一、地下管道檢測機器人發展現狀按照行走機構的類型，可將管內作業機器人行走機構分為輪式、履帶式、蠕動式等幾類。輪式行走機構圖1（A）輪式行走機構輪式機構管內作業機器人的基本形式如圖1（A）所示。對此類機器人的研究相對較多。機器人在管內的運動，有直進式的（即機器人在管內平動），也有螺旋運動式的（即機器人在管內一邊向前運動，一邊繞管道軸線轉動）；輪的布置有平面的，也有空間的。一般認為，平面結構的機器人結構簡單，動圖1（B）自來水管道檢測輪式機器人作靈活，但剛性、穩定性較差，而空間多輪支撐結構的機器人穩定性、剛性較好,但對彎管和支岔管的通過性不佳。圖1（B）為英國的PEARPOINT有限公司開發的自來水管道檢測輪式機器人，可在以135375MM的管徑內直線行走，行走速度為012M/MIN。履帶式行走機構圖2（A）履帶式行走機構圖2（B）海水管道檢測履帶式機器人圖2（A）是履帶式行走機構的基本形式。這種類型的管內機器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達能到良好的行走狀態，但由于結構復雜，不易小型化，轉向性能不如輪式載體等原因，此類機器人應用較少。圖2（B）是日本關西電力株式會社開發的適用于管徑288388MM、管長100M的海水管道檢查履帶式機器人，該機器人通過沿徑向分布的履帶在水平管和垂直管內自主行走，移動速度為5M/MIN。整個地下輸氣管道檢測維修用移動機器人系統由三大部分組成1履帶式移動機器人。機器人小車上裝有CCD攝像機，并可根據需要加掛其它檢測單元。2圓盤式收放線裝置。移動機器人通過電纜進行控制，視覺等信號也通過該線纜傳輸到控制計算機。3控制單元。其主體為一臺工業控制計算機，負責整個機器人系統的控制、顯示及信息存儲等工作。操作人員通過界面完成所有操作。控制單元與收放線裝置安裝在一個專門設計的手推車體上，便于移動。蠕動式行走機構圖3蠕動式行走機構蠕動式行走機構如圖3所示。當頭部支撐腳3收縮脫離與管道內壁接觸，尾部支撐腳1伸出與管壁接觸壓緊，氣缸2左缸供氣,蠕動載體伸長,帶動頭部向前移動；當頭部移動到位時，支撐腳1縮回，頭部支撐腳3伸出與管壁接觸壓緊，氣缸2右缸供氣，則蠕動載體收縮，帶動尾部向前運動。尾部移動到位，尾部支撐腳1伸出，支撐管壁，頭部支撐腳縮回。蠕動式管內移動機器人支撐腳的伸縮和載體的蠕動均采用直線運動，當支撐腳支承載體與管壁壓緊，不支承時可以與管壁脫離，解決了輪式和履帶式管內移動機器人行走時驅動輪始終壓緊在管壁上的問題，可以產生很大的牽引力。但由于蠕動式移動機器人的運動是間歇的，受驅動件啟動頻率的限制，移動速度比輪式、履帶式低。輪式驅動機構具有結構簡單，容易實現，行走效率高等優點，主要缺點是牽引力的提高受到封閉力的限制。履帶式載體附著性能好，越障能力強，并能輸出較大的牽引力，但結構復雜，不易小型化，轉向性能不如輪式載體。二、課題目的及意義本項目是根據我國經濟建設的實際需要而提出的一項亟待研究和解決的科研課題。地下管道（輸水管道、煤氣管道、供氣管道）在長期使用過程中，由于受到管內、管外介質的腐蝕等原因，會產生裂紋、漏孔而出現漏氣、漏水現象，這不僅會造成巨大的經濟損失，甚至會出現人身事故，為此迫切需要一種能在管內行走的機器人來拖動或輸送各種裝置完成檢測和維修工作。目前國外先進國家對地下管道的檢測已開始采用管內移動機器人來完成，而國內主要采用廢棄舊損管線、鋪設新管線的方法，或人工入管修復，這不僅耗資巨大，修復周期過長，而且勞動強度大。據我們在中國石油天然氣總公司和國內各城市自來水公司、供熱公司調研表明，國內現繼續地下輸氣管道、輸水管道檢測用移動機器人。因此開展地下輸水輸氣管道檢測用移動機器人的研究，對能源工業的發展及減少水資源浪費具有重大的理論意義和現實意義。目前，國內外對涵管的檢測主要采取人工觀察測量、局部破損檢測的辦法。所研制的管道機器人大部分也是針對工業管道和細小的管道。由此，筆者嘗試性地做了關于涵管檢測機器人行走機構的初步探討。根據汽車理論，機器人若能在管道中正常行走，則必須滿足下述條件，即式中，驅動力；為附著力，且TFTF，為附著系數。2N根據汽車理論，設計取08，可得3734N由以上計算可知行走條件滿足。