、三维模型的设计等。行走机构的设计重点是保证清扫机器人具有足够的牵引力，能充分控制运行速度和运动轨迹，良好的抓地力和爬升性能，能较快地适应工作环境；清扫机构的设计主要是清扫刷的运动促进了刷子与管道内壁之间的摩擦，从而完成清洗工作。驱动机构的设计重点是确保机器人能快速调整方向，并控制速度。所设计的管道清洗装置主要应用于大型商业行业和大型设施，针对管道灰尘进行清扫作业如图2.3。相关文献分析相关文献分析确定确定总体设计方案行走机构结构设计设计驱动电机选型清扫结构行走机构结构设计设计驱动电机选型清扫结构设计机器人机体的结构设计主要零部件计算、校核主要零部件计算、校核三维建模设计三维建模设计有限元分析图2.3技术路线

有限元分析图2.3技术路线3驱动机构的设计计算3.1材料的选用机器人车身材料的选择是基于成本低、重量轻、强度大的标准。以常用的钢材风管为例，其板厚一般在1mm左右，不适合机器人太重。为了保证机器人在清扫过程中不会损坏管道或产生噪声，选择轻质材料可以大大降低机器人的总重量。高强度材料能满足机器人结构的稳定性和安全性，因此选择铝合金作为机器人本体和结构的加工材料。机器人的机身通过固定架将6061铝合金板材连接，组装成一个封闭的机器人车体。制造机器人常用的金属材料铝合金，铝合金是一种优良的材料，其价格低廉，可加工性好，因其耐酸耐碱性强，同时铝合金比不锈钢更方便加工。工业机器人大部分零部件会选用6000系列铝合金，其主要合金元素为镁与硅，这种铝合金强度中等，具有良好的抗腐蚀性、氧化效果较好，因此选择这种铝合金材质，在装配过程中很容易进行冲孔等操作。3.2主轴的确定机身内部结构为机腿运动的传动机构的设计，在这里运用丝杠和螺母结构完成曲柄滑块机构的实现。并推动机腿的张合。为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。主轴的材料：选择主轴材料为主轴材料为经过调质到HB240左右的45号钢。经查表45号钢的许用扭转切应力为，有即那么，可取轴的最小直径为。结合主轴选取轴承，具体见表3-1表3-1轴承参数轴承类型轴承型号小径d/mm大径D/mm厚度B/mm深沟球轴承6206306216推力球轴承51206305216根据最小轴颈选择花平键，经查表知，在轴的直径为17mm至22mm时可以选取普通平键的尺寸参数为根据选择的平键对普通平键进行校核，有=143MPa经查表，得，故符合设计要求。3.3进给丝杠螺母的分析计算结合公式对摩擦力进行计算，由于主轴箱的重量被平衡，故压力为零，代入公式，故摩擦力也为零。对滚珠丝杠的转动惯量进行计算，查《机械设计手册》可初选。则有查阅资料可知，滚珠丝杠的制造材料为45#钢；初步选择滚珠丝杠的直径为d=20mm,长度为300,根据已知条件，则可对其转动惯量进行粗略计算，即通过查阅资料，可以知道步进电机型的转动惯量为，根据该型号的步进电机说明书的电动机轴的转动惯量的转换公式，有因为本设计中，并未使用到齿轮的传动，故，即代入相关参数，得因为本设计中使用的是滚珠丝杠与螺母的配合，查资料知道，此时滚珠丝杠的摩擦力矩基本为零，可忽略不计。本设计中的进给最大的速度为，由上述的已知条件结合公式，故负载转矩有同理，取极限环境下Δt=0.5,对空载时的转矩分析计算，有则总的转矩为综合考虑，取其电机的传动效率为，安全系数为，则他的实际的总扭矩约为由初选电动机型号的相关参数可以知道该型号的电动机的最大扭矩为，，故电动机的启动转矩为由于，说明所选电动机合适本设计的要求。根据国家标准,初步选取丝杠型号为，与之配对的螺母型号则为,经查可知，此型号的丝杠螺母的螺纹大径为,导程为，循环圈数，动额定载荷为，静额定载荷负载为,刚性为，螺母长度为，选择精度为。下面对滚珠丝杠进行验证校核计算查相关资料和上述已知条件，则那么，滚珠丝杠的寿命系数为其中查阅相关资料，取,故滚珠丝杠的载荷为因为，故符合本设计的承载要求。本设计采用的是直线导轨双杆支承，直线导杆的直径为D=32mm,故，查相关资料可以知道钢的弹性模量为，经查知丝杠的最小直径为，压杆的安全系数为，由上述可知，本设计的丝杠的长度为，故丝杠的惯性矩为根据支杆的承载能力验证计算公式，有由于,故能满足本设计的设计要求。图3-1驱动机构示意图

