黃 瑞,張敬修,王 鵬,余曉奧,畢 薇

(合肥經(jīng)濟(jì)學(xué)院 工學(xué)院,安徽 合肥 230031)

當(dāng)前,隨著城鎮(zhèn)化人口日益增多,生活垃圾的排放也日益增多[1]。固體垃圾一般都是通過垃圾裝運(yùn)車輛統(tǒng)一搬運(yùn),而生活污水垃圾則是通過排污管道排放。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng),市政排污管道內(nèi)壁會(huì)附著大量污物。需要經(jīng)常對(duì)排污管道內(nèi)壁上的污物進(jìn)行清理,否則將影響市政排污管道的正常使用,嚴(yán)重時(shí)則可能造成排污管道堵塞,這將給城市污水排放帶來安全隱患[2]。因此為了提高排污管道的使用效率和壽命,需要對(duì)管道進(jìn)行定期清理[3]。

通過調(diào)研國內(nèi)管道清理的方法,總結(jié)現(xiàn)在的管道清理具有以下問題:(1)當(dāng)前的管道清理常需要人工配合作業(yè)[4],對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的市政排污管道,人工清理不便[5];(2)人工配合作業(yè)進(jìn)行排污管道內(nèi)壁清理時(shí),沒有專用的刮刀對(duì)管道內(nèi)壁上的污物進(jìn)行刮除。因此,市政排污管道清理機(jī)器人的設(shè)計(jì),對(duì)于推動(dòng)排污管道清理方式的升級(jí)具有至關(guān)重要的意義[6]。

1 研究?jī)?nèi)容與安裝要求

本設(shè)計(jì)以排污管道機(jī)械清理替代人工清理為主要目標(biāo),重點(diǎn)研究行走裝置、剪切裝置、排污裝置等管道清理的關(guān)鍵部位,以便設(shè)計(jì)出一種市政排污管道清理機(jī)器人。

傳統(tǒng)的市政排污管道清理都是人工利用水槍進(jìn)行清理[7],但對(duì)于小型管道,人工清理極不方便[8]。為方便排污管道內(nèi)水流排出,安裝時(shí)將管道機(jī)器人逆著水流放入管道中,并且從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到?jīng)_洗機(jī)構(gòu)的方向?yàn)樗鞣较?前行走輪和后行走輪均與管道的內(nèi)壁緊貼,Z形刮刀也與管道的內(nèi)壁貼合。管道清理機(jī)器人的安裝示意圖,如圖1所示。

1.前行走輪;2.管道;3.后行走輪。圖1 管道清理機(jī)器人的安裝示意圖

2 管道清理機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總成

本文設(shè)計(jì)市政排污管道內(nèi)徑為700mm的內(nèi)徑清理機(jī)器人,該管道清理機(jī)器人包括行走裝置、剪切裝置、排污裝置、刮壁裝置和沖洗裝置。管道清理機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。

1.排污裝置;2.刮壁裝置;3.前行走輪;4.剪切裝置;5.后行走輪;6.沖洗裝置。圖2 管道清理機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.1 行走裝置

行走裝置是管道清理機(jī)器人可以滿足靈活運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵裝置。行走裝置的設(shè)計(jì)是否滿足結(jié)構(gòu)要求,直接影響到管道清理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性。管道清理機(jī)器人需要在管道內(nèi)側(cè)壁運(yùn)動(dòng)。管道內(nèi)側(cè)壁不同于平整的地面,所以行走裝置的行走輪要設(shè)計(jì)為圓周布局,并且在所有的行走輪中,需要一部分設(shè)計(jì)為主動(dòng)輪,另一部分設(shè)計(jì)為從動(dòng)輪。

行走裝置包括架主體、驅(qū)動(dòng)環(huán)、前行走輪與后行走輪。架主體的前端有四個(gè)前輪架。四個(gè)前輪架通過第一套環(huán)分別安裝四個(gè)前行走輪。前行走輪兩端面段的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)管道清理機(jī)器人在管道內(nèi)的移動(dòng)。架主體的后端通過后輪架安裝有四個(gè)后行走輪。機(jī)器人的兩相對(duì)前行走輪的相距直徑為700mm,前行走輪與后行走輪相距為500mm,前輪架與后輪架的材料選用Q235。驅(qū)動(dòng)環(huán)直徑為600mm,高度為100mm。架主體直徑為180mm,高度為540mm,驅(qū)動(dòng)環(huán)與架主體材料都為合金鋼20CrMnTi。行走裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖3所示。

