基于Solidworks的線路行走裝置的建模與仿真分析

楊磊青　張曉龍　吳張永　謝曉全　梁文凱　高鵬

摘 ?要： 借助Solidworks建模軟件，對線路行走裝置的各個零部件進行零件模型構(gòu)建，完成后把零件進行裝配，形成裝配體;應(yīng)用solidworks simulation模塊對行走裝置的行進滾輪進行有限元分析;最后利用solidworks motion模塊對整個行走裝置進行模擬仿真，仿真數(shù)據(jù)能夠幫助我們分析行走裝置的可行性，對不合理部件進行修改，受力分析能對整體方案進行合理評估。

關(guān)鍵詞：?行走裝置;Solidworks;建模;有限元分析;仿真

中圖分類號： TP3????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.049

【Abstract】： With the help of Solidworks software， each part of the line walking device is modeled in 3d， and then the parts are assembled to form an assembly. Solidworks simulation module was used to conduct finite element analysis of the moving roller of the walking device. Finally， solidworks motion module is used to simulate the whole walking device. The simulation data can help us analyze the feasibility of the walking device， modify the unreasonable parts， and conduct a reasonable evaluation of the overall scheme through force analysis.

【Key words】： Walking device; Solidworks; Modeling; Finite element analysis; The simulation

0??引言

當(dāng)前我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人民對常規(guī)的電力能源的需求逐年增長，因此為滿足人民日益增長的需求，國家和政府不斷加大對電力系統(tǒng)行業(yè)的投入和規(guī)劃，覆蓋全國、全地區(qū)的輸電系統(tǒng)應(yīng)運而生[1]。這些輸電系統(tǒng)在野外或者高寒山區(qū)或者氣溫較低的地方十分容易受到雨雪等惡略天氣的影響，在輸電線路上產(chǎn)生影響電網(wǎng)系統(tǒng)的覆冰[2]。是一種比較常見的自然現(xiàn)象，但對于輸電線路來說覆冰現(xiàn)象卻是一種極大的威脅，它不但會影響輸電線路的傳輸性能和效率，而且覆冰不斷積累凝固還會導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的絕緣子閃絡(luò)、空中電網(wǎng)線路隨風(fēng)舞動、桿塔受重導(dǎo)致傾斜，而且在遇到嚴重的情況之下，隨著覆冰量的增加或者雨雪天氣的持續(xù)還會導(dǎo)致倒塔等嚴重事故，進而大面積引發(fā)停電，使電力系統(tǒng)暫停工作，極大的破壞了人們的正常生活，給當(dāng)?shù)厝嗣裨斐闪穗y以估量的損失和破壞。

因此，對輸電線路覆冰進行消除就尤為重要，現(xiàn)在我國使用最多的機械除冰方法就是除冰機器人，且在現(xiàn)有除冰機構(gòu)中，線路行走裝置是最為關(guān)鍵的部分，除冰效率與它有密切關(guān)系。目前國內(nèi)外高壓線機器人的行走基本采用兩種方式：步進蠕動式和輪式滾行式。對比國內(nèi)外對于輪式滾行式機構(gòu)的設(shè)計以兩輪掛式行走機構(gòu)為主。在以上基礎(chǔ)上，我們采用四輪式滾行式行走方式，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，行走速度快，制造成本低[3]。只需要把行走安裝在輸電線路上，在電機的配合下能夠沿輸電線路移動。

對此，我們利用建模軟件Solidworks來設(shè)計一個線路行走裝置，將三維建模用于設(shè)計的前期方案設(shè)計階段，然后對所提出的方案進行優(yōu)化設(shè)計，之后對所建立的模型進行有限元運動仿真分析，并對行走輪受力分析，確定該行走輪的剛度，對設(shè)計的整體裝置進行運動仿真，根據(jù)運動仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果驗證行走裝置的合理性和可操作性。利用Solid works對相關(guān)的線路行走裝置的設(shè)計提供了依據(jù)和指導(dǎo)[4]。

