管道清潔機器人畢業(yè)論文.docx

.目錄1 緒 論11.1本課題研究背景和研究意義11.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.3本設(shè)計的主要內(nèi)容82 管道機器人總體設(shè)計92.1管道機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計92.1.1移動方式選擇92.1.2傳動方案的選擇92.2機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計112.3動力系統(tǒng)的設(shè)計計算152.3.1管道機器人行駛阻力分析152.3.2減速器的選擇182.4機器人的速度和驅(qū)動能力校核192.4.1運動速度校核192.4.2驅(qū)動能力校核193 鏈傳動的設(shè)計計算203.1鏈輪設(shè)計的初始條件203.2鏈輪計算結(jié)果213.3歷史結(jié)果214 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算234.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計234.1.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù)234.1.2材料及熱處理244.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù)244.1.4蝸輪精度254.1.5強度剛度校核結(jié)果和參數(shù)264.1.6自然通風(fēng)散熱計算264.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計274.2.1軸的強度較核計算274.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計314.2.3鍵的校核325 過彎道能力和其他部件設(shè)計335.1 彈簧的設(shè)計335.2過彎道能力的設(shè)計345.2.1工作原理345.2.2過彎道能力的幾何量設(shè)計346 管道機器人建模與仿真分析387 總結(jié)和展望41參考文獻(xiàn)43致 謝451 緒 論1.1本課題研究背景和研究意義 用于石油、天然氣乃至民用上下水等管道在傳輸液、氣體過程中，因溫度、壓力不同及介質(zhì)與管道之間的物理化學(xué)作用，常常會高溫結(jié)焦，生成油垢、水垢，存留沉積物，腐蝕物等，使有效傳輸管徑減少，效率下降，物耗、能耗增加，工藝流程中斷，設(shè)備失效，發(fā)生安全事故。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝流程，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國的管道清洗行業(yè)長期以來80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的要求。探索和開發(fā)高效的清洗方法成為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不可或缺的環(huán)節(jié)。利用行星磨頭清洗是一種新的清洗方法。與化學(xué)清洗及手工、機械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強、成本低等一系列優(yōu)點，可達(dá)到返舊還新的效果。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟和社會效益。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活水平的提高，人們對于食品衛(wèi)生、健康的要求越來越高，環(huán)保意識越來越強，如何實現(xiàn)油煙管道高效率的清洗成了相關(guān)從業(yè)人員關(guān)注的問題。本課題的研究目的是設(shè)計一種應(yīng)用于清洗油煙管道的機器人，解決單獨靠人力很難完成，甚至不可能完成的油煙管道清洗任務(wù)。本課題的研究主要有以下意義:1、可提高機器人的清洗效率?，F(xiàn)有油煙管道機器人由于機械執(zhí)行機構(gòu)只有一個自由度，清洗管道壁時，要通過不斷調(diào)整機器人的位姿來實現(xiàn)，使操作變得復(fù)雜，清洗效率較低。2、可完成豎直油煙管道的清洗。賓館飯店常常位于高層建筑物中，豎直煙道的清洗是管道清洗的重要任務(wù)。針對現(xiàn)有機器人不能用于豎直管道清洗的缺點，我們設(shè)計了鏈?zhǔn)铰膸凶?、永磁吸附的機械行走機構(gòu)，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務(wù)。3、可改善當(dāng)前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)致的污染和純機械清洗對管道造成的損傷等。4、應(yīng)用于其它領(lǐng)域。通過更換機械執(zhí)行機構(gòu)、作業(yè)工具等可實現(xiàn)空調(diào)管道的清掃、船體表面的清洗、檢測、噴漆等任務(wù)。現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋于地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們無法直接介入，另外，在一些工廠里有大量的通風(fēng)管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設(shè)在空中，或者管道內(nèi)徑很小，在做質(zhì)量檢測、故障診斷、清洗時比較困難。這促使了管道機器人的誕生。管道機器人的迅速發(fā)展時期始于上個世紀(jì)80年代，它是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走，具有一種或多種傳感器的操作機械(如機械手、噴槍、焊槍、刷子)，其研究范疇屬于特種機器人中的移動機器人范疇，能夠完成在管道這個特定的極限環(huán)境中作業(yè)，通常能攜帶各種探測儀器和作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或者計算機的自動控制下完成管道的檢測和維修、清掃等作業(yè)。檢測作業(yè)項目包括防腐狀況檢測、對接管道焊縫質(zhì)量、管道內(nèi)腐蝕程度、防腐層厚度、管壁缺陷等檢測;維修項目包括清掃、補口、焊接等。