【摘 要】
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随着世界城镇化普及率不断增加,城市各个角落都安装了大量的排水管道。排水管道作为城市基础设施建设中的重要一环,其排水畅通性将直接影响城市化发展和居民的出行安全。对管道的定期清理是保护管道的有效手段,基于这种现象,管道清淤机器人运用而生。现有的管道清淤机器人虽种类繁多,但均存在机械化程度不高、稳定性不足、越障性能差、自适性差等问题,而对管道机器人的工作能力及特性研究更是研究较少。本课题对一种初步构型的
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随着世界城镇化普及率不断增加,城市各个角落都安装了大量的排水管道。排水管道作为城市基础设施建设中的重要一环,其排水畅通性将直接影响城市化发展和居民的出行安全。对管道的定期清理是保护管道的有效手段,基于这种现象,管道清淤机器人运用而生。现有的管道清淤机器人虽种类繁多,但均存在机械化程度不高、稳定性不足、越障性能差、自适性差等问题,而对管道机器人的工作能力及特性研究更是研究较少。本课题对一种初步构型的新型适用于500mm管径的管道清淤机器人进行工作能力及特性研究。首先,本文确定了管道清淤机器人整体结构与工作原理,通过查阅管道清淤相关规范,分析了管内的淤积物来源、淤积物材质、淤积物的特性等实际工况,从而确定了整机的管径范围、最大负载、运行速度等参数。针对管道机器人的结构方案和工况条件提出了机器人需要满足的工作特性要求,包括运动平稳性要求、越障能力、自身的强度与振动等性能要求。然后,对清淤机器人的运动平稳性进行研究,根据机器人的行走要求,对清淤机器人进行力学建模与仿真,建立行走装置在不同姿态下的静力学数学模型,运用MATLAB仿真软件研究变径机构的弹簧刚度的可行区域,基于ADAMS软件研究了机器人行走装置的动力学问题,获得了行走装置的径向摩擦力和轴向摩擦力大小,验证其变径机构弹簧刚度计算的正确性。接着,对管道机器人进行越障性能的研究,主要对机器人在管道中遇到的两类障碍下的工作能力进行分析,通过对管道机器人进行力学建模与仿真,建立在不同障碍模式下的静力学数学模型,得到最大越障高度及爬坡临界倾角。并基于ADAMS软件的动力学分析验证以上模型和各参数的正确性。通过分析管道清淤机器人越障性能,为设计具有较强越障能力的新型清淤机器人提供理论支撑。再者,对管道机器人进行强度、刚度及共振的研究,基于ANSYS workbench软件对管道机器人进行静力学研究,得到整机及各个零件的强度、刚度、变形等力学特性,找出强度最薄弱的环节,验证整机设计方案是否满足预期强度、刚度设计要求;接着基于ANSYS workbench软件对机器人整机进行模态分析,得到整机固有频率,通过与电机振动频率对比,对共振现象进行研究。最后,对管道机器人实体模型进行性能试验,装配制作机器人的实体模型并开展了一系列的性能实验研究,包括机器人实验系统的建立、防侧滑性能实验、台阶形障碍性能试验、管道斜坡性能试验,这些实验较为客观评价机器人的综合性能和工作可靠性提供了详实可信的依据。
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