自主式微型管道疏通车疏通驱动系统研究

２０１６年４月第４４卷第８期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｐｒ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０８􀆰０２４收稿日期：２０１５－０２－０５作者简介：琚立颖（１９８８—），女，硕士，助教，研究方向为数字化设计与先进制造、机械设计及理论。Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｒａｎｇｅ１０４８８＠１２６􀆰ｃｏｍ。自主式微型管道疏通车疏通驱动系统研究琚立颖，龙海洋，李耀刚（河北联合大学机械工程学院，河北唐山０６３００９）摘要：提出一种微型管道疏通车疏通驱动系统的设计方案。该疏通驱动系统是自主式微型管道疏通车的关键部分，通过驱动执行元件实现管道疏通车的疏通功能。新设计的疏通驱动系统采用同步带机构作为执行元件，液压马达作为驱动元件。它与传统的电机驱动系统相比，反应速度快、灵敏，调速范围广，寿命长。自主式微型管道疏通车疏通驱动系统的研究将提高管道疏通的效率。关键词：管道疏通车；驱动系统；同步带；液压马达中图分类号：ＴＰ２４　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１６）０８－０７５－３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｒｅｄｇｅＤｒｉｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＭｉｎｉａｔｕｒｅＰｉｐｅｌｉｎｅＤｒｅｄｇｅＶｅｈｉｃｌｅＪＵＬｉｙｉｎｇ，ＬＯＮＧＨａｉｙａｎｇ，ＬＩＹａｏｇａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｔｅｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＴａｎｇｓｈａｎＨｅｂｅｉ０６３００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｉｎｉａｔｕｒｅｄｒｅｄｇｅｐｉｐｅｌｉｎｅｄｒｅｄｇｅｖｅｈｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｄｒｅｄｇｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｄｒａｉｎａｇｅｄｒｅｄｇｉｎｇｒｏｂｏｔ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｄｒｅｄｇｉｎｇｂｙｍｅａｎｓｏｆｄｒｉｖｉｎｇｔｈｅｅｘｅｃｕｔｉｖｅｃｏｍｐｏ⁃ｎｅｎｔ．Ｉｎｔｈｅｎｅｗｄｒｅｄｇｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｂｅｌｔｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｘｅｃｕｔｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｔｏｒｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｏｔｏｒｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｉｓｏｆｆａｓｔｓｐｅｅｄｏｆｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｎｅｓｓ，ｗｉｄｅｓｐｅｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｓｃｏｐｅａｎｄｌｏｎｇｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｒｅｄｇｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｄｒａｉｎａｇｅｄｒｅｄｇｉｎｇｒｏｂｏｔｗｉｌｌｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉ⁃ｃｉｅｎｃｙｏｆｄｒｅｄｇｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｉｐｅｌｉｎｅｄｒｅｄｇｅｖｅｈｉｃｌｅ；Ｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｂｅｌｔ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｔｏｒ　　自主式微型管道疏通车是一种能够进入排水管道内部进行疏通作业的机械装置。