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 目前在管道清洗過程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無動力纜繩拖拉行走方式來進(jìn)行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。為了解決這個問題，著眼于管道行走清洗機器人的研究開發(fā)，而在國內(nèi)這方面研究尚少。為了較好地解決管道的清洗難題，開發(fā)和研制管道清洗機器人勢在必行。本人設(shè)計管道清洗機器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計開發(fā)，因此它的深入研究也將推動管道清洗技術(shù)的發(fā)展。隨著管道機器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛。目前，日、美、英、德、法等發(fā)達(dá)國家在管道機器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本，在管道機器人的研究及開發(fā)中取得了領(lǐng)先的地位。法國的J. Vertut是較早從事管道機器人理論和樣機研制的人，他于1978年研制了一種輪腿式管內(nèi)機器人行走機構(gòu)，成功地實現(xiàn)了機器人在管內(nèi)的自主行走。該機構(gòu)由2個行走輪及4個支腿組成，支腿由電機驅(qū)動，以適應(yīng)不同管徑的變化。美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出了世界上第一臺工業(yè)機器人。在清洗機器人方面，美國的Stoneage公司進(jìn)行了相關(guān)的研究。如圖1-1，其研制的管道射流清洗機器人采用履帶驅(qū)動方式，但管徑適應(yīng)能力較差，射流對中性差，清洗效果不理想。盡管常規(guī)管道機器人有的己經(jīng)實用化了，但還存在著很多問題。例如，能源供給、可靠性等問題。2002年由美國佛羅里達(dá)大學(xué)電子及計算機工程學(xué)院智能機械設(shè)計實驗室研制的OPCR-OH' S管道清理機器人，如圖1-2所示。圖1-1 stoneage公司管道清洗機器人 圖1-2 OH'S管道機器人OPCR由三個部分組成:頭部、驅(qū)動部分、穩(wěn)定性控制部分。頭部安裝有傳感器可以檢測到需要清理的障礙、發(fā)現(xiàn)管道終端，從而能夠及時停止機器人的運動。驅(qū)動部分主要有兩個功用是適當(dāng)?shù)尿?qū)動運動；二是可以根據(jù)障礙物的尺寸來調(diào)節(jié)輪的角度，通過螺旋運動來清理障礙物。OPCR共有三個驅(qū)動輪，每個輪均有兩個微型電機控制，其中一個電機作為驅(qū)動，另一個電機改變輪的角度，這樣在轉(zhuǎn)彎的情況下機器人可以實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎。當(dāng)驅(qū)動部分難以控制OPCR穩(wěn)定的處在管道軸線中心線時，穩(wěn)定性控制部分這時就會起作用了。它是由四個在管道內(nèi)部的延長支架組成。圖1-3美國RIGID(里奇)管道疏通機 圖1-4 EverstVit公司管道檢測機器人美國RIGID(里奇)管道疏通機如圖1-3所示，其基本原理是利用機械裝置帶動軟軸(彈簧軟管)旋轉(zhuǎn)深入管道進(jìn)行管道疏通。軟軸大多為分段結(jié)構(gòu)，兩端有接頭可將多根軟軸接在一起使用，從而可疏通較長距離的管道。用于排水管道疏通的疏通機一般作業(yè)直徑范圍100mm250mm之間，最大疏通距離一般為50m。根據(jù)疏通管道的直徑配備不同的鉆具(刀頭)進(jìn)行管道疏通。軟軸采用65Mn特質(zhì)彈簧鋼絲為原材料經(jīng)特殊工藝加下而成，堅固而有韌性，可以順利通過180°彎道或連續(xù)180°返水彎管。圖1-4所示EverstVit公司的管道檢測機器人系列，采用輪式移動機構(gòu)，這種移動機構(gòu)在管道街頭部分或者管道里污垢沉積較多時就不能行走自如。俄羅斯“塔里斯”公司的“月球車”，如圖1-5所示，即機器人維修車。該車的9個電驅(qū)動裝置能把整個機器聯(lián)接起來，推出并轉(zhuǎn)動工作部件、翻轉(zhuǎn)攝像機用于觀察修理過程，還能“指使”刷子去清洗應(yīng)洗的部位。除此以外，為了使機器人能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道，機器人自身可折彎，因而可在直徑190mm600mm的管道中工作。機器人的機身是一整塊不銹鋼加工出來的，只有這樣才能達(dá)到輪子所必需的孔的同軸度和可靠的密封性要求。機器人安裝的輪子以0.3 m/s的速度向前行駛，有大功率燈泡照明，攝像機通過向不同的方向旋轉(zhuǎn)可以判斷故障點。在發(fā)現(xiàn)故障點后機器人用一整套工具(銑刀、鉆頭、切割和清理工具)完成各道工序。機器人由操作師控制，操作師的指令將傳給機器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。2000年德國研制成功世界第一個鏈?zhǔn)轿鬯艿罊z查機器人MAKRO管道機器人，如圖1-6所示。它采用分段蠕蟲狀外形設(shè)計，使其具備了前所未有的靈活性，可以實現(xiàn)對排水管道的初步清理及檢測。適用于大直徑、淤積不嚴(yán)重、管路復(fù)雜的排水管道。MAKRO的缺點是密封性不好，不宜在過分潮濕的環(huán)境中長時間工作。 圖1-5 月球車（適應(yīng)管徑范圍300-900mm） 圖1-6 MAKRO管道機器人二十世紀(jì)80年代，計算機、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展為管內(nèi)機器人的應(yīng)用與研究提供了有力的技術(shù)支持，國外相繼開發(fā)、研制了多種類型的管內(nèi)檢測移動機器人。日木吸取法、美等國的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，開發(fā)了多種形式的管道機器人。例如，日木關(guān)西電力株式會社開發(fā)出了適用于ø288mm388mm管徑、管長1000m的海水管道檢查用履帶式機器人，該機器人通過沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內(nèi)自主行走，移動速度為5m/min。日本大阪燃?xì)庵晔綍缪兄频膬?nèi)置磁鐵輪式煤氣管道檢測機器人可沿直管和彎管行走，適于管徑ø150mm600mm，行走速度5m/min，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走。