1.驅(qū)動(dòng)環(huán);2.雙十字頭萬向節(jié);3.第二齒輪;4.驅(qū)動(dòng)柱;5.斜溝槽;6.前行走輪;7.第一開口;8.第一套環(huán);9.前輪架;10.殼體;11.架主體;12.后輪架;13.后行走輪。圖3 行走裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 剪切裝置

管道機(jī)器人在管道內(nèi)部工作時(shí),管道內(nèi)部可能會(huì)有一些碎小的垃圾。當(dāng)遇到碎小垃圾時(shí),需要對(duì)碎小垃圾進(jìn)行分解,這樣才便于從管道內(nèi)部利用水流排出。所以管道機(jī)器人的內(nèi)部需要設(shè)計(jì)剪切裝置。

剪切裝置包括第一刀具、第二刀具、驅(qū)動(dòng)板和導(dǎo)向桿等。第一刀具與第二刀具都有15個(gè)刀片,且相互貼合。兩刀具相互作用,可剪切管道中的碎小垃圾,實(shí)現(xiàn)剪切功能。剪切裝置安裝在驅(qū)動(dòng)環(huán)的中間部位。第一刀具總體長(zhǎng)度為500mm,寬度為300mm。第一刀片與第二刀片的刃口鋒利,為滿足具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐磨性,刀片的材料選用65Mn鋼材料。刀片刃口位置要進(jìn)行淬火與回火熱處理,硬度為HRC75。剪切裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖4所示。

1.導(dǎo)向桿;2.連接桿;3.第二套環(huán);4.驅(qū)動(dòng)板;5.固定架;6.第一刀具;7.第二套環(huán);8.長(zhǎng)通槽;9.第二刀具;10.第二刀片;11.驅(qū)動(dòng)環(huán);12.Z形刮刀;13.環(huán)片;14.弧形保護(hù)板;15.前輪架;16.第一套環(huán);17.前行走輪;18.無軸螺旋葉;19.第三轉(zhuǎn)軸。圖4 剪切裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 排污裝置

管道清理機(jī)器人在管道內(nèi)部進(jìn)行清理工作時(shí),管道內(nèi)部可能會(huì)堵塞一些泥土等碎屑垃圾。若管道清理機(jī)器人只設(shè)計(jì)有剪切裝置,則管道內(nèi)部堵塞的泥土等碎屑垃圾可能會(huì)阻礙管道清理機(jī)器人的移動(dòng)。此時(shí)需要設(shè)計(jì)排污裝置,以便于對(duì)管道內(nèi)部堵塞的泥土等碎屑垃圾進(jìn)行排出,實(shí)現(xiàn)管道清理機(jī)器人的移動(dòng)。

排污裝置包括螺旋刀片和中間轉(zhuǎn)軸。中間轉(zhuǎn)軸的頂部有螺旋刀片,螺旋刀片的刃口鋒利,為滿足螺旋刀片具有良好的強(qiáng)度和韌性,螺旋刀片的材料選用65Mn鋼材料。螺旋刀片刃口位置要進(jìn)行淬火與回火熱處理,硬度為HRC75。電機(jī)的輸出軸通過分動(dòng)器與中間轉(zhuǎn)軸,從而可以帶動(dòng)螺旋刀片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),最終可以進(jìn)行管道內(nèi)部的排污。在排污過程中,體積較大的碎屑垃圾可以排到剪切裝置中,從而也便于剪切裝置工作。螺旋刀片長(zhǎng)度為400mm,直徑為300mm。排污裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖5所示。

1.螺旋刀片;2.雙十字頭萬向節(jié);3.前輪架;4.中間轉(zhuǎn)軸;5.前行走輪。圖5 排污裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.4 刮壁裝置

管道清理機(jī)器人在管道內(nèi)部進(jìn)行清理工作時(shí),管道內(nèi)壁會(huì)黏貼一些泥土類垃圾。排污裝置與剪切裝置都無法清除管道內(nèi)壁黏貼的泥土類垃圾,所以需要設(shè)計(jì)刮壁裝置,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)部黏貼的泥土類垃圾進(jìn)行刮削清理。