1??線路行走裝置的三維建模

1.1??工作原理分析

行走裝置是將輸電線路放在四個開有凹槽的滾輪內(nèi)，滾輪的轉(zhuǎn)動在受到壓緊力和線路摩擦力的作用下沿著輸電線路前進，此裝置的主要功能是在電機施加的作用力下沿著輸電線路平穩(wěn)移動，不產(chǎn)生打滑或者是滑步的現(xiàn)象。目前比較常見的是步進蠕動式和輪式滾行式，不同的工作環(huán)境應(yīng)用不同的行走裝置，特點和效率也各不相同，原理也各不相同，不同的行進方式優(yōu)缺點也各有差異;步進蠕動式的設(shè)計比較復(fù)雜，行進速度較慢，但此裝置最大的優(yōu)勢在于能夠翻越較為復(fù)雜的障礙物;輪式滾行式結(jié)構(gòu)較簡單，行動速度快[5]。經(jīng)過分析輸電線路具體場景，在線路行走裝置不需要考慮翻越障礙物，分析得到其工作原理為輸電線放入四個行進滾輪后，在夾緊后行走輪轉(zhuǎn)動時對于線路的摩擦力轉(zhuǎn)動帶動裝置的行進。

1.2??零件構(gòu)建

根據(jù)行走裝置的工作原理，利用Solidworks構(gòu)建線路行走裝置的三維模型，所設(shè)計的行走裝置主要包括主體箱體、行走滾輪、活動手輪、上夾緊機構(gòu)、滾動軸承、齒輪、支座、軸輪固定板、電機等構(gòu)成。主體箱體分為兩個可進行拆卸安裝的結(jié)構(gòu)。主體兩個部分的連接方式采用螺桿鏈接。螺桿處于松開狀態(tài)時，箱體兩個結(jié)構(gòu)分開，此時就可以把裝置安裝在輸電線上，與四個行走輪接觸，隨后對螺桿進行固緊。由于輸電線的架空特性，裝置在與電線作業(yè)時，輸電線的與裝置之間容易發(fā)生震動，所以在主體機構(gòu)中還設(shè)計了減震機構(gòu)，該機構(gòu)由彈簧組成，在彈簧減震特性下，能夠有效控制裝置在線路移動時產(chǎn)生的線路震動，增加了裝置的平穩(wěn)性。這個裝置運動的動力源由電機提供，通過電機轉(zhuǎn)動，帶動連接在電機上的蝸輪蝸桿機構(gòu)，此后蝸輪蝸桿帶動主動大齒輪旋轉(zhuǎn)，主動大齒輪帶動與下面兩個行進滾輪連接的從動輪轉(zhuǎn)動，將力傳遞給滾輪，帶動滾輪轉(zhuǎn)動;與此同時主動大齒輪還帶動與上方兩個行進滾輪傳動的齒輪轉(zhuǎn)動將力傳遞到上方行進滾輪，引起轉(zhuǎn)動，即完成整個運動過程力的傳遞[6]。

當(dāng)我們初步完成裝置的結(jié)構(gòu)分析后，利用Solidworks軟件開始裝置模型的建立，在初始界面選擇零部件的建立，進入草圖繪制平面圖形，平面圖形繪制完成后通過solidworks軟件里的特征命令選擇需要的特征，常見的有放樣，拉伸，掃描，剪切等，以及應(yīng)用solidworks各種命令就能夠完成模型的基本構(gòu)建。此裝置中的每個零件在設(shè)置好它們的尺寸后，用solidworks進行建模，如下圖2完成的主體箱體的建模。其中裝置中需要的彈簧和齒輪可以從建模軟件的零件庫內(nèi)調(diào)用，可以通過改變彈簧的直徑、線圈數(shù);齒輪模數(shù)、傳動比以及齒輪其它參數(shù)等來得到需要的彈簧以及齒輪如下圖3所示的齒輪。

