畢業(yè)設計（論文）機械式輸電線除冰機設計

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1、 機械式輸電線除冰機設計 摘要 機械式輸電線除冰技術是利用傳統(tǒng)的工具通過機構運動方式達到輸電線除冰的目的。由于機械式輸電線除冰技術除冰效率高，操作簡單，因此受到很多國家的重視，在國內也引起了極高的重視，尤其是各大院校和科研院所。本文從輸電線覆冰原理及其危害綜合說明了輸電線覆冰對人們生產(chǎn)生活的影響，提出了一種新的輸電線除冰解決方案。研發(fā)一款新式輸電線除冰機。 本輸電線除冰機主要由4部分組成，行走部分和除冰部分。行走部分主要通過齒輪傳動機構實現(xiàn)，除冰部分通過對滾刀具實現(xiàn)除冰。 關鍵詞：輸電線除冰 機械式 覆冰

2、 Abstract Mechanical transmission line de-icing technology is used tools by body movements in traditional means to achieve the purpose of transmission line icing. The mechanical transmission line de-icing deicing technology, high efficiency, easy operation. Therefore, the attenti

3、on by many countries, high in the country also attracted attention, especially in the major universities and research institutes. The ice on the transmission line theory and the consolidated statement of the transmission line against ice impact on peoples production and life, to provide new transmis

4、sion line de-icing solutions. Developing a new transmission line de-icing machine. The transmission line de-icing machine mainly consists of 4 parts, Chassis parts and de-icing. Walking through the gear transmission part, achieved by de-icing rolling tool to achieve some de-icing. Key words: Tr

5、ansmission line de-icing; Mechanical; Ice on the line 顯示對應的拉丁字符的拼音字典朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 27 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1輸電線覆冰概況 1 1.2輸電線覆冰危害及機理 3 1.3國內外相關除冰設備及技術的特點、發(fā)展趨勢 4 1.4除冰機研究的內容和意義 4 第2章 方案設計 6 2.1 工作原理 6 2.2 機構的設計方案 6 2.3 主體結構設計 9 第3章 結構設計 12 3.1 傳動零件的設計 12 3.1.1

6、 齒輪機構設計 12 3.1.2 軸的設計 17 3.1.3 軸承校核 20 3.2 除冰機構的設計 23 3.2.1 除冰方式選擇 23 3.2.2刀架設計 25 3.2.3 除冰機構電機選擇 25 3.3 整機三維裝配圖 26 第4章 功能及創(chuàng)新點 29 總結 30 參考文獻 31 致謝 33 第1章 緒論 1.1輸電線覆冰概況 輸電線路因受結冰危害通常容易引起嚴重的斷線、桿塔倒塌、大面積停電、限電等事故。對電力系統(tǒng)的安全運行造成了嚴重威脅,也一直是電力系統(tǒng)研究中急待解決的難點問題。據(jù)不完全統(tǒng)計,自上世紀50年代以來,我國輸電線路便不斷遭受覆冰危

7、害。2003年,由覆冰引起的110～500kV輸電線路跳閘79次,占總事故的3127%,其中500kV線路跳閘13次;由于覆冰引起110～500kV線路非計劃停運47次,占總事故的41。24% 。2004年12月至2005年2月,我國華中電網(wǎng)出現(xiàn)大面積冰災事故,僅湖南省就有700多萬人受災,直接經(jīng)濟損失超過10億元。2008年1月,南方多個省份遭受了50年一遇的冰雪災害,華中、華東部分地區(qū)出現(xiàn)長時間持續(xù)的大強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣, 導致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡等多種災害, 湖南電網(wǎng)14條500 kV、44條220 kV和121條110 kV線路

8、停運; 江西電網(wǎng)17條500 kV、57條220 kV和168條110 kV線路停運; 浙江電網(wǎng)23條500 kV、21條220 kV和14條110 kV線路停運, “西電東送”大通道江城、宜華500 kV直流線路損壞嚴重, 河南、重慶、四川等地的電網(wǎng)也受到不同程度的沖擊和破壞。部分地區(qū)的線路覆冰厚度達到40～60mm,遠遠超出了15～20 mm的設計值,如圖1-1。貴州500kV骨干網(wǎng)基本癱瘓,華中、華東電網(wǎng)幾十條500kV線路倒塔、倒桿、解列和停運,最大電力缺口接近4000萬kW。截至2月12日,全國因災停運線路共35968條,停運變電站1731座, 110～500kV線路倒塔8709座,

9、全國13個省份拉閘限電,共有17個省級電網(wǎng)電力供應緊張。全國受災人口達1億多,直接經(jīng)濟損失超過1100億元。 圖1-1 輸電線覆冰情況 隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,超高壓大容量輸電線路越建越多,線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復雜,如經(jīng)過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺,給線路維護帶來很多困難. 而且在嚴冬及初春季節(jié),我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象,造成架空輸電線路覆冰,使線路舞動、閃絡、燒傷,甚至斷線倒桿,使電網(wǎng)結構遭到破壞,安全運行受到嚴重威脅.在緊急情況下,尋道員用帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線路除冰,人工除冰有很高的危險性[1 ]。在國外,一些國家

