城市窨井清掏机械手研究（可编辑）

1、城市窨井清掏机械手研究 分类号: 学校代码: 10128U D C : 学 号: 20101006 硕 士 学 位 论 文类别 : 全 日 制 硕 士 研 究 生 题目 : 城 市 窨 井 清 掏 机 械 手 的 研 究 英文题目 : Research on the Manipulator for Cleaning up City Sewage Well 研究 生: 王俊跃 学科名称: 机 械 工 程 指导教师: 乌 日 图 教授 二 一三 年 六 月 原 创 性 声 明 本人声明: 所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除文中已经注明引用的内容外, 论文中不包

2、含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得 内 蒙 古工业大学 及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名: 指导教师签名: 日 期: 日 期:学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学 校有关保留、 使用学位论文的规定, 即: 内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构 、 部门送交学位论文的复印件和磁盘, 允许编入有关数据库进行检索, 也可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。 为保护学校和导师的知识产权, 作者毕业后涉及 该学位论文的 主

3、要 内 容 或 研 究 成 果 用 于 发表 学 术 论 文 须征 得 内 蒙 古 工 业 大 学 就 读 期 间 导 师 的 同意,并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学 方可投稿或公开发表。 本学位论文属于 保密 ,在年解密后适用本授权书。 不 保密 。 (请在以上方框内打“ ”)学位论文作者签名: 指导教师签名: 日 期: 日 期: 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 摘 要城市垃圾处理是城市环境建设过程中的一项重要工作, 而城市窨井及污水管道清理又是城市垃圾处理工作中的关键环节。 在城市现代化建设过程中, 极易发生生活垃圾及工程物料掉入窨井内, 导致重物堆满窨井 , 堵塞生活污水管道,

4、 给排污工作带来了很多困难, 甚至会发生生活污水外溢 。 这给人们的生活带来诸多不便, 且会影响环境卫生。 目前城市窨井清掏重物工作主要依靠人工清掏, 使用较原始清掏工具进行作业。 人工清掏效率低下、 劳动强度大及安全性差。 针对城市窨井清掏重物难于实现机械自动化问题,设计了一种具有自适应抓取和卸载能力的大负载窨井清掏机械手 。 本文分析了目前城市窨井清掏作业现状, 提出了窨井清掏机的总体设计方案。 在对工业机械手设计理论研究的基础上, 阐述了窨井清掏机械手的工作过程 及特点;进行了机械手手爪运动学分析和静力计算; 利用 UG NX 软件的设计功能, 建立 了机械手和回转臂 的三维实体模型,

5、装配模型并对机械手手爪进行了运动仿真, 获得了机械手手爪的角位移、角速度和角加速度曲线 。通过手爪各曲线图,分析手爪的运动特性;利用ANSYS 软件的有限元分析功能, 对窨井清掏机手爪和回转臂进行了线性静力学分析,获得位移变形图、应力分布图和安全因子图,并对输出结果进行了详细分析。 通过对机械手进行虚拟建模、 仿真、 比较、 修 改与优化, 观察并分析角位移、 角速度及角加速度曲线的变化规律, 验证了所设计的机械手正确、 合理。 通过对 手爪和回转臂 进行有限元分析, 明确了 它们各自的安全 系数、 应力分布及总体变形情况, 分析结果证明了手爪 和回转臂 的结构设计安全、 合理和可靠, 为进一

6、步优化设计与研究清掏机械手提供了重要依据。 窨井清掏机械手将成为城市 建设中的新亮点, 对城市现代化建设具有重要意义。关键词: 窨井;机械手;运动仿真;有限元分析内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 AbstractUrban garbage treatment is an important work in the course of the construction of the urban environment. But the work to clean the sewage well and municipal sewage pipeline is the key link of

7、urban garbage disposal. In the process of urban modernization, it is easy that the living garbage and engineering materials fall into the sewage well, it leads to fill the sewage well with the weight, and block the sewage pipe; it will bring a lot of difficulties to drain work, even sewage spillover

8、 will overflow. It will bring so much trouble to daily life, and will affect the environment. Now, the artificial cleaning method is still the main way to clean the weight, workers use the original tools for homework. The characteristic of artificial cleaning is low efficiency, high labor intensity

9、and poor safety. In view of the problem that it was difficult to realize mechanical automation with cleaning sewage well, a kind of adaptive crawl and unloading capacity of large load cleaning manipulator was designedIn this paper, the current status of city sewage well cleaning was analyzed, the ov