在使用Solidworks軟件進行建模過程中，最基本和最常用的的零件構(gòu)建功能就是草圖繪制，以及特征命令里的凸臺拉伸，凸臺切除，異型孔向?qū)В箞A等命令，大部分標準零件零件可以直接從零件庫里調(diào)用，然后改變標準件的各個基本參數(shù)即可得到自己所需的零件，這樣的建模方式大大提高了效率[6]。

1.3??整體裝配

在我們把裝置的全部零件繪制完成后，通過Solidworks新建裝配體功能命令，將各個零件導(dǎo)入裝配體后，按照每個零件之間的配合關(guān)系進行裝配，各零部件的裝配完成后就形成一個我們需要的的三維結(jié)構(gòu)模型;當(dāng)零部件較多時我們能夠通過少量零件形成子裝配體，然后又多個子裝配體形成最終的裝配體。拖動鼠標能夠旋轉(zhuǎn)模型視圖，能夠查看整個模型的特征以及各個零件的配合關(guān)系。

進入solidworks軟件，選擇新建裝配體;按照裝置的結(jié)構(gòu)將主體箱體、行走滾輪、活動手輪、上夾緊機構(gòu)、滾動軸承、齒輪、支座、軸輪固定板、電機等零件導(dǎo)入，然后利用他們之間的配合關(guān)系來建立約束關(guān)系以及確定零件的位置。先固定主體箱體，使之不發(fā)生改變，其次安裝齒輪，齒輪中心和圓孔同軸心，齒輪內(nèi)測與主體箱體平行;且大傳動齒輪與其它傳動齒輪保持軸向平行。其余零件按照裝置相應(yīng)的約束關(guān)系進行配合安裝，完成所有零部件的配合安裝后就得到了模型的裝配體，命名為行走裝置。

零件裝配完成后需要再次檢驗零件的約束關(guān)系是否有誤，在Solidworks軟件左部會顯示裝配體所有的配合關(guān)系，看配合關(guān)系是否出現(xiàn)紅色標注。若出現(xiàn)則表示某一零件相應(yīng)尺寸配合關(guān)系不正確，存在問題導(dǎo)致裝配體出現(xiàn)錯誤。并且在裝配過程中，我們能夠單獨選中某個需要改變或設(shè)計的零件，右鍵點擊該零件進行相關(guān)操作，然后保存退出建模，此時在這個裝配體中，這個被修改的零部件也會在我們的裝配體中從新形成，且此零件與其它零件的配合關(guān)系和約束關(guān)系不會發(fā)生改變[6]。

1.4??干涉檢查

在利用Solidworks構(gòu)建三維模型時由于各個零部件之間的配合、尺寸、約束、構(gòu)建等原因，裝配體中的部分零部件可能會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，在solidworks軟件中的評估命令下具有檢查裝配體之間的干涉檢查命令，點擊進入干涉檢查時，鼠標單擊，選擇需要檢查的零件或者是全部裝配體，這樣就完成了對裝配體的檢查。如果檢查結(jié)果顯示出現(xiàn)干涉錯誤，則會在界面左邊紅色顯示，并顯示有幾處干涉現(xiàn)象，我們就能夠根據(jù)干涉現(xiàn)象對零件進行修改[6]。

使用軟件中的干涉檢查，我們可以最大程度避免在實際生產(chǎn)過程中，各個零件例如軸、齒輪等配合不正確的現(xiàn)象，既能避免零件間因為干涉現(xiàn)象出現(xiàn)卡死、摩擦等問題，同時也可以有效避免因在安裝時出現(xiàn)精度不對而反復(fù)人工處理的問題，提高效率，減少加工成本。同時還能為接下來要進行的運動仿真和受力分析提供必要保證。

2??對線路行進裝置進行受力分析與仿真

2.1??行進滾輪受力分析

在Solidworks中，Solidworks Simulation模塊可以分析裝置在各種條件下的性能變化，并且可以檢查出零件在設(shè)計階段有可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過軟件命令給零部件添加受到的載荷和固定夾具，給選擇此零件的材料;就可以對零件進行有限元分析，得到結(jié)果。全部的檢測信息都生成在simulation顯示結(jié)果中。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，許多分析產(chǎn)品問題時都需要對產(chǎn)品進行綜合性的全方面分析，在產(chǎn)品最終設(shè)計之前完成準確的實物模擬分析。Solidworks simulation模塊具有極其全面的性能評估，且運算速率也比較快;能夠促進產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品的發(fā)展創(chuàng)新。

