高压输电导线除冰机越障机构设计

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763 高压输电导线除冰机越障机构设计 摘要 本文针对高压输电线路覆冰会导致杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络，由此引起的线路跳闸、供电中断等事故等问题，设计一台通过敲击、碾压、铣削等多重除冰的双分裂高压输电导线除冰机。该除冰机具有自动爬行，制动、防滑、除冰、越障等能力。 本文首先分析了高压电线结冰的实际情况，拟定了高压电线除冰小车的原理方案：电机驱动、链轮作为减速机构、轮式行走方式、振动和对滚洗刀除冰方式。 然后对除冰机的传动机构进行了设计计算，并设计了结构。 最后，绘出除冰机的三维模型图和二维图。 用本文的方法设计的除冰机结构简单，工作可靠，生产制造成本低，使用维护方便。 关键词：除冰机、轮式小车、链传动、对滚铣刀 Abstract Aiming at the high voltage transmission line icing will lead to tower tilt, collapse, break and insulator flashover, the resulting trip circuit, power outages and other accidents, design a by tapping, grinding, milling, and other multiple except ice double split high voltage transmission line deicing machine. The ice removal machine with automatic braking, crawling, anti-skid, deicing, climbing ability. At first, this paper analyzes the high-voltage wire icing of the actual situation, proposed the high-voltage wire except the principle scheme of ice car: drive motor, sprocket as reducer and wheel movement method, vibration and rolling cutter de icing methods. And then, the design and calculation of the transmission mechanism of the de icing machine are carried out, and the structure is designed.. Finally, the three-dimensional model and two-dimensional chart of the ice removal machine are drawn.. In this paper, the structure of the ice removal machine is simple, reliable, low cost of manufacturing, easy to use and maintenance.. Key words: ice removal machine, wheeled car, chain drive, rolling mill 目录 摘要 I Abstract II 目录 III 第一章 绪论 1 1.1 课题研究的内容和意义 1 1.2 输电线的常见规格 1 1.3输电线覆冰的危害 2 1.4 国内外相关除冰设备及技术的特点、发展趋势 3 第二章 总体原理方案设计 4 2.1 总体方案 4 2.2原理方案设计 4 第三章 传动设计计算 9 3.1电机选择 9 3.2 链传动的运动特性 12 3.2.1链传动的运动不均匀性 12 3.2.2链传动的动载荷 15 3.2.3链传动的受力分析 16 3.3设计计算 17 第四章 结构设计 21 4.1 传动轴的设计 21 4.2 机架的设计 26 第五章 三维建模 28 5.1 Pro/E软件简介 28 5.2 零件建模 30 5.2.1机架的建模 30 5.2.2链轮的建模 30 5.2.3 行走轮和加紧轮的建模 31 5.2.4铣刀以及敲击部分零件的建模 31 5.3 虚拟装配 32 第六章 结论 33 参考文献 34 致谢 37 第 38 页 第一章 绪论 1.1 课题研究的内容和意义 结合生产实际，针对高压输电线路覆冰会导致杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络，由此引起的线路跳闸、供电中断等事故等问题，设计一台通过敲击、碾压、铣削等多重除冰的除冰机。该除冰机具有自动爬行，制动、防滑、除冰、越障等能力。 本课题研究的目的在于根据输电线系统的除冰需要，研制一种简单，实用的输电线除冰机。