10、erall design scheme of cleaning sewage well machine was proposed. In the industrial design theory based on the research of the manipulator, the working process and characteristics of cleaning up sewage well manipulator was expounded; the kinematic analysis and static calculation of the manipulators

11、gripper were worked; using the design capabilities of UG NX software, the three-dimensional entity model and assembly model of the manipulator and the rotary arm were established, and motion simulation of manipulator gripper was worked, the curve of angular displacement,angular velocity and angular

12、acceleration of manipulator gripper were obtained. The movement characteristics of gripper were analyzed with each graph; using finite element analysis function of ANSYS software, the linear statics analysis of the claw and the rotary arm was carried out, the figure of displacement deformation, stre

13、ss distribution and safety factor were obtained, and the output results are analyzed in detailBased on virtual modeling, simulation, comparison, modification and optimization, the correctness and rationality of the manipulator is verified by observing and analyzing the change rule of angular displac

14、ement, angular velocity and angular acceleration curve. By the finite element analysis for the claw and rotating arm, their respective safety coefficient,内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 stress distribution and deformation situation as a whole were made clear. Analysis results proved that the structure of the han

15、d claw and rotary arm were safe, reasonable and reliable, it provided an important basis for further optimum design and research for the manipulatorThe manipulator for cleaning up sewage well will become a new bright spot in the process of urban construction, there will be great significance for the

16、 urban modernization Key words :Sewage well ;Manipulator ;Motion simulation ;The finite element analysis内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 目 录第一章 绪论. 1 1.1 课题的背景和意义 1 1.2 国内外窨井清淘的研究发展现状 2 1.2.1 国外窨井清淘的发展现状 2 1.2.2 国内窨井清淘的发展现状 3 1.3 本课题的研究内容及主要工作5 第二章 窨井清掏机的总体方案设计7 2.1 引言 7 2.2 实际作业环境及作业要 求分析7 2.2.1 窨井 7 2.2.2 井底坠落物

17、 8 2.2.3 作业要求分析. 9 2.3 窨井清掏机的总体设计方案. 9 2.3.1 窨井清淘机械手. 10 2.3.2 伸缩臂 15 2.3.3 回转臂 15 2.3.4 清掏车底盘16 2.4 本章小结. 17 第三 章 清掏机械手的运动仿真研究. 19 3.1 软件概述. 19 3.1.1 UG NX 软件简介. 19 3.1.2 UG NX 软件的模块功能. 19 3.2 清掏机械手三维实体建模20 3.2.1 三维实体建模种类20 3.2.2 三维建模操作步骤21 3.3 机械手手爪运动学分析. 22 3.3.1 手爪正运动学分析22 3.3.2 手爪逆运动学分析24 3.4 机

18、械手的装配与运动仿真24内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 3.4.1 机械手模型的装配. 25 3.4.2 基于 UG NX7.5 手爪机构的运动仿真. 26 3.4.3 仿真结果分析32 3.5 本章小结 32 第四章 清掏机械手手爪的有限元分析33 4.1 有限元法及 ANSYS 软件的简介 33 4.1.1 有限元法 33 4.1.2 ANSYS 软件. 34 4.2 机械手手爪的静力计算 34 4.3 利用ANSYS 对手爪的有限元分析. 36 4.4 本章小结 40 第五章 清掏机回转臂的设计.41 5.1 回转臂建模设计 41 5.2 回转臂的受力分析与计算. 42 5.2.1

19、 回转臂受力分析 42 5.2.2 回转臂受力计算 42 5.3 回转臂的有限元分析45 5.4 本章小结 49 第六章 结论.51 参 考 文 献.53 致 谢.56 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果57第一章 绪论 第 一章 绪论 1.1 课题的背景和意义 我国城市化趋势预测结果 显示,到2050 年, 我国城镇人口比重将 达到 78%左右,1未来 40 年将是我国人 口城市化的高 峰期 。随着区域工业化和城市化进程加快,不断增长的人口就意味着城市生活 及各种废水 ( 垃圾) 的产量会越来越多。 城市排污系统是现代化城市 建设过程中 的重要基础设施, 完善的排 污系统是一个现代化

