《除冰机器人机械结构设计》13000字（论文）

PAGE5除冰机器人机械结构设计摘要高压输电线路的正常运行关系着国家的生产与发展。而高压线路结冰则严重影响着人们的正常生活与生产，甚至给国家的经济发展带来巨大的损失。尤其是2008年我国发生的重大冰雪灾害，造成了约一千五百亿的经济损失，约一亿人遭受到不同程度的影响。因此，开发一个可以高效，安全，稳定的除冰机器人显得尤为重要。本文在现有除冰机器人的基础上进行设计与结构优化，并对现有的各种除冰机器人的优势进行融合，使之能够更加方便、高效的完成除冰作业。该机器人可以针对不同截面直径的输电线调整两个刀具之间的距离，并且可以应对不同厚度的覆冰。根据以上要求，设计了除冰机器人的除冰机构，包括一级冲击式除冰与二级铣削式除冰。明确具体设计内容，先对各结构的受力进行简单的分析，初步拟定设计参数，并对各构件在使用该设计参数的情况下进行强度校核，对于校核不通过的参数进行调整。在确定各部件的参数后，使用UG建模软件对以上各机构进行建模与装配。关键词：除冰机器人，高压输电线路，除冰，UG建模

目录TOC\o"1-3"\h\u23116第1章绪论 129221第1.1节课题研究的背景和意义 19168第1.2节除冰机器人研究现状 2215291.2.1国外研究现状 283371.2.2国内研究现状 323455第1.3节本课题的主要研究内容 424515第2章除冰机器人的总体方案设计 512125第2.1节引言 530895第2.2节输电线路的规格 520424第2.3节导线上各种覆冰的特点 624319第2.4节除冰机器人方案设计 7109522.4.1除冰机器人的除冰方案设计 7302922.4.2除冰机器人的行走方案设计 830053第2.5节本章小结 1018370第3章除冰机器人除冰结构设计 1117387第3.1节引言 114063第3.2节一级除冰结构设计 11235953.2.1锥形刀具设计 12211213.2.2连杆结构设计 1323232第3.3节二级除冰机构设计 13188013.3.1驱动电机的选择 14193303.3.2减速器的设计 14280503.3.3滚动轮轴的强度校核 1757733.3.4调节螺栓的强度校核 185703第3.4节本章小结 1828296第4章总结与展望 1918729第4.1节本文总结 194619第4.2节发展展望 20第1章绪论第1.1节课题研究的背景和意义从上世纪末开始，随着我国国家电网的快速发展，已经基本实现了家家通电的局面。给国家和人民的生产与发展带来了极大的便利，已经成为现代社会不可或缺的一部分，同时也成为国家发展的重要支柱。我国幅员辽阔，纬度跨度较大，不仅仅是在东北地区，在我国的南方地区，在冬季时也经常会遭受到冻雨的危害。当亚欧大陆的大气环流出现异常时，冷暖空气便交汇在我国南方地区和长江中下游，温暖潮湿的气流携带大量水气就会出现凝结，从而形成雨雪或雾凇，进而导致高压输电线路发生覆冰现象[1]。当覆冰达到一定厚度时，导线由于热胀冷缩的缘故就会产生巨大的拉应力，并且因为低温而变脆。在这两种情况的综合影响下，输电线路就会发生断裂或者输电塔发生倒塌。从而引起大规模，长时间的断电，严重影响着人们的生活和国家的发展。（如图1.1）我国在2008年发生的重大冰雪灾害。当时由于技术条件的限制，必须依靠人工攀爬到线路上进行除冰作业，使得许多作业人员因此而失去宝贵的生命。以及在去年冬天我国部分地区因为冰雪灾害的影响，在一些地区的铁路电网上出现了覆冰，列车受电弓无法与电路接触，导致了部分地区的交通运输的瘫痪（如图1.2）。不仅仅是在中国，在世界上许多靠近极地的国家也面临着同样的问题。