螺旋推进两栖管道车的机械结构设计.pdf

窑 产品与市场 窑1.管道 2.机架 3.螺旋管 4.支撑板5.连接板 6.电磁 7.连接柱图1本项目螺旋推进两栖管道车结构图修稿日期院圆园23原02原24作者简介院李连合渊1976-冤袁男袁本科学历学士学位袁工程师遥 目前主要从管道设计及研发工作遥Mechanical Structure Design of Spiral Propulsion Amphibious Pipeline VehicleLI Lian-He渊Shanghai Yufan Environmental Technology Co.袁Ltd.袁Shanghai 200335袁China冤Abstract院 In view of a series of problems existing in the current pipeline inspection process袁 such as high labor intensity袁 low efficiencyand difficult to ensure accuracy袁 the principle of its generation is analyzed袁 and a new method to improve and optimize the inspectionefficiency and accuracy is proposed.For this reason袁 an amphibious pipeline vehicle for detection is designed.The vehicle is composed offrame袁 spiral tube袁 micro motor袁 synchronous belt transmission and other components.It has the basic function of forward and backward袁and can also realize differential speed steering.This paper mainly completes the material selection and transmission mechanism design of pipecar parts袁 and finally completes the modeling and necessary simulation based on 3D modeling software.Keywords院 Detection曰 Spiral tube曰 Transmission曰 Modeling螺旋推进两栖管道车的机械结构设计李连合渊上海誉帆环境科技股份有限公司袁 上海 200335冤文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原065原园3摘要院 针对当前管道检测过程中存在工作劳动强度大尧 效率低及精度难以保证等一系列问题袁 对其产生的原理完成了分析袁 并提出提升优化检测工作效率和精度的新式方法遥 为此袁 设计了一种用于检测的两栖管道车袁 该车由车架尧 螺旋管尧 微型马达及同步带传动等部件构成袁 具有除前进后退基本功能外还可实现速差转向遥 本论文主要完成管道车零部件选材及传动机构设计袁 最后基于三维建模软件完成建模和必要的仿真遥关键词院 检测曰 螺旋管曰 传动曰 建模中图分类号院 TH69文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.0170引言随着经济快速发展袁城市化进程增速袁市内管道越来越多和越来越复杂袁管道由于得不到高效高质的检测袁经常会发生腐蚀甚至直接炸裂破损袁以至于供水供气被阻隔袁严重影响城市功能的正常有效开展遥 因此袁管网的全面检测袁为及时发现和消除隐患袁提升管道的使用寿命期间提供坚实的导向基础袁并未后期的防腐工程工作提供极大的便利1遥目前袁管道检测工作开展至今袁都需要专业的管道工袁携带许多体积庞大和质量较重的仪器仪表袁深入每一寸管道袁亲身前往管道深处实地测量曰没测两侧也无法获得多条管道的综合数据袁极大地消耗管道工的能力和时间曰另外袁由于地下管道的特殊性袁经常对仪器仪表造成损坏袁降低仪表设备的灵敏度曰加之袁目前研制的机器人在管道内移动距离短袁且机器人容易被管道中底部堆积的杂物堵住遥在此背景下袁 本论文主要完成一种可完成管道监测使用的螺旋推进两栖管道车袁以解决现有技术中存在的问题袁使其方便进行管道检测袁提高管道检测能力遥1螺旋推进两栖管道车结构组成该螺旋推进两栖管道车整体结构组成袁见图 