刮壁裝置包括Z形刮刀、環(huán)片和弧形保護(hù)板。環(huán)片前端側(cè)的圓周方向固定安裝有8個(gè)Z形刮刀。刮壁裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖6所示。

1.轉(zhuǎn)軸;2.Z形刮刀;3.環(huán)片;4.螺旋刀片;5.弧形保護(hù)板。圖6 刮壁裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.5 沖洗裝置

管道內(nèi)壁容易黏貼塵土,若塵土顆粒很小,刮壁裝置不能完全刮去管道內(nèi)壁的塵土,而且排污裝置排出的垃圾必須要利用水流進(jìn)行排出。所以管道清理機(jī)器人需要設(shè)計(jì)沖洗裝置,以便對(duì)管道內(nèi)壁的微粒塵土進(jìn)行沖洗清理,也便于管道內(nèi)部垃圾利用水流進(jìn)行排出。

沖洗裝置包括水泵、水箱、環(huán)形水管和噴水孔。環(huán)形水管的圓周方向有20個(gè)噴水孔,噴水孔的口部正向于管道內(nèi)壁。管道清理機(jī)器人工作時(shí),通過水泵運(yùn)轉(zhuǎn),環(huán)形水管的噴水孔噴出的水流會(huì)正向于管道內(nèi)壁噴出,從而可以實(shí)現(xiàn)沖洗裝置的對(duì)管道內(nèi)壁沖洗的功能。水箱直徑為360mm,高度為200mm,材料為Q235。沖洗裝置機(jī)械結(jié)構(gòu),如圖7所示。

2.6 管道清理機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總成

管道清理機(jī)器人行走裝置的前輪架上有剪切裝置,管道清理機(jī)器人行走裝置的驅(qū)動(dòng)環(huán)上有刮壁裝置。中間轉(zhuǎn)軸上有排污裝置,管道清理機(jī)器人行走裝置的架主體外環(huán)側(cè)和后輪架上安裝有沖洗裝置。用solidworks軟件繪制出管道清理機(jī)器人各個(gè)部件三維結(jié)構(gòu),并進(jìn)行裝配。管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總成,如圖8所示。

3 運(yùn)動(dòng)功能分析

3.1 行走

在使用時(shí),將管道清理機(jī)器人逆著水流放入管道中,并且從排污裝置到?jīng)_洗裝置的方向?yàn)樗鞣较颉Ｇ靶凶咻喓秃笮凶咻喚c管道的內(nèi)壁緊貼,電機(jī)通過傳動(dòng)部件帶動(dòng)前行走輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),可以使前行走輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而管道清理機(jī)器人可以前進(jìn)。

3.2 刮壁

管道清理機(jī)器人工作時(shí),Z形刮刀與管道的內(nèi)壁貼合。在機(jī)器人前進(jìn)的過程中驅(qū)動(dòng)環(huán)通過延長(zhǎng)柱帶動(dòng)環(huán)片和Z形刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)。通過Z形刮刀可以將管道的內(nèi)壁上附著的污物刮掉。

3.3 剪切

在管道機(jī)器人前進(jìn)的過程中,驅(qū)動(dòng)環(huán)通過前行走輪的偏心結(jié)構(gòu)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板發(fā)生上下和前后的移動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板上下移動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)板沿著連接桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板前后移動(dòng)時(shí),連接桿沿著導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)。從而兩個(gè)刀片可以產(chǎn)生剪切效果,可以剪切順著水流而來的污物,防止污物積累而堵住管道。機(jī)器人剪切運(yùn)動(dòng),如圖9所示。

(a)機(jī)器人剪切運(yùn)動(dòng)前

(b)機(jī)器人剪切運(yùn)動(dòng)后圖9 機(jī)器人剪切運(yùn)動(dòng)

3.4 排污

管道清理機(jī)器人工作時(shí),電機(jī)可以通過傳動(dòng)部件帶動(dòng)螺旋刀片轉(zhuǎn)動(dòng),將前方的污物向著中部方向傳送,以更好地進(jìn)行剪切。排污裝置可以對(duì)管道內(nèi)部堵塞的污物等碎屑垃圾進(jìn)行排出,實(shí)現(xiàn)管道清理機(jī)器人的移動(dòng)。