轮式输电线除冰机是一种用于，在山地，荒野，河流，湖泊等地理环境，不适合人工除冰的输电线路上清冰。它是适用于各种地貌，不会因为环境的改变而停止工作。它的前端是一个振动电机连接着带有伸出的敲击棒的圆盘和铣刀，用于清除在电线结的冰。轮式除冰机主体部分是行走机构。该设计采用压轮推进方式, 机体上的八个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡, 机体的重心位于输电线下方, 这样机体不会在行进过程中出现倒转。四个动压轮分别与四个固定压轮配合, 当推动动压轮时, 动压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力。该设计的电力驱动分为两个分支: 一部分直接传至除冰机构, 供刀具除冰使用; 另一部分传至动压轮，实现小车的行走。 本论文主要完成了输电线除冰机的原理设计，方案选择，机构的实现，各部分零件的设计与整机的装配，并在此基础上采用三维制图软件建立实体模型并进行虚拟装配。 该设计的目的是提供一种体积小，运作灵活，运行稳定的输电线除冰机，也提供一种适于在条件艰苦的环境下工作的电线除冰机器。 1.2 输电线的常见规格 根据全国供电部门提供的情况,高压输电线路使用的导线为钢芯铝绞线,主要分短距离输电和长距离输电两种,导线规格如下: 短距离输电:城区内供电: 10KV,导线截面积分别为50mm2,70mm2,95mm2 , 120mm2 等。乡镇供电: 35KV,导线截面积分别为120mm2 , 150mm2 等。 长距离输电:主要有几种类型: 110KV,导线截面积240mm2 ; 220KV,导线截面积为500mm2 ,一相双线,即2×500mm2 ,每相两线之间用支架隔离,间距约10cm; 500KV,导线截面积为400mm2 ,一相四线,即4 ×400mm2 ,每相四线之间使用方形支架相对固定,间距约10cm。 导线两端,使用绝缘椽子固定在铁塔上。每两座铁塔之间的距离并不固定,而是根据地形布设,主要是高离地面、房屋以及高大乔木。 1.3输电线覆冰的危害 输电线路因受结冰危害通常容易引起严重的断线、杆塔倒塌、大面积停电、限电等事故。对电力系统的安全运行造成了严重威胁,也一直是电力系统研究中急待解决的难点问题。据不完全统计,自上世纪50年代以来,我国输电线路便不断遭受覆冰危害。2003年,由覆冰引起的110～500kV输电线路跳闸79次,占总事故的3127%,其中500kV线路跳闸13次;由于覆冰引起110～500kV线路非计划停运47次,占总事故的41。24% 。2004年12月至2005年2月,我国华中电网出现大面积冰灾事故,仅湖南省就有700多万人受灾,直接经济损失超过10亿元。2008年1月,南方多个省份遭受了50年一遇的冰雪灾害,华中、华东部分地区出现长时间持续的大强度、大范围低温雨雪冰冻天气, 导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的电网发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害, 湖南电网14条500 kV、44条220 kV和121条110 kV线路停运; 江西电网17条500 kV、57条220 kV和168条110 kV线路停运; 浙江电网23条500 kV、21条220 kV和14条110 kV线路停运, “西电东送”大通道江城、宜华500 kV直流线路损坏严重, 河南、重庆、四川等地的电网也受到不同程度的冲击和破坏。部分地区的线路覆冰厚度达到40～60mm,远远超出了15～20 mm的设计值,如图1.1。贵州500kV骨干网基本瘫痪,华中、华东电网几十条500kV线路倒塔、倒杆、解列和停运,最大电力缺口接近4000万kW。截至2月12日,全国因灾停运线路共35968条,停运变电站1731座, 110～500kV线路倒塔8709座,全国13个省份拉闸限电,共有17个省级电网电力供应紧张。全国受灾人口达1亿多,直接经济损失超过1100亿元。 随着我国经济的高速发展,超高压大容量输电线路越建越多,线路走廊穿越的地理环境更加复杂,如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭,给线路维护带来很多困难. 而且在严冬及初春季节,我国云贵高原、川陕一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象,造成架空输电线路覆冰,使线路舞动、闪络、烧伤,甚至断线倒杆,使电网结构遭到破坏,安全运行受到严重威胁.在紧急情况下,寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰线路除冰, 人工除冰有很高的危险性[1 ]。在国外,一些国家的地理与气候情况与我国相似,甚至一些国家的情况更加恶劣,为了保证电力系统的可靠性,提高高压输电线除冰的效率,减少损失,维护工人的安全,开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点. 