適用于復(fù)雜環(huán)境的排爆機(jī)器人履帶底盤設(shè)計(jì)

白程瀚 李縣法

摘 ?要隨著排爆需求的增加和排爆場(chǎng)所的多樣化，人工排爆的方式暴露出了危險(xiǎn)性高，效率低的缺陷。為了克服人工排爆的缺點(diǎn)，排爆機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。排爆小車底盤和輪式底盤及腿式底盤相比，履帶底盤具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、性能可靠、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。目前針對(duì)我國南方邊境復(fù)雜山地而設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人較少，因此設(shè)計(jì)一款新型的排爆小車底盤具有重大意義。本文首先按照排爆機(jī)器人的目標(biāo)參數(shù)確定了底盤的參數(shù)，然后通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算并利用Solidworks進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模，設(shè)計(jì)了一款可以在山地和城市等各種環(huán)境中進(jìn)行排爆作業(yè)的多功能排爆機(jī)器人底盤。

關(guān)鍵詞：排爆機(jī)器人;履帶底盤;參數(shù)計(jì)算;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); Solidworks

第1章 ?緒論

傳統(tǒng)的排爆工作大部分由專業(yè)的排爆員身著厚重的排爆服進(jìn)行人工的排除、轉(zhuǎn)移和銷毀。人工排爆不僅對(duì)排爆人員的要求較高，對(duì)人員造成嚴(yán)重事故的概率很大[1]。為了提高排爆工作的安全性并減少人員傷亡，同時(shí)提高排爆效率，人們需要適用于各種復(fù)雜環(huán)境的排爆機(jī)器人代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)和復(fù)雜的排爆作業(yè)。

第2章 ?整體方案設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與功能要求

本次的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種既可以在復(fù)雜的山地和泥濘地區(qū)以及城市的室內(nèi)和室外進(jìn)行排爆作業(yè)的排爆機(jī)器人底盤。底盤的具體要求如下：

（1）可適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境，整體尺寸不大于1000x800x600mm。

（2）排爆機(jī)器人總重不大于120kg。

（3）在平路面上最高行駛速度約為1m/s。

（4）在軟土面運(yùn)行時(shí)的爬坡角度可以達(dá)到40°。

（5）機(jī)動(dòng)性良好可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

（6）安裝減震裝置適應(yīng)復(fù)雜的工況。

2.2 履帶結(jié)構(gòu)配置形式的確定

履帶的輪系由驅(qū)動(dòng)輪，承重輪，托帶輪和導(dǎo)向輪組成。根據(jù)輪系中主被動(dòng)輪的布置形式大致可分為三種履帶結(jié)構(gòu)配置形式：普通型，倒梯形和三角形結(jié)構(gòu)。

三種履帶結(jié)構(gòu)中，倒梯形結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)良的通過性，離地面較高的驅(qū)動(dòng)輪位置可避免動(dòng)力系統(tǒng)受地面沖擊。這種配置形式最符合本次底盤需要適應(yīng)復(fù)雜的山地工況的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3 驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式的確定

采用輪齒式驅(qū)動(dòng)的履帶動(dòng)力傳動(dòng)可靠，對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性高，脫泥性良好，沒有輪孔式履帶受泥沙的影響會(huì)造成履帶內(nèi)測(cè)齒的磨損的短板。固采用輪齒式履帶最適合于本次底盤的要求[2]。

2.4 懸架形式確定

剛性懸架沒有彈簧和減震器，履帶的承重輪直接與車架連接，負(fù)重輪的力量直接傳遞給車架。此種懸架形式結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，但這種懸架結(jié)構(gòu)只適用于運(yùn)行速度慢且工況不復(fù)雜的底盤中[3]。

半剛性懸架形式的履帶底盤在左右兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)負(fù)重輪架，負(fù)重輪安裝與負(fù)重輪架。負(fù)重輪架前端通過彈簧和減震裝置與車架連接。對(duì)比剛性懸架，半剛性懸架的通過性和穩(wěn)定性有所提升，也保留了相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

彈性懸架形式中每個(gè)承重輪軸都有減震裝置。這種懸架減震性能優(yōu)異，但占用空間大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工況復(fù)雜且運(yùn)行速度高的現(xiàn)代的軍用車輛中。

三種懸架形式中，剛性懸架不符合適應(yīng)復(fù)雜地形的目標(biāo)。同時(shí)因?yàn)榈妆P的設(shè)計(jì)目標(biāo)速度較低，且要求輕便且結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，彈性懸架較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也不符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，適合該設(shè)計(jì)的懸架形式為半剛性懸架。

第3章 ?關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 履帶輪系參數(shù)計(jì)算

3.1.1 履帶參數(shù)的計(jì)算與選型

由于該設(shè)計(jì)的底盤尺寸較小，橡膠履帶便于小型化，適合于各種非重載的底盤中，所以選用橡膠履帶而非大尺寸的金屬履帶。

履帶節(jié)距和履帶總寬度是對(duì)履帶型號(hào)進(jìn)行選型的重要參數(shù)，兩者需要依靠經(jīng)驗(yàn)公式得到取值范圍并進(jìn)行具體的選型。

履帶節(jié)距指的是相鄰兩個(gè)履帶節(jié)之間的距離，履帶合適的節(jié)距范圍按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，公式如下 [6]

式中;

t0—履帶節(jié)距，單位為mm

G—為整車質(zhì)量，單位為kg

將G=120kg帶入得，履帶節(jié)距得取值范圍為49.65～57.92mm。但是由于在主流的市面上此范圍節(jié)距的橡膠履帶較少，本次采用結(jié)局略大于此范圍內(nèi)的橡膠履帶。

