管道缺陷檢測系統(tǒng)機械結構設計

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管道缺陷檢測系統(tǒng)機械結構設計 摘 要 城市主排水管道穿纜、檢測機器人應用于城市排水管道的疏通與檢測工作，屬于特種作業(yè)機器人。這類機器人能進入復雜多變的管道環(huán)境中，通過攜帶一種或多種傳感器及操作、作業(yè)裝置，對工作中的管道進行在役檢測、清理、維護，以保障管道的安全和暢通無阻地工作。 本文對市政管道檢測現(xiàn)狀進行了詳細的調(diào)研，分析了目前管道檢測機器人的優(yōu)缺點。針對工作介質(zhì)與環(huán)境等其它因素的影響，造成很多管道內(nèi)部裂縫，泄漏等問題，設計了一種管道缺陷檢測機器人，并且分析了其總體機械結構，設計了機器人的移動載體，對機器人的密封、防腐作了研究。對機器人移動載體的驅(qū)動電機進行了計算與選擇。并通過各種傳輸方案的比較，把光電復合纜確定為系統(tǒng)通信和電力傳輸介質(zhì)。最后對主要部件進行設計與校核，并用三維軟件進行了三維建模。 大量的管道檢測維護需求為管道檢測機器人的研究開發(fā)和應用提供了廣闊的市場空間，因此，管道機器人將逐漸成為一項十分重要的產(chǎn)業(yè)工程。 關鍵詞：管道機器人，缺陷檢測，機械結構 IV Abstract The city main drainage channel puts on the cable, to examine the robot to apply works in the urban sewerage pipelines opening and the examination, belongs to the special work robot. This kind of robot can enter in the complicated and diversified pipeline environment, through carries one kind or many kinds of sensors and the operation, the work installment, carries on to the work pipeline in the service examination, the cleaning up, the maintenance, safeguards pipelines security and opens access works. This article has carried on the detailed investigation and study to the municipal administration pipeline examination present situation, analyzed the present pipeline to examine robots good and bad points. In view of the actuating medium and the environment and so on other factors influence, creates many pipeline internal fissure, questions and so on divulging, has designed one kind of pipeline flaw examination robot, and has analyzed its overall mechanism, has designed robots motion carrier, to robots seal, the anticorrosion has done the research. Moved the carrier to the robot the actuation electrical machinery to carry on the computation and the choice. And through each kind of transmission plan comparison, electro-optical compound cable determination for system communication and power transmission medium. Finally carries on the design and the examination to the major component, and has carried on the three dimensional modelling with the three dimensional software. The massive pipeline examination maintenance demand examined robots research for the pipeline to develop and to apply has provided the broad market space, therefore, the pipeline robot will become a very important industrial project gradually. Key words：Pipeline robot，F(xiàn)law Inspection，Mechanical structure. 