1袁整体结构由车架和螺旋管组成袁车架由支撑板和车架侧边的连接块组成袁螺旋管在轴承支撑下安装于连接块上曰螺旋管运动的动力来源主要依靠专用的微型马达和同步带轮传动机构曰马达电源依靠直流蓄电池袁在倒顺开关的作用下实现正反转袁从而实现前进尧停止及后退曰同时袁在两侧螺旋管驱动下袁 通过电气控制完成马达的速差袁从而成功实现转向2遥为考虑运动的平稳性和安全性袁 螺旋管数量整体为 2 组以上袁均匀分布于车架的两侧袁同时数量也是均等的袁类似于大型卡车的多个轮胎组结构曰 在支撑板上端安装的管夹袁 连接板上同时有可调节的条机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月65窑 产品与市场 窑图4螺旋推进两栖管道车三维图渊下转第 71 页冤形槽袁用于安装管道电视检测装置袁连接板上同时可以安装声呐探测装置遥限位板侧边螺栓连接有手柄螺栓袁 通过限位板和车架贯穿连接袁其将限位板和车间紧密地连接在一起袁同时可以调整限位板的高度遥2螺旋推进两栖管道车机械传动设计2.1 动力驱动选择该管道车不同于其他非标机械结构袁采用 3 相 380V交流电简单完成控制曰由于是室外操作袁因此一般可以选用小型的锂电池袁经过一次性充电袁完成对所选的微型小马达袁实现电源输入遥 经过前期市场调研和分析对比袁最终确定选择国内的东方电机微型马达袁型号为曰而锂电池主要考虑在有油水浸淋的工作条件下袁 可以具有较高的防护等级袁 同时还需要具有耐高温尧 耐酸碱等基本的特性袁同样经过市场调研袁最终确定型号为袁见图 2遥2.2 传动结构设计如图 3 所示袁 螺旋推进两栖管道车的动力传动结构袁 主要基于微型马达在直流蓄电池的供电下袁 在其他声呐控制或传感器的检测下袁通过电气控制程序对多组倒顺开关的连续化程序控制袁 实现不同工况下的正转尧反转袁实现前进尧后退及拐弯3遥在动力传动主体结构上袁 螺旋管的传动主要通过圆弧齿同步带传动袁实现精准化的转动袁进而有效控制行走距离的偏差遥3框架结构和零部件设计分析3.1 车架和支撑板此次所设计的螺旋推进两栖管道车袁 常年工作在地下管道内袁承受酸碱尧潮湿及物理化学的多重作用袁如果管道车的材料选择不合理袁 则会严重影响其基本功能和使用寿命袁 甚至在一些特殊情况下会产生难以预测的事故袁遭受不必要的损失遥普通机械设备通常采用普通碳钢或不锈钢制作袁然而在制作螺旋推进两栖管道车项目中袁 车架的质量和综合稳定性能作为首选指标袁在经过多种材料甄选后袁例如可以参考锌镁合金尧航空铝或钛合金等袁但是价格太过昂贵袁因此最终仍被摒弃曰经过项目组组织开会研究袁最终确定车架的材质为新型的纳米碳酸材料袁 因为其在不影响本身稳定性的前提下袁显著地降低自身重量遥3.2 螺旋管设计计算螺旋推进管道车在前进过程中袁 螺旋管的运动并非单一袁而是复合运动遥 所谓袁复合运动就是牵连与相对运动的合成遥 在此袁牵连运动中袁螺旋管绕转向中心做旋转运动曰而在相对运动中袁螺旋管绕自身转轴线转动遥 在相对运动中袁螺旋管转速与其形成正比的关系曰在牵连运动中袁由于螺旋管各点的牵连速度差异袁偏转距离与牵连速度成正比4遥本次项目设计中袁 重点的机械传动设计主要集中在螺旋管袁 因此这里需要从基本的运动学和动力学方面展开基本的计算遥在计算前袁首先完成运动学基本要求的设定院渊1冤管道车的重心位于几何中心处袁且沿中心纵轴对称遥渊2冤管道车的转向过程发生在水平地段袁属于低速尧稳定和常规转向袁不考虑过渡过程和离心力的影响遥渊3冤转向过程中袁运动阻力不变遥渊4冤螺旋管接地压力沿纵向均匀分布袁与接地宽度无关遥首先袁根据根据螺旋管的移动速度袁完成螺旋管的直径尺寸计算遥由差速转向原理可知院直线行驶时 棕1=棕2曰向右转向时 棕1逸棕2遥根据螺旋管的运动特性袁 螺旋管转动时提供的理论线速度院Vr=p棕2仔式中院Vr要螺旋管的线速度渊m/s冤曰p要螺旋管的螺距渊m冤曰棕要螺旋管的转动角速度渊rad/s冤遥根据项目立项要求袁 螺旋管的线速度为 0.02m/s袁螺旋管的转动角速度为 rad/s袁因此代入上式袁得到螺旋管的螺距为 0.02m袁也即 20mm遥4建模及仿真4.1 建模设计本次设计使用 SolidWorks 对如图 4 所示的螺旋推进两栖管道车进行三维建模遥整体结构简单袁采用自下而上的建模方式完成模型建立遥 整体建模步骤主要包括主要零件图袁如图机架尧螺旋管尧电机及锂电池等零部件的绘制袁 最终根据工作图2微型马达和锂电池1.螺旋管 2.支撑板 3.轴承座 4.从动轮5.同步带 6.主动轮 7.马达 8.