20、 城市的重要特征之一。 城市排污 系统畅通与否, 将直接影响城市 生活污水能否及时被处理。一旦排污系统发生堵塞, 生活污水得不到及时 疏通及 处理, 将直接影响人们的日常生活,会给人们的生活带来不便。 建设和完善城市排污 系统, 是现代化城市和地区实现 科学可持续发展的需要。 生活污水内的杂物种类较多, 除了日常生活废水外, 污水管道内经常可见塑料垃圾、 粘稠状的 生活垃圾腐烂物及淤泥 等杂物, 这些生活垃圾 流动性较差, 不容易随着污水的流动而排出污水管道, 而 会长时间沉积在窨井及污水管道底部, 占据较大的流通空间, 在居民生活废水产生的高峰期 , 极易发生 污水管道堵塞。 特别 是在城市

21、建设过程中, 经常 会发生石块、 砖 块、 水泥块、 路 缘砖、 路面沥青块 、 破 损 井盖及其座圈掉进窨井的现象, 城市窨井经常出现不易清理, 甚至发生 窨井及污水管道 严重堵塞现象, 使得生活污水沿着下水管道从 窨井口溢出, 溢流到街道上, 这既 给人们的生活带来了许多不便, 又影响了城市的环境卫生。 窨井及其联接的污水 管道属于密闭空间, 管道的污水中含有大量的 微生物和有机2物, 有机物的分解会产 生硫化氢、 甲烷、 一氧 化碳、 二氧化碳等危 险有害气体 ,目前清掏窨井 底部重物的工作完全是靠单纯的人工作业, 工人在井 下作业过程中, 长时3间会 吸入有毒、 有害气 体, 严重威胁

22、人体健康, 甚至危及生命, 导致 人员伤亡 。可见, 城市污水管道的畅通与否关系到了人们的日常生活安全。 尽管 污水管道的畅通工作与人们的生活和城市 建设紧密相关, 但目前全国各城 镇在这一领域的清掏 技术还比较落后, 远远跟不上城市发展的步伐。 由此可见, 随着城市化发展速度的加快, 以前不被人们重视的 机械化 窨井清掏杂物设备所暴露出来的问题越来越 明显, 因此, 在 城市窨井清掏这一领域 研究和设计一些实用的, 成本相对合理的机械自动化 清掏设备是非常有必要的, 这方面的研究正逐1 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 渐成为国内外各科研机构研究的热点, 这将成为 现代城市 建设的新亮点

23、。 因此, 窨井清掏机械手以其独特的 应用 功能, 不但具有广阔的应用前景, 而且该 设计研究还会带4来一定的社会 价值和经济效益 。 城市建设 机械自动化高速发展是社会和经济发展的必然 结果, 机械自动化 的实现不但提高了社会生产水平 和改善了人类的生活质量 , 同时减轻了人类的劳动强度, 而且替人 类做了他们干不了 的、 不好干的各种工作。 窨井清掏 机的研究主要包括机械工程、 水下作业、 自动控 制、 定位检测等技术。 窨井清掏 设备的成功研究, 将 有利于实现全国 各城市窨井清掏工作的自动化, 将填补这一领域尚无自动化 清掏装置的空白,对城市现代化 建设具有十分 重要意义。 1.2 国

24、内外 窨井清淘的 研究发展现状 国外窨井清淘主要采用高压 清掏方式, 国内主要采用 机械清掏和人工清淘相结合方式。 1.2.1 国外窨井 清淘 的发展现 状 5国外目前主要采用 高压 清掏方式 进行窨井的清淘。 美国在上世纪 60 年代就开始研制 自动化窨井清掏车, 目前其它欧美国家如 意大利 、 德国、 英国 、 加拿大 等也采用这种 清掏方式。下面以美国 阿奎泰克(AQUATECH )窨井清掏车为例进行 介绍。 阿奎泰克公司是 专 门 从 事 生 产 研 发 各 类 疏 通 窨 井 及 管道设备 的 全 球 知 名 公 司 。AQUATECH 40 年来研发出 多种不同规格型号的 清掏 设

25、备。在全球几十个国家 都在使用AQUATECH 窨井清掏设备。 美国AQUATECH 窨井清掏车 见图1-1 所示。 6美国AQUATECH 窨井 清掏车主要性能指标为 : (1)采用先进的高压 真空泵方式,可连续恶劣环境中 清掏作业。 (2)先进的柱塞泵 能够循环利用废水。 (3)车体结构布局合理,作业 视线不受影响,。 (4)高压清掏管可在较大 范围内转动,车体方便 变位控制与操作。 (5)采用后置卷管 ,可保护和减小车辆部件损坏。 (6)水箱由特种材料研制而成 ,不易变形,耐冲 击。 (7)清掏过程要求作业人员劳动力低 ,过程短 ,产生噪音低。 (8)底盘采用国际领先的美国万国卡车底盘,