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 選題背景 1 1.2 研究意義 1 1.3 管道機器人的發(fā)展狀況 2 1.3.1 國外管道機器人發(fā)展概況 3 1.3.2 國內(nèi)管道機器人發(fā)展概況 5 1.4 課程主要研究的內(nèi)容 7 1.5 本章小結 7 第二章 總體方案的設計 9 2.1 管道檢測機器人系統(tǒng)方案的比較與分析 9 2.1.1 管道機器人的行走方式 9 2.1.2 管道機器人的檢測方式 10 2.1.3 管道機器人的電力供給方式 10 2.1.4 管道機器人的系統(tǒng)通訊方式 14 2.2 管道機器人系統(tǒng)組成 12 2.3 管道機器人移動載體結構設計 13 2.3.1 載體驅(qū)動輪的設計 13 2.3.2 移動載體驅(qū)動方式的選擇 13 2.3.3 驅(qū)動機構的傳動設計 14 2.4 機器人的系統(tǒng)參數(shù) 15 2.5 本章小結 16 第三章 管道機器人動力學分析 17 3.1 電動機功率的確定與選擇 17 3.1.1 電動機的選擇 17 3.1.2 電動機功率的確定 18 3.2 管道機器人的理論牽引力分析及計算 21 3.3 管道機器人拖纜力的理論計算 22 3.4 文章小結 24 第四章 管道機器人主要零部件設計與校核 25 4.1 軸 25 4.1.1 軸的確定 25 4.1.2 軸的強度校核 26 4.1.3 軸的剛度校核 29 4.2 滾動軸承 30 4.2.1 滾動軸承類型的選擇 30 4.2.2 滾動軸承尺寸的選擇與校核 30 4.2.3 滾動軸承的裝置設計 31 4.3 錐齒輪 32 4.3.1 錐齒輪參數(shù)的確定 32 4.3.2 錐齒輪的受力分析 35 4.3.3 錐齒輪的齒根彎曲疲勞強度校核 35 4.3.4 錐齒輪的齒面接觸疲勞強度校核 36 4.4 本章小結 37 第五章 系統(tǒng)三維建模 38 5.1 UG 簡介 38 5.2 UG 零件的三維建模 38 5.3 UG 零件的裝配圖 43 5.4 本章小結 44 第六章 總結和展望 45 6.1 總結 45 6.2 技術經(jīng)濟分析 45 6.3 展望 46 參考文獻 48 致 謝 50 聲 明 51 管道缺陷檢測系統(tǒng)機械結構設計 第一章 緒 論 1.1 選題背景 管道內(nèi)移動機器人是智能機器人的重點研究領域之一，隨著現(xiàn)代交通、能源、石油、化工、城市建設的高速發(fā)展，煤氣、自來水、給排水工程、石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)等管道的鋪設長度也急劇增長。管道系統(tǒng)在輸送各種液體和氣體物質(zhì)時，由于受到工作介質(zhì)與環(huán)境等其它因素的影響，造成很多管道內(nèi)部結垢、腐蝕情況嚴重，嚴重的影響了管道的正常運行，為管道事故的發(fā)生埋下了隱患。許多管道在服役運行期間發(fā)生了液體、氣體泄露事故等，對經(jīng)濟造成了巨大的損失。以排水管道為例， 這類管道大多埋于地下，在長期使用過程中,由于受到管內(nèi)、管外介質(zhì)的腐蝕等原因,會產(chǎn)生裂紋、漏孔而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,為此必須對管道進行定期檢查和維修。用人攜帶設備進行檢查十分困難，對工人的健康也帶來嚴重的損害。采用人工開掘進行檢測,不但勞動強度大、效益低,而且往往會妨礙道路交通。因此，有必要研制一種裝置，能夠深入到管道內(nèi)部完成檢測任務。在這種情況下，管道機器人作為一種先 進的管道檢測技術得到了巨大的發(fā)展空間,成為一種較為理想的管道檢測自動化裝置[1]。 1.2 研究意義 城市排水管道穿纜檢測機器人屬于特種機器人的范疇。在目前，我國有各種氣管道、石油管道、下水道、自來水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出現(xiàn)大量故障，可是這些管道大多數(shù)都埋在地下，因而一旦出現(xiàn)泄漏堵塞、就很難查找。由于城市地下管線復雜，街道廣場非常華麗不允許隨便挖開清理，所以城市主排水管道穿纜檢測機器人(以下簡稱穿纜檢測機器人)的研制非常有必要。 以排水管道為例，由于其深埋地下，情況比較復雜,對管線的日常維護和管理非常麻煩，工人在排除管線故障時,只能通過摸排和人工作業(yè)的方式進行,遇到一些老舊的細小管線時,維護力度就顯得十分有限；另外污水管線里往往含有一些有毒氣體,容易對工人的身體健康造成傷害。加上管道本身可能隱藏的內(nèi)在缺陷（如裂紋、砂眼、接頭處連接不良等），壽命總是有限的。而且許多管道系統(tǒng)難免在運行之中突然發(fā)生損壞而造成液體或氣體物質(zhì)的滲泄事故，不得不停工停產(chǎn)進行檢修。 28 這種事故有時造成的經(jīng)濟損失是巨大的。能不能在事故發(fā)生前就檢查出潛在的有毛病的管道而提前預防，是現(xiàn)代民用與工業(yè)企業(yè)中迫切需要解決的課題。 目前，國內(nèi)外主要應用的泄漏檢測方法有壓力圖像法（壓力分布法）、壓力點法（PPA）、負壓波法、質(zhì)量平衡法、聲波法、管道泄漏溶解法等等，這些方法雖然可以檢測管道的泄漏情況，但需要進行一定量的理論計算和推導，往往不如圖像信息簡單、直觀。管道機器人是一種比較先進的管道檢測設備，它由移動載體(行走機構)、檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和動力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，在操作人員的遠距離控制下，沿管道內(nèi)行走并實時連續(xù)的拍攝、顯示出管道內(nèi)圖像，直觀清晰的反映出管道內(nèi)故障點的狀況，克服了傳統(tǒng)檢測方法存在的弊端，提高了診斷精度，加強了對管道的認識和把握能力，及時有效的完成了對管道的檢測與維護、維修任務， 顯示出了巨大的應用前景[2]。 綜上所述，管道檢測機器人的研究為管道的檢測、維護提供了新的技術手段， 改變了傳統(tǒng)管道開挖抽檢的單一模式。這種檢測技術提高了管道檢測的準確性，便于管道工程管理維護人員分析了解管道缺陷產(chǎn)生的原因，開展對缺陷的評估，制訂管道維護方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計劃地維修或更換管段，從而節(jié)約大量的維修費用，降低管道維護成本，保障人民生活及財產(chǎn)安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的環(huán)境污染。因此，開展管道檢測機器人的研究具有重要的科學意義和明顯的社會經(jīng)濟效益。目前，管道檢測機器人的研究得到了世界各國的高度重視，也得到了我們國家部委和相關行業(yè)的重視。大量的管道檢測維護需求為管道檢測機器人的研究開發(fā)和應用提供了廣闊的市場空間，將逐漸成為一項十分重要的產(chǎn)業(yè)工程[3]。 