该机器人通过携带监控通信设备及疏通装置，在地面操作人员的控制下，对所处的排水管道进行疏通作业。疏通驱动系统是自主式微型管道疏通车的关键部分，它设计得是否合理将直接影响到疏通小车的疏通效率［１］。当前的管道疏通车大部分采用的是电机驱动系统，它长时间工作精度会下降，反应速度不如液压驱动，寿命相对较短，磨损较大且发热量多。排水管道的疏通要求疏通小车的疏通驱动系统动作灵敏，定位精准，能调节铲斗的旋转速度和角度。通过参考有关资料分析研究后，采用液压马达作为自主式微型管道疏通车的疏通驱动系统的驱动元件，可以满足排水管道的疏通需求，且可靠性高，为更有效地完成排水管道的疏通工作提供了一种解决方案。１　微型管道疏通车的基本组成及工作原理自主式微型管道疏通车，采用一种新型的机械结构，独立自主地在管道内部完成疏通作业。它主要由铲、传动系统、液压系统、控制系统、行走机构等部分组成。该机器人的三维结构图如图１所示。图１　自主式微型管道疏通车的三维结构图操作人员在地面远程监控，根据具体情况在地面上无线控制疏通小车完成管道淤泥杂物的清理工作［２］。疏通小车结构原理图如图２所示。整个疏通过程可分为３步：（１）将疏通小车从窨井井口放入到工作管道中，调整铲的高度至合适的工作高度，使铲斗在机器人空载运行时不会影响机器人的行走路线；（２）启动疏通小车的行走驱动系统，工作人员在地上通过监控设备观察管道内的情况，视具体情况控制机器人的移动路线至合适的疏通位置停止。后启动疏通驱动系统驱动铲斗转动，使铲斗底端插入淤泥杂物中，锁定铲斗的当前位置，然后启动行走驱动系统使疏通小车向井口方向移动，移动过程中铲斗底端把管底的淤泥杂物刮走。（３）当淤泥杂物达到铲斗的最大储存量时，铲斗解除锁定，疏通驱动系统驱动铲斗转动至斗口开口竖直向上的位置，锁定铲斗的当前位置，机器人移动至检查井井口位置停止，解除锁定，铲斗转动把淤泥卸在窨井井口附近，再运用其他装置把淤泥杂物运出窨井。图２　自主式微型管道疏通车的结构原理图２　微型管道疏通车清淤驱动系统为了适应复杂的管道环境，并使机器人能够高效节能地完成管道疏通作业［３］，该机器人的疏通驱动系统采用同步带机构作为执行元件，液压马达作为驱动元件。它与传统的电机驱动系统相比，反应速度快、灵敏，调速范围广，寿命长。２􀆰１　同步带机构同步带机构是疏通小车疏通驱动系统的执行部件，同时是整个机器人的传动部件。同步带传动机构是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成，它综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带有梯形齿和圆弧形齿两大类。梯形齿同步带应力集中在齿根部位，当带轮直径较小时，将使梯形齿同步带的齿形变形，影响与带轮齿的啮合，易产生噪声和振动。圆弧形齿同步带克服了梯形齿同步带的缺点，均化了应力，改善了啮合。自主式微型管道疏通车选用圆弧形齿同步带。管道内污水污泥遍布，同步带传动机构要求密封良好。自主式微型管道疏通车采用方形铝型材结构，将同步带传动机构安装在方形铝型材内，巧妙地实现了对同步带机构的密封。方形铝型材的一端用４个紧固螺栓固定在一体化箱体上，另一端连接到铲斗的一侧，采用同步带轮轴连接。这样不仅很好地满足了同步带传动机构的密封要求，而且方形铝型材起到了支撑铲斗的作用，结构简单，安全可靠。２􀆰２　液压系统的方案制定疏通小车在排水管道内部进行疏通作业，受环境和空间的制约［４］，不能按传统液压系统的设计要求去制定疏通小车的液压系统方案，故按如下方案进行：（１）为了节约安装空间，提高系统的可靠性，此液压系统设计采用微型液压技术。微型液压技术的优点是体积小、质量轻、单位功率大；（２）同步带传动机构由微型液压马达驱动，采用双向微型液压马达驱动可以实现同步带机构的正转、反转以及不同工况下旋转速度的切换；（３）液压系统采用微型液压动力单元，它由高压小排量泵、高压溢流阀等微型元件组成，作为微型液压系统的动力源驱动微型液压马达工作；（４）在疏通作业过程中，存在瞬时冲击，因此在液压系统设计过程中应该采取措施避免瞬时冲击对液压系统造成损坏；（５）在疏通作业过程中，存在液压油泄漏以及液压油温度升高的情况，因此在液压系统设计过程中应该做好防止泄漏的措施和冷却液压油。