因此,研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。 1.4 国内外相关除冰设备及技术的特点、发展趋势 目前国内和国外的除冰技术可归纳有3 0 余种，总体可分为： 1.大电流融冰法:主要包括过电流融冰法、短路电流融冰法和直流电流融冰法。此类方法也是目前工程中普遍采用的方案,在实际运用过程中积累了许多宝贵经验。 2.机械除冰法:滑轮刮铲法是目前唯一可行的输电线路除冰的机械方法,其过程是由地面工作人员拉动可以在线路上行走的滑轮达到铲除覆冰的目的。但该方法并不适用于我国西部高海拔、地形复杂地区。 3.被动法:被动法就是依靠风、地球引力、随机散射和温度变化等脱冰的被动方法无需附加能量。现已经在输电线路上得到应用的有平衡重量、线夹、除冰环、阻雪环、憎水憎冰涂料、风力锤等来减少输电线路的覆冰,安装防震锤等来减少导线的舞动。被动法有费用低的优点,但不能阻止覆冰的形成,而且仅适用于特定的地区。 4.其他方法:除上述几种方法外,还有利用电磁脉冲、气动脉冲、电晕放电、电子冻结、碰撞前颗粒加热和冻结等防冰除冰方法,但很多还处于理想或试验阶段。而最近国内外比较热门的机械除冰法主要通过除冰机器人来完成，目前国内外设计的除冰机器人通常包括3部分：1.爬行机构 2.越障机构 3.除冰机构。并且向着小型化，实用化，可越障，智能化的方向发展。 第二章 总体原理方案设计 2.1 总体方案 本设计采用八轮式结构布局，具有小型轻质，除冰效率高，安装方便，适应环境能力强的特点。工作原理如图2—1所示，输电线除冰机工作时由行走电机推动机器行走，从左到右为电机1和电机2，电机1是行走电机，电机2是反转电机你，电机通过链轮连接驱动轴使得行走轮回转。两个电机配合运动时，有以下三种情况，情况一，当行走的是平坦的线路时，电机1工作，电机2处于休眠状态，动力有只有电机1来提供；情况二，当行走的是爬坡路线时，电机1,和2同时工作，动力由电机1和2头同时提供；情况三，当行走的是下坡路线时，电机1工作，电机2反转，此时，动力原为电机1的动力减去电机2的动力。 轮式输电线除冰机由电动机提供动力。轮式输电线除冰机的组成框图，如图2.1所示。 图2.1 机构运动简图 2.2原理方案设计 能够实现轮式输电线除冰机功能的技术原理很多，但各有利有弊，具体分析如下： 1.驱动方式选择 1）小型柴油机驱动 柴油机驱动的优点是马力大，适应环境能力强。但重量和所占空间过大，驱动时会产生较大振动，容易引起输电线舞动，不适用于在输电上行走使用，另外对环境会产生污染，不环保。 2）电动机驱动 型号较多，选择范围广。在质量和振动方面有着不可替代的优势。对环境无污染，可以满足环护要求。 图2.2轮式输电线除冰机组成框图及运动传递路线 本设计中采用电驱动方式，优先采用电池供电的直流电机作为驱动源。 2．减速方式选择 1）带传动 抗拉强度较大，耐湿性好，廉价，可以传送较大功率。但所需空间比较大，不适用于受空间限制要求中心距小以及急速反向传动的场合。 2）链传动 链传动的制造与安装精度要求较低，链轮齿受力情况较好，承载能力较大；有一定的缓冲与减震性能；中心距可大而结构轻便。可以适应恶劣的工作环境。但是同样，所需空间较大，不适用于受空间限制要求中心距小以及急速反向传动的场合。 3）齿轮传动 瞬时传动比恒定；传动比范围大，可用于减速或增速；速度和传递功率的范围大，可用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）的传动；功率可从小于1W到105kW；传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上；结构紧凑，适用于近距离传动。 4）蜗杆传动 蜗杆传动用于交错轴间传递运动及动力。传动比大，工作较平稳，噪声低，结构紧凑，可以自锁；效率低，易发热，蜗轮制造需要贵重的减摩性有色金属。 链传动和带传动虽然适应环境的能力比较强，考虑到空间问题，本设计采用的减速装置都是直接与电动机相连的，蜗杆传动效率低，易发热，环境适应性差。因此，综合考虑各方面因素，减速方式选择通过链轮传动机构来完成。 3.行走方式选择 1）履带式 履带式行走机构广泛用于工程机械、拖拉机等野外作业车辆。行走条件相对恶劣，该行走机构具有足够的强度和刚度；具有良好的行进及转向功能。但是履带式行走机构特别笨重，不适于作为输电线除冰车的行走机构。 2）轮式 轮式行走机构广泛于汽车、火车、航空等各种交通工具，应用范围极广，可在大多数路况行走，适应能力较强。质量较轻，便于携带、装配、更换。 3）液压缸式 在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置。液压装置工作比较平稳，由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压元件实险了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。但是工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 由于履带式系统过于笨重，因此不适合在输电线上行走；液压系统过于复杂，也不适合用于输电线除冰机上。