履帶總寬度和履帶接地長(zhǎng)度一般呈一定的比例，需要依靠經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算以上兩個(gè)數(shù)值。選取履帶接地長(zhǎng)度和履帶寬度所用的經(jīng)驗(yàn)公式如下：[4]

式中：

L0—履帶接地長(zhǎng)度

G—整車重量

b—履帶寬度

λ—比例系數(shù)

計(jì)算得履帶接地長(zhǎng)度為0.53m，履帶寬度取值范圍為0.127～0.148m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用ZY-148形橡膠履帶：

3.1.2 驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)計(jì)算

首先確定驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)，該齒數(shù)選為7，以保證主動(dòng)輪磨損均勻。確定齒數(shù)后對(duì)驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑進(jìn)行計(jì)算，公式如下[5]：

式中：

Dd—節(jié)圓直徑

t0—履帶節(jié)距

z—驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)

齒頂圓直徑，齒根圓半徑和輔助圓半徑，計(jì)算公式如下：

式中：

—輔助圓直徑

R—齒形圓弧半徑

e—齒溝圓距離

d—齒溝圓直徑

Di—齒根圓直徑

De—齒頂圓直徑

計(jì)算得輔助圓直徑為126.28mm，齒根圓直徑為124.28mm，齒頂圓直徑為151.28mm，齒形圓弧半徑為43mm，其驅(qū)動(dòng)輪輪廓如圖1所示。

3.1.5 托帶輪參數(shù)

托帶輪作用是防止履帶下垂過大影響驅(qū)動(dòng)、震動(dòng)振幅過大導(dǎo)致履帶壽命的縮短并起導(dǎo)向作用，該設(shè)計(jì)的托帶輪直徑為80mm。

3.2電機(jī)選型

運(yùn)行阻力是因?yàn)槁膸г诮拥剡^程中因?yàn)閷?duì)地面的擠壓和變形而產(chǎn)生的阻力，其計(jì)算公式如下：

式中：

Fd—運(yùn)行阻力

m—總質(zhì)量

—運(yùn)行阻力系數(shù)

μ—摩擦系數(shù)

α—爬坡角

Fs—爬坡阻力

Fn—內(nèi)部阻力

Fi—慣性阻力

Fr—轉(zhuǎn)彎阻力

Ft1—平地行駛工況下的總阻力

Ft2—極限爬坡行駛工況下的總阻力

Ft3—原地轉(zhuǎn)彎行駛工況下的總阻力

計(jì)算得平地工況運(yùn)行時(shí)所受總阻力為117.6N;爬坡時(shí)小車所受總阻力為893.05N;轉(zhuǎn)彎工況下總阻力為693.84N。底盤所受的最大阻力為893.05N。由此，根據(jù)公式19和20計(jì)算電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率：

式中：

Fh—單側(cè)履帶最大牽引力

η—傳動(dòng)效率

Dd—驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑

計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪最小轉(zhuǎn)矩為30.87Nm，電機(jī)的額定功率最小功率為522.25W。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選取Z5BLD60無刷直流電機(jī)：

3.3懸架彈簧計(jì)算

設(shè)計(jì)懸架彈簧時(shí)需要考慮簧上部分的振動(dòng)頻率，該設(shè)計(jì)底盤的目標(biāo)頻率設(shè)定為1～1.5Hz。通過目標(biāo)頻率和簧上質(zhì)量計(jì)算減震器彈簧所需的剛度范圍，公式如21：

式中：

c—彈簧剛度

n—目標(biāo)頻率

ms—簧上質(zhì)量

計(jì)算得懸架彈簧剛度取值范圍為986.96～2220N/cm，故采用單側(cè)由兩個(gè)并聯(lián)的總剛度為1000N/cm減震裝置。

3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

（1）承重輪與承重輪架設(shè)計(jì)

承重輪機(jī)構(gòu)用一對(duì)承重輪安裝至承重輪軸，承重輪軸通過焊接固定到承重輪架上。承重輪架也采用鋁方管焊接結(jié)構(gòu)，承重輪架上焊接三個(gè)承重輪安裝軸。除此之外，承重輪架需要設(shè)計(jì)與車架連接的安裝孔和可以安裝彈簧減震器的軸。

（2）張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本次張緊機(jī)構(gòu)采用螺紋調(diào)節(jié)的形式，這種形式的張緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)軸通過導(dǎo)軌避免導(dǎo)向輪無法正常安裝情況。導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)為焊接在車架外鋁方管嵌入內(nèi)鋁方管，內(nèi)鋁方管與張緊軸焊接固定。整體結(jié)構(gòu)如圖2：

（3）車架的設(shè)計(jì)

車架整體采用鋁方管和鋁板焊接結(jié)構(gòu)，車架結(jié)構(gòu)如圖3所示：

（4）整車底盤的建模

整車底盤除以上裝置外還需要安裝電機(jī)，托帶輪，驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪軸等機(jī)構(gòu)并采用后驅(qū)形式以避免整車重心過于靠前的情況。

第4章 ?結(jié)論

（1）本文對(duì)排爆小車用底盤的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)可靠，機(jī)動(dòng)性和通過性強(qiáng)，適用于復(fù)雜環(huán)境的排爆機(jī)器人履帶底盤。

（2）根據(jù)確定的目標(biāo)參數(shù)，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了履帶和輪系參數(shù)。結(jié)合關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電機(jī)和履帶進(jìn)行選型并結(jié)合Solidworks完成了具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型建立。

參考文獻(xiàn)

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