26、美观,耐用。 2 第一章 绪论 图 1-1 美国 AQUATECH 窨井清 掏车 Fig 1-1 The AQUATECH car for cleaning up sewage well of America 1.2.2 国内窨井 清淘 的发展现 状 国内的窨井清掏研究相对于欧美国家有一定差距, 多年来主要采用人工清掏的方式, 近年来, 随着城市建设和规划的发展 需要, 逐渐开始对窨井清掏设备 机械自动化进行研究。 7 8目前,国内普遍采用 机械清掏 和人工清掏 两种相结合的清理方式。 机械清掏式是国内常用的一种窨井疏通方法, 是采用专用清掏设备对窨井进行清掏作业的 , 机械清掏车见图 1-2

27、 所示。 该清掏设备主要由车载底盘、 起重伸缩臂、 清掏抓斗及钢丝绳索等组成, 起重伸缩臂始端与汽车底盘相连, 钢丝绳一端与固定在伸缩臂小臂的绞盘相连接 , 钢丝绳另一端绕过起重伸缩臂末端与清掏抓斗相连, 通过绞盘的旋转, 带动钢丝绳收放, 从而带动清掏抓斗的升降, 利用抓斗上端的液压控制系统来 实现抓斗的张合,以 实现对窨井内堵塞物 的清掏及处理。 该清掏设备结构比较简单, 操作方便, 适合于窨井管道堵塞不严重的情况, 并且其主要适用于清理窨井底部 形状较小的堵塞物 , 但并不太适合于清掏窨井底部 形状较10大 的 重物 , 抓斗 与钢 丝 绳的 连接 方 式属 软索 连 接, 在清 掏 作

28、业 过程 中 ,钢 丝绳 容易发生摆动, 且不能准确定位堵塞物, 抓斗的切入力不足 。 这种清掏方式机械化程度不高, 需要投入的人力较大,清掏 效率低下。 3 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 图 1-2 机械清掏 车 Fig 1-2 The Mechanical cleaning car 对于抓取窨井底较大的石块、 地砖、 路缘砖、 破坏井盖等重物, 目前国内很多城市还是 通过人工方式进行清掏 。 当窨井底部的杂物较为碎小, 且窨井深度较 浅时, 清掏工人 只需要手持大铁勺 、 铁铲、 铁叉, 以及 一些比较原始的夹具 进行清淘作业 , 见图1-3 。 当需要清掏窨底部较大的重物 , 同

29、时窨井较深时, 作业工人不得不 得进入窨井进行手工清淘 , 见图1-4 所示。 这种清理方法存在很多问题: 工作安全性差; 劳动强度大;清掏效率低下;清理效果和可靠性差。 图1-3 人 工清 掏窨 井 图 1-4 窨 井内 清掏 Fig 1-3 Manual cleaning sewage well Fig 1-4 Cleaning sewage well inside综合以上窨井清掏设备, 国外引进的窨井清掏车性能较好, 工作效率较高, 通常能够完成窨井及其管道的清理工作, 但该清掏车体积庞大、 价格昂贵、 维修和使用成本较高,不适合中小城市普及和推广;然而国内使用的窨井清掏设备价格比较低廉

30、,但作业效果不够理想, 效率低下, 且易出现机械故障, 维修频率高。 本文所研究的 手4 第一章 绪论 爪式窨井清掏机械手结构简单、 针对性强、 成 本低、 易操作、 清掏效 果理想、 效率较高、容易加工制造、维修方便,特别适合于中小城市窨井底部重物清掏。 1.3 本课题的研究内容及主要工作 本论文在综述近年来机械手技 术研究和发展状况的基础上,结合 客观 实际条件,设计了一种可以对 窨井内目标物体进行稳定抓取和卸载 的轻量化机械手系统。 该机械手系统具有结构简单, 外观优美, 占用空间较小, 多种驱动方式, 安 全可靠, 成本低等特点 。 该设备主要用于 清掏城市窨井底部堆积的重物 , 改变