因此输电线除冰机的行走机构采用轮式行走机构。为了使轮式行走机构在输电线上行走更加平稳，在行走轮中部开通一个直径为28mm的凹槽。 图2-3 行走轮 4.除冰方式选择 1)加热除冰 通过电阻加热或喷火加热，使覆冰融化，达到清除覆冰的目的。加热除冰方法对环境没有任何污染，清除效率高。但是这个方法耗能过多，不节能。 2)化学法除冰 依靠撒布化学药剂固体颗粒或液体使冰雪融化为化学融冰, 其特点是除净率高, 但这种方法成本高, 且容易对环境造成污染, 尤其是钠盐融雪剂对钢筋混凝土结构有破坏作用, 易造成混凝土路面的表层脱落, 使电线质量受损而缩短其使用寿命, 对植被的损害也较严重。 3）振动除冰 振动式除冰法, 通过马达带动一具有一定重量的除冰锤上下往复的敲击动作,当敲击到覆冰上时，覆冰由于受到震动，与输电线脱离。达到除冰的目的。此方法除冰效果明显，效率较高，能耗少。 4）对滚铣削除冰 对滚铣削式除冰工作装置安装在输电线除冰机前端, 通过滚压轮上的组合刀片, 依靠较高转速把输电线上的覆冰铣除。此方法工作效率高，清除效果好。 加热方法耗能过多，输电线除冰机不能携带过重的能源储存装置，因此加热除冰法不适用。化学法对环境污染大，对输电线腐蚀比较大，不宜采用。综合来看，采用对滚铣削和振动除冰法是最佳选择。 5.行走轮行走方法与越障 行走轮是推动输电线除冰机行走的主要零件,上端行走轮倒挂在电线上,主要目的是给除冰机提供一个拉力,使除冰机能挂在电线上。下端加紧轮通过机架和凸轮机构与上端行走轮加紧导线，负责推进除冰机行进。为了使输电线除冰机推进更加平稳，我们采用了八个轮子的运动机构。此外，通过对滚刀具除冰机构的电线上可能依然会有小块的覆冰。因此，行走轮还应该具有一定的越障能力。不会让小块覆冰成为行走轮推进除冰机行走的障碍。通过弹簧机构，行走轮可以轻易地越过小块覆冰。 图2.4行走轮越障机构 综合考虑：本设计采用电机驱动，链轮减速机构，轮式行走方式，振动和对滚洗刀除冰的方式。 第三章 传动设计计算 3.1电机选择 由于网络上并没有相关的完整计算的论文，而且此项目并非特别普及，所以电机选择是很大的难题，没有相关资料可以借鉴。在此情况下，通过导师在以前的工程项目中积累的经验，建议采用ZYT系列永磁直流电动机，这种电动机采用铁氧体或稀土永久磁铁激磁，属于封闭自冷式。作为小功率直流电机，可在各种装置中用作驱动元件。 在本次设计总共用到5个电机，除冰部分用到了1个振动电机，2个切削电机；行走部分由1个行走电机和1个制动电机组成。 由高压输电导线除冰机的工作情况，自身的重量等因素综合考虑，其运动参数拟定如下行走速度V=5～8m/min,最大爬行角度为40度，敲击电机V=250r/min,铣削速度V=3r/s。通过考察，得知除冰厚度40～50mm，铣削冰的厚度为大约为10mm。 以下为电机的相关参数（如表3.3） 表3.3 型号 SDDM- 转矩 （mN.m） 转速 （r/min） 功率 （W） 电压 （V） 电流（A） 不大于 允许顺逆转速差（r/min） 附注 90ZYT51 510 1500 80 110 1.1 100 90ZYT52 510 1500 80 220 0.55 100 90ZYT55 510 1500 80 24 5.0 100 90ZYT53 480 3000 150 110 2.0 200 90ZYT54 480 3000 150 220 1.0 200 90ZYT101 796 1500 125 110 1.6 100 90ZYT102 796 1500 125 220 0.6 100 90ZYT106 796 1500 125 24 6,.5 200 综合上表个参数和实验数据的考虑最后确定选定敲击电机用90ZYT55PX6A3,行走电机用90ZYT106PX36A3。电机参数如下表3.4 表3.4 型号 SDDM- 转矩 （mN.m） 转速 （r/min） 功率 （W） 电压 （V） 电流（A） 不大于 允许顺逆转速差 （r/min） 附注 55ZYT01 63.7 3000 20 24 1.5 200 55ZYT02 63.7 3000 20 24 1.3 200 55ZYT03 63.7 3000 20 48 0.7 200 55ZYT04 63.7 3000 20 110 0.34 200 55ZYT05 55.7 6000 35 24 2.5 300 55ZYT06 55.7 6000 35 27 2.2 300 55ZYT07 55.7 6000 35 48 1.3 300 55ZYT08 55.7 6000 35 110 0.54 300 55ZYT09 78 2500 20.4 12 3.2 150 55ZYT10 63.7 3600 24 110 0.4 200 55ZYT51 92.3 3000 29 24 2.1 200 55ZYT52 92.3 3000 29 27 1.8 200 55ZYT53 92.3 3000 29 48 1.1 200 55ZYT54 92.3 3000 29 110 0.46 200 55ZYT55 79.6 6000 50 24 3.45 300 55ZYT56 79.6 