1.3 管道機器人的發(fā)展狀況 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、化工等領域也應用了大量管道，這些管道大多埋在地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會造成嚴重的環(huán)境污染，甚至引起火災，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達或人們不能直接介入，因此，質(zhì)量檢測、故障診斷及維修的課題十分迫切地擺在我們面前。管道檢測技術始于上個世紀 50 年代，由于當時天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵人們?nèi)パ芯恳环N管內(nèi)檢測設備，這就是我們通常所說的一種無動力的管內(nèi)清理檢測設備 －PIG，該設備簡單、實用，在一定程度上解決了天然氣管道的檢測問題。在結構 上，PIG的外徑略大于管道直徑，這是為了密封，將其壓入管道后，它主要靠首尾管內(nèi)流體形成的壓力差做驅(qū)動力，克服管壁與活塞之間的摩擦力而向前運動。PIG 可以攜帶超聲波、電渦流傳感器，一邊走一邊檢測。并由其內(nèi)部記錄儀記錄檢測的數(shù)據(jù)。早期，這種技術發(fā)展很慢，到了 70 年代末，隨著檢測技術的發(fā)展，PIG技術已經(jīng)成熟，現(xiàn)在英、日、美、德、法等國大公司的PIG產(chǎn)品已經(jīng)實用化、商品化。PIG的特點是實用性好、行走距離遠，可達 300 公里左右，而且不拖線作業(yè)，但是PIG類檢測設備無自動行走能力，移動速度及檢測區(qū)域均不易控制，嚴格說來它不 能算做是機器人[4]。 隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的發(fā)展，迫使人們研究管道機器人對這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進行檢測維修，在一定程度上刺激了管內(nèi)機器人的發(fā)展。然而，管內(nèi)機器人的迅速發(fā)展時期還是始于上個世紀 80 年代。 這是由計算機、傳感技術、檢測技術、現(xiàn)代控制理論技術的發(fā)展，為管道機器人的研究應用提供了技術保證，使應用管內(nèi)機器人進行檢測，維修的手段成為現(xiàn)實， 因此，人們對各種管道機器人的行走機理、行走方式進行了大量的探索和研究，并取得了可喜的成果。 美國、英國、日本等發(fā)達國家在管道機器人技術方面做了大量的工作，取得了比較突出的成績。 1.3.1 國外管道機器人發(fā)展概況 1. PEARPOINT 公司開發(fā)的輪式自來水管道檢測機器人 如圖 1-1 所示，該機器人具有六個行走輪，能在自來水管道內(nèi)前進或倒退行走, 適應管徑為f150 - f 750 ；行走速度為0 -12m / min ；行走距離大約600m 左右。對于更大管徑的管道，加裝20w 燈泡（選件），提供更明亮、精確的圖像，電纜使用質(zhì)地牢固重量輕的合成纖維，堅固、防水，可抵抗1.5KN 的張力。配有電纜自動收放系統(tǒng)，高性能的帶馬達電纜盤，可提供超過50kg 的牽引力。儀器精確確定電纜層數(shù)，可提高電纜回繞速度和增加電纜壽命。微處理器控制的離合器和剎車系統(tǒng)， 減少電纜回繞的摩擦力，在整個測量過程中，使用操縱桿可精確控制爬行器及攝像機[5]。 圖 1-1 輪式自來水管道檢測機器人 2．英國雷迪推出的管道檢測機器人 英國雷迪推出的P350 管道檢測設備如圖 1-2 所示，該系統(tǒng)系統(tǒng)配有三種可交換高清晰度攝象鏡頭，超亮白色LED，圖象清楚，壽命長，免維護。該系統(tǒng)的控制模塊可進行縮放、旋轉圖象，并可實時錄象，為客戶提供高質(zhì)量視頻圖象，可以方便、快速查找出管道故障。該系統(tǒng)可在幾乎任何苛刻條件下工作，爬行車為黃銅和不銹鋼結構，可在 100 米深的水下工作。50 瓦和 100 瓦大功率引擎能在任何狀況的管道內(nèi)爬行。該系統(tǒng)整合了傾角儀和多頻率探頭，可以輕松、有效地測繪出管道地形和狀況[6]。 圖 1-2 英國雷迪的管道檢測設備 3. 日本橫濱國立大學的檢測污水排放管道的管道檢測機器人 日本橫濱國立大學電子與計算機工程系Chi Zhu等人于 2000 年研制成功用于檢測污水排放管道的管道檢測機器人，該管道檢測機器人適用于管徑為f 200mm 的管道。如圖 1-3 所示，整個管道檢測機器人系統(tǒng)由四部分組成：管道檢測機器人行走裝置、作業(yè)操縱裝置、用于污水采集的注射器系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)。整個管道檢 測機器人系統(tǒng)的規(guī)格為：長620mm、寬166mm 、高158mm ，其重量為24kg [7]。 圖 1-3 管道檢測機器人系統(tǒng)組成 1.3.2 國內(nèi)管道機器人發(fā)展概況 我國的管道機器人的研究始于 20 世紀 80 年代，與西方發(fā)達國家相比起步較晚, 但近些年來取得了快速發(fā)展。其中開展工程管內(nèi)機器人技術研究的單位中，較有代表性的有清華大學、上海交通大學、東華大學等。 1. 清華大學機器人 該下水自動清淤機器人適合400mm 的管道。載體采用了輪式的行走結構，四輪驅(qū)動方式、以三相異步電機作原動機。其實驗數(shù)據(jù)如下: 在空載干凈的管道中運行時，功率約為350 - 400w ；速度在5.7 - 5.9m / min ； 載體的推力為60kgf ；淤泥沉積到管徑的1/ 3 處；平均速度為4.5m / min ；機器人總功率增加到400 - 500w ，運行平衡，但有打滑現(xiàn)象，如圖 1-4 所示[8]。 2. 上海交通大學 圖 1-4 清華大學研制的管道清淤機器人 該管道機器人仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅(qū)動。機器人上部裝有 CDC 圖像傳感器，由另一個直流伺服電機控制 CDC 圖象傳感器 作俯仰運動，以擴大檢測范圍。另外，機器人上還裝有角度傳感器，如圖 1-5 所示。 其相關參數(shù)為:電機功率5w ；減速箱減速比為100 ；輸出轉速為0 - 30r / min ； 最小管道直徑中f 120mm ；運動速度可由計算機給定，一般為1.2m / min [9]。 