53機器人驅動方案和電機選擇按照汽車的驅動理論原則，管道機器人的驅動方式采用后輪驅動的方式，并且由于工作條件對小車尺寸的要求，采用減速器裝置，使電機的告訴輸出軸連接在減速器輸入軸上，然后通過減速器減速，并且把減速器的輸出軸通過套筒式聯軸器與一對錐齒輪和小車的后軸相連接，從而帶動車輪轉動。后輪軸的兩端伸出部分安裝上鑄鋼輪，為了附著性能，在鑄鋼輪的外面嵌入了橡膠圈，使機器人能可靠在管道里行走。由，0TQGTTRIF037AGRNUI其中，電機轉矩，單位TQNM變速器傳動比；GI主減速器傳動比；0車輪半徑，單位為；RT傳動效率；N發動機轉速，單位為；/MINR機器人行駛速度，單位為。AU/KH設計中初選，；10GI2I60R5INAU可得N22736R/MIN,01116；TQTNM選定電機的條件電機的額定轉矩；TQT電機的額定轉速；N電機的額定轉動慣量。J由選定條件可初步選擇BAYSIDE公司的BM060型直流伺服電動機，其技術數據如表1所示，外形尺寸如表2所示。54減速器設計車輪轉矩053470614TFTRNM輪表1BM060型直流伺服電動機的技術數據型號電壓電樞電流輸出功率最高轉速額定轉矩BM060300V015A300W6400R/MIN054NM表2BM060型直流伺服電動機的外型尺寸總長外徑軸徑轉動慣量164MM60MM11MM30271即聯軸器輸出轉矩選PS800型，其技術數據如表3所示。表3PS600型減速器技術數據型號減速比GI額定輸出轉矩（NM）最大輸出轉矩（）瞬時慣量（2KG）效率法蘭（MM）輸出軸徑（MM）總長（MM）質量（KG）PS601004513551093601612872656齒輪傳動設計561齒輪選擇選用支持圓錐齒輪傳動，大小齒輪東選用硬齒面，材料均為40CR，并經調質及表面淬火，齒面硬度為4850HRC。因采用表面淬火，齒輪的變形不大，不需磨削，故初選5級精度（GB1009588）。選小齒輪齒數，大齒輪齒數17Z。2134UZ562按齒根彎曲皮料強度設計彎曲想讀的設計公式為12324105FASRRUYKTM式中，模數，單位MM載荷系數；小齒輪傳遞的扭矩，單位；1TMN齒寬系數；R齒形系數；FAY應力校正系數；S許用彎曲疲勞強度，單位MPAF（1）確定公式內的各計算數值查得大小齒輪的彎曲疲勞強度極限；1FE2650MPA查得彎曲疲勞壽命系數；1FNK2計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數，由公式得S25FNES；110FNEMPA2250FEMPA計算載荷系數K1016598AVF取齒形系數；1285FAY23FA查取應力校正系數；154SAY2176SA計算大、小齒輪的并加以比較F；12851408FASY；23765FAS小齒輪的數值大，應以小齒輪計算。小齒輪傳遞的轉矩1041MNT輪齒寬系數；1/3R設計計算24875007951113MM取模數。563按齒面接觸疲勞強度校核接觸強度的校核公式為123055EHHRRMPAUKTZD（1）確定公式內的個計算數值查得大小齒輪的接觸疲勞強度極限；LIM1LI29HA查得接觸疲勞壽命系數123535HNN計算解除疲勞許用應力取接觸疲勞安全系數，由公式得SLIMHKS1LIM11975HNMPAKS2LI220H取。105PA載荷系數；98K查取彈性影響系數；1EMPAZ計算小齒輪分度圓直徑；D134M校核計算2319804518990797553HHPAMPA齒輪設計符合要求。564幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑；1134MDZ2268MDZ計算中心距；12/5A計算錐距R221380146MD計算齒輪寬度；7RB圓整取。1201MB57車輪軸及齒輪軸設計571車輪后軸設計（1）最小直徑的設計車輪軸的轉矩3470628FTRNMT車輪軸車輪軸的功率；95NP車輪軸選取軸的材料為40CR，許用扭轉應力。5TMPA3MIN9501242TMND取。14（2）車輪軸的結構設計，如圖所示，詳圖請參考零件圖。圖10車輪軸的結構簡圖（3）軸承的選擇根據結構選擇角接觸球軸承（GB29283）。表5GB29283型號36204軸承的參數型號內徑（MM）外徑（MM）寬度（MM）額定動載荷（KN）額定靜載荷（KN）36204047141230850（4）車輪軸的校核由于該軸既承受扭矩又承受彎矩，故按彎扭合成強度條件校核，并同時按疲勞強度條件進行精度校核。