图1.12008年冰雪灾害图1.2列车受电弓覆冰各个国家为了尽可能的减轻该种灾害的影响，都进行了大量的研究工作。常用的除冰方法可以分为机械除冰和热力融冰[2]。当前机械除冰主要是通过工人进行敲击，将线路上的覆冰去除，虽然这种方式的效果好，但除冰的效率低，且极易影响工人的生命安全。热力融冰中的直流融冰技术目前在我国应用较为广泛，且该种方法的除冰效率极高，可以在十几分钟的时间内，去除掉约两百公里的线路覆冰。但进行该种作业必须保证在两座变电站之间的线路必须为通路状态，如若已经发生线路断裂则无法应用。本文在总结现有除冰机器人的优势之上，将冲击式除冰方法与铣削式除冰方式进行结合，搭载在一个除冰机器人上，使其可以几乎不受输电线路上覆冰厚度的影响进行作业。第1.2节除冰机器人研究现状1.2.1国外研究现状西方一些发达国家以及日本等国在该种机器人方面的研究起步较早，并取得了相应的成果。最早在该方向进行研究的是加拿大的魁北克电力研究院SergeMontamtault等人经过两年的研究设计，推出的HQLineROVer遥控小车[3](如图1.3），该小车只具备巡视功能，且只能在一条无障碍的线路上进行工作[4]。然后在经过不断的升级与改进之后，该团队于2006年推出了他的升级款(如图1.4），使得该小车能够对线路上的部分障碍物进行跨越，但是依旧不具备除冰功能。不过该巡线小车为后续除冰机器人的发展提供了平台，只要在该小车上将巡线部分改为除冰机构，并重新设定程序即可。日本东京电力公司也曾经研制过一台巡检机器人，该机器人可以在线路上独立行走且可以通过其上搭载的前后两臂进行越障。在以后的研究中，并以此为基础，在其上搭载了除冰机构，主要是利用电晕效应进行除冰[5]。图1.3加拿大研制的除冰机器人图1.4加拿大研制的除冰机器人升级版此外，美国，泰国，墨西哥等国家也先后研制过一些该类机器人，并制造了样机进行了相应的实验，但基本上都为巡检机器人，不具备除冰功能。1.2.2国内研究现状我国在这方面的研究最早起步于上世纪的九十年代，但却很少取得成果。最近几年来，尤其是2008年特大冰雪灾害之后，我国许多科研院所开始着手对其进行更进一步的研究，并取得了不错的成果。其中比较有代表性的是山东大学与加拿大魁北克水电研究院联合开发的LineROVer小车(如图1.5)以及武汉大学吴功平教授团队的机器人[6,7](如图1.6)。图1.5LineRover小车图1.6吴功平教授团队研发的机器人其中，山东大学与加拿大魁北克水电研究院联合开发的小车，他们在远程通信与控制、能源动力、防水性能等方面对LineROVer小车做了技术改进，并在小车上却集成了红外检测、压接管，电阻测量、除冰等带电作业功能，但却没有赋予其越障能力[8]。武汉大学吴功平教授团队的除冰机器人采用了比较特殊的铣削式除冰，该种除冰方式可以避免普通挤压式除冰方法对输电线路的损坏[9]。因为目前我国国内多采用多分裂式输电方案，其中多为六分裂式与八分裂式，因此重庆大学的研究团队开发了一种可以应用于分裂式输电线路的巡线机器人，其可以快速稳定的通过输电线路之间的连接架，但是该平台难以搭载除冰机构进行除冰作业[10]。吴功平教授团队也在最近开发了可以应用于多分裂式输电线路的机器人，其越障方式已经相对来说较为成熟，但是也仅限于各根导线之间的连接架，对于塔杆以及别的障碍物仍然有所不足[11]。总结现有的除冰机器人的除冰方式，主要为挤压，冲击，振动[12]等方式。相比与传统的人工除冰方式，可以减少人员的伤亡，除冰效率也相对来说有一定的提高。与目前比较成熟的直流融冰技术相比较，虽然在融冰效率上低了许多，但是可以在导线断开的情况下继续作业。