某管道巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u10211某管道巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算案例分析 1201151.1電機的選用 1151951.1.1總阻力計算 1209121.1.2電機額定功率計算 3151271.1.3電機選型 4292791.2聯(lián)軸器的選用 5184321.3軸承的選用 548311.4中間軸的校核 6216121.5下端支撐腿的校核 6227791.6銷的校核 7對機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，機械結(jié)構(gòu)是機器人設(shè)計兩大部分之一，通過大量計算并結(jié)合機器人的功率、結(jié)構(gòu)需求等，確定不確定的機械結(jié)構(gòu)，并校核確定等的標(biāo)準(zhǔn)件。整個機器人設(shè)計最大重量為20Kg，最大行進速度為2m/s，支撐輪選用多輪多廠家的30mm橡膠輪，其與大部分管道材質(zhì)的摩擦因數(shù)為0.3，管道內(nèi)部最大坡度為20°。1.1電機的選用本設(shè)計中的管道巡檢機器人的重量較輕，適合選用小型減速直流電機，電機自帶減速器，計算所需減速比即可。通過負載功率，負載扭矩等參數(shù)，確定電機的選型并校核相關(guān)零部件。1.1.1總阻力計算管道中的阻力可以共有4種，分別為：空氣阻力、坡度阻力、加速阻力、滾動阻力。驅(qū)動力直接由摩擦力提供，再由電機帶動橡膠輪克服摩擦力，完成管道巡檢機器人的行動?；緟?shù)為：機身重量：m=20Kg最大行進速度：V=2m/s摩擦因數(shù)：u=0.3管內(nèi)最大坡度：=20°（1）空氣阻力F阻1設(shè)空氣流速為V1由于管道中氣體流動性差，所有的空氣流速都來自于機器人自身運動，故而空氣流速等于車身最大行進速度。V1根據(jù)空氣阻力公式可以計算出空氣助力F=公式（3-2）中各字母含義及取值如下：空氣阻力系數(shù)C，管道巡檢機器人外形類似于普通小車，故C=0.35?？諝饷芏龋?1.293kg/m3S為空氣受阻面積，管道巡檢機器人中間鏤空位置較多，且支撐腿需要直接頂?shù)焦鼙?，故選取最大管徑的1/3為空氣受阻面積[21]。將各數(shù)據(jù)帶入公式（3-2）得：F阻1（2）坡度阻力F阻2管道內(nèi)部不總是水平地面，有上坡或下坡的情況，在路面有向上傾角時，管道巡檢機器人需要克服自身重力向上做功，增大管道巡檢機器人的工作功率。其作用力公式為：F阻2（3）加速阻力F阻3管道機器人在啟動時必當(dāng)產(chǎn)生加速度，本管道巡檢機器人不需要及時、快速啟動加速功能，在保證機身穩(wěn)定的情況下，初定加速度為a=0.5m/s3。在加速過程中，管道巡檢機器人需要增大工作功率使機器人加速，產(chǎn)生額外阻力，其計算公式為：F阻3（4）滾動阻力F阻4管道巡檢機器人使用的是橡膠輪，在行動過程中，輪子產(chǎn)生彈性變形，所以受到路面的反作用力不僅僅是豎直向上，還包括水平方向的阻力，這個阻力就是滾動阻力，其計算公式為：F阻4式中w為機身重力，將各數(shù)據(jù)帶入式（3-6）中可得：F阻4（5）摩擦阻力F阻驅(qū)動力直接由摩擦力提供，故摩擦阻力等于前四個阻力之和，由于管道巡檢機器人需要克服自身重力并頂住管壁，需要通過摩擦力計算出最小支撐力N0，以便于后文機械結(jié)構(gòu)校核。其計算公式為：F=0.15+65.41+10+56=131.56N通過摩擦力計算出各輪所需的最小壓力，其計算公式為：N0下方支撐輪還需要承受自身重力，其支撐力較大，可以代償部分上壁摩擦力，故取上三支撐腿支撐力N=20N。1.1.2電機額定功率計算電機提供所有的驅(qū)動力，且各項參數(shù)需要與管道巡檢機器人相匹配，過大的電機浪費能源，過小的電機難以支持機器人行動。