6000 50 27 3.1 300 55ZYT57 79.6 6000 50 48 1.74 300 55ZYT58 79.6 6000 50 110 0.74 300 55ZYT59 85 8000-10000 80 110 1.15 500 55ZYT61 76.4 5000 40 24 2.5 250 55ZYT63 127.4 1500 20 24 1.25 100 55ZYT64 95 3000 30 220 0.25 200 55ZYT65 89.2 7500 70 110 1.0 400 55ZYT66 110.8 2500 29 110 0.45 150 55ZYT68 69.6 5500 40 36 1.7 250 55ZYT72 95.5 2500 25 24 1.7 150 55ZYT76 92.3 2000 199 110 0.27 100 55ZYT101 76.4 15000 120 24 7.5 700 55ZYT105 108.2 7500 85 110 1.2 400 55ZYT01 63.7 3000 20 24 1.5 200 55ZYT02 63.7 3000 20 27 1.3 200 55ZYT03 63.7 3000 20 48 0.7 200 55ZYT04 63.7 3000 20 110 0.34 200 55ZYT05 55.7 6000 35 24 2.5 300 55ZYT06 55.7 6000 35 27 2.2 300 55ZYT07 55.7 6000 35 48 1.3 300 55ZYT08 55.7 6000 35 110 0.54 300 55ZYT51 92.3 3000 29 24 2.1 200 55ZYT52 92.3 3000 29 27 1.8 200 55ZYT53 92.3 3000 29 48 1.1 200 55ZYT54 92.3 3000 29 110 0.46 200 55ZYT55 79.6 6000 50 24 3.45 300 55ZYT56 79.6 6000 50 27 3.1 300 55ZYT57 79.6 6000 50 48 1.74 300 55ZYT58 79.6 6000 50 110 0.74 300 55ZYT65 89.2 7500 70 110 1.0 400 70ZYT01 159.2 3000 50 24 3.2 200 70ZYT02 159.2 3000 50 27 2.9 200 70ZYT03 159.2 3000 50 48 1.5 200 70ZYT04 159.2 3000 50 110 0.7 200 70ZYT05 135.4 6000 85 24 5.2 300 70ZYT06 135.4 6000 85 27 4.8 300 70ZYT07 135.4 6000 85 48 2.6 300 70ZYT08 135.4 6000 85 110 1.1 300 70ZYT51 223 3000 70 24 4.3 200 70ZYT52 223 3000 70 27 3.8 200 70ZYT53 223 3000 70 48 2.2 200 70ZYT54 223 3000 70 110 0.95 200 经过查阅相关资料和多次实验最后确定铣削电机为70ZYT51PX16A3，制动电机55ZYT55PX96A 3.2 链传动的运动特性 3.2.1链传动的运动不均匀性 因为链是由刚性链节通过销轴铰接而成，当链绕在链轮上时，其链节与相应的轮齿啮合后，这些链节将曲折成正多边形的一部分，该正多边的边长等于链条的节距，边数等于链轮齿数。链轮每转一周，随之转过的链长为，所以链的平均速度(m/s)为 （3-1） 式中、分别为主、从动链轮的齿数； 、分别为主、从动链轮的转数()；为链的节距(mm)。 （3-2） 式中（3-1）和（3-2）计算的链速和传动比是平均值。事实上，即使主动链轮的角速度=常数，其瞬间链速和瞬时传动比都是变化的，而且是按每一链节的啮合过程都作周期性的变化。 图3.1 链传动的速度分析 链轮转动时，绕在链轮的链条，只有其铰链的销轴A的轴心是沿着链轮分度圆运动的，而链节其余部分的运动轨迹均不在分度圆上。若主动链轮以角速度转动，该链节的铰链销轴A的轴心作等速圆周运动，设链轮分度圆半径为，则其圆周速度=。 设链传动在工作时，主动边始终处于水平位置。这样可分解为沿着链条前进方向的水平分速度和作横向运动的垂直分速度，其值分别为 （3-3） （3-4） 式中是主动链轮上进入啮合的链节铰链销轴A的圆周速度与水平线的角度，从销轴A圆周速度与水平线的夹角，从销轴A进入链轮啮合位置到销轴B也进入链轮啮合位置为止，角也是从到之间变化。(=360°/是主动链轮上链节距对应的中心角)。 当时， （3-5） （3-6） 当时， （3-7） （3-8） 由此可知，主动链轮虽然作等角速度回转，而链条前进的瞬时速度却周期性地由小变大，又有大变小。每转过一个链节，链速的变化就重复一次，链轮的节距越大，齿数越少，角的变化范围就越大，链速的变化也就越大。于此同时，铰链销轴作横向运动的垂直分速度也在周期性的变化，导致链沿铅垂方向产生有规律的振动。 