圖 1-5 履帶式管道機器人的運動機構簡圖 3. 東華大學的自主變位履帶式管道機器人 GXJZ-I 東華大學的履帶式管道機器人如圖 1-6 所示，它是一種高度可調(diào)的自主變位履帶式管道機器人的行走機構，屬機械傳動技術領域。兩套橫向擺腿機構，該機構按對稱于機體的對角線布列在機體的頭部和尾部，四條腿的上端分別鉸接在兩套橫向擺腿機構的兩側，四條腿的下端各制有一個擺腿調(diào)節(jié)關節(jié)，四個履帶足分別鉸接在四個擺腿調(diào)節(jié)關節(jié)上。兩套橫向擺腿機構使四條腿張開，調(diào)節(jié)四個擺腿調(diào)節(jié)關節(jié)， 使四個履帶足恢復直立狀態(tài)，降低行走機構的高度。有高度可調(diào)的優(yōu)點。裝用本發(fā)明的行走機構的自主變位履帶式管道機器人能進入多種管道，如高度高的矩形管道、小口徑圓形或高度低的扁平矩形管道，從事管道內(nèi)的作業(yè)[10]。 圖 1-6 GXJZ-I 的總體結構 綜合上述國內(nèi)外排水管道疏通、清理技術研究與應用情況，可以看到，應用比較成熟的技術為高壓水射流技術和自動化清理機器人。高壓水射流技術在我國大、中、小城市無法普及應用，其原因是國內(nèi)排水管道大多數(shù)是水泥管，時間長了局部會有破損和老化，高壓水沖洗會加劇排水管道的老化的過程。再者，每臺車的價值有上百萬元，不適合我國發(fā)展中國家的國情。其它的能達到實際應用的管道檢測機器人，技術尚未公開，價格也很昂貴。我國的排水管道疏通還停滯在人工操作的落后狀態(tài)，效率低，而且對工人的人身安全也存在很大的危害。所以迫切需要研制一種造價低廉、實用且效率較高的排水管道機器人以代替人工操作。國內(nèi)這一領域的研究很少，還處于科研階段，所以本課題的研究非常必要，而且具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益，具有非常廣闊的應用前景。 1.4 課程主要研究的內(nèi)容 本課題的主要工作是開展管道檢測機器人的設計與研究工作，主要內(nèi)容如下： （1）機器人系統(tǒng)方案的選擇 機器人系統(tǒng)方案的選擇包括行走方式的選擇；檢測方式的選擇；電力供給方式的選擇；系統(tǒng)通訊方式的選擇等。 （2）管道缺陷檢測機器人總體設計 深入了解管道檢測機器人的基本原理原理和機械結構，熟悉機械結構設計的整個流程，提出有纜式管道機器人的總體設計方案和實現(xiàn)辦法。 （3）管道檢測機器人驅(qū)動特性的研究 設計管道機器人全驅(qū)動機構；計算并選擇電機的功率；研究機器人的拖動力、行走能力的計算方法。針對影響拖纜作業(yè)機器人在管內(nèi)行走最大作業(yè)距離的關鍵因素—拖纜力計算問題進行理論分析。 （4）重要部件的設計與校核 對重要零部件的尺寸進行設計與校核。 （5）管道檢測機器人的三維建模 通過仿真軟件UG對機器人進行三維建模與仿真。 1.5 本章小結 本章綜合分析了國內(nèi)外各種類型管道機器人的技術概況及發(fā)展趨勢，提出了目 前管道檢測機器人的關鍵技術問題，并在此基礎上，提出了本文所要研究的主要內(nèi)容，明確了論文的工作方向。 第二章 總體方案設計 2.1 管道機器人設計方案的比較與分析 管道機器人系統(tǒng)的總體設計直接影響到機器人的使用性能和工作效率等方面， 需要以系統(tǒng)全面的觀點來進行綜合分析比較，包括機器人的行走方式、管道檢測電力供給、系統(tǒng)通訊等的方案選擇[11-12]。 2.1.1 管道機器人的行走方式 根據(jù)運動機理和驅(qū)動方式的不同，管內(nèi)機器人運動方式包括蠕動式、多足行走式、履帶式、螺旋驅(qū)動式、蛇行式、輪式等六種主要方式。 （1）蠕動式 蠕動式管內(nèi)移動機器人的行走節(jié)奏中包含前后支撐部分的徑向仲縮運動，從而降低了機器人的行走效率，導致機器人行走不連續(xù)，而且更換支撐部分時易產(chǎn)生機身不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，在管道檢測中應用較少。 （2）多足行走式 多足行走式有較好的動作靈活性，但其較復雜的運動學和動力學特征，使得機器人在步態(tài)規(guī)劃和關節(jié)間隴調(diào)運動控制等方面存在一定難度，而目，機器人結構復雜，對傳感器要求高，需要大量的精密傳感器，研究成本和制造成本都很高，且牽引能力有限，不易攜帶檢測維護裝置，不適合長距拖纜作業(yè)。 （3）螺旋驅(qū)動式 螺旋驅(qū)動式機器人運動連續(xù)，結構簡單，控制方便。但機器人沿管道的實際運動速度是螺旋運動速度沿管道軸線的分量，運動效率不高。此外，螺旋驅(qū)動方式對管道截面的空間占用率高，對管內(nèi)壁的形狀依賴性大，越障能力差，機器人很難具備主動轉向能力。 （4）履帶式 履帶式管內(nèi)移動機器人履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優(yōu)越的越障性能。但履帶式驅(qū)動機構的復雜性，導致其機械結構尺寸較大，不易小型化，因此實際應用中大多用于大直徑的管道內(nèi)。 （5）蛇行式 盡管蛇行式管內(nèi)運動方式具有各種優(yōu)點和特點，但隨著自由度數(shù)量的增加，會 造成軟硬件控制的技術困難，從而也帶來驅(qū)動方面的問題。而且機器人利用身體形態(tài)的變化來實現(xiàn)運動，這一過程要依靠機器人與管道內(nèi)壁間的靜摩擦來推動，對于圓弧狀的管道內(nèi)壁，機器人身體與管壁之間較難充分接觸，因此，機器人的驅(qū)動能力十分有限，運動效率不易提高。 （6）輪式 按照行走機構的不同設計，輪式管內(nèi)移動機器人又可分為支撐輪式和車型式兩大類。支撐輪式管內(nèi)移動機器人在結構上是對稱的，因此機器人運動穩(wěn)定性好，可以產(chǎn)生較大的牽引力。車型式管內(nèi)移動機器人行走在管道內(nèi)壁表面，類似車輛在地面的行走方式。具有結構簡單、行走連續(xù)平穩(wěn)、在管道內(nèi)運動靈活等優(yōu)點。與支撐 [13] 輪式相比較，具有結構更加簡單、控制更加方便的優(yōu)點 。 綜合分析各類機器人的運動方式，因本文研究的管道缺陷檢測系統(tǒng)在管道內(nèi)側應具有平穩(wěn)，靈活等特點，且僅在平直管道內(nèi)行走，所以最后選用車型式的輪式行走機構作為本文設計機器人的運動方式。 