日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機器人，如圖1-7所示，是被世界認(rèn)可的風(fēng)管清掃系統(tǒng)(具有美國、日本、歐洲多國專利)，其特長為:1、使用新開發(fā)的多功能超小型機器人，可有效的對各式各樣的風(fēng)管進(jìn)行污染診斷和清掃。2、不管風(fēng)管是何種形狀，即使是過濾器也無法除去的微細(xì)粉塵和細(xì)菌也可徹底清除，有效的防止空氣污染。3、風(fēng)管內(nèi)的污染診斷由機載攝像頭進(jìn)行記錄，裝備有在無電源場所也能自由行走的機能。圖1-7中央空調(diào)風(fēng)管清掃機器人目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家在管道機器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本在管道機器人的研究及開發(fā)領(lǐng)域中取得了領(lǐng)先的地位。日本和美國都是機器人發(fā)展較成熟的國家，對空調(diào)管道機器人的研究也較成熟，上面介紹的日本管道機器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測任務(wù)。美國的管道機器人也已經(jīng)開發(fā)出一系列的管道機器人。其他國家也研究了用于排水管道清理的機器人，但都有各自的優(yōu)缺點，目前，這些機器人仍不能用于清洗油煙管道的頑固油垢。我國對管道機器人的研究始于上個世紀(jì)八十年代末期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和應(yīng)用上取得了很多進(jìn)步。近幾年來，用于空調(diào)管道清洗和檢測的管道機器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場在上，己初見規(guī)模。目前國內(nèi)研究的管道機器人主要應(yīng)用在以下4個方面:1、空調(diào)通風(fēng)管道清洗機器人中科院蘭州分院研發(fā)的清潔機器人樣機是據(jù)400mm×400mm和500mm×500mm空調(diào)通風(fēng)管道設(shè)計的，具有在管道中行走、對管道內(nèi)污染情況進(jìn)行觀察和對污染物進(jìn)行清潔的功能。國內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機器人具有在管道內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。行走速度在每分鐘0.5m1m之間，清潔系統(tǒng)主要是安裝在機器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷，電纜長度超過30m，不易損壞，能夠滿足基本需要。但該機器人體積較大，對于常見的ø250mm風(fēng)管，機器人尺寸限制了其應(yīng)用，而且行走速度過慢。清華大學(xué)研制的通風(fēng)管清掃機器人MDCR-I尺一寸為520mm×290mm×270mm是一種可在通風(fēng)管內(nèi)行走的移動機器人。自動升降的手臂裝上刷頭可以清掃不同規(guī)格的矩形、圓形通風(fēng)管；裝上噴槍可以對通風(fēng)管進(jìn)行消毒。同樣，由于其功能中自動控制能力較強具有自動糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是其應(yīng)用范圍的限制因素。其功能包括檢測、清洗和消毒，如圖1-8所示。東華大學(xué)研制的“自主變位四履帶足機器人，如圖1-9所示。它將履帶與機體之間的固定擺臂變?yōu)榭蓹M向擺動的擺臂，改變左右擺臂的夾角以適應(yīng)不同的圓管管徑。這種管道機器人移動載體既適用于大口徑管道，也適用于小口徑管道，能跨越管內(nèi)的階梯管、錐形管接口、變截面形狀管接口，可適用于矩形管和圓管，能輕松實 圖1-8 MDCR-I 圖1-9自主變位四履帶足機器人現(xiàn)直角矩形管轉(zhuǎn)向和圓弧彎道行走，可勝任各種環(huán)境復(fù)雜的管道。因此清洗機器人在清洗過程中無須頻繁改變?nèi)肟谖恢?，故能大大提高管道清洗機器人的作業(yè)效率。機器人采用多電機驅(qū)動技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好。該機器人的優(yōu)點在于對不同管徑、管形的風(fēng)管適應(yīng)性很強。2、下水道自動清淤機器人清華大學(xué)研制的下水自動清淤機器人適合ø400mm的管道。載體采用了輪式行走機構(gòu)、四輪驅(qū)動方式、以三相異步電機做原動機。該機器人在清淤時有打滑現(xiàn)象。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測機器人，采用了履帶式行走機構(gòu)，用于城市排水管道的疏通、檢測，可檢測直徑大于500mm的排水管道。驅(qū)動系統(tǒng)為直流伺服電機驅(qū)動。移動機構(gòu)為差動式雙寬履帶，密封式水下結(jié)構(gòu)；移動速度為510m/min；負(fù)重能力大于10kg，如圖1-10所示。圖1-10城市排水管道穿纜檢測機器人 圖1-11 PV-2300自走式管道檢測機器人3、管道檢測機器人用于管道檢測的機器人的產(chǎn)品也比較多，北京航天村技術(shù)研究所推出的幾款管道檢測機器人，其中一款PV-2300彩色TV自走式管道檢測機器人，如圖1-11所示。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:采用長距離行走的自走車，一般能行走500m；采用小口徑用自走車，能應(yīng)用于管徑為ø200mm管道：自走車采用左右獨立全輪驅(qū)動，能在行走時進(jìn)行傾斜補正；搭載的照相頭有4倍聚集縮放功能；電纜細(xì)、重量輕和張力大。4、油煙管道機器人圖1-12煙道機器人如圖1-12所示，是一款由武漢亞伯機電有限公司生產(chǎn)的煙道機器人，該機器人自身尺寸280mm×260mm×270mm，重量18kg，爬坡30°，采用高壓射流清洗，電源220v，功率60w。該機器人無法完成豎直油煙管道的清洗，且重量較重。由于噴桿只有一個上下擺動的自由度，因此，在清洗過程中，機器人要頻繁的調(diào)整其與管壁的位姿來保證清洗效果，從而降低了清洗效率。1.3本設(shè)計的主要內(nèi)容目前管道機器人的驅(qū)動方式有自驅(qū)動（自帶動力源）、利用流體推力、通過彈性桿外加推力三種方式。采用雙步進(jìn)電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。