针对效率低的情况，可以每隔一段距离布置一个除冰机器人来进行解决。但是仍有一些关键的问题阻碍着除冰机器人的大规模使用，比如，该机器人无法自动攀爬上导线上进行作业，其虽然可以搭载越障装置，但是越障能力也有一定的限制，而且其电池的续航与重量也是在未来需要解决的一个问题。第1.3节本课题的主要研究内容本文针对目前我国常用的各横截面直径尺寸不同的高压输电线缆设计一款可以通用的除冰机器人。结合实际情况，具体的设计内容如下：1）根据覆盖在输电线路上的各种冰的形成，以及不同种类覆冰的硬度，按照硬度最大的情况进行除冰结构中刀具，以及刀具支撑结构的设计，并对其进行强度校核。为了能够将一些硬度很高的覆冰通过冲击与铣削的方式去除，刀具的扭矩不能仅由电机提供，需要借助减速器来降低转速的同时并提高电机输出的扭矩，使其面对硬度高的冰层也不会发生刀具卡死的情况，保证机器人能够持续稳定的完成除冰作业。因此需要重点设计刀具的减速器，使其在有较大的减速比的情况下并且尽可能的小，并且有着一定的使用寿命，不会因为扭矩过高而发生失效。2）根据不同规格的输电线路的导线横截面的直径，设计刀具支撑结构，使其可以根据不同粗细的导线选择不同的刀具间距离，极大的增强该机器人的适用性，并且可以避免由于固定的刀具间距离而产生的遇到较粗的导线将其压裂或者遇到较细的导线不能很好的完成除冰的问题。3）对各部分设计完成后，使用UG建模软件对其各部分进行建模，并对其进行装配和运动仿真。最后，对该除冰机器人的设计进行总结，分析其中的不足与优化空间，对未来的该类机器人的发展提出展望。

第2章除冰机器人的总体方案设计第2.1节引言一个完整的除冰机器人是一个机电一体化系统，其中包括传感检测系统，机械系统，控制及信息处理系统，动力系统与执行控制系统[13]。是一个综合性很强的工程，需要不同学科的人共同合作才可以完成。本文只针对其机械系统进行设计方案设计，包括除冰刀具和二级除冰机构的减速器。第2.2节输电线路的规格由于高压及特高压输电线路的导线如果采用单根导线来传输，则导线往往较粗，也就使得单位长度上的质量极高。给线路的架接带来极大的困难，此外还会产生极强的电磁辐射。因此，我国现在在220千伏以上输电线路方面多采用的为多分裂导线式输电(如图2.1)，即将原本由一根横截面积较大的导线分裂为一定数量的横截面积较小的导线来共同输送电流[14]，这样的优点是1）减轻了每根导线单位长度上的质量，可以极大的方面线路的架设；2）可以避免由于导线横截面积过大使得电流在导线中分布不均匀；3）可以有效避免电晕现象；4）可以减小电感，减小阻抗提高线路的输电能力：5）可以保证线路的稳定性。我国目前最高规格同时也是世界最高规格的输电线路为昌吉至古泉的正负1100千伏特高压直流输电线路[15]，其导线采用的是八分裂方式(如图2.2)所示。即将一根导线分裂为八股，由八股导线共同来输送电流，每根分导线的横截面积为1250平方毫米，与普通人手腕粗细相当。220千伏及以下单根导线中最大直径不超过150毫米。图2.1分裂式输电线路图2.2昌吉至古泉±1100千伏线路第2.3节导线上各种覆冰的特点线路上的覆冰类型主要包括雨凇覆冰，混合淞，软雾凇，白霜和雪淞。其中，雨凇覆冰(如图2.3)的形成主要是在低海拔地区刚好遇到冻雨时，为透明状冰块，与导线粘附的比较紧，且密度较高，硬度较大，属于混合淞覆冰的初级阶段。混合淞(如图2.4)的形成主要是在空气湿度较大，环境温度在冰点以下并且伴随着有强风时。冰块有时为透明状，有时为不透明状，硬度高，发展较快，其与导线的粘附也比较紧。软雾凇(如图2.5)的形成主要是因为山区中较低的云层中含有水滴，并且当时的环境温度不高时。