2.1.2 管道機器人的檢測方式 管道內(nèi)檢測通常用數(shù)據(jù)或圖像的形式表示管道內(nèi)的詳細情況，常用聲納、超聲波、聲納與視頻聯(lián)用、視頻檢測等技術方法。聲納或超聲波具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、成本低等優(yōu)點，適合于直徑大和超負荷的污水管。視頻檢測主要是通過閉路電視錄像的形式，使用攝像設備進入排水管道將影像數(shù)據(jù)傳輸至控制電腦后進行數(shù)據(jù)分析的檢測。這類檢測可全面了解管道內(nèi)部結構狀況，并且攝像機可以作成體積小、重量輕的微型攝像機，能夠降低機器人的負載，提高機器人的靈活性。 綜合分析上述檢測方法，機器人采用視頻檢測。 本文的攝像機，攝像系統(tǒng)支架以及地面監(jiān)控系統(tǒng)均選用北京銘尼科科技有限公司銷售的相關產(chǎn)品，攝像機為 DTR65HRC 旋轉廣角攝像機，可無限360o 旋轉并270o 傾斜，攝像頭內(nèi)部頂端設有冷光燈，影像清晰；攝像系統(tǒng)的支架可以通過電機對攝像系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)；地面操控器型號為 VSR65，可以實現(xiàn)移動載體的控制及缺陷圖像的捕捉，檢測等。 2.1.3 管道機器人的電力供給方式 管道機器人的電力供應通常有兩種方式，一種是移動載體攜帶能源裝置；另一種是由管外通過動力線纜為管內(nèi)機器人供給能源。機器人載體攜帶能源裝置能夠減 輕機器人的拖動負載，但是蓄電池所儲存的能量有限，因而使機器人的行走距離受到限制；外部電纜供電可以提供足夠電量，但電纜增加了機器人的拖纜力，不利于機器人的遠距離行走。 綜合比較上述兩種供電方式，管道檢測機器人采用外部電纜 220V、50Hz 交流供電，為了得到機器人正常工作所需的電壓、電流，需對外來電進行穩(wěn)壓、變壓及AC/DC 轉換。通過機器人載體內(nèi)置電源，對電源進行設計，實現(xiàn)機器人的交流向直流轉換，為機器人提供多路直流電輸出。圖 2-1 為機器人載體內(nèi)能源供應分配圖。 外部交流供電  行走伺服電機云臺步進電機 電源 （AC/DC） 通訊設備 控制設備，攝像頭外部照明 圖 2-1 管道檢測機器人電力供給分配圖 2.1.4 管道機器人的系統(tǒng)通訊方式 機器人的通訊方式主要有無線通訊和有線通訊兩大類。無線通訊的方式表現(xiàn)靈活，使用方便。但是管道內(nèi)的信號容易受到屏蔽和干擾，通訊的質(zhì)量和可靠性較差； 有線通訊方式具有通訊質(zhì)量好、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，但由于通訊纜線，增加了機器人的負載。 綜合分析機器人的通訊方式，選用光纖通訊作為機器人的通訊方式。由于光傳輸和電能傳輸是屬于兩種不同類型的傳輸方式，不會產(chǎn)生電磁干擾，因此將光纖和電力線復合在一起，無需考慮電能傳輸和光傳輸?shù)南嗷ソ^緣問題，可以把光纖和電力線復合在一起制成光電復合纜。 卷軸選用北京銘尼科科技有限公司銷售的 TMO 500A 卷軸，主電纜最長可達500m，自動纏繞系統(tǒng)，前后自由縮放,電子計數(shù)器自動記錄行進距離。其電力線符合國家標準規(guī)定，纜線質(zhì)量輕，有利于管道機器人的長距離行走。 2.2 管道機器人系統(tǒng)組成 管道機器人的系統(tǒng)主要由五部分組成，如圖2-2，各部分的組成及功能如下： （1）管道機器人移動載體 機器人移動載體與輪式小車外形相似。內(nèi)部有電機驅(qū)動、通訊、控制等設備， 可以實現(xiàn)本體的前進、后退等動作。本體能夠防水、耐壓，可以實現(xiàn)水中帶壓作業(yè)， 密封壓力為1MPa，爬行器100米下防水指標為IP68，并且本體能夠耐腐蝕。 （2）電力供給系統(tǒng) 機器人電力供給系統(tǒng)使移動載體及載體內(nèi)執(zhí)行機構的電力供應得到充分保障。從而使小車能夠在管道內(nèi)準確行走。 （3）云臺系統(tǒng) 該系統(tǒng)可使攝像機實現(xiàn)360o 旋轉并270o 傾斜，在透明穹頂下可無限旋轉，從而能夠準確的捕捉故障點圖像。 （4）信息傳輸系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用單模光纖作為信息傳輸介質(zhì)，光端機為信號接收和發(fā)射裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)中一路雙向數(shù)據(jù)信息和一路視頻圖像信息的混合傳輸。 （5）地面監(jiān)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)能夠進行文字輸入和報告編寫，圖像部分采用數(shù)字縮放和導航圖像，系統(tǒng)內(nèi)置閃存卡保存SVA視頻和照片，支持藍牙技術，能夠及時將圖片發(fā)送，支持USB 2.0快速傳送數(shù)據(jù)，并能實時錄制視頻圖象，能夠快速、方便地查找出管道故障點。操作人員可以根據(jù)監(jiān)視器上顯示的圖像信息，對機器人的作業(yè)進程進行人為干預， 進行控制、發(fā)送指令等操作。及時的了解管內(nèi)的信息，便于對管道檢測的把握。 圖2-2 機器人系統(tǒng)組成 2.3 管道機器人移動載體結構設計 2.3.1 載體驅(qū)動輪的設計 1.驅(qū)動輪數(shù)量的確定 管道機器人最常用的驅(qū)動輪數(shù)量有三輪，四輪和六輪。三輪式機器人車體配置雖然結構簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或管道不平時容易傾倒。四輪式機器人穩(wěn)定性較強，在管道中占用空間較小，并且有較強的附著力和操控性，牽引力較大。六輪式機器人其越障能力比較強，但車身相對于四輪的要大，因此在管道內(nèi)占用的空間就要大，使其靈活性降低。而且當增加了車輪的數(shù)量和車身的長度之后，會使其自身的質(zhì)量增加，耗電量增加，行駛的速度減慢，結構的復雜程度增加，成本提高。 綜合考慮，我們確定管道機器人采用四輪驅(qū)動方式。2.