盡管自驅(qū)動管內(nèi)機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但本文則是對輪式管道機器人的研究，可以設(shè)計機構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。本論文“管道機器人設(shè)計與運動仿真”的目標(biāo)是研究一種用于管道內(nèi)壁清潔的管道機器人，該機器人是用于作為攜帶作業(yè)工具進(jìn)行管道清洗的移動載體和清洗管道的機械執(zhí)行機構(gòu)，要求其完成管道內(nèi)壁的清洗和檢測任務(wù)。本文的主要研究內(nèi)容是:1、管道機器人的總體設(shè)計。根據(jù)機器人的作業(yè)環(huán)境特點確定管道機器人的總體結(jié)構(gòu)，并對機器人的行走機構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，要求其可靠、高效率完成水平和豎直油煙管道的清洗任務(wù)。2、彎管獨立輪式驅(qū)動轉(zhuǎn)向特性。根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，推導(dǎo)出過彎管的幾何約束尺寸，分析對變徑機構(gòu)的影響；建立輪壁接觸點分析模型，并對驅(qū)動截面偏角與軸線偏移量做出詳盡分析；基于所建立的彎管內(nèi)輪壁接觸點軌跡參數(shù)方程，通過分析彎管內(nèi)驅(qū)動輪速比運動特點，提出采取簡化控制方法的可行性及實用價值；建立彎管內(nèi)機器人產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體運動的力學(xué)模型，并進(jìn)一步確定出進(jìn)入彎管時的最佳初始姿態(tài)。3、機器人移動機構(gòu)驅(qū)動特性的研究。建立評價幾何變徑特性的數(shù)學(xué)模型，并給出移動機構(gòu)力學(xué)特性、變徑特性及越障能力的詳盡分析；運用ADAMS仿真軟件，基于虛擬樣機模型，對變徑動態(tài)力學(xué)特性與牽引力進(jìn)行詳細(xì)分析，為模擬樣機設(shè)計與制造提供理論依據(jù)。4、對管道機器人靜力學(xué)和運動特性進(jìn)行研究。根據(jù)力學(xué)相關(guān)理論對機器人靜穩(wěn)態(tài)受力與穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出機器人可靠吸附與磁塊吸力間的定量關(guān)系；對機器人可靠吸附穩(wěn)定工作時勻速直線運動狀態(tài)的動態(tài)受力和驅(qū)動平衡進(jìn)行分析，得出機器人運動過程中驅(qū)動系統(tǒng)所需滿足的條件，應(yīng)用ADAMS對理論對分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)值仿真計算等。2 管道機器人總體設(shè)計2.1管道機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 管道清洗機器人應(yīng)用于管道直徑ø90mmø125mm的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個設(shè)計從選取移動方式入手。2.1.1移動方式選擇 管道清洗機器人要實現(xiàn)實際應(yīng)用中的可靠性及實用性，必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點來設(shè)計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。在進(jìn)行清洗時候，要求系統(tǒng)必須保證噴頭具備一定的對中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，機器人還應(yīng)具備一定的越障能力。如果機器人在運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由于重心偏移而使得機器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能卡在管道內(nèi)而無法取出，嚴(yán)重時不得不破壞管道取出機器人。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機器人運動阻力增大，出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計中要求機器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和定心性。在現(xiàn)有的管道機器人設(shè)計中，移動型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運動等幾種形式。如壁面爬行、水下推動等機構(gòu)。蛇行、蠕動、變形運動鄉(xiāng)適合于光滑的管壁、地面或水下。履帶式著地面積大，對不平路面的適應(yīng)性強，但是體積大，不易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖所示；支腿式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動行走速度慢；輪式移動方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持附著牽引力較困難。2.1.2傳動方案的選擇機器通常是由原電機、和工作機三部分所組成。傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和動力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設(shè)計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設(shè)計傳動系統(tǒng)是機械設(shè)計工作地重要組成部分。合理的傳動方案首先應(yīng)滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經(jīng)濟性好等要求。很顯然，要同時滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動方案，作為最終確定的傳動方案。機器人常用的驅(qū)動方式有：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。