冰块的为白色，密度不高，与导线的粘附也较弱。当导线受到不大的外力扰动时，就会从线路上面脱落，因此其对导线的危害也较轻。白霜(如图2.6)，当环境温度低于零下导致输电线路的温度也低于零下，空气中的湿气接触到输电线路表面时便会形成。其与输电线路的粘附性和软雾凇一样也不强，在外界干扰力的轻轻扰动下便会脱落。雪淞,空气中的雪的湿度较大时，落在输电线路表面形成的。由于雪落在输电线路表面极容易被风吹落。因此雪淞的形成只能发生在几乎无风地区，其粘附性较弱，对输电线路的危害也极低[16]。图2.3雨凇图2.4混合淞图2.5软雾凇图2.6白霜第2.4节除冰机器人方案设计2.4.1除冰机器人的除冰方案设计上述在对各种覆冰的特点进行分析之后，再根据现有的除冰机器人的除冰方式，选择采用冲击铣削式的除冰方法。采用单一冲击式除冰的话，尽管该种除冰方式可以几乎不考虑覆冰的厚度，只需要从输电线路与覆冰结合的地方用锥形刀具进行往复冲击便可去除覆冰，而且效率相对来说也较高，但是导线在空中是有一定的垂度的，采用冰刀冲击式有可能会在导线垂度大的地方损坏导线。而采用单一铣削式的除冰方法虽然不需要担心上述问题，但是如果导线覆冰厚度超过滚轮的一半高度时，滚轮可能会出现卡死的情况，要想解决这个问题，则必须把滚轮做的很大，这样做的结果就是会使除冰机器人变得十分笨重，给导线带来巨大的负荷，严重时甚至可能会把导线拉断。为了使该机器人在除冰过程中不会发生这样的现象，并且又要使该机器人能够有效去除掉厚度很高的覆冰的要求下对导线几乎没有损坏。则需要将上述两种除冰方式进行结合(如图2.7)，在除冰机器人最前端采用冲击式除冰，但锥形刀具最前端的圆口就不能从输电线路与覆冰结合处进行除冰，则需要将圆口进行适当的增大，使其能够不受导线垂度的影响，并且能够将厚度较大的覆冰先进行一次去除。由于不是从输电线路与覆冰结合处进行冲击除冰，而是对冰层本体进行冲击除冰，这就必须采用硬度和强度极高的刀具材料，才能保证刀具在除冰过程中不会发生卷刃和崩刃的情况。在对覆冰进行了这样的一次去除之后，即便留下里的覆冰的厚度也会减少很多，这时便可以采用铣削式的除冰方式[17]对其进行二次去除。所以就需要在冲击式除冰机构之后增加铣削式除冰，铣削式除冰机构需要使用单独的电机进行驱动，并且需要减速器进行减速的同时提高力矩，保证滚刀在工作过程中不会因为覆冰的硬度而产生卡死的现象。图2.7除冰机器人整体机械结构通过这样的结合便可以既保证了除冰工作的效率，又不会对输电线路产生损坏。2.4.2除冰机器人的行走方案设计除冰机器人的行走机构在现有行走机构的基础上，进行了一些的改进。首先该除冰机器人的行走轮和目前的除冰机器人上搭载的并无差别，由前后两个驱动轮进行驱动。只是在轮子的凹槽处增加了一圈的橡胶垫，可以增大摩擦力，防止一级冲击式除冰机构在工作过程中产生的反作用力将整个机构推向后面。因为行走轮是通过支撑架的连接悬挂在输电线路上进行工作的，因此无法同时使用减速器和电机，因此行走轮的驱动是直接通过一个减速电机来为其提供动力的。此外，在前行走轮的前面和后行走轮的后面各增加了一个刮雪铲。前刮雪铲(如图2.8)的用途主要是由于二级铣削式除冰机构主要是针对输电线路两边的覆冰进行去除，而线路上面的覆冰有可能去除不干净，从而将行走轮卡死或者造成机器人从输电线路上脱落的情况。该刮雪铲能够半包络输电线路，且经过除冰机构去除过之后，残留在输电线路上的覆冰硬度已经不高，刮雪铲能够轻松的将其去除，为了尽可能避免刮雪铲将输电线路的外表面刮伤，在铲子前部有一个翘起来的仰角，其与后面的整体光滑连接，从而保护输电线路不受损伤。