31、市政作业人员手 工清掏窨井重物 的现状,提高现场清淘作业效率, 确保城市排水管道的畅通。 论文首先通过对设计功能 要求的分析, 制定了 清淘机械手系统总体设计方案, 设计了一种适合于自主抓取的机械手, 然后 分别对 窨井清掏机的机械手和回转臂 各零件进行实体建模。 对机械手 手爪结构分别进行静力学 和动力学分析。 建立数学模型, 在此基础上 利用 UG 软件 对 机械手爪进行运动仿真,验证 运动学方程推导 的正确性。利用Ansys 软件对机械手爪 和回转臂进行有限元分析, 分析结果, 验证 设计 机械手和回转臂 结构的合理性。 通过 确定窨井清淘机械机系统总体设计方案和分析方法, 为 进一步深

32、入 设计奠定了理论基础。 本课题需要完成以下 几方面的研究工作: 1.设计合理的机械手 系统 (1)确定清掏机械手 手爪的结构 本课题 所设计的 机械手 手爪 结构 应能 够适应 在 狭 小 空间的 窨 井 内 作 业 和 达 到 预期工作效率。 设计合理的 手爪结构, 使手爪的抓取 性能良好, 在有限的作业空间里要尽可能地提高机械手爪的抓取效果, 适应抓取对象特性。 (2)设计机械手 手爪驱动系统 机械手驱动系统设计的合理与否, 将直接影响机械手的工作效果。 选择结构简单,紧凑的驱动系统,以 满足 机械手稳定运行的作业要求 。 (3)设计功能较完善的机械手系统 首先, 设计的机械手应该能够在

33、窨井内实现自由的抓取重物的功能; 其次, 机械手应能在窨井内实现转动和摆动功能, 以到达准确夹持重物, 同时在掏出重物的过程中不受窨井实际空间的限制。 2.对设计好的机械手进行运动仿真与分析 利用运动学知识, 对机械手进行正运动学分析和逆运 动学分析。 对虚拟样机进行5 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 运动仿真, 通过 图表, 动画, 电子数据, 分析 设计机械手是否达到预期设计目的, 是否能够准确实现要求的功能。 3. 对执行部件进行有限元分析 手爪是该机械手的关键 执行部件,其在夹持重 物的过程中要受到多个合力的作用。 利用专业软件对机械手手爪进行有限元分析, 通过输出结果可以判断手

34、爪的设计是否安全、合理,并进一步优化设计。 4. 对回转臂进行有限元分析 窨井清掏机回转臂在机械手清掏窨井作业过程中起着至关重要的作用, 特别是需要承受来自自重, 伸缩臂, 机械手及重物的多重载荷。 对回转臂进行有限元分析, 以检验所 设计的回转臂刚度和强度是否满足实际需要, 回转臂的结构和尺寸是否需要进行进一步的优化和完善。 所 设计的清淘机械手应满足 以下作业现场环境 和样机性能指标: (1) 窨井井口直径 约为0.6m, 井底直径约为 1m, 井内壁为倾斜面, 井深 通常为34m ,最大深度约为9m。 (2)手爪的最大工作载荷为 150kg。 (3)手爪的最大工作 旋转角度约为180。

35、(4)摆动的转矩小于 4000N?m。 (5)额定功率为48kw 。 (6)液压系统工作液体使用柴油 机油。 (7)液压工作压力约为 10MPa。6 第二章 窨 井清 掏机 的总 体 方案设 计 第二 章 窨井 清掏机的总体方案设计 2.1 引言 为了设计出更加实用的 城市窨井清掏机, 首先需要对实际 清掏作业环境 及堵塞物进行 全面的分析, 然后提出窨井清掏机的总体设计方案, 并对窨井清掏机的各组成机构进行 简要的分析和研究 。 2.2 实际作业环境及作业要求分析 根据现场作业环境的客观要求, 分析窨井底部 堵塞物的特点, 选择适合于窨井清掏作业的机械 设备, 为设计 城市窨井清掏机虚拟 样

36、机的基本尺寸、 模型 结构以及所采用的驱动方式 提供条件。 2.2.1 窨井 11窨井即马路中间下水道检查井, 又称天窗 。 主要 构筑在排污管道的转弯、 分支、跌落等处 , 以便于检查和疏通用的 污水井。 窨井 主要是用于污水排放管道的附属构筑物, 其与污水管道想通, 污水管道每隔一定距离会构筑一口窨井, 以 便于定期检查和疏通 污水管道, 是防止 污水管道堵塞的必要设施 , 也是对污水管道进行定期清理与疏通的方便进入口 。 在城市的街道中, 每一个窨井盖上都标有该窨井用途 的字样, 诸如“雨水” 、 “污水” 、 “上水” 、 “ 电信” 、 “消防”等字样 。 窨井内部属封闭式 空间,