步驟如下軸的受力簡圖，如圖所示。圖11車輪軸的受力簡圖其中，12020873491TMNTFD273496TGTG。22COSCOS748COS63194RTN。2INININ2AT。；34715TTNF；0MT輪112COSINCOSIN1328LLNAHNFGGZ256739382MANMDMF圖中其他各力數值如表所示。表6車輪軸受力數值載荷水平面H垂直面V支反力12405R3HN2915283NR74V根據軸的計算見圖做出軸的彎矩圖，扭矩圖和計算彎矩圖，如圖12所示按彎矩合成應力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大計算彎矩的截面。，故安全。3129045872701CAMCAMPAPAW精確校核軸強度經判斷A，B處為危險截面I）校核A面右側抗彎截面系數；33301208DM抗扭截面系數；16WA面右側彎矩；678MNA面右側扭矩；20T截面上的彎曲應力；97BMPA截面上的扭轉切應力130T軸材料為40CR,調質處理，B75PA，135MPA120圖形截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及由，查得，1052RD210DD193213軸的材料的敏性系數7,08Q有效應力集中系數，117K11258QK尺寸系數；扭轉尺寸系數095軸用磨削加工，其表面質量系數02軸未經表面強化處理，即，則綜合系數為1，1805KK14KK材料特性系數，取；，取230201501計算安全系數CAS135937802970AMSK12613142A2855CAS故可知其安全。II）校核A面左側抗彎截面系數33301210648WDM抗扭截面系數9A面左側彎矩；678MNA面左側扭矩；20T截面上的彎曲應力；156BPAW截面上的扭轉切應力978TM過盈配合處的值K25,0258,軸用磨削加工，其表面質量系數9軸未經表面強化處理，即，則綜合系數為1，12937K12367K材料特性系數，取；，取0001501計算安全系數CAS135762971602AMK11588932A269125CASSIII）校核B面右側抗彎截面系數；333008WDM抗扭截面系數；216B面右側彎矩；96MNB面右側扭矩；08T截面上的彎曲應力；72BPAW截面上的扭轉切應力394TM過盈配合處的值K25,082503軸用磨削加工，其表面質量系數9軸未經表面強化處理，即，則綜合系數為1，1267K127K材料特性系數，取；，取03001501計算安全系數CAS1517326702AMK146394112A24605CASS故可知其安全。IV）校核II面右側抗彎截面系數；33301852WDM抗扭截面系數；333021864WDMII面右側彎矩；5974MNII面右側扭矩；8T截面上的彎曲應力；102BMPA截面上的扭轉切應力785T截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及由，查得，10568RD2018DD18628軸的材料的敏性系數7,0Q有效應力集中系數，1162K1124QK尺寸系數；扭轉尺寸系數0軸用磨削加工，其表面質量系數09軸未經表面強化處理，即，則綜合系數為Q1，1749KK13KK材料特性系數，取；，取0230201501計算安全系數CAS151982749102AM15678532AK291CASS故可知其安全。軸承校核預計壽命10HL壽命根據公式進行計算6RTHPNPFC式中，溫度系數，；TF1TF載荷系數，；PP轉速，；N592/MINNR當量動載荷。P11222405831874HVHVNNRR所以209,6N求兩軸承的計算軸向力和1A2初選04E則113098NS227615R143AAF250N，1034178C2051038A得12,39E再計算，14219507NSR2207861393AAF26N，1048015C2096012885A值相差不大，因此，0AC12043,79E當量動載荷和1P2由；113489520R22603798AER得，11,3,XYX由中等沖擊得，取PF15PF150429524893NP26106校核軸承壽命因，所以136601020659710598RTHPHNPFCL故滿足要求。