因为刮雪铲的角度等不需要进行调节，具有普适性，因此该刮雪铲的固定主要是通过杆架与前驱动轮的支撑架与轮轴固连在一起。后刮雪铲(如图2.9)除了具有将输电线路下面剩余的覆冰清楚干净之外，还起到防止除冰机器人前后失衡的作用。因为该除冰机器人的除冰机构与行走机构通过龙骨连接在一起，且除冰机构全都分布在机器人前端，并且为了保证其有着足够的强度和刚度，选择了相对较高的安全系数，使得除冰结构部分的尺寸和重量都比较大。尽管电池组及控制部分设计安装在行走支撑架下，且一级除冰机构需要有一定的对中性，因此该机器人在受到扰动之后仍有可能发生前后失衡，轻则一级除冰机构对输电线路造成损伤，重则使得机器人从输电线路上掉落，都是十分严重得安全事故。因此后刮雪铲安装在输电线路下部，并通过支撑架与除冰机器人得龙骨相连，保证机器人在受到扰动之后仍不会从发生前后失衡得情况。为了使前后刮雪铲有一定得使用寿命，不会在使用过程中不会被很快磨损，在其与输电线路接触的部分覆盖有一层纳米陶瓷涂层。为了做到轻量化的要求以及尽可能减小侧风引起的整体结构振动[18]，在支撑架以及轮上做了镂空处理。图2.8前刮雪铲图2.9后刮雪铲第2.5节本章小结本章从输电线路上各种覆冰的特点和类型着手，对除冰机器人的整体方案进行了设计，具体包括如下三个方面：查阅资料，对目前国内常用的输电线路的输电方案与线路规格进行了简单的总结；对输电线路上常见的覆冰进行了简单的介绍，并根据这些介绍，确定了除冰机器人具体的除冰方案；3）明确了除冰机器人的行走机构。

第3章除冰机器人除冰结构设计第3.1节引言本章主要针对除冰机器人的除冰结构进行设计，除冰机构是除冰机器人的重要设计对象，除冰结构设计知否合理，直接影响着除冰机器人的工作效率与除冰效率。本文在对已有的除冰机器人的除冰方案进行充分的了解的基础上，对两种除冰方案进行结合，弥补了单种除冰方案的不足，使其能够适用于几乎全场景的除冰，并可以使其有着不错的工作效率。第3.2节一级除冰结构设计该除冰机构(如图3.1)，整体结构大致为一个曲柄滑块机构，由左右各一个相同的减速电机做驱动。考虑到该结构主要是通过快速的冲击将刀具打入覆冰，因此就需要电机有着一定的转速，通过查阅文献得知，曲柄的转速达到1r/s时，该机构可以做到有效的除冰[19]，因此直接选择一个转速大于等于60r/min的电机即可。曲柄连接一个减速电机的输出轴，滑块为锥形刀具。从减速电机输出一个转矩之后，带动曲柄转动，曲柄将该转矩通过连杆，传递给刀具一个水平方向的力，为了使该结构具有一定的刚度和稳定性，采用对心曲柄滑块机构。图3.1冲击式除冰机构图3.2刀具3.2.1锥形刀具设计该刀具(如图3.2)，刀具的小口最小直径155mm,且前端带有锥形的尖齿，能够轻易打入覆冰里。为了能够方便的安装在输电线路上，将该锥形刀具做成上下两块，安装时只需将刀具打开，将输电线路套进去之后用螺丝锁紧即可。因为该道具是上下两部分组合而成的，因此刀具与连杆连接的轴不能分布在刀具高度一半的位置上，只能分布在上半部分或者下半部分。那么就会导致该道具在打入覆冰或者从覆冰中抽出时产生上下倾斜的情况，进而导致损伤输电线路或者刀具。为了解决这个问题，在刀具的上半部分增加了一个支架，支架末端装有滚轮和导轨(如图3.3)，从而保证刀具在作业过程中不会发生倾斜。冰的硬度按莫氏硬度来衡量，通常硬度在4到5之间，最高硬度可达到6，但该种情况下的环境温度已经达到零下五十度，接近极地温度，因此在输电线路上的覆冰是几乎达不到这样的硬度的。因此，本文按照莫氏硬度5来设计刀具。在莫氏硬度高于5的金属材料中，最常见的为不锈钢，其也是常用作冰镐头部的材料。