倒顺开关图3动力传动结构图66窑 产品与市场 窑原理完成总成模型遥4.2 结构动画仿真Solid-works motion 和运动算例集合是密不可分的袁完成整体装配之后袁不退出整体页面袁就可进入 motion 界面袁通过界面下的约束或负荷袁对模型控制参数的更改袁最后把整体动画完成动画仿真模拟遥本次设计用时间轴定义和运动驱动结合作用袁对螺旋推进两栖管道车总成完成主要的仿真模拟袁 在运动中满足三个问题袁为此突出如下步骤院完成 Solidworks 基础建模袁 确定好各个之间的配合关系遥打开 Solidworks 基础软件袁 运行工具-插件命令袁调用 Solidworks Motion遥在工具栏条下袁右键生成新运动算例遥在这里总共 3 个选型院野动画冶尧野基本运动冶 和野Motion分析冶袁当我们先需要对某个构件进行深入分析袁例如点的速度尧加速度及位置关系袁此时选用位置轨迹袁本课题选用 Motion 分析遥完成以上的 Motion 分析袁 接下去就要给其配置对应的马达遥 马达有两类袁第 1 类为直线运动马达袁第 2 类为旋转运动马达袁本案例中由于是管道游行袁采用直线运动马达袁在设定参数内主要设定运动参数袁速度遥运动轨迹分析方面袁主要对线速度尧加速度及位移行程的软件自动化统计袁在实际操作上袁主要通过 Z 轴运动分量的输出袁最终形成运动曲线图遥5结束语在本次螺旋推进两栖管道车的机械机构设计中袁笔者设计了一种专用于城市管道检测使用的管道车袁 整体结构通过微型马达驱动同步带结构时间螺旋管自动完成前进尧后退及转向等功能运动曰通过机械设计原理完成管道车的机械传动参数化设计遥 最后通过 Solidworks 软件袁最终根据两栖管道车的运动要求袁实现基本的运动模拟袁为实际加工及生产完成有效的评估工作袁 有效降低生产成本袁提升企业的竞争实力遥参考文献1 城市地下管线安全发展的现状尧问题及解决办法J.城市地下管线袁2013渊3冤院108-112.2 郭晓琳袁刘杰袁孙伟袁等.螺旋推进车辆转向动力学特性仿真分析J.装甲兵工程学院学报袁2015袁29渊2冤院47-51.3 李雅娟援螺旋推进仿生游动机器人的研究D.南京院南京航空航天大学袁2013.4 机械设计手册编委会.机械设计手册M.北京院机械工业出版社袁2005.渊上接第 66 页冤渊5冤 S+=ni=1移渊uij-uj+冤2姨袁渊i=1袁2袁噎袁m冤渊9冤S-=ni=1移渊uij-uj-冤2姨袁渊i=1袁2袁噎袁m冤渊10冤每个方案到理想解的相对贴近度为院Ci=Si-Si+Si-渊11冤Ci=渊0.4806袁0.4053袁0.6407冤袁i=1袁2袁3通过对所得到的 Ci值进行排序来确定优先程度袁Ci值与其优先程度成正比遥 根据排序可以得到结论袁方案三对于新能源汽车内饰中控区 CMF 设计明显更佳袁因此最终方案确定为方案三遥 且上市结果方案三销售最佳遥5结束语本文运用 AHP 法及 TOPSIS 法相结合袁 对于新能源汽车内饰中控区 CMF 设计的过程进行设计研究遥 运用AHP 法袁从 5 个准则层出发确定子准则层的 25 个指标建立层次分析模型构建判断矩阵并计算相对权重袁 再通过TOPSIS 法对 3 种方案进行评价遥 此次研究构建了清晰的评价体系袁尽量减少主观因素对于方案设计的影响袁在一定程度上为企业方案决策者选取方案提供科学依据及减少评审主观性袁得出相对最优的设计方案遥但在新能源汽车内饰中控区 CMF 设计方案选择时袁还需要考虑价格定位尧市场波动等因素的影响袁这些因素将在未来更深入的研究中得到解决遥参考文献院1 傅炯 谢欢 汽车 CMF 设计方法J.装饰 2020渊1冤院24-27.2 吕欣袁刘玉云 基于 AHP-TOPSIS 方法的儿童安全座椅设计方案评价研究J.包装工程 2019袁40渊14冤.3 徐玖平.多属性决策的理论与方法M.北京院清华大学出版社袁2006.4 赵光华援管理定量分析方法M援北京院北京大学出版社袁2008援5 张凯歌.乘用车内饰 CMF 设计风格研究D.河南工业大学.2022袁6.6 郭宋吾铭袁 岳晓峰.CMF 在电动轿车内饰设计中的应用研究 J.工业设计袁2021袁8.7 郭宋吾铭.CMF 在电动轿车中控区外观设计中的研究与应用D.长春工业大学袁2021袁6.8 郝加杰.影响汽车内饰质量的因素分析J.企业科技与发展袁2011渊16冤.9 伍翊旸.基于人机工程学的电动汽车安全驾驶软硬件系统创新设计D.华东理工大学袁2020袁11.10 田莉袁岑枭炅袁陈卉等.汽车内饰的人性化元素设计分析J.专用汽车袁2022渊6冤.11 胡忠亮.家用口腔保健产品 CMF 设计评价模型研究与应用D.中国矿业大学袁2022袁5.12崔杨.基于用户情感需求的汽车造型设计研究D.湖南大学袁2009袁5.13鲁丽丽.基于产品回收的绿色设计与基于产品服务系统的可持续设计之比较研究J.生态经济袁2012渊7冤院194-196.14 谭雨婕袁杨昕妍袁张仲凤袁等.基于 AHP-TOPSIS 法的儿童卧房家具设计研究J.林产工业袁2022袁12.15 牛岁清袁章芳颖袁侯洁茹.基于 TOPSIS 法的汽车内饰 CMF 意象感知研究J.科技与创新袁2020渊9冤院20-26.71