鍵與鍵槽的設計102MPAP與錐齒輪連接處選用A型平鍵GB109679，此處，6BHLLLB08TNM因此220863951PPTAKLD滿足要求。與車輪連接處選用C型平鍵（GB109679），此處，4BHLLLB041TNM因此210482659PPTMAKLD滿足要求。572齒輪軸的設計（1）最小直徑的設計齒輪軸的轉矩104N2M車輪軸齒輪軸齒輪軸的功率3014TN95KWP齒輪軸選取軸的材料為40CR，許用扭轉應力。54TMPA得，取。3MIN062TMND10D（2）齒輪軸的結構設計，見零件圖（3）軸承選擇根據結構選擇深溝球軸承（GB27689），具體參數如表7所示。表7GB29289參數型號內徑（MM）外徑（MM）寬度（MM）額定動載荷（KN）額定靜載荷（KN）362011232104270（4）齒輪軸的校核軸的受力簡圖，如圖12所示其中，；17349TNF1239RANF12964ARNF；1602MMAD04MT齒圖中其他各力數值如表8所示。根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩，扭矩圖和計算彎矩圖，如圖13所示。表8齒輪軸的受力數值載荷水平面H垂直面V支反力R239HN73491VNR轉矩M14HM16VMM精確校核軸的強度經判斷A處為危險截面I）校核A面左側抗彎截面系數；333012178WD抗扭截面系數；456MA面右側彎矩；4786MNII面右側扭矩；10T截面上的彎曲應力；57BMPAW截面上的扭轉切應力3012T過盈配合處的值K6,860軸用磨削加工，其表面質量系數92材料特性系數，取；0230015則綜合系數為，169KK127KK計算安全系數CAS1351542698702AM18312AK2149125CAS故可知其安全。II）校核A面右側抗彎截面系數；333016409WDM抗扭截面系數；2812A面右側彎矩；478MNA面右側扭矩；10T截面上的彎曲應力；3610BMPAW截面上的扭轉切應力27T軸材料為40CR,調質處理，B35PA135PA120MPA截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數及由，查得，10625RD13DD2017軸的材料的敏性系數078,Q有效應力集中系數，1178K1156QK尺寸系數；扭轉尺寸系數0軸用磨削加工，其表面質量系數9軸未經表面強化處理，即，則綜合系數為1，18KK16KK材料特性系數，02305計算安全系數CAS152383610AM1209201716AMSK24925CAS故可知其安全。573前軸設計（1）結構簡圖如圖14所示，詳圖見零件圖（2）軸承選擇選用深溝球軸承204（GB27689），結構參數如圖9所示。表9深溝球軸承（GB27689）的結構參數內徑D外徑D寬度B額定動載荷C額定靜載荷020MM47MM14MM1000KN630KN58其他零部件的設計581軸承蓋的設計采用螺釘聯接式軸承蓋取聯接螺釘直徑，303,5215MMD047312E5DM選用氈圈油封8D選用螺釘（GB6785），數量4個。510M582車輪的設計車輪材料選用HT150鑄造。為了使輪胎最大限度地與管壁接觸，以獲得較大的摩擦力，所以車輪受力面鑄成斜面，外面匝以實心橡膠輪圈。輪圈胎面為圓弧形，其中點處設計為力點，徑向半徑為60MM。車輪通過鍵聯接與軸相連，軸向定位則靠軸肩和螺釘緊固。583箱體設計兩側壁厚4MM，前后壁厚10MM,底部厚5MM,軸承座內徑D47MM,外徑D72MM，厚B18MM。59校核機器人的各部分性能591電機轉動慣量校核轉動部分折算到電機軸上的轉動慣量（1）車輪車輪采用HT150材料，3790/KGM221022271112064796831RGKGMJI輪輪輪（2）錐齒輪材料40CR，390/222120222222710505791112004RRGGKGMJII（3）減速器5231J（4）后軸22402271115487900RGKMI（5）移動負載折算到電機軸上的轉動慣量22325660155103VKGMNJ綜上所述，所需轉動慣量524212345027KGJJ故滿足要求。592機器人越障能力校核俺水平越障能力計算（1）前輪由公式得1221ALDHD1243M（2）后輪由公式得221H20963M故