覆冰在常见的零下十度的环境中的的主要力学性能为抗压强度3.09Mpa，抗剪强度0.45Mpa[20],相比于316不锈钢170Mpa的屈服强度，道具选择该种材料是足够的。初定需要向刀具提供100N的力，而刀具上锯齿的接触面积约为10mm2，由压强公式P=F/S可知，刀具可以对冰产生10Mpa的压强，足够将冰击碎。图3.3滚轮与导轨3.2.2连杆结构设计刀具的工作行程为150mm，根据曲柄滑块的特性可知，曲柄的两个回转中心的距离为75mm，连杆的两个回转中心间的距离取170mm，厚度取15mm。并尽可能的轻量化，材料选用5A05铝合金，其抗拉强度265Mpa。而连杆部分的铰接处承受剪切应力，当设计不合理使，极容易被间断。根据τ=F÷A≤ττ=τ第3.3节二级除冰机构设计由于一级除冰机构已经进行了一次除冰，所以剩下的覆冰厚度得到了很大的减小。因此滚轮不需要设计的特别大即可满足使用要求。设计滚刀直径最小的地方为为50mm，滚刀整体高度140mm，在滚刀上有一个梯形的凹槽(如图3.4)，且在整个滚刀上装有竖向安装的刀片(图中未画出)，通过滚刀的旋转来将剩余的覆冰铣削掉，，这样可以提高除冰效率。两个滚刀间最短的距离可以在一定的范围之内调节。使用时只需根据不同大小的输电线路的直径调节到不同的距离，并用螺丝锁紧即可。图3.3滚刀3.3.1驱动电机的选择设计除冰机器人的除冰速度为5m/min左右，初步设计导线直径115mm，在覆冰之后总的直径为220mm，在第一级除冰之后总的直径变为155mm。则冰层的横截面积是一个圆环，面积为A=(（3.1）取冰的抗剪强度0.45Mpa，则估计除冰功率为P=FV=στ（3.2）由于除冰过程中是由两个滚刀来同时进行除冰，每个滚刀由一个单独的电机进行驱动。因此每个每个电机的功率应为158.4W，结合实际选用功率为160W的交流电机，其额定转速1800转每分钟。根据扭矩公式T=9550p/n（3.3）可计算出该种电机的扭矩为0.85N/m。3.3.2减速器的设计由于电动机直接输出的转速较高，不能将电动机直接来驱动滚刀旋转，需要借助减速器来减低转速的同时并提高扭矩，可以有效去除硬度较高的覆冰，并且能够防止出现滚刀被覆冰卡死从而使电机堵转，将电机烧毁。为了保证机器人的除冰速度能够达到10m/min，根据公式v=r×π×d可知滚刀的转速应达到31.83r/min，减速比为31.83，如此大的减速比如果采用普通的齿轮进行减速，则大齿轮将会很大，且需要采用两级减速，导致减速器的体积和重量特别大，并且左右两个滚刀都需要采用相同的减速器，这显然违背了该机器人轻量化设计的要求，机器人整体重量过大甚至还会将导线拉断。因此，要想达到如此大的减速比，又要尽可能的使减速器体积和重量减轻，选择采用蜗轮蜗杆传动。蜗杆头数选择为1，则蜗轮的齿数按照减速比来算应为31.83，取整之后为32。从常用的标准模数表中选取蜗杆的轴向模数为2.5mm，则蜗杆的分度圆直径为45mm，由公式d（3.4）可求得蜗轮的分度圆直为80mm，中心距为62.5mm。并选择其轴向齿形角为20°。按照蜗轮蜗杆的啮合原则，在中间平面上蜗杆的轴线模数，齿形角应分别与蜗轮的端面模数齿形角相等，于是mx1=（3.5）蜗杆的分度圆直径和头数确定之后，其分度圆柱导程角也就随之确定根据公式tan（3.6）可得γ=3.18°。蜗杆传动啮合齿面间的相对滑动速度根据公式v（3.7）可得到vs=4.25m/s。蜗轮的的喉轮直径为82mm,蜗杆的齿顶圆直径为50mm。则蜗轮齿宽根据公式b由蜗杆传动的失效形式可知，对蜗杆和蜗轮的材料应具有足够的强度，良好的跑合性，减摩性和耐磨性[21]。由于蜗杆的速度较高，荷载较大，因此蜗杆的材料选用20Cr并要经过渗碳淬火。