同理可知，每一链节在从动链轮轮齿啮合的过程中，链节铰链在从动链轮的相位角，也在不断的在的范围内变化，所以从动链轮的角速度为 （3-9） 链从动的瞬时传动比为 （3-10） 可见，随着角和角不断变化，链传动的瞬时传动比是不断变化的。当主动链轮以等速度回转时，从动链轮的角速度将周期性地变动。只有在=（即=），且传动的中心距恰好为节距的整数倍时（这时和角的变化才会时时相等），传动比才能在全部啮合过程中保持不变，即恒等于1，链条的送进速度恒定，但链条的垂直分速度总是周期性变化的。 上述链传动运动的不均匀性的特征，是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点造成的，所以称为链传动的多边形效应。 3.2.2链传动的动载荷 链传动在工作过程中，链条和从动链轮都是作周期性的变速运动，因而造成和从动链轮相连的零件也产生周期性的速度变化，从而引起了动载荷。链传动的多边形效应是产生动载荷的根本原因。动载荷的大小与回转零件的质量及加速度的大小有关。 链条前进加速度引起的动载荷为 （3-11） 式中为紧边链条的质量（）；为链条加速度（/）。 （3-12） 当时， （3-13） 式中 为链节距 （3-14） 从动链轮的角加速度引起的动载荷为 （3-15） 式中是从动系统转化到从动链轮轴上的转动惯量；为从动链轮的角速度(rad/s)；为从动链轮的分度圆半径()。 计算结果表明，链轮的转速越高、节距越大、齿数越少，则传动的动载荷就越大。 由于链条在横向的分速度也在作周期性的变化，将使链条发生横向振动，甚至发生共振，这也是链传动产生动载荷的重要原因之一。 链节和链轮啮合瞬间的相对速度，也将引起冲击和动载荷，显然，链节距越大，链轮的转速越高，则冲击越强烈。 3.2.3链传动的受力分析 链传动在安装时，应使链条受到一定的张紧力。链传动张紧的目的主要是松边不致下垂过多，以免影响链条正常退出啮合和产生振动、跳齿或脱链现象，因而所需的张紧力比起带传动来要小的多。 链条在工作过程中，紧边和松边的拉力是不等的。若不计传动中的动载荷，则链的紧边受到拉力是由链传递的有效圆周力、链的离心力所引起的拉力以及由链条松边垂边度引起的悬垂拉力三部分组成，即 （3-15） 链的松边所受拉力则由及两部分组成，即 （3-16） 有效圆周力为 （3-17） 离心力引起的拉力()为 （3-18） 悬垂拉力的大小与链条的松边垂度及传动的布置方式有关，取和中之大者。 （3-19a） （3-19b） 式中为实际传递的的功率（）；为链速（）；单位长度链条的重量()；为链传动的中心距()；为垂度因数。图中为垂度，为两轮中心联线与水平面的倾斜角。一般链边中点的相对垂度=1%～3%。 图3.2 悬垂拉力的确定 3.3设计计算 1 选定链轮的类型，精度等级，材料以及齿数 1） 按照图2.1所示的传动方案，由于考虑高压输电导线除冰剂是在高空作业，不适合带有笨重的变速箱，在考虑到空间和减速机构的重量、安装等的问题，本设计直接采用减速器与电机一体的装置，这样制作比较简单可以降低成本，减少重量和提高空间利用率。动力由电机提供再通过在电机上的减速器输出一定的速度在通过链轮把动力传给轴Ⅰ、Ⅱ。 2） 该输电线轮式除冰机工作时的速度较低，所以选择08A 3） 材料选择。由链轮的失效形式可知，一般链轮失效的形式有（1）链板疲劳破坏即链在松边拉力和紧边拉力的反复作用下，经过一定的循环次数，链板会发生疲劳破坏。在正常的润滑下，疲劳强度是限定链传动承载能力的主要因素；（2）滚子套筒的冲击疲劳破坏即链传动的啮入冲击首先由滚子和套筒承受。在反复多次的冲击下，经过一定的循环次数，滚子、套筒会发生发生疲劳破坏，这种失效形式多发生于中、高速闭式链传动中；（3）销轴与套筒的胶合即润滑不当或速度过高时，销轴和套筒的工作表面会发生胶合。胶合限定了链传动的极限转速。（4）链条铰链磨损即铰链磨损后链节变长，容易引起跳齿或脱齿。开式传动、环境条件恶劣或润滑密封不良时，极易引起铰链磨损，从而急剧降低链条的使用寿命；（5）过载拉断即这种拉断常发生于低速重载或严重过载的传动。综上，设计链轮时，应该使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合以及抗塑性变形的能力，要有较高的抗折断的能力。因此，小链轮的啮合次数比大连轮多，所受冲击力也大，故所用材料一般优于大链轮。常用的链轮材料有碳素钢（如Q235、Q275、45、ZG310-570等），灰铸铁如（HT200）等。重要的链轮可采用合金钢。 