驅(qū)動輪結構的設計 采用輪式的行走機構，驅(qū)動輪的設計成為影響機器人行走穩(wěn)定性的一個重要問題。機器人的驅(qū)動輪需要在有水、泥、油污的環(huán)境內(nèi)行走，為了使機器人的輪子能夠更加適合實際工況需要，采用輪轂外硫化橡膠，橡膠采用耐磨、耐油污的丁氰橡膠為原料。輪子與機器人的連接采用聯(lián)軸器傳遞扭矩、螺釘定位的辦法，很好的滿足了機器人行走輪的工作需要。如圖 2-3 所示： 圖 2-3 驅(qū)動輪與軸連接 2.3.2 移動載體驅(qū)動方式的選擇 管道機器人輪式行走分為全驅(qū)動和部分驅(qū)動兩種方式。所有輪子都作為驅(qū)動 輪，稱為全驅(qū)動方式；部分輪子是驅(qū)動輪，其余是從動輪的，稱為部分驅(qū)動方式。綜合考慮，全驅(qū)動方式轉向靈活，并且具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性等 特點。因此，在管道中應采用全驅(qū)動方式。 在全驅(qū)動中，按照驅(qū)動輪是統(tǒng)一驅(qū)動還是單獨驅(qū)動又分為單電機全驅(qū)動和獨立全驅(qū)動兩種方式。驅(qū)動輪由一個電機統(tǒng)一驅(qū)動，稱為單電機全驅(qū)動方式；驅(qū)動輪由單獨的電機各自驅(qū)動，稱為獨立全驅(qū)動方式[14]。 單電機全驅(qū)動方式由一個電機來驅(qū)動載體的全部驅(qū)動輪，這種驅(qū)動方式結構簡單，控制方便，所有驅(qū)動輪轉速相同，驅(qū)動力大，機器人牽引能力強，但無法實現(xiàn)轉向功能；獨立全驅(qū)動方式由單個電機來分別驅(qū)動每個驅(qū)動輪，加速性能好,通過性強。尤其在彎曲和泥濘等較為復雜的管道內(nèi)行走,其附著力強,牽引力大。并且動力分配均衡。但多電機占據(jù)載體內(nèi)部空間較大，增加了載體的體積和復雜性。 考慮到本文所設計的管道檢測機器人在彎曲的排水管道檢測時，要求機器人具有轉向靈活的特點，所以設計機器人的驅(qū)動方式為獨立全驅(qū)動方式，每個車輪由單 獨的電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)前進，后退的平穩(wěn)，準確行走。 2.3.3 驅(qū)動機構的傳動設計 機器人的驅(qū)動動力來源于機器人本體內(nèi)部的直流伺服電機，通過傳動機構，將電機的動力合理的分配到機器人的驅(qū)動輪上?？紤]到機器人的載體內(nèi)部空間小、傳動距離長，并且在管道中有轉彎和倒退等情況，所以選擇用錐齒輪作為機器人內(nèi)部的動力傳輸零件，圖 2-4 為機器人的傳動簡圖。 圖 2-4 機器人的傳動簡圖 2.3.4 載體防腐、密封設計 1.防腐設計 防腐是機器人要考慮的一個重要問題。由于管道機器人所處的工作環(huán)境，存在有生活污水、工業(yè)廢水、管內(nèi)淤積的各種腐爛物質(zhì)等，構成了一個力學因素和電化學因素共同作用的腐蝕環(huán)境，使得機器人在管道內(nèi)的工作過程中發(fā)生化學、電化學腐蝕等。針對管道機器人的這種工作環(huán)境，在材料的選擇上，機器人本體選擇超硬鋁合金 7A04（LC4）作為本體的材料，這種材料具有退火和淬火狀態(tài)下塑性中等、強度高，切削加工性良好、耐腐蝕等特點，可用于制作耐腐蝕、高載荷構件。 機器人的輪子采用的是 7A04（LC4）作為輪轂，外表硫化橡膠的工藝，既保證了輪子的承載能力，又實現(xiàn)了輪子外形設計的要求，并且，橡膠采用的是丁氰橡膠， 材料本身具有優(yōu)良的抗氟、抗臭氧性，耐油、耐溶劑、耐酸堿以及耐老化性能好等優(yōu)點。 此外，在設計中還使用了不銹鋼緊固件，如不銹鋼螺栓及螺母:特殊軸承、鉛封及鋅層等附件；還可以噴涂防銹涂料，提高機器人的使用壽命[15]。 2.密封設計 對于排水管道機器人來說，為了保證能夠正常的工作，必須確保電機和軸承不被污水侵入、腐蝕，使機機器人具備一定的防爆性能和可靠性。所以，有必要對水下機器人的密封進行細致的研究。 密封可分為靜密封和動密封兩大類。靜止部位的密封稱為靜密封；有相對運動部位的密封稱為動密封。靜密封主要有墊密封、膠密封、直接接觸密封三類。動密封可分為接觸式密封和非接觸式密封兩類。接觸式密封的密封面相接觸，可以消除間隙或使間隙為最小，達到很高的密封性[16]。 2.4 機器人的系統(tǒng)參數(shù) 管道檢測機器人系統(tǒng)參數(shù)如下： 外形尺寸：（寬）220mm（高）150mm（長）400mm凈重：15 kg 通訊方式：光纖通訊 供電方式：通過動力電纜供電行走方式：輪式行走 移動速度： 0 -12m / min 適應管徑： 300 - 500mm 行走距離：100mm 2.5 本章小結 本章通過對管道檢測機器人的方案分析，確定出具體的設計方案；對機器人的行走方式，檢測方式，電力供給方式，系統(tǒng)通訊方式等進行分析與選擇；并對移動載體進行設計，包括移動方式、驅(qū)動機構、傳動機構、載體密封及防腐；最后給出了管道檢測機器人的系統(tǒng)參數(shù)。 第三章 管道機器人動力學分析 3.1 電動機功率的確定與選擇 3.1.1 電動機的選擇 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)動主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。 1：步進電機 步進電動機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電動機主要應用在數(shù)控機床制造領域，由于步進電動機不需要 A/D 轉換， 能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。 2：直流伺服電機 伺服電動機有直流和交流之分，最早的伺服電動機是一般的直流電動機。目前的直流伺服電動機從結構上講,就是小功率的直流電動機,其勵磁多采用電樞控制和磁場控制,但通常采用電樞控制。 直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優(yōu)點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統(tǒng)中還是具有較廣泛的應用。 