２􀆰３　液压系统工作原理在以上要求的指导下，设计自主式微型管道疏通车的疏通驱动液压系统原理图如图３所示。图３　疏通驱动液压系统原理图该液压系统由微型液压动力单元、双向微型液压马达、阀集成块以及液压辅助系统组成，其主要工作原理如下：（１）液压油经微型液压动力单元输出到液压系统中，进油路有单向阀保护微型液压动力单元。（２）双向微型液压马达在高压小排量泵的驱动下带动同步带机构运动，实现清淤斗的清淤功能。·６７·机床与液压第４４卷（３）三位四通Ｏ型机能电磁换向阀主要控制双向微型液压马达的转向，调速阀控制双向微型液压马达的转速。（４）疏通驱动系统在进行疏通作业过程中遇到冲击或者过载的情况，通过溢流阀１进行缓冲，保护微型液压动力单元免受损坏。（５）回油路上的回油过滤器用于液压系统的回油过滤，过滤液压系统中由于元件磨损产生的金属颗粒及其他污染物，使流回油箱的油液保持清洁。冷却器有足够的散热面积，控制油温在允许范围内，油液通过时压力损失小，系统负载变化时，保持油液恒定温度。２􀆰４　主要元件的选用系统工作压力的选择通常根据负载的大小和设备的类型来决定。疏通驱动系统的负载较小，依照机械设计手册标准［５］，属于小型设备，因此初步选定的系统工作压力为１ＭＰａ。２􀆰４􀆰１　同步带传动机构参数的确定排水管道内部环境复杂，疏通需要足够的疏通力，不需要较大的速度，所以同步带的传动速度不宜过大。根据实际需求，初定圆弧齿形同步带主动带轮的直径ｄ１＝６０ｍｍ，转速ｎ１＝３０ｒ／ｍｉｎ。自主式微型管道疏通车属于小型机器人，不需要大的传动比，初定传动比ｉ＝１即可满足作业要求，从动带轮和主动带轮结构参数相同。根据公式：ｖ＝ｎ１·πｄ１／６０Ｐ＝Ｆ·ｖ／１０００Ｐｄ＝ＫＡ·Ｐìîíïïïï（１）式中：ｖ为带轮线速度；Ｆ为最大载荷下带轮上的圆周力；ＫＡ为工况系数，查表ＫＡ＝１􀆰７。求得功率Ｐｄ＝１􀆰７×９５＝１６０Ｗ。由主动轮的转速ｎ１及计算功率Ｐｄ查表选用５Ｍ型同步带，即节距Ｐｂ＝５ｍｍ，主动带轮的节圆直径公式ｄ１＝Ｐｂπ·Ｚ１，得主动带轮的齿数Ｚ１＝３８，从动带轮的齿数Ｚ２＝３８。根据安装尺寸要求，初选中心距ａ０＝６００ｍｍ，求得同步带的节长近似值Ｌ０：Ｌ０＝２ａ０＋π２（ｄ１＋ｄ２）＋（ｄ２－ｄ１）２４ａ０＝１３８８ｍｍ（２）由标准同步带节线长度系列表，查得５Ｍ型同步带中与Ｌ０最相近的同步带标准节长Ｌ０ｐ＝１３８０ｍｍ。根据公式：ｂｓ≥ｂｓ０１􀆰１４ＰｄＫＺＰ０ＫＬ（３）式中：ｂｓ０为基准带宽，查表得ｂｓ０＝９ｍｍ；ＫＺ为主动带轮的啮合齿数，查表ＫＺ＝１；ＫＬ为圆弧齿带长系数，查表ＫＬ＝１。解得：ｂｓ≥５􀆰２ｍｍ。确定同步带的规格为１３８０５Ｍ２０，主动带轮的规格代号为３８５Ｍ２０。带轮轴上的径向力Ｆｒ＝ＫＦ·Ｐｄｖ×１１５５＝１９４５Ｎ。２􀆰４􀆰２　液压马达参数的确定液压马达的载荷力矩Ｔｗ组成如下：启动加速时：Ｔｗ＝Ｔａ＋Ｔｆ＋Ｔ０稳定运行时：Ｔｗ＝Ｔａ＋Ｔｆ减速制动时：Ｔｗ＝Ｔａ＋Ｔｆ－Ｔ０其中：Ｔａ为工作载荷力矩；Ｔｆ为轴颈摩擦力矩；Ｔ０为惯性力矩。根据公式（４）：Ｔ＝Ｐ２πｎＶ＝２πＴΔｐìîíïïïï（４）式中：Ｐ为驱动功率；ｎ为转速；Δｐ为液压马达的进出口压差。求得液压马达的排量Ｖ＝２１􀆰１ｍＬ／ｒ。３　结论对自主式微型管道疏通车的疏通驱动系统进行了简单的分析与设计，提出了采用同步带机构作为执行元件、液压马达作为驱动元件的疏通驱动系统。疏通驱动系统采用微型液压技术，可代替传统的电机驱动疏通驱动系统。自主式微型管道疏通车疏通驱动系统的研究提高了管道疏通作业的效率和自动化水平。参考文献：［１］李云江，樊炳辉，江浩，等．机器人液压驱动系统的设计［Ｊ］．煤矿机械，１９９９（６）：３－４．［２］田富，李向阳，李龙．履带运输车行走驱动液压系统的设计［Ｊ］．液压与气动，２０１４（１）：７０－７３．［３］王松涛，朱华．履带式煤矿救援机器人越障能力的运动学分析［Ｊ］．矿山机械，２０１２，４０（８）：１５－１７．［４］张少伟，余斌．液压马达在首钢京唐５５００ｍ３高炉上料主皮带的应用［Ｊ］．自动化技术与应用，２０１３（１２）：１０６－１０９，１１８．［５］成大先．机械设计手册（单行本）液压传动［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．［６］吴先明．微型液压泵和液压马达［Ｊ］．液压与气动，１９８８（４）：５１．［７］王丰，秦保新，刘学东．无缆式城市排水管道清淤机器人的通讯设计［Ｊ］．机床与液压，２００９，３７（５）：９６－９８．·７７·第８期