2 链轮尺寸设计 大链轮的尺寸计算（如表3.1） 表3.1 大链轮的计算 序号 名称 符号 计算区域 计算结果 1 节距值 p 数值1 数值2 链号 链号 25.4 16 06 9.525 2 分度圆直径 d P 度数 Z 9.535 180 30 0.10452 91.12 3 齿顶圆直径 d 数值 p 91.12 1.25 9.35 6.35 95.24 4 齿根圆直径 d 91.12 6.35 84.77 5 最大齿根距 奇数齿 84.65 偶数齿 0.99862953 84.77 通过计算： 大链轮的尺寸计算节距为9.525 分度圆直径为91.12 齿顶圆直径为95.24 齿根圆直径为84.77 小链轮的尺寸计算（如表3.2） 表3.2小链轮的计算 序号 名称 符号 计算区域 计算结果 1 节距值 p 数值1 数值2 链号 链号 25.4 16 06 9.525 2 分度圆直径 d P 度数 Z 9.535 180 25 0.125333 76 3 齿顶圆直径 d 数值 p 76 1.25 9.35 6.35 80.86 4 齿根圆直径 d 76 6.35 69.65 5 最大齿根距 奇数齿 70.65 偶数齿 0.99802672 69.65 分度圆直径为76 齿顶圆直径为80.86 齿根圆直径为69.65 第四章 结构设计 4.1 传动轴的设计 1 轴的材料选择 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常用的是45号钢。 合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。 必须指出：在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。 各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。 高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。 根据轴的常用材料及其主要力学性能，结合此处的实际的情况，所受载荷小而且转速低所以三个轴均选择用45钢（调质）。 2 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置以及形式；轴上零件的类型，尺寸，数量以及和轴联接的方法；载荷的性质，大小，方向以及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素较多，而且结构形式又要随着具体情况的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。设计时必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应该满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。 轴肩　分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。 套筒定位　结构简单，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒定位。 螺母　定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。 轴承端盖　用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。 轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键﹑花键、销﹑紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。 为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。 确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。 由于轴上零件比较少。所以不需要太多的轴肩。因此设计成长度为556mm的五段阶梯轴，需要在指定位置开键槽。轴的两端分别有15mm的螺纹。 轴上零件的周向定位 图4.1 轴的装配结构 链轮、车轮与轴的周向定位均采用平键联接。按 由手册查得平键截面 （摘自GB/T 1095-2003），键槽用键槽铣刀加工，长为70mm（摘自GB/T 1096-2003）。 同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为H8/h7；同样车轮与与轴的联接，选用B型平键 ，车轮与轴的配合为H8/h7. 由机械设计手册得，M15螺纹倒角为2×45°；各轴肩处的圆角半径取R1。 初步确定的轴Ⅰ的结构如图4.1所示。 图4.2 传动轴 6、不需要有用有色金属； 7、标准化程度高，成批生产，成本低； 与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点： 1、承受冲击载荷能力较差； 2、高速重载载荷下轴承寿命较低； 3、振动及噪声较大； 4、径向尺寸比滑动轴承； 能否正确选用滚动轴承，对主机能否获得良好的工作性能，延长使用寿命；对企业能否缩短维修时间，减少维修费用，提高机器的运转率，都有着十分重要的作用。因此，不论是设计制造单位，还是维修使用单位，在选择滚动轴承时都必须高度重视。一般来说，选择轴承的步骤可能概括为：1.根据轴承工作条件（包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等），选择轴承基本类型、公差等级和游隙；2.