3：交流伺服電機 交流伺服電動機廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。 交流伺服電動機主要由一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子組成。電動機利用通電線圈在磁場中受力轉動的現(xiàn)象而制成的。交流伺服電動機控制精度高，矩頻特性好等優(yōu)點，但尺寸一般較大。 綜合考慮，管道機器人需要有較高的控制精度，運行平穩(wěn)，且應具有較小的尺 寸，所以選用直流伺服電機。 3.1.2 電動機功率的確定 機器人移動載體的所有驅(qū)動力都由機器人載體內(nèi)的驅(qū)動電機來提供，驅(qū)動電機選擇的好壞將直接影響到機器人的移動性能，根據(jù)機器人工況的不同來確定驅(qū)動電機的功率。例如，機器人以較快的速度在平直管道內(nèi)行駛，機器人爬坡等工況下。影響機器人驅(qū)動功率參數(shù)有質(zhì)量m 、運行速度v 、驅(qū)動輪半徑r 等。首先假設： （1）機器人在傾斜角度為a 的直管道內(nèi)行駛； （2）機器人在管道內(nèi)勻速行駛，不考慮管道內(nèi)的空氣阻力； （3）驅(qū)動輪受力存在變形； 這里假設機器人的四個輪子所處的工況完全相同，設機器人的行駛速度為v ， 則機器人加速時的加速度為 dv ，機器人第 i 個輪子的角加速度為 dwi （ i = 1- 4 ）， 則有： dt w dwi  v r = i i = 1 dv dt （3-1） （3-2） dt ri dt 式中：V 為機器人的速度；wi 為第 i 個車輪的角速度； ri 為第i 個車輪的半徑。 圖 3-1 驅(qū)動輪受力圖 圖 3-1 為機器人單個驅(qū)動輪在加速過程中的受力圖，圖中： Mi 為電機傳遞給輪軸的驅(qū)動力矩； FNi 為機器人機體對第i 個驅(qū)動輪的正壓力； mi g 為第i 個驅(qū)動輪的重力； Ni 為地面對第i 個驅(qū)動輪的垂直作用力； fti 為地面對第i 個驅(qū)動輪的摩擦阻力； M fi 為地面對第i 個驅(qū)動輪的摩擦阻力轉矩； Fti 為驅(qū)動軸對第i 個驅(qū)動輪的 作用力。 根據(jù)沿x和z 坐標軸方向的平衡條件和繞輪軸的轉矩平衡條件有： m dv i dt = fti - Fti - mi g sin a  （3-3） J dwi i dt = Mi - M fi - fti ri  （3-4） 其中， Ji 為輪子繞驅(qū)動輪的轉動慣量。 將式(3-4)除以ri ，并將式（3-2）、式（3-3）整理可得： Mi = M fi + F + m g sin a + (m + J i ) dv  i （3-5） ri ri ti i i 2 dt r 式(3-5)中， Mi ri 為驅(qū)動輪的實際驅(qū)動力， M fi 為驅(qū)動輪本身的滾動阻力， ri mi g sin a 為驅(qū)動輪的爬坡阻力。 由于機器人做直線運動，假設機器人左右兩側的輪子對機體的作用力完全相同，即有 Ft 1 = Ft 2 ， Ft 3 = Ft 4 FN1 = FN 2 ， FN 3 = FN 4 根據(jù)速度方向受力平衡有： dv mc = dt = Ft 1 + Ft 2 + Ft 3 + Ft 4 - mc g sin a （3-6） 式中， mc 為機器人本體質(zhì)量。 將式(3-5)代入式(3-6)中，并整理可得 4 i=1 Mi = 4 r i i=1 M fi + m r dv + m g sin a + 4 m g sin a + m i c dt c i i=1 i d d 4 v + J i dv （3-7） t i=1 r 2 dt i 4 Mi = 4 M fi + (m + J i ) dv + mg sin a 4 i=1 r i i=1 r i i=1 r 2 i dt （3-8） 其中，m 為機器人的總質(zhì)量， m = mc + mi i=1 4 由式(3-8)可以看出，機器人的驅(qū)動力之和用來克服車輪的滾動阻力之和、機 器人平移質(zhì)量的加速阻力之和、車輪旋轉質(zhì)量的加速阻力之和，并且在機器人爬坡的行進過程中，還要克服機器人的整機重力沿斜坡的分力。 機器人在管道內(nèi)行進的過程中，可能受到的影響因素很多，所以在選取電機的功率時要充分的考慮到電機效率、機械傳動效率和安全因數(shù)的選取。根據(jù)機器人要求估算驅(qū)動力矩M和行駛速度v、機構傳動效率η，可初步確定驅(qū)動用電機的功率P 為： P = KM v rh （3-9） 其中，K為余度系數(shù)。 先以機器人在坡度α=10的直管道內(nèi)，以v = 10m / min 的速度勻速前進，機器人驅(qū)動輪半徑r=80mm，小車的總重量m =15kg，當量摩擦系數(shù)μ′=0.4，K=2，η =0.76（其中發(fā)電機效率為0.92，行星輪減速器效率為0.9，齒輪傳動效率為0.92）。 根據(jù)公式(3-8)有 M r = m mg + mg sin10○ = 0.4 1510 + 1510 sin10o = 86N ， 根據(jù)公式(3-9)有 P = 2 86 10 0.76 60  = 37.7W 。 考慮機器人在轉彎時只通過一個電機帶動驅(qū)動輪旋轉，其他驅(qū)動輪轉速均為零的情況，則要求每個電機都要有大于37.7w ，因此本文選擇易順公司的TH60JB標準型電機，功率為40w ，配以相同型號的減速器，完全能夠滿足了機器人的工作需求。圖3-2是該電機的外形尺寸。 主要參數(shù)，電壓24v ；功率40w ；減速比80 ；重量1200g ；空載轉速50rpm ； 額定輸出扭矩50kg/cm 。 圖 3-2 電機外形尺寸 3.2 管道機器人的理論牽引力分析及計算 本文設計的管道機器人有前后兩組共四個輪，整體分布形式與四輪小車相似。四個輪子均為驅(qū)動輪，靠四個直流伺服電機分別驅(qū)動。由于正壓力的作用，使驅(qū)動輪與管壁間產(chǎn)生一個與本體運動方向相同的摩擦力，正是這個摩擦力提供了機器人前進的動力。 定義驅(qū)動輪與管壁之間產(chǎn)生的這個摩擦力為管道機器人的理論牽引力。為分析方便做以下假設：正壓力足夠大，載體驅(qū)動電機額定功率為 P (kw) ，額定轉速為n (rpm) ，驅(qū)動輪當量半徑為r (mm) ，傳動系統(tǒng)總傳動比為i ，系統(tǒng)傳動效率為h ， 驅(qū)動輪與管壁的當量摩擦系數(shù)為m / 。 