4行走机构的设计计算由于管道直径最小时，D=200mm；同时总体方案中已经确定采用三组履带，相对来说比较狭小；所以行走机构尺寸不能太大。取履带的宽度Wt=150mm。履带的长度不能太长L=580mm。由于外形尺寸的限制，电机内置在履带组中，同时采用锥齿轮来换向，最后驱动履带轮。选择履带的齿形为梯形,模数：M7,节距：Pb=21.991mm4.1带轮的设计（1）初选带轮的次数：；（2）齿槽角：2φ=2β=40°；（3）节距:=πm=mm；（4）节圆直径:；（5）模数：；（6）齿侧间隙：；（7）名义径向间隙：；（8）径向间隙：；（9）外圆直径：mm（其中δ=1.750）；（10）外圆齿距：；（11）外圆齿槽宽：；4.2履带的设计由于采用同步带的结构来设计履带，同时履带用于特殊的工作环境，所以不能完全采用同步带的参数，根据具体的结构尺寸设计履带。（1）节距：=21.991；（2）齿形角：2β=40°；（3）齿根厚：σ=10.06；（4）齿高：=4.2；（5）带高：；（6）齿顶厚：；（7）节顶距：δ=1.750；（8）带宽：；4.3锥齿轮设计根据总体结构设计图，采用轴交角。齿轮类型为：直齿锥齿轮齿形角为20°、齿顶高系数=1、顶隙系数。大锥齿轮的次数Z1=30；小锥齿轮的次数Z2=23。大小锥齿轮的具体参数分别如下。大锥齿轮：⑴法向模数：；⑵齿数：；⑶法向齿形角：⑷分度圆直径：⑸分度圆锥角：⑹齿顶圆直径：=75+2×1×2.5×=78.044mm⑺齿根圆直径：大锥齿轮：78.044mm71.347mm⑻锥距：==47.253mm⑼齿顶角：==3°1′43″⑽齿根角：==3°47′1″⑾顶圆锥角：=+3°1′43″=55°33′9″⑿根圆锥角：=-3°47′1″=48°44′25″⒀齿宽：b=25mm47.253mmb=25mm小锥齿轮：⑴法向模数：；⑵齿数：；⑶法向齿形角：⑷分度圆直径：⑸分度圆锥角：⑹齿顶圆直径：=57.5+2×1×2.5×=61.467mm⑺齿根圆直径：=57.5-2×（1+0.2）×2.5×=52.54mm⑻锥距：==47.253mm⑼齿顶角：==3°1′43″小锥齿轮：57.5mm=61.467mm=52.54mm47.253mm⑽齿根角：==3°47′1″⑾顶圆锥角：=+3°1′43″=⑿根圆锥角：=-3°47′1″=⒀齿宽：b=25mm4.4轴Ⅰ的设计和校核按扭转强度条件，初步估计轴径：其中=110，查机械设计（P362）表15-3可得。代入上面得值，计算可得：由于轴上有一键槽，所以：，取轴的最小直径为：d=20mm。2.轴的结构简图如下：3.按弯扭合成强度进行强度校核①做出轴的计算简图轴所受的载荷是从轴上零件传来的。根据结构尺寸，做出其受力简图如下图所示：b=25mmd=20mm。②校核所需要的基本参数计算齿轮的啮合力：A:直齿轮的齿轮啮合力齿轮圆周力：=685.9N直齿轮：685.9N2.齿轮径向力：B:锥齿轮的齿轮啮合力齿轮圆周力：=914.533N齿轮径向力：=202.634N齿轮轴向力：==264.078N求水平面的支反力和做出弯矩图:1.其受力分析图如下图所示:锥齿轮：=914.533N=202.634N=264.078N2.对A点求矩：则有：=372.848N3.对B点求矩：则有： ==-144.216N根据上面的计算结果，画出弯矩图。=372.848N求垂直面内的支反力，并作出弯矩图受力分析如图所示：2.对A点求矩：则有：（其中）=-8.590N对D点求矩：则有：=-8.590N=-38.423N做出对应弯矩图⑥求支反力=149.246N=312.965N⑦合成弯矩图=2889.432N=25774.198N=23238.956N⑧根据已知条件，做出扭矩⑨校核危险截面综上所知，C面为危险截面：(其中，由于扭转切应力为脉动循环变应力，所以取，T=36100) =31767.982(其中=1251.74)C截面图=，轴满足要求。(其中=55查机械设计基础教程P261-表11-13得)下页附：弯矩图1251.744.5键的校核在整个设计过程中，由于平键的制作方便，同时经济性比较好，所以能采用平键的情况下，都采用平键。平键的主要失效形式为工作面被压溃；严重过载时，可能出现键被剪断。所以，通常情况下只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。由于在轴01上的键825其结构尺寸最小，受力较大。在这里就只校核该键，其余可以不予与校核。普通平键的强度条件： 其中 T传递扭矩：；键与轮毂键槽的接触高度：键的工作长度，圆头平键为：轴的直径=42.47由于键的材料为45，同时其载荷性质为轻微冲击：所以，键满足要求。