電動驅(qū)動主要有步進(jìn)電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計中選用步進(jìn)電機作為機器人本體的驅(qū)動動力；減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結(jié)合管道機器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點，在本設(shè)計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。1、動力變換裝置的設(shè)計圖2-1車輪端面圖在如圖2-1所示的輪式移動結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧施加基本的預(yù)緊力后，剛好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅(qū)動力絕大部分來自輪1和輪3，而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方40mm左右（如圖2-1所示），增強了機器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120°，故需要動力變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構(gòu)，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的齒數(shù)又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為90°，兩蝸輪軸線之間的夾角為120°。如圖2-1所示。2、同步鏈傳動設(shè)計由于設(shè)計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機器人傳動方案中，更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng)管徑變化范圍較小，在本設(shè)計中，動力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1：1的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機構(gòu)，再應(yīng)用同步鏈將動力傳送到主動輪1和輪3。同步帶輪1與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長度足夠長，就可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。2.2機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計管道由于制作誤差、使用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，管道機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅(qū)動力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應(yīng)過程。有了自適應(yīng)性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達(dá)到對管道進(jìn)行有效清洗的目的，在本設(shè)計中，對于自適應(yīng)性的設(shè)計主要包括兩種方式：各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整。1、支腿單獨調(diào)整方式各支腿的單獨調(diào)整方式。當(dāng)機器人在行進(jìn)過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。2、支腿整體調(diào)整方式目前管道機器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機構(gòu)常用的有：蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式，升降機調(diào)節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿（即從動輪支腿）選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿（即主動輪支腿）選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機構(gòu)能保證機器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調(diào)節(jié)方式。(1)滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅(qū)動車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 ，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力的值小于所允許的最小壓力值 時，連桿AB的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點A，推桿CD與連桿AB鉸接在B點，另一端鉸接在軸套上C點，軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進(jìn)而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。圖2-2滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點A為坐標(biāo)系的原點，建立如圖所示的坐標(biāo)系XOY,為連桿AB的長度，是推桿CD的長度，是支點D到固定支點A之間的距離，是推桿CD與水平方向之間的夾角，是連桿AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力，是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 是電機軸的輸出扭矩。在坐標(biāo)系XOY中，由幾何關(guān)系可得： （2-1）對上式兩邊分別取微分可得： （2-2）化簡上式得： （2-3）由虛功原理得： （2-4）將式代入上式并化簡得： （2-5） 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為P， 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，則絲杠螺母的位移為： 對上式等號兩邊分別取微分得： （2-6）考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得： （2-7）式中， 為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。