此次構(gòu)建的模型是為了模擬行走裝置的結(jié)構(gòu)特征和裝置在輸電線上的運動特征。使用solidworks里的simulation模塊功能來分析和優(yōu)化行進滾輪的剛度強度要求和零件的受力情況，保證行進滾輪能夠在上夾緊機構(gòu)的配合下，保障滾輪和輸電線間的接觸，使得行進裝置沿輸電線平穩(wěn)高效的行進，并且在運動過程中不會改變此裝配體的形態(tài)和約束。通過受力分析利用零件的受力分析等手段能夠有效幫助我們解決或者確定數(shù)據(jù)的特點，可以確定行進滾輪和各個齒輪之間的質(zhì)量，并且保證在運動時在自身重力和行進輪扭矩載荷作用下，不會發(fā)生偏移和打滑[7]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和科技手段的不斷發(fā)展，從最初的人工計算分析到現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)計算機分析，到現(xiàn)階段為止，已經(jīng)有許多公司和企業(yè)先后發(fā)布了多款受力分析軟件，比如最為常見的Solidworks，Ansys，Catia，HYPERWORKS，Abaqus以及各種二維、三維建模軟件自帶的分析模塊。這些受力分析軟件的基本原理大致相同，采取以零取整的方式，化大為小，對需要分析的三維模型進行不同程度的單元格劃分。

這些軟件核心原理基本相同，采用化整為零方法，即將各自建立的三維模型進行網(wǎng)格劃分，分成很多小塊，每一小塊受不同載荷。最后將每一個相關(guān)的受力小塊單元進行疊加，受力分析由一個單元變成一個整體，這樣就可以分析在受載荷情況下的變形、受力情況等靜力學(xué)特性，并計算出整個三維模型的特性，稱為有限元分析計算。由于實際有限元分析受力單元多，分布面廣，且重疊性突出的特點，都借助于相應(yīng)的計算機輔助軟件進行有限元分析計算，通過計算機輔助軟件分析為工程設(shè)計者提供了便利，減少了產(chǎn)品設(shè)計的工作量，加快了設(shè)計進度。在這些受力分析軟件中Solidworks Simulation操作界面簡單，使用方便，性能突出。

對于模型進行相關(guān)的有限元分析計算，需要我們對三維模型進行單元網(wǎng)格劃分，在最后我們得到的有限元分析數(shù)據(jù)的精確度在很大程度上取決于對于單元格劃分的大小和所選參數(shù)，單元格劃分越大計算越簡單，相應(yīng)的結(jié)果則精度較低。在使用solidworks軟件進行有限元分析時，需要進行多個步驟，如添加固定夾具：加入夾具能夠固定模型，防止模型的移動、施加載荷：施加模型受到的壓力或者扭矩等力、添加模型材料屬性：此模型的材料、結(jié)果運算以及優(yōu)化模型這幾個步驟。

對行進滾輪進行受力分析時，首先對此模型加入夾具，將模型在軸的兩端進行固定，防止它的移動。隨后在行進滾輪的兩端軸部和滾輪施加壓力和扭矩，確定力的大小和方向;選擇模型的材料，這里選擇45鋼，材料的具體屬性軟件能夠直接給出;進行受力分析，最后顯示運算數(shù)據(jù)。首先顯示模型應(yīng)力，下面顯示位移，最后是應(yīng)變。如下圖9所示，綠色箭頭表示夾具，粉色箭頭表示模型受到的扭矩，紅色箭頭表示滾輪受到的壓力。在下圖10中，在受到上述力的作用下時，計算的應(yīng)力圖。圖11表示的時模型位移圖;圖12表示的是模型應(yīng)變圖。