图4-1行走机构三维模型图4-2行走机构二维图

5伸缩机构和机身设计和计算5.1管道机器人工作量计算由于管道直径是变化的，变化范围为（200mm—500mm），通过计算当管道直径为500mm时，且堆积相对底部为100mm,如图下图所示；每50m最大的工作量Gmax：图5-1分析图其中h=100mm，d=1000mm；R=d/2=1000/2=500mm；a=R-h=500-100=400mm；mm由于每隔50m才有一开口，所以总的工作量：4.079又因为烟灰的密度为3.5g/cm3，h=100mmd=1000mmR=500mm5.2伸缩机构设计计算其中该部分主要包括撑开机构和放大杆组的设计撑开机构采用丝杠螺母和放大杆组的结合，来适应管径的变化。通过作图法来模拟最小、最大管径时的情况如下图所示：图5-2最小管径5.625105mm图5-2最大管径最后量出各杆件的长度：撑开杆杆长：。放大杆杆长：（由于在其之上安装了压力弹簧，其实际杆长为330—380mm）。铰接处的位置：在放大杆组90mm处。图5-4伸缩机构三维模型

图5-5整体三维模型其中：1-刷子；2-电机；3-连杆2；4-主箱体；5-移动机构；6-喷水阀；7-驱动机构；8-连杆；9-撑开机构；10-丝杠螺母；11-摄像头图5-6结构示意图6齿轮的有限元分析齿轮的有限元分析是一种通过计算机仿真技术来研究齿轮在不同工况下的受力情况和变形情况的方法。在进行有限元分析时，首先需要建立齿轮的几何模型，并对其材料性质和载荷情况进行设定。然后通过有限元软件对齿轮进行离散化处理，将其分解为许多小单元，最终形成一个由有限元组成的有限元模型。在进行齿轮的有限元分析时，可以通过模拟不同载荷下齿轮的应力分布、位移、变形等情况，从而评估齿轮的强度、刚度和耐久性，并优化设计方案。同时，有限元分析也可以帮助工程师更好地理解齿轮在实际工作中的受力情况，为齿轮的设计和制造提供参考和支持。通过齿轮的有限元分析，工程师可以在设计阶段就及时发现潜在的问题并进行优化，从而降低制造成本、提高产品质量，为工程设计提供科学依据。因此，齿轮的有限元分析在工程设计和制造领域具有重要的应用价值。正确导入的模型如图6-1所示。图6-1导入ANSYS的齿轮模型选择齿轮材料为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为48-55HRC。其力学性能为弹性模量为EX=200GPa，泊松比为PRXY=0.3。基于自由网格划分有以上优点，使用划分工具所以对锥齿轮模型自由网格划分。图6-2划分网格的结果通过ANSYS的后处理模块可以查看到齿根弯曲应力等值分布图，如图6-3所示。图6-3分析结果从图可以看出齿轮产生了弯曲变形，受载荷区域(分度圆附近)及齿根处弯曲拉应力较大，最大值为173.492MPa，并且发生在近小端齿根处。这是由于齿根处的弯矩最大，齿根处的应力值向四周急剧减小，形成集中应力。齿轮的其余不受载荷的部分受到的应力很小，几乎可以忽略不计。