37、内部轮廓通常为圆台形, 井壁呈向上收敛式, 上窄下宽,即上方井 口直径小,下方井 底直径相对较大,窨井深度通常为 34 米,最深的有 9米, 地势较高处的窨井较浅, 而地势较低处的窨井 较深, 窨井直径一般为 1m、1.2m 、1.4m 、1.6m 等不同尺寸。 窨井结构平面示意图 见图2-1 所示。 7 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 图2-1 窨井平面示 意图 Fig 2-1 The floor plan of sewage well 窨井井口 的直径通常 为0.7m 井盖,其井盖座内径0.66m, 该尺寸的窨井盖主要适用于城市 街道、生产 厂区、居民小区等地下管道检查井、污水井、雨

38、水井等。而直径为0.63m 井盖,其 井盖座内径0.6m 主要 适用于城市街道绿化带园林绿化井。 本 课 题 所 研 究 设 计 的 窨 井 清 掏 机 是 针 对 井 口 直 径 为 0.7m 、 井 盖 座 内 径 为 0.66m 窨井进行清掏作业的。 2.2.2 井底坠落 物 随着现代城市化发展进程加快, 城市人口越来越密集, 生活垃圾也日益增多。 窨井井盖 种类繁多, 大多数是球墨铸铁制造的 铁井盖, 近年来, 为了防 盗, 用水泥 窨井盖取代 铁制井盖。 当水泥井盖经过长时间的车 辆碾压后, 会变得很酥脆, 直到被碾坏,掉入窨井里。 如果窨井盖没有得到及时的替换, 路边 石块、 铺路

39、用的 地砖、 路缘砖 等12重物经常 会掉入窨井内 。 由于井盖 经常会发生 破损, 从而会导致破损井盖、 塑料袋、 树枝、 砖 头、 路缘砖等杂物 掉入窨井内, 还伴 有附近建筑工地施工过程中扬起的 尘土, 这些坠落物 很快会沉积到窨井底部。 虽然上述 这些坠落物掉入窨井的数量不多, 但是 这些坠落物没有及时被清理出去, 长时间黏合在一起 , 会对污水管道中污水的正常流动产生 不小的 阻力,阻碍污水的畅通流动, 并且随着时间的推移, 污水管道中的沉积物也会堆积在窨井底8 第二章 窨 井清 掏机 的总 体 方案设 计 部, 越积越多, 会占据 窨井很大的空间, 严重时会堵塞整个污水管道, 会给

40、管道疏通作业带来很多不便 ,长时间堆积会使窨井的清掏工作十分困难 。 2.2.3 作业要求 分析 本文设计研究的清掏机械手作业对象是井下破损井盖及石块等重物, 而窨井井盖座内径仅为 0.60 米, 这就限制了清掏机械 手的作业空间,要求机械手定位准确,作业效率高。 井下作业空间狭小; 光线昏暗, 坠 落物各异, 需要设计适应不同形状坠落物的机械手手爪,提高手爪的抓取效果,保证工作效率 。 2.3 窨井清掏机的总体设计方案 窨井清掏车总体设计方案包括窨井清掏机的总体设计以及各系统的单独设计。 窨井清掏机的结构主要包括: 液压手爪、 伸缩臂 、 回转臂、 液压缸、 底 盘以及油管等装13置 ,窨井

41、清掏机结构图见图 2-2 所示。 本课题研究的窨井清掏机需要实现对窨井底部重物的抓取, 这就要求整个清掏机的设计能够适应实际作业环境, 特别是机械手能够在有限的作业 空间内实现自由的抓取、 摆动及摆动等功能, 本文重点设计清掏机械手和回转臂, 并研究了各自的运动和受力情况。 图 2-2 窨 井清 掏车 结构 图 Fig 2-2 The structure diagram of the clean up sewage well car 9 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 2.3.1 窨井清淘 机械 手 本文所设计的 窨井清掏机械手用以清掏地面下 3-9 米深的窨井底部的 堵塞物。 要求现场

42、作业时, 将清掏车停靠在作业窨井旁, 启动清掏 车的回转臂油缸, 驱动 回转臂旋转, 带动与之 铰接的伸缩臂运动, 同时伸缩臂做伸缩运动, 从而实现清掏机械手在窨井内的升 降。 操作控制台, 使机械手向井下伸出, 控制伸缩臂伸缩长度, 达到重物上方, 通过机械手的转动, 摆动, 实现抓取堵塞重物, 抓取完成后, 伸缩臂 连同机械手回缩 ,堵塞物被运出窨井口卸载 到垃圾车上,转运处理。 1. 窨井清淘机械手的结构组成 机械手 通过液压的驱动方式传递驱动力, 使执行部件实现要求的作业动作, 这种驱动方式在现代化工业生产过程中经常被采用。 液压手爪, 是通过液 压驱动手爪的张开与闭合, 实现对 堵塞