模型材料采用的是45鋼，經(jīng)查閱資料可知，45?鋼的密度為7.8×103?kg/m3泊松比為0.3，彈性模量為2.1×1011。根據(jù)圖10可知，行進滾輪在受到應(yīng)力時，它的受力任然處于安全范圍里。由圖11顯示可得，行進滾輪在軸的兩端位移量增大;根據(jù)圖12顯示，應(yīng)變范圍也沒有影響。因此，經(jīng)過有限元分析可得行進滾輪在選擇材料時能夠滿足強度要求，能夠達到我們的設(shè)計要求，這充分說明了借助solidworks軟件幫助的可能性[7]。

2.2??運動仿真

應(yīng)用Solidworks Motion模塊進行仿真實驗，在模型的動畫中能夠直觀的看到行進滾輪的轉(zhuǎn)動情況，行進滾輪的主動大齒輪在電機帶動下的蝸輪蝸桿的作用下運動，然后帶動四個滾輪轉(zhuǎn)動，最終在輸電線和滾輪的擠壓摩擦作用力下，將整個行走裝置引導(dǎo)在輸電線上行進。經(jīng)過軟件運動仿真實驗可以觀測到各個零部件的性能和狀態(tài)，從不同的運動狀態(tài)可以分析出裝置的合理性，并檢驗出該裝置的方案是否具有應(yīng)用性，從而根據(jù)仿真實驗來優(yōu)化行走裝置的設(shè)計。

在應(yīng)用Solidworks motion模塊功能中對行走裝置進行運動仿真時，在solidworks插件中選擇Solidworks motion，在加載完成后打開界面左下方的運動算例1，鼠標移動裝配體鍵碼，自定義進行選擇不同時間段內(nèi)的運動情況，給渦輪蝸桿添加馬達，選擇旋轉(zhuǎn)馬達，并確定轉(zhuǎn)動方向和馬達轉(zhuǎn)速;選擇接觸，定義零件間的接觸方式，選擇蝸輪蝸桿和齒輪，填如數(shù)據(jù)，并保存;最后加入運動軌跡繪制進行計算，得到計算結(jié)果[8]。

在Solidworks Motion模擬中，我們能夠根據(jù)需要隨意改變模型速度，可以非常清晰的看到模型運動的具體情況，觀察模型在裝配過程中各種約束、配合是否合理，干涉現(xiàn)象是否存在，運動是否完整。由圖14可知，通過移動鍵碼來控制蝸輪蝸桿的運動;由圖15可知，對蝸輪蝸桿添加馬達，使得蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，與主動大齒輪接觸，大齒輪和與滾輪連接的四個小齒輪接觸連接，經(jīng)過運算計算比例，最后得到仿真結(jié)果，顯示齒輪傳動符合，和我們最初的設(shè)計目標一致，符合行走裝置的設(shè)計。通過仿真實驗?zāi)軌蛴行p少資源的浪費，且效率較高，能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計時間[9]。

3 ?結(jié)論

本文經(jīng)過solidworks軟件進行零部件的繪制，然后利用軟件進行裝配，通過每個零部件的配合、約束等形成行走裝置裝配體，完成裝配后通過干涉檢查，對零件進行進一步的修改。利用solidworks設(shè)計出了行走裝置的三維模型，能夠直接給我們展現(xiàn)出行走裝置的各部分外形結(jié)構(gòu)，有助于我們對物體做出判斷，避免缺少實物而帶來的錯誤。利用solid works simulation模塊對行走裝置中的行進滾輪進行了有限元受力分析，檢驗了行進滾輪能夠保證在受到扭矩和其它力作用時能夠正常工作，保證了模型在選擇材料和關(guān)于模型結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和有效性;其次在應(yīng)用solidworks motion模塊功能對整個行走裝置運動仿真分析，仿真結(jié)果顯示該裝置能在輸電線上移動，和設(shè)計要求一致，確保了整個裝置里各個零件的合理性與零件間的有效配合，保證了設(shè)計方案的準確性和合理性[10]。

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