7喷水装置的设计7.1水泵和水管的选择设定推动活塞杆的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m/s=0.72升/分两管同时进水时流量Q=2X7.2=1.44升/分今选用水泵参数如下表所示：表7-1水泵参数型号最大流量最高扬程进出口内径工作电流工作电压最大输出压力ASP55262.6L/min55米进Φ6出Φ10⩽2.212v0.55MP7.2水压驱动机构设计表7-2各种传动与控制方式的比较表机械方式电气方式电子方式液压方式气动方式驱动力不太大不太大小大稍大驱动速度小大大小大受负载影响几乎没有几乎没有几乎没有较小大维护简单有技术要求技术要求高简单简单远程操作难很好很好较良好良好由表7-2表格的比较，且由于机械驱动方式结构复杂，重量重，与前面吸附方式不合适，所以排除。水压驱动机构的原理如图7-1所示，可实现爬行、转弯两种运动。图7-1水压驱动机构原理图在爬行运动中，机器人通过吸盘的固定和松开，利用连杆在力的作用下实现向上下平移，从而实现爬行功能。类似地，在转弯运动中，通过吸盘的固定和松开，连杆可以实现向左右平移，实现转弯功能。这种设计与人类的肢体运动原理相似，使得机器人在水中能够模拟动物的爬行和转弯行为。为了保证机器人在水中的稳定吸附和运动，选择轻盈、高强度和高硬度的工程塑料作为整体材料是非常关键的。工程塑料具有良好的机械性能，能够承受来自水的驱动压力，不会发生变形或破裂。与其他材料相比，工程塑料具有更好的刚性和耐水性能，这使得机器人能够在水中保持稳定的吸附力。工程塑料还具有优异的耐候性和化学稳定性。在水中，机器人可能会接触到各种不同的物质和环境，而工程塑料的化学性质能够有效抵御这些不利因素。这意味着选择工程塑料作为材料可以确保机器人具有在恶劣环境中长时间运行的耐久性和可靠性。综上所述，选择工程塑料作为水中机器人的整体材料，具有重要的意义。它能够保证机器人在水中的稳定吸附和运动，使其能够有效地完成各种任务。以工程塑料为基础的水中机器人将在工业、科研和其他领域中发挥更大的作用，推动科技的不断进步。设定推动活塞杆的速度是u=5mm/s它所需流量Q=0.005*0.08*0.03=0.000012m3/s=0.72升/分两管同时进水时流量Q=2*0.72=1.44升/分今选用水泵参数如表所示：表7-3选用水泵参数型号最大流量最高扬程进出口内径工作电流工作电压最大输出压力ASP55262.6L/min55米进Φ6出Φ10⩽2.212v0.55MP要驱动机器人，所需要的驱动力必须要克服总重力加摩擦力，即F驱≥G总+F摩其中G总=G水+G壳+G其它因推动活塞运动时，另一个吸盘已经失效，所以要牵引运动的吸盘的吸附力不大，摩擦力也就不大。此时，G估计外壳质量采用小型射流器和不同规格的硅胶水管，总质量为2122g，适用于总重力和摩擦力较小的场景。我们选择了每个螺栓质量为46kg、7个螺栓质量为322g，以及质量为1000g的小型射流器。为了满足系统要求，我们选用了内径为6mm外径为8mm的硅胶水管和内径为8mm外径为10mm的硅胶水管作为输送介质。在本设计中，我们采用了小型射流器作为驱动装置。与其他驱动装置相比，小型射流器具有体积小、质量轻的特点，非常适合在总质量较小的情况下使用。小型射流器的质量为1000g，可以满足系统的驱动需求。

图7-2喷水位置示意图

参考文献[1]张东东.垂直发射井筒筒间状态监测管道机器人设计及控制系统研究[D].中国矿业大学,2020.[2]张婵,朱琳,韩谦等.光伏清洁机器人的设计与清洁特性[J].新型工业化,2020,10(04):82-84.[3]陈晓鹂,李聪丽,李依璟,桑明琪等.城市下水管道机器人造型设计[J].中国地质大学,2020.[4]刘大伟,刘佳佳.面向管道机器人的非对称惯性驱动系统及其动力学特性[J].燕山大学机械工程学院,2020.[5]吴为臻.内支撑式管道机器人运动机构与检测装置研究[D]西京学院,2022.[6]陆宇捷.管道检测机器人自适应运动机理研究与机构设计[D].兰州交通大学,2021.[7]张保真.管道机器人结构设计及其运动控制研究[D].石家庄铁道大学,2019.[8]DaolongYang,BangshengXing,JianpingLi,YanxiangWang.RecentPatentsonPressurizationandDedustingforPneumaticConveying[J].RecentPa