3.5 沖洗

在管道清理機(jī)器人前進(jìn)的過程中,水泵將水箱內(nèi)部的清潔液吸入,從噴水孔噴出。由于環(huán)形水管的圓周方向設(shè)計(jì)有20個(gè)噴水孔,噴水孔的口部正對(duì)于管道內(nèi)壁,所以從噴水孔噴出水流射向已經(jīng)被Z形刮刀刮除污物過的管道的內(nèi)壁,以對(duì)內(nèi)壁進(jìn)一步進(jìn)行清潔,以降低污物附著的可能。

4 ADAMS仿真分析

4.1 虛擬樣機(jī)建立

本文利用ADAMS虛擬仿真軟件,對(duì)市政排污管道清理機(jī)器人在進(jìn)行排污工作中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。首先將管道清理機(jī)器人創(chuàng)建虛擬樣機(jī),將機(jī)器人螺釘、墊片、軸承等碎小零件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后,將SolidWorks中的三維模型保留主體部件導(dǎo)入ADAMS中。再設(shè)置工作環(huán)境、質(zhì)量屬性等,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析,驗(yàn)證所創(chuàng)建模型的合理性。

4.2 機(jī)器人十字頭萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為保證管道機(jī)器人雙十字頭萬向節(jié)的強(qiáng)度校核,對(duì)常用材料進(jìn)行對(duì)比分析,最終選取管道機(jī)器人雙十字頭萬向節(jié)材料為45鋼,再進(jìn)行正火處理,正火溫度為870℃。彈性模量為20600MPa,泊松比為0.285,質(zhì)量密度為7850kg/m。

雙十字頭萬向節(jié)作為管道機(jī)器人的核心部件,可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸之間變角度傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力。雙十字頭萬向節(jié)速度與加速度波動(dòng)性的大小直接影響機(jī)器人傳動(dòng)的穩(wěn)定性與傳動(dòng)效果。雙十字頭萬向節(jié)速度圖,如圖10所示。雙十字頭萬向節(jié)加速度圖,如圖11所示。從仿真結(jié)果可以得出,管道機(jī)器人執(zhí)行管道排污清理任務(wù)時(shí),雙十字頭萬向節(jié)速度和加速度曲線展現(xiàn)為平滑和連續(xù)狀態(tài)。說明在機(jī)器人在進(jìn)行管道排污清理作業(yè)時(shí),其運(yùn)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的情況,所以保證了排污管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

圖10 雙十字頭萬向節(jié)速度圖

圖11 雙十字頭萬向節(jié)加速度圖

第一轉(zhuǎn)軸作為雙十字頭萬向節(jié)動(dòng)力輸入部件,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析很重要。圖12是對(duì)第一轉(zhuǎn)軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析后輸出的扭矩圖,可以根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行電機(jī)選型。在0～3.1S內(nèi),扭矩由41N·m降低為0,3.1S～6S內(nèi),再由0上升到37.5N·m。

圖12 第一轉(zhuǎn)軸扭矩圖

由第一轉(zhuǎn)軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析后輸出的扭矩圖可知,扭矩的最大值為41N·m,將數(shù)據(jù)代入電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算公式T=M/iη進(jìn)行計(jì)算,傳動(dòng)效率η取0.9,T為電機(jī)輸出扭矩,M為第一轉(zhuǎn)軸力矩最大值,i為減速比。分析對(duì)比各類型電機(jī)型號(hào),所以最后選擇130ST-15015A型伺服電機(jī)。