合并整合上兩式得： （2-8）此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。(2)彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動推桿運動，進(jìn)而推動連桿AB繞支點A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機的主動調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學(xué)特性如下：圖2-3彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為： （2-9）式中，彈簧的壓緊力，N。整理得： （2-10）彈簧壓緊力可表示為： （2-11） f為彈簧的初始長度(mm)，k為彈簧的彈性系數(shù)(N/mm)。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力f只是位移函數(shù)，因此該機構(gòu)具有負(fù)反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封閉力之和N變化不大。由此可見該機構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力f的回饋作用可使機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。2.3動力系統(tǒng)的設(shè)計計算2.3.1管道機器人行駛阻力分析在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進(jìn)速度是17.5mm/s。機器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力 （2-12）式中， 是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。NG為機器人輪子負(fù)荷之和。也就是： = （2-13）式中機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，機器人本體重量，。當(dāng)姿態(tài)角分別為60°或者-60°時候，系統(tǒng)的阻力最大。預(yù)設(shè)為0.5，機器人重量為4.8，打撈最大質(zhì)量300，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧對輪子的壓力是40x9.8N，=。 總阻力 根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑，總阻力矩為： = 已經(jīng)設(shè)過機器人行進(jìn)速度為，也就是，則主動輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是：nw= = = 電機的額定轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)傳動比為： 電機提供的驅(qū)動力矩為： = 考慮機器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為，則電機的功率為,電機選用型。如下表。得：轉(zhuǎn)速為 額定功率為 額定電流為 效率為 功率因數(shù)為 額定轉(zhuǎn)矩為 表2-1 YS系列電機技術(shù)參數(shù)表2-1 YS系列電機技術(shù)參數(shù)續(xù)2.3.2減速器的選擇在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。1、考慮驅(qū)動能力時減速比的計算根據(jù)電機的相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為 ，為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應(yīng)大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動系統(tǒng)的傳動比 應(yīng)滿足： 2考慮機器人最高運行速度傳動比的計算根據(jù)電機相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)速為則傳動系統(tǒng)的最大傳動比 應(yīng)該滿足： 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比 應(yīng)該滿足： （2-14）傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為：=5-80，選用20則減速器的出動比 為： （2-15）我們選用 根據(jù)小功率計算機書上說明，選用GBX40行星減速器。其參數(shù)如表2-2所示：表2-2 減速器參數(shù)表效率 0.96最大允許徑向受力N 200最大允許軸向受力N 200連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 20減速比 12：12.4機器人的速度和驅(qū)動能力校核確定電機和減速器后，我們必須進(jìn)行機器人的運動速度和驅(qū)動能力的校核，以確保機器人有足夠驅(qū)動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。2.4.1運動速度校核根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速，減速器的傳動比是，以及機器人所要求的主動輪半徑，可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速 。雖然 大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。2.4.2驅(qū)動能力校核根據(jù)電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為，傳動比 為，則機器人總的驅(qū)動力矩為：因為機器人總的驅(qū)動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動力起車，并有一定的動力儲備。 