根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求，通过计算确定轴承型号，或根据使用要求，选定轴承型号，再验算寿命；3.验算所选轴承的额定载荷和极限转速。 选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。类型选择，各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时，通常应考虑下列因素。一般情况下：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中，选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置 在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在机器的直径方向受到限制时，则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承；当轴承在机器的轴向位置受到限制时，可选用窄的或特窄系列的球或滚子轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质 载荷是选用轴承的最主要因素。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。对于悬臂支撑结构，常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承，且成对使用。 滚动轴承类型选择应注意的问题: 1、考虑轴承的承受载荷情况 方向：受径向力时，用向心轴承；受轴向力时，用推力轴承；径向力和周向力联合作用时，用向心推力轴承； 大小：受到较大载荷时，可用滚子轴承，或尺寸系列较大的轴承；受到较小载荷时，可用球轴承，或尺寸系列较小的轴承 2、考虑对轴承尺寸的限制 当对轴承的径向尺寸严格限制时，可选用滚针轴承； 3、考虑轴承的转速 一般来讲，球轴承比滚子轴承能适应更高的转速，轻系列的轴承比重系列的轴承能适应更高的转速；此外，各类推力轴承的极限转速很低，不易用于高转速的情况。 4、考虑对轴承的调心性要求 调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求（即：轴心线与轴承座孔心线可适当偏转），而圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承满足调心要求的能力几乎为零 根据各个轴承的特点以及选用原则，可以肯定我们初步选定的型号6004深沟球轴承满足要求。 由于轴1所承载的载荷最大，且轴1的转速最大，故轴1上的轴承最危险。若此轴承寿命满足要求，则其它轴承亦可满足要求。所选6004深沟球轴承的基本额定动载荷C为9.38kN假设链传动的效率为0.9。 (3-26) (3-27) 显然，轴承寿命满足要求。 4.2 机架的设计 底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。 机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求: (1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 (2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它性能。例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精度。 (3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求 (4)稳定性要求：对于细长的或薄壁的受压结构及受弯-压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。 (5)美观：目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。 (6)其它：如散热的要求，防腐蚀及特定环境的要求。 在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。 (1)机架的重量轻，材料选择合适，成本低。 (2)结构合理，便于制造。 (3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。 (4)结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。 (7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。 图4.3 机架 第五章 三维建模 5.1 Pro/E软件简介 Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 1）Pro/Engineer Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和