蜗轮同样需要足够的强度，且蜗轮蜗杆的相对滑动速度大于3m/s，因此蜗轮材料选用铸造锡铅青铜，采用金属模铸造，其基本许用接触应力查表取268Mpa，基本许用弯曲应力为56Mpa。圆柱蜗杆传动的承载能力计算只需要计算蜗轮齿面接触疲劳强度，蜗轮齿根弯曲疲劳强度，蜗杆轴的刚度计算。其中蜗轮齿面接触疲劳强度根据公式σH（3.8）F（3.9）L=（3.10）1（3.11）将上述三个公式带入公式（1）中化简得到校核公式（2）如下σH（3.12）其中，ZE为材料得弹性系数，由于蜗轮和蜗杆是青铜与钢配对，所以取ZE=160MPa。K为载荷系数，其值为使用系数KA，齿向载荷分布系数Kβ和动载系数得乘积Kv。由于机器人工作过程中遇到硬度较高的覆冰是会受到一些冲击，于是KA值取1.15，F（3.13）T（3.14）η=（3.15）η（3.16）其中η2η3一般取0.95；当量摩擦角φv根据滑动速度和蜗轮齿圈材料并利用插值法求得值为1°05′。则蜗杆传动得啮合摩擦损耗η1解得为0.75，则总效率为0.7，带入公式（4）中得出T2=19.04N/m,再将计算出的值代入公式（3）中得到F蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算根据公式(5)如下σF（3.17）Yz（3.18）计算得出zv2=32.14。查表取齿形系数为2.45，将值代入公式（5）中计算得出σF=10MPa蜗杆轴的刚度计算则根据公式(6)如下y=（3.19）F（3.20）F（3.21）I=（3.22）许用最大挠度为蜗杆分度圆直径的千分之一，其值为0.045mm。蜗杆轴两支撑间的跨距按照经验公式为0.9倍的蜗轮分度圆直径，其值为72mm。蜗杆危险剖面的惯性矩经计算后为338645.5mm4。径向力为173.25N。圆周力为37.8N。20Cr的弹性模量E为20Gpa。将这些数值代入公式（6）中得y=0.004mm<3.3.3滚动轮轴的强度校核由于该滚刀采用的铣削式的除冰方法，并不是传统的碾压式除冰。因此该滚刀的轴主要承受转矩，因此强度校核只需要按扭转强度条件计算即可。选择该轴的材料为35SiMn，直径选定为25mm，实心轴，并进行调质处理。该种材料的力学性能如表1所示；表3.145号钢调质后的力学性能抗拉强度σ屈服极限σ疲劳极限σ剪切强度极限τ885MPa735MPa450MPa260MPa该轴的扭转强度计算根据公式τ（3.23）由于该轴采用的是实心轴，其抗扭截面模量根据公式W（3.24）代入直径值后计算得出WT=3068mm3.3.4调节螺栓的强度校核为了使该除冰机器人能够适应不同横截面积的导线，其除冰刀具之间的距离需要能够根据不同导线的直径大小在一定的范围之内调节。因此滚刀顶部及二级除冰机构底部采用普通螺栓连接，通过预紧力来产生摩擦力，防止除冰刀具在工作过程中由于负载的增大而使刀具间的距离增大，螺杆直接铣在除冰刀具的轴上，其螺纹中径取15mm。假定刀具在工作过程中产生的横向力不超过1000N，则根据预紧力的平衡条件公式Q（3.25）其中摩擦系数f查表取0.35，可靠性系数Kf取1.2，代入公式中计算得出预紧力Q1.3（3.26）螺栓等级选6.8级，则屈服强度极限为480Mpa，安全系数为1.2，相除之后计算得出螺栓材料的许用应力σp=400MPa。将公式代入上述数据中得出第3.4节本章小结本章对该除冰机器人的两级除冰机构进行了设计，创新性的将冲击除冰式除冰与铣削式除冰进行结合，使该机器人能够适应多种不同的工作环境，采用该种除冰方式可以有效避免传统碾压式除冰造成驱动力过大损坏导线或驱动力不足除冰不干净的情况。并根据覆冰的厚度与硬度选择了二级除冰机构的电机，并对二级除冰机构的减速器，刀轴等强度和刚度进行了校核。