經(jīng)過上述計算和校核，所選的施奈德BSH4552T伺服電機和GBX40行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅(qū)動系統(tǒng)。3 鏈傳動的設(shè)計計算3.1鏈輪設(shè)計的初始條件鏈輪設(shè)計的初始條件如圖3-1所示表3-1初始條件3.2鏈輪計算結(jié)果經(jīng)過設(shè)計手冊的計算，得到的鏈輪計算結(jié)果如：表3-2設(shè)計結(jié)果由上面我們得到鏈輪的基本尺寸：排距 14.38mm分度圓直徑 89.28mm齒頂圓直徑 96.5mm齒根圓直徑 80.84mm3.3歷史結(jié)果由手冊計算我們的歷史結(jié)果如表：表3-3 歷史結(jié)果4 蝸輪蝸桿的設(shè)計計算 為了方便計算選用電子版機械設(shè)計手冊2.0計算：普通圓柱蝸桿傳動設(shè)計結(jié)果報告在輸入基本數(shù)據(jù)之前，我們要知道作用在蝸桿上的功率蝸桿的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是電動機額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器后的力矩，則：傳遞轉(zhuǎn)矩 輸入計算如下：4.1 蝸輪蝸桿基本參數(shù)設(shè)計 4.1.1普通蝸桿設(shè)計輸入?yún)?shù)圖4-1蝸桿設(shè)計參數(shù)1傳遞功率P 0.38（ ） 8傳動比誤差 0.02 2蝸桿轉(zhuǎn)矩T1 2.49( ) 9預(yù)定壽命H 4800（小時）3蝸輪轉(zhuǎn)矩T2 36.69() 10.原動機類別 電動機4蝸桿轉(zhuǎn)速n1 125.00( ) 11.工作機載荷特性 平穩(wěn)5蝸輪轉(zhuǎn)速n2 6.25 ( ) 12.潤滑方式 噴油6理論傳動比 20.00 13.蝸桿類型 漸開線蝸桿7實際傳動比 20.00 14.受載側(cè)面 3側(cè)4.1.2材料及熱處理1蝸桿材料牌號 45（表面淬火） 3蝸桿材料硬度 HRC45552蝸桿熱處理 表面淬火 4蝸桿材料齒面粗糙度 1.60.8 對渦輪蝸桿精度等級我們都選為8級得出：5蝸輪材料牌號及鑄造方法 ZCuSn10P1(砂模)6蝸輪材料許用接觸應(yīng)力 200 7蝸輪材料許用接觸應(yīng)力 2008蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力 329蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力 304.1.3蝸桿蝸輪基本參數(shù)圖4-2蝸桿蝸輪設(shè)計參數(shù)1.蝸桿頭數(shù)z1 2 21.蝸桿齒高h(yuǎn)l 6.93(mm)2.蝸輪齒數(shù)z2 40 22.蝸桿齒頂圓直徑 41.80(mm)3.模 數(shù)m 3.15(mm) 23.蝸桿齒根圓直徑 27.94(mm)4.法面模數(shù) 3.10(mm) 24.漸開線蝸桿基圓直徑dbl 15.36(mm)5蝸桿分度圓直徑dl 35.50(mm) 25.漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角 22.296°6.中心距A 63.00(mm) 26.蝸輪分度圓直徑d2 126.00(mm)7.蝸桿導(dǎo)程角 10.063° 27.蝸輪喉圓直徑da2 96.80(mm)8.蝸輪當(dāng)量齒數(shù)Zv2 41.90 28.蝸輪齒根圓直徑df2 82.94(mm)9.蝸輪變位系數(shù)x2 -5.63 29.蝸輪齒頂高h(yuǎn)a2 -14.60(mm)10.軸向齒形角ax 20.287° 30.蝸輪齒根高h(yuǎn)f2 21.53(mm)11.法向齒形角 20.000° 31.蝸輪齒高h(yuǎn)2 6.93(mm)12.齒頂高系數(shù)ha* 1.00 32.蝸輪外圓直徑de2 101.52(mm)13.頂隙系數(shù)c* 0.20 33.蝸輪齒頂圓弧半徑Ra2 14.60(mm)14.蝸桿齒寬b1 65.00(mm) 34.蝸輪齒根圓半徑Rf2 21.53(mm)15.蝸輪齒寬b2 24.00(mm) 35.蝸桿軸向齒厚sx1 4.95(mm)16.是否磨削加工 否 36.蝸桿法向齒厚sn1 4.87(mm)17.蝸桿軸向齒距 9.90(mm) 37.蝸輪分度圓齒厚s2 -8.18(mm)18.蝸桿齒頂高 3.15(mm) 38.蝸桿齒厚測量高度 3.15（mm） 19.蝸桿頂隙 0.63(mm) 39蝸桿節(jié)圓直徑 -0.00(mm)20.蝸桿齒根高 3.78(mm) 40.蝸輪節(jié)圓直徑 126（mm）4.1.4蝸輪精度表4-1 蝸輪精度項目名稱蝸輪蝸桿第一組精度88第一組精度88第一組精度88側(cè) 隙ff4.1.5強度剛度校核結(jié)果和參數(shù)1許用接觸應(yīng)力 252.042計算接觸應(yīng)力 119.54(滿足)3許用彎曲應(yīng)力 30.404計算彎曲應(yīng)力 15.71(滿足)5許用撓度值 0.07106計算撓度值 0.0225(滿足)1蝸桿圓周力Ft1 136.34 13.滾動軸承效率 0.982蝸桿軸向力Fx1 -735.88 14.使用系數(shù)Ka 1.023蝸桿徑向力Fr1 -272.02 15.動載荷系數(shù) 1.054蝸輪圓周力Ft2 735.88 16.載荷分布系數(shù) 1.005蝸輪軸向力Fx2 -136.34 17.材料的彈性系數(shù)ZE 155.006蝸輪徑向力Fr2 272.02 18.滑動速度影響系數(shù) 1.007蝸輪法向力Fn -795.35 19.壽命系數(shù)ZN 1.268滑動速度Vs 0.24 20.齒形系數(shù) 10.599蝸桿傳動當(dāng)量摩擦角 3.720° 21.導(dǎo)程角系數(shù) 0.8810.蝸桿傳動效率 0.69 22蝸桿截面慣性矩I 29914.07 11.蝸桿的嚙合效率 0.72 23.彈性模量E 207000.00 12.攪油損耗 0.97 24.蝸桿兩端支承點的跨度L 280 4.1.6自然通風(fēng)散熱計算1熱導(dǎo)率k 8.70 5潤滑油溫度t1 45 2散熱的計算面積A 0.57 6周圍空氣溫度t2 203冷卻的箱殼表面積A1 0.40 7損耗的功率Ps 0.12 4補充的箱殼表面積A2 0.35 8 能散出的功率Pc 0.134.2蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難度。