43、重物的 抓取。 液压手爪的各传动元件, 可以根据 设计 需要, 方14便、 灵活地来布置 。 对于目前城市窨井清掏设备 清掏执行部分的研究现状 , 主要研究了以下几种清掏设备: (1)抓斗式手爪 15抓斗式手爪 由液压缸、连杆、伸缩杆、颚板组成, 抓斗式手爪见图 2-3 所示。在窨井清掏作业过程中, 抓斗式手爪适合抓取颗粒状的物料, 如井底淤泥, 体积较 小的小石块等杂物。 手爪的抓取量随着抓斗的张开度的增大而增加, 同时张开度增大可以增大抓斗插入物料中的切入力, 适合于抓取散料。 但是因结构庞大, 受窨井口尺寸的限制, 不利于抓斗在窨井口进出, 并且 对于抓取对象是体积较大的重物, 抓斗式手

44、爪不能顺利地完成。 图 2-3 抓 斗式 手爪 Fig 2-3 The clamshell gripper 10 第二章 窨 井清 掏机 的总 体 方案设 计 (2)多瓣式手爪 16多瓣式手爪 的结构呈扁圆状, 手爪通常由 驱动器, 颚板, 伸缩油缸和连杆等主要部件组成 , 多瓣式手爪 见图2-4 所示。 在窨井清掏作业中, 多瓣式手爪通常由钢丝绳连接在伸缩臂前端, 通过钢丝绳的伸 长和卷曲实现手爪的下降和上升, 整个升降机构和执行机构自重不太大。 但是, 由于手爪是由钢丝绳连接, 首先在手爪下降的过程中,容易发生摇晃,定位不准确;其次当手爪前端接触到抓取物时,切入力不够大,甚至会发生抓取困难

45、。 该形状的手爪也仅适合抓取颗粒状或块状的 散料 , 对于抓取条状物、 体积较大的块状物或不规 则形状的重物, 该机构是难以实现得 , 而且对于方形窨井也存在作业死角。 图2-4 多 瓣式 手爪 Fig 2-4 The petals gripper (3)剪式手爪 17剪式手爪 的结构类似于剪刀的形式 , 剪式手爪 见图2-5 所示。 该手爪通过两液压驱动器的作用, 驱动两连杆绕铰接点作十字交叉运动, 从而带 动手爪开合。 其优点在于手爪的中心轴不必承受扭矩的作用,相对其它形式的手爪能产生较大的切入力,在手爪的张合过程中, 其张合行程减小, 大大缩短手爪的张合时间。 并且该手爪具有结构紧凑、

46、加工工艺简单和维修方便 等特点。 但剪式手爪顶 部装有闭合滑轮组, 通常在手爪闭合状态下, 整体重心偏高, 在清掏过程中容易发生小幅度的晃动, 不易于作业操作。 11 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 图 2-5 剪 式手 爪 Fig 2-5 The scissors gripper (4)旋转式手爪 18旋转式手爪 是液压驱动的双瓣式手爪, 旋转式手爪 见图2-6 所示。手 爪采用杠杆组合机构, 主要由驱动器、 伸缩杆、 旋转器 以及手爪连接机构组成。 该手爪通过驱动器驱动伸缩杆上下往复运动, 带动杠杆与支架的铰接点转动, 从而实现手爪的开合。该装置只能抓取形状不太大的重物, 不适合抓取

47、长度较大的重物, 因抓取重物后机构庞大,不利于手爪在窨井口的进出。 图 2-6 旋 转式 手爪 Fig 2-6 The rotary gripper 12 第二章 窨 井清 掏机 的总 体 方案设 计 从以上各种类型液压 手爪的结构特点及适用范围 可以看出, 上述几 种机械手爪都有各自的 特点, 本文研究的用于清掏机械手, 需要综合 分析, 吸取以上 各机械手爪的优点, 弥补它们的不足, 从而设计出一种具有抓取效率 较高, 作业时间相对较短的清掏机械手。 根据机械手的作业空间的和抓取对象的特点, 并且综合考虑加工制造工艺、 制造成本等因素, 本文设计双圆弧状叉形液压手爪, 圆弧形手爪挖掘阻力小