第4章总结与展望第4.1节本文总结本文根据自己本科阶段学习的知识和对该类型机器人发展现状的研究，在现有除冰机器人的基础上进行了一些创新性的结合，取长补短，设计了一款能够适应不同输电线路直径，不同覆冰厚度的除冰机器人。但是由于自己对于程序与自动控制方面知识学习的不足，导致没有为该除冰机器人设计越障机构及该机器人的自动控制。本论文对于我来说也是第一次来设计一个东西，通过建模发现自己在工业设计方面有很多的不足，导致设计出来的机器人看起来并不美观，甚至有点简陋，而且对于关键部件例如锥形刀具，连杆和滚刀等部分由于没有掌握仿真软件，没有对其受力进行仿真，只能依据公式计算出来的数据来估算该结构是否满足力的要求。本文主要根据除冰机器人可能遇到的作业环境，对除冰机器人的总体方案进行了设计。并尽可能以最困难的环境条件来对除冰机器人的一级二级除冰机构进行设计，并对其进行了强度校核，保证其能够安全，高效，稳定的进行除冰作业。本文的具体内容总结如下：（1）通过查阅资料及一些相关方面的文献，了解除冰机器人的工作环境。然后从除冰机器人的工作环境入手，结合目前常用的一些除冰方案的利与弊，并根据自己所学的知识，对除冰机器人的整体方案进行了简单的设计，其中行走机构目前已经非常成熟，不需要再另行设计。而除冰机构目前存在着多种方案，且每种方案都存在着一定的缺陷，为了能够做到高效的除冰，创造性的将铣削式除冰与冲击式除冰结合起来，形成一个两级除冰机构，可以有效应对不同厚度的覆冰。（2）从输电线路的覆冰入手，首先对一级除冰机构也就是冲击式除冰进行简单的设计，该种除冰方案的基础是曲柄滑块机构，利用锥形刀具的齿对冰块进行冲击，将一定厚度以上的覆冰通过该种方案进行去除。通过一级除冰机构进行除冰之后，二级除冰机构对剩余的覆冰进行铣削式的清除，该种除冰方案需要使用到减速器，并需要考虑空间与重量的限制，使用了蜗杆传动，可以获得较大的减速比，并对其蜗轮和蜗杆的强度进行了校核。第4.2节发展展望除冰机器人在目前的发展情况下，其越障机构与电池是制约其大规模发展的一些关键问题。目前的一些越障机构只能做到固定距离的越障，如果障碍物距离过长那么机器人将无法成功越障，如果障碍物距离过近，则靠近障碍物附近的输电线路则会成为一个盲区。随着未来科技的发展，能够做到机器人自动识别到障碍物跨距，并且控制越障机构能够做到刚好跨越[25]。此外，机器人体积的大小与重量也限制着机器人的越障机构，直接影响着机器人上能够搭载的越障机构的大小。电池直接影响着机器人的续航能力，现阶段常用的电池在温度较低的地方，其容量会大打折扣，使得机器人不能够长时间的在线工作。有些研究团队开发了可以利用输电线路的电磁感应来对机器人进行充电[23,24]，这样可以做到机器人边工作边充电，且有着不错的效率但是需要保证输电线路不能断路，如果该区间的输电线路已经断开，则无法使用。在未来解决掉电池问题后，机器人才能够真正做到方便高效的代替人工进行作业。最关键的影响着该机器人大规模使用的原因是，机器人仍然需要人工将其安装在输电线路上，且在安装前需要先事先人工清楚掉安装机器人位置的覆冰才能让其机器人成功安装。因此，在未来一个真正意义上的除冰机器人需要能够做到自动攀爬上塔杆，自动将自己悬挂在输电线路上；能够检测到障碍物的跨度，并能够根据障碍物跨度的距离进行自动合适的越障；最为关键的是其续航能力能够保证其最少可以在线连续工作四个小时以上。

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