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中的重要內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)主要取決以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸的連接方法：載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須針對不同情況進(jìn)行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便以裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。 軸的工作能力設(shè)計指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進(jìn)行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。下面根據(jù)上述原則對軸進(jìn)行設(shè)計計算。4.2.1軸的強度較核計算 進(jìn)行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并給當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強度計算：對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎矩強度條件計算：對于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強度條件進(jìn)行計算，需要時還應(yīng)按疲勞強度條件進(jìn)行精確校核。此外，對于瞬時過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對稱性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。下面介紹幾種常用的計算方法。1按扭矩強度條件計算這種方法是按軸所受的扭矩來計算軸的強度；如果還受有不大的彎矩時，則用降低許用扭矩切應(yīng)力的方法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結(jié)果。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 （4-1）式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， 軸所受的扭矩， 軸的抗扭截面系數(shù)， 軸的轉(zhuǎn)速 軸傳遞的功率，功率 計算截面處軸的直徑， 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，見表4-2表4-2 軸的幾種材料的 及 值軸的材料 Q235-A、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 1525 2035 2545 3555 149126 135112 135103 11297由上式可得軸的直徑 （4-2）式中， 查表4-2，對于空心軸，則式中， ，即空心軸的內(nèi)徑 d 與外徑d之比，通常取應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大3%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大7%。對于直徑d100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5%7%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。應(yīng)當(dāng)注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑 。2按彎矩扭合成強度條件計算通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和反支力的作用位量均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎矩扭合成強度條件對軸進(jìn)行強度校核計算。一般的軸用這種方法計算即可。其計算步驟如下(1) 做出軸的計算簡圖（即力學(xué)模型）(a)向心軸承 (b)向心推力軸承 (c)并列向心軸承 (d)滑動軸承圖4-3軸的支反力作用點軸所受的載荷是從軸上零件傳出來的，計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度中點算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，反支力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖4-3確定。圖b中的a值可查滾動軸承樣本手冊，圖d中的e值與滑動軸承的寬徑比 時，取；當(dāng)時，取 ，但不小于 ；對于調(diào)心軸承， 。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)圖4-4軸的載荷分析圖在做計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力分為圓周力、軸向力和徑向力，然后把他們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上），并將其分解為水平分力和垂直分力，如圖4-4b所示。然后求出各支承處的水平反力 和垂直反力 （軸向反力可表示在適當(dāng)?shù)拿嫔?，圖4-4d是表示在垂直面上，圖4-4d是表示在垂直面上，故標(biāo)以 和 ）(2)做出彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩 圖（圖4-4c）和垂直面上的彎矩 ，圖（圖4-4e）；然后按下式計算總彎矩并做出M圖(圖4-4f)。 (3)做出扭矩圖如圖4-4g所示。 (4)初步估算軸的直徑 選擇軸的材料為40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，由表4-2查得材料機械數(shù)據(jù)為： 根據(jù)公式初步計算軸直徑 = = 帶入數(shù)據(jù)得出d 11.2mm即軸的最小直徑為11.2，現(xiàn)在選擇 12.5mm，4.2.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸上面的定位要求，現(xiàn)在軸的基本參數(shù)如下圖所示：圖4-5軸的基本尺寸參數(shù)4.2.