驅(qū)動輪處的總轉動力矩為：  M i  = 9550 Pih n  （3-10） 驅(qū)動輪產(chǎn)生的理想牽引力為： Fi = 1000 Mi / R （3-11） 所選用的驅(qū)動電機額定功率 P = 40w ，傳動比i = 80 ， n = 4000rpm ，h = 0.76 。則根據(jù)公式(3-10)有： M = 9550 0.04 80 0.76 4000 （3-12） = 5.8N m 機器人驅(qū)動輪當量半徑r = 80mm ，則機器人的牽引力為： F = 1000 M r = 1000 5.8 80  （3-13） = 72.5N 計算結果說明，電機可提供的牽引力為72.5N 。公式(3-2)可以看出，似乎意味著只要電機功率足夠，機器人的牽引力就能達到足夠大。實際上這里還必須得考慮正壓力的大小，因為摩擦系數(shù)不可能無限大，所以保證驅(qū)動輪不打滑的最直接辦法就是通過改變配重提高正壓力。 所設計的管道機器人正壓力的產(chǎn)生和機器人整機的重量有直接的關系，設驅(qū)動輪上的正壓力之和為 N fi ，同時假設所有驅(qū)動輪的當量直徑及材料特性都相同， 輪子的轉動慣量忽略不計，機器人在管內(nèi)作業(yè)過程中產(chǎn)生的實際牽引力為 FG ，機器人驅(qū)動輪與管壁的當量摩擦系數(shù)為m = 0.4 ，則有： FG = m Ffi = 0.4 1510 = 60N （3-14） 由式(3-13)、式(3-14)計算得到的結果分析可知， FG < F ，即電機可以給機器人提供足夠的驅(qū)動力，機器人具有的實際牽引力 FG = 60N 。 3.3 管道機器人拖纜力的理論計算 拖纜作業(yè)的管內(nèi)機器人在作業(yè)過程中需要提供額外的拖纜力，拖纜力的大小將直接影響機器人的最大作業(yè)距離。對機器人拖纜力的理論推導過程作以下假設[17]： （1）電纜在管道內(nèi)做勻速移動，無爬行現(xiàn)象； （2）電纜線為理想的柔韌體，無軸向伸長，無內(nèi)摩擦； （3）電纜線在管道內(nèi)與管壁處處接觸； （4）電纜線經(jīng)過的管道為平直管道； 如圖3-3所示，直管道與水平面夾角為q ，V 為電纜的運動方向， f 為電纜與管壁間的滑動摩擦系數(shù)， r 為單位長度電纜線的重量。電纜長度為S ，在電纜上任 圖3-3 直管內(nèi)電纜受力分析簡圖 取一長度為ds 的微段進行分析，該微段的平衡方程如下： F + fdN + rdS sin q = F + dF dN = rdS cosq （3-15） （3-16） 由此得出：  r ( f cosq + sin q )dS = dF k = r ( f cosq + sin q ) kdS = dF  （3-17） （3-18） （3-19） 并對(3-19)進行積分得： s F 2 k 0 ds = F1 dF F2 = F1 + ks （3-20） 這里k = r ( f cosq + sin q ) 為當量摩擦系數(shù)，公式(3-20)為直管中的拖纜力計算公式。 以本文所設計的機器人所用光電復合纜為研究對象，其中，所選的光電復合的單位長度重量為： r = 100kg 10N / kg = 1N / m 1000m 纜線在管道內(nèi)的滑動摩擦系數(shù) f = 0.2 ，取管道的傾斜角度q = 10o ，纜線長度 s = 100m ，則根據(jù)式（3-18）得： k = r ( f cosq + sin q ) = 1 (0.2 cos10 + sin10) = 0.371  （3-20） s F 2 F 2 k 0 ds = F1 dF 100 0.371 0 ds = F1 dF （3-21） F2 - F1 = 37.1N F2 = 37.1 + F1 由于纜線在管道中還可能受其它的阻力 F1 影響， 不可能為理想狀態(tài)，這里 F1 = 10N ，則有： F2 = 47.1N 即，機器人拖動纜線的拖纜力為 F2 = 47.1N 3.4 本章小結 本章對輪式排水管道檢測機器人的驅(qū)動特性進行了詳細研究，對機器人的驅(qū)動電機功率的確定、牽引力的計算進行了詳細的分析；對機器人拖纜力的理論計算進行了研究，推導了直管下的拖纜力計算公式。 第四章 管道機器人主要零部件設計及校核 4.1 軸 4.1.1 軸的確定 由村料力學可知，對于傳遞轉矩的實心圓軸的扭轉強度條件為 T 9550000 P W t T = T  0.2d 3 n [t ]T （4-1） T 式中 d為計算截面處軸的直徑（mm）；tT 為軸的扭剪應力（MPa）；T為軸傳遞的轉矩（N mm）；P為軸傳遞的功率（KW）；N為軸的轉速（r/min）；WT 為軸的抗扭剖面系數(shù)mm ；[t ] 為許用扭剪應力（MPa）[18]。 3 n P 對于既傳遞轉矩又承受彎矩的軸，也可用上式初步估算軸的直徑，但必須把軸的許用扭剪應力[t ] 適當降低，以補償彎矩對軸的影響。將降低后的許用應力代入上式，并改寫為設計公式： 9550000P 3 0.2[t ]T n d = C （4-2） 式中C為軸的村料和承載情況確定的常數(shù)，可查機械手冊得到，應用上式求出的d值作為軸最細處的直徑。 0.04 3 50 即： d 107 d 9.95 mm 軸的尺寸如圖4-1所示： 圖4-1 軸的尺寸 4.1.2 軸的強度校核 軸的材料選用45鋼調(diào)制處理，sb = 650MPa ，s s = 360MPa 。軸的計算步驟如下： （1） 計算齒輪，車輪受力 錐齒輪受力轉矩： T = 9.55106 P = 9550000 0.04 = 7640N imm 1 錐齒輪受圓周力： F n 50 = 2T1 = 2 7640 = 382N t1 錐齒輪受徑向力： F d1 40 = F tan a = 382 tan 20o = 139.04N r t n （2） 計算支承反力 水平面反力： FH 2 FH 1 垂直面反力： Fv 2 = 382 55 = 764N 27.5 = 764 27.5 = 382N 55 = 139.04 55 = 278.08N 27.5 Fv1 = 278.08 27.5 = 139.04N 55 水平面受力圖見圖4-2(a) ；垂直面受力圖見圖4-2(b) 圖 4-2(a) 水平面受力圖 圖 4-2(b) 垂直面受力圖 （