根據(jù)摩擦阻力計算出電機的減速比和許用功率無疑是很重要的。輸出功率是Pc維持橡膠輪最大速度運轉(zhuǎn)的最小功率，其計算公式為：Pc橡膠輪轉(zhuǎn)速n由管道巡檢機器人的行動速度和橡膠輪周長計算所得，其計算公式為：橡膠輪直徑：D=0.03mn=電機的扭矩T的計算公式為：T=F將公式（3-10）（3-11）帶入公式（3-9）得：Pc單個輪的輸出功率Pc0為：Pc傳動系統(tǒng)中共有四個軸承、一對嚙合直齒齒輪、一個彈性聯(lián)軸器，通過查閱機械設(shè)計手冊得知，深溝球軸承1=0.99，直齒嚙合齒輪2=0.98，3=0.96。故傳動總效率計算公式為：=單個電機計算額定功率的計算公式為：Pe1.1.3電機選型由單個輪的輸出功率確定電機型號并校核其他各項參數(shù)，對比多個廠家后選用兆威公司的22mm齒輪箱直流減速電機。通過選型表查得，選用ZWBPD022022-4型號的減速直流電機最為合適。圖3-1兆威公司電機選型表圖3-2直流減速電機外形尺寸其額定轉(zhuǎn)速為ne=1875r/min；其外形尺寸如圖3-2所示。故減速比i的計算公式為：i=表3-1電機參數(shù)額定轉(zhuǎn)速ne額定功率Pe輸出軸直徑D0外形尺寸D1減速比i1875r/min12w6mm22mm1.471.2聯(lián)軸器的選用根據(jù)電機輸出軸軸徑，選用合適的聯(lián)軸器。管道巡檢機器人在工作中的突發(fā)情況較多，且路面較為顛簸，安全聯(lián)軸器對心度高、傳動能力強、抵抗振動的能力較弱，不適合采用；彈性聯(lián)軸器有一定的對心調(diào)節(jié)能力、傳動能力較強、抗震能力好，適合用于管道巡檢機器人。經(jīng)過調(diào)查，最終選用維動公司的EKL2型彈性聯(lián)軸器。其彈性體使用的耐磨材料TPU，具有總安裝長度短、易于安裝、減震性強等的特點。圖3-3維動彈性聯(lián)軸器選型表圖3-4維動彈性聯(lián)軸器外形尺寸1.3軸承的選用管道巡檢機器人單腿使用4個軸承，所有軸承只受徑向力且轉(zhuǎn)速較高，故選用深溝球軸承。根據(jù)軸徑選擇6201型號的深溝球軸承，需要校核軸承壽命是否符合要求其計算公式為：Lh通過查閱機械設(shè)計手冊，只承受徑向力的深溝球軸承載荷系數(shù)選取fp取值為1.2，溫度系數(shù)ft取值為1，當(dāng)量動載荷P的計算公式為：FrP=將公式（3-18）（3-19）帶入公式（3-17）中等：Lh使用壽命超過10年，符合要求。1.4中間軸的校核按照EKL2型彈性聯(lián)軸器外形尺寸選用中間軸的軸徑D2=7mm，選用基礎(chǔ)工業(yè)材料45號鋼，其許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[]=60mpa。依據(jù)軸徑和許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力校核軸的強度是否符合要求。連接電機和橡膠輪的中間軸為傳動軸，只受到扭轉(zhuǎn)力矩，其大小的計算公式為：τ=小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[]，傳動軸直徑、材料選取符合要求。1.5下端支撐腿的校核下端的支撐腿結(jié)構(gòu)是整個管道巡檢機器人最危險的部件，不僅需要承受機身自重，還需要承受上端支撐腿產(chǎn)生的支撐力，想要保證管道巡檢機器人的正常運行，支撐腿的校核是必不可少的[22]。根據(jù)支撐腿受力圖（3-5），分析可知1段腿較為危險，只挑選危險段進行分析，故只對1段軸進行校核。通過上一章的設(shè)計可知，1段腿的整個長度為L=20cm；支撐傾角度數(shù)=20°。通過受力圖（3-5）就算力矩M，并繪制力矩示意圖（3-6），1段軸力矩計算公式為：M=L?F擠壓力Fn的計算公式為：Fn擠壓應(yīng)力n的計算公式為：σn校核強度合格式中D0=30mm為支撐腿的外徑，d=22mm為支撐腿