48、, 夹持能力大,结构简单,重心低,稳定性好,自 重小,手爪张开度符合作业要求,抓取效率高。 由于窨井井盖座的内径为 600mm, 掉入窨井内的重物通常有砖头、 石块、 破损井盖和路缘砖等, 所以假定所抓取的物体为体积和重量都较大的路缘砖, 通常街道两旁3 3铺设的路缘砖的材质以花岗石为主, 其硬度高, 密度在 2.63g/cm 到2.75g/ cm 之间,3尺寸通常为1000120 240mm,体积为V28800cm ,重量约为75kg 左右。 考虑到上述被抓取对象的 外观特点, 以及所设计的机械手能够更高效地实现抓取功能, 并在抓取重物的不同位置的情况下, 机械手都能够完全自由, 无摩 擦地

49、出入窨井口, 本课题需要设计一种 双圆弧状叉形液压机械手, 双圆弧状叉形液压 机械手结构主要由基本臂、 大手爪、 小手爪、 支架、 固定 撑 杆、 摆动液压缸和伸缩 液压缸七个部21分组成 。手爪圆弧直径为 720mm,两手爪全部张开时直径为 460mm。其中大手爪为五指, 宽度为340mm, 高为60mm; 小手爪为四指宽度为 250mm, 高也为 60mm; 手爪最大张开度为 80,最大张开宽度为 530mm,固定撑杆到基本臂顶端的高度为 70mm,即机械手的结构总高 H1300mm。1.窨井清淘机械手的工作原理 清掏机械手可实现两种功能 : 一种功能是抓取窨井内的重物; 另一种功能是自动

50、卸载重物。 1清掏机械手的抓取工作过程 载有窨井清掏机械手的 勾臂式清掏车运行至窨井 口处, 通过操作控制系统, 使机14械手伸缩臂 竖直地处于窨井口正上方,并尽可能地对准所要抓取重物的所在位置。通过升降液压缸动作, 伸缩臂逐渐伸长, 直至机械手达到被抓取物体上方约 0.1m 处,伸缩臂停止伸长。 清掏机械手手爪在液压驱动下逐渐张开, 同时调整旋转臂和机械 手角度, 使得机械手张开角度范围能够充分地覆盖重物的抓取部位, 此时, 机械手处于打开状态。 伸缩臂继续向下伸长, 直至机械手能够夹 持住重物。 控制清掏机械手张合的液压缸动作,机械手开始合拢,夹持重物,完成一次抓取动作。 2清掏机械手的卸

51、载工作过程 13 内蒙古 工业 大学 硕士 学位 论文 夹持重物的动作完成后, 伸缩臂内的钢丝绳开始回收, 液压油路放油, 驱使清掏机械手手臂回缩, 带动抓取了重物的清掏机械手逐渐上升, 直至夹持重物的机械手手爪完全离开窨井井口。调整伸缩臂位置和角度,使得机械手移动至重物回收车上方。启动控制机械手手爪张开和闭合的液压系统, 使得清掏机械手手爪打开, 重物脱落至垃圾回收车内,清掏机械手的卸载过程完成。 2. 机械手传动方式和驱动方式的选择 为了满足客观实际的设计 要求, 在清掏机械手设计时应分析和确定设计方案, 影响方案选择主要有两方面因素:机械手的传动方式;机械手的驱动方式。 传动方式主要有齿

52、轮传动 式、 连杆传动 式、 绳索 传动式等。 其中, 齿 轮传动 式传动平稳, 传动比精确, 工作可靠、 效率高, 但 占用空间较大、 传动冲击大、 并且啮合传动会产 生噪声 ; 绳索 传动具有 全行程 “漂浮 ” 、操作 灵活、 速度更 快等功能 ,但软索式机械手不利于控制抓取位置;连杆传动可实现大力矩传动,加工制造相对简单,便于控制 。 驱动 方式可分为液压式、 气动式、 电动式、 机械式。 液压式不仅具有传动功率大、重量轻、 惯性小、 输 出 刚度大、 操作方便、 省 力、 自由度大和易于实现自动化等 特点,而且具有传递运动均匀平稳, 速度快, 冲击小 , 能高速启动、 制动和 换向, 且易于实现过载保护等优点 ; 气动式利用气体的抗挤压力来实现力的传递, 但传动效率较液压式要低; 电动式利用电能转化为机械