5 有限元分析

5.1 Z形刮刀受力分析

本管道清理機(jī)器人在進(jìn)行管道清理工作中,刮壁裝置的核心部件為Z形刮刀,Z形刮刀工作穩(wěn)定性的好壞直接影響到管道清理的質(zhì)量,因此需要對(duì)刮壁裝置中的Z形刮刀進(jìn)行有限元分析。Z形刮刀的刃口鋒利,為滿足Z形刮刀具有良好的強(qiáng)度和韌性,Z形刮刀的材料選用65Mn鋼材料。Z形刮刀刃口位置要進(jìn)行淬火與回火熱處理,硬度為HRC75。該材料的泊松比為0.32,Z形刮刀材料的屈服強(qiáng)度為620MPa。Z形刮刀的刃口長(zhǎng)度為100mm,刃口寬度為30mm。在SolidWorks Simulation軟件中打開刮壁裝置中的Z形刮刀三維模型。設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù),添加材料特征與約束。環(huán)片前端側(cè)的圓周方向固定安裝有8個(gè)Z形刮刀,考慮管道清理機(jī)器人移動(dòng)的速度較慢。由于Z形刮刀的刃口長(zhǎng)度為50mm,所以在直徑為700mm的排污管道內(nèi)側(cè),Z形刮刀轉(zhuǎn)動(dòng)360°,最大的刮壁面積為刃口長(zhǎng)度與排污管道周長(zhǎng)的乘積,為1.099×105mm2。正常情況下,內(nèi)側(cè)附著污泥的厚度為20mm。選取管道內(nèi)側(cè)附著污泥的動(dòng)塑比為0.48Pa/(mPa·s),泥漿塑性粘度的上限1516.5mPa·s,算出動(dòng)切力為727.93Pa,最終8個(gè)Z形刮刀每移動(dòng)步距時(shí)所受到的阻力為80N,則其中一個(gè)Z形刮刀所受到的阻力為10N,對(duì)Z形刮刀進(jìn)行有限元分析。Z形刮刀刃口的楔形端側(cè)為刮壁工作的一側(cè),刮刀短桿的端面與環(huán)片固定。所以將刮刀短桿的端面設(shè)置約束,刮刀刃口的楔形端側(cè)設(shè)置載荷10N。Z形刮刀應(yīng)力分布云圖,如圖13所示。Z形刮刀應(yīng)變分布云,如圖14所示。

圖13 Z形刮刀應(yīng)力分布云圖

圖14 Z形刮刀應(yīng)變分布云

Z形刮刀最大應(yīng)力為后端側(cè)的內(nèi)直角的部位,應(yīng)力最大值為8.2MPa,Z形刮刀的刃口處應(yīng)力較小,可以忽略。Z形刮刀的材料選用65Mn鋼材料,該材料的屈服強(qiáng)度為620MPa,Z形刮刀應(yīng)力最大值遠(yuǎn)小于該材料的屈服強(qiáng)度,所以設(shè)計(jì)的Z形刮刀的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。Z形刮刀最大應(yīng)變?cè)诤蠖藗?cè)的內(nèi)直角的部位和后端面頂部,最大應(yīng)變?yōu)?.442×10-5mm,Z形刮刀的刃口處應(yīng)變較小,所以Z形刮刀應(yīng)變滿足要求。

5.2 機(jī)器人機(jī)架模態(tài)分析

模態(tài)分析的對(duì)象為管道清理機(jī)器人機(jī)架,該機(jī)架為架主體、前輪架與后輪架焊接總成。現(xiàn)對(duì)管道清理機(jī)器人機(jī)架進(jìn)行4階模態(tài)分析,得到管道清理機(jī)器人機(jī)架的各階振型及頻率。機(jī)器人機(jī)架1-4階振型圖,如圖15-圖18所示。

圖15 機(jī)器人機(jī)架1階振型圖

圖16 機(jī)器人機(jī)架2階振型圖

圖17 機(jī)器人機(jī)架3階振型圖

圖18 機(jī)器人機(jī)架4階振型圖

機(jī)器人機(jī)架的第1階振型,頻率為41.095Hz,振動(dòng)幅度最大處為上端前輪架和左端前輪架的最頂部。機(jī)器人機(jī)架的第2階振型,頻率為41.425Hz,振動(dòng)幅度最大處為右端前輪架的最頂部。機(jī)器人機(jī)架的第3階振型,頻率為41.443Hz,振動(dòng)幅度最大處為上端前輪架的最頂部。機(jī)器人機(jī)架的第4階振型,頻率為41.583Hz,振動(dòng)幅度最大處為下端前輪架的最頂部。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種市政排污管道清理機(jī)器人,對(duì)行走裝置、剪切裝置、刮壁裝置、排污裝置和沖洗裝置等進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完成了各部件的三維建模并裝配成管道清理機(jī)器人。利用ADAMS虛擬仿真軟件對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行仿真分析,得出機(jī)器人雙十字頭萬向節(jié)的速度與加速度曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該機(jī)器人的速度與加速度曲線光滑連續(xù),沒有任何斷點(diǎn)與突變點(diǎn),表明該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。根據(jù)ADAMS仿真結(jié)果確定電動(dòng)機(jī)的選型,對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行理論設(shè)計(jì)計(jì)算,最終確定直徑。分別對(duì)Z形刮刀和機(jī)架進(jìn)行了有限元分析和模態(tài)分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該研究為市政排污管道清理機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造提供了理論和方法依據(jù)。