10、的地理與氣候情況與我國相似,甚至一些國家的情況更加惡劣,為了保證電力系統(tǒng)的可靠性,提高高壓輸電線除冰的效率,減少損失,維護工人的安全,開發(fā)一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業(yè)的新型設備一直是國內外相關研究的熱點. 因此,研制安全有效的除冰機械以代替人進行導線除冰具有較好的應用前景和實用意義。 圖1-2 鐵塔被超過設計承受能力的覆冰載荷壓壞 圖1-3 鐵塔被不均勻覆冰縱向不平衡張力拉壞 圖1-4 鐵塔被斷線沖擊荷載與縱向不平衡張力扭壞 圖1-5 鐵塔因長時間舞動而發(fā)生倒塌 1.2輸電線覆冰危害及機理 (1)過荷載。即導線覆冰厚的實際重量超過設計值很多,導

11、致架空輸電導線及桿塔載荷過大超出自身機械強度極限最終斷線垮塔。如圖1-2所示。 (2)不同期脫冰或不均勻覆冰事故。相鄰檔導線不均勻覆冰或不同期脫冰會產(chǎn)生張力差,使導線在線夾內滑動松脫,甚至會因為兩側水平張力差過大而拉垮桿塔;不同期脫冰會使導線跳躍電氣間隙減小,造成導線相間短路或直接對地短路事故。如圖1-3所示。 (3)絕緣子串冰閃事故。絕緣子覆冰或被冰凌橋結后,絕緣強度下降,泄露距離縮短,融冰時,絕緣子的局部表面電阻增加,形成閃絡事故導致持續(xù)電弧燒傷絕緣子并使其絕緣強度降低。 (4)導線覆冰舞動事故。因導線不均勻覆冰,在風的作用下產(chǎn)生舞動,造成金具損壞,導線斷股,相間短路及桿塔傾斜或倒塌

12、等嚴重事故。如圖1-5所示。 1.3國內外相關除冰設備及技術的特點、發(fā)展趨勢 目前國內和國外的除冰技術可歸納有3 0 余種，總體可分為： 1.大電流融冰法:主要包括過電流融冰法、短路電流融冰法和直流電流融冰法。此類方法也是目前工程中普遍采用的方案,在實際運用過程中積累了許多寶貴經(jīng)驗。 2.機械除冰法:滑輪刮鏟法是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法,其過程是由地面工作人員拉動可以在線路上行走的滑輪達到鏟除覆冰的目的。但該方法并不適用于我國西部高海拔、地形復雜地區(qū)。 3.被動法:被動法就是依靠風、地球引力、隨機散射和溫度變化等脫冰的被動方法無需附加能量。現(xiàn)已經(jīng)在輸電線路上得到應用的有平

13、衡重量、線夾、除冰環(huán)、阻雪環(huán)、憎水憎冰涂料、風力錘等來減少輸電線路的覆冰,安裝防震錘等來減少導線的舞動。被動法有費用低的優(yōu)點,但不能阻止覆冰的形成,而且僅適用于特定的地區(qū)。 4.其他方法:除上述幾種方法外,還有利用電磁脈沖、氣動脈沖、電暈放電、電子凍結、碰撞前顆粒加熱和凍結等防冰除冰方法,但很多還處于理想或試驗階段。而最近國內外比較熱門的機械除冰法主要通過除冰機器人來完成，目前國內外設計的除冰機器人通常包括3部分：1.爬行機構 2.越障機構 3.除冰機構。并且向著小型化，實用化，可越障，智能化的方向發(fā)展。 1.4除冰機研究的內容和意義 針對目前各類機械式除冰方法的不足之處，本文設想了

14、一種全新的行走平臺，并在實踐中證明這種理論是可行的。它繼承了輪式車輛移動速度快捷的特點，又具有騎掛在電線上的能力，在傳動系統(tǒng)設計上采用了齒輪傳動設計，結構相對簡單，工作可靠。并且在控制方面，具有很好的功能擴展性。作為一種運輸平臺，具有很廣闊的功能開發(fā)空間。另外除冰機構也是本次設計的創(chuàng)新點，采用對滾式刀具進行除冰，除冰效果好。 本論文主要完成了輸電線除冰機的原理設計，方案選擇，機構的實現(xiàn)，各部分零件的設計與整機的裝配，并在此基礎上采用三維制圖軟件建立實體模型并進行虛擬裝配和運動仿真。 本課題研究的目的在于根據(jù)輸電線系統(tǒng)的除冰需要，研制一種簡單，實用的輸電線除冰機。輪式輸電線除冰機是一種用于，

15、在山地，荒野，河流，湖泊等地理環(huán)境，不適合人工除冰的輸電線路上清冰。它是適用于各種地貌，不會因為環(huán)境的改變而停止工作。它的前端是一對用于除冰的對滾刀具，用于清除在電線結的冰。刀具的對滾通過齒輪傳動機構完成。輪式除冰機主體部分是行走機構。該設計采用壓輪推進方式, 機體上的兩個固定壓輪騎掛在輸電線上保持機體的平衡, 機體的重心位于輸電線下方, 這樣機體不會在行進過程中出現(xiàn)倒轉。兩個動壓輪分別與兩個固定壓輪配合, 當推動動壓輪時, 動壓輪向上抬升, 與固定壓輪配合從上下夾緊輸電線, 依靠壓輪與輸電線的摩擦獲得前進的動力。該設計的電力驅動分為兩個分支: 一部分直接傳至除冰機構, 供刀具除冰使用; 另一

16、部分傳至動壓輪，實現(xiàn)小車的行走。 該設計的目的是提供一種體積小，運作靈活，運行穩(wěn)定的輸電線除冰機，也提供一種適于在條件艱苦的環(huán)境下工作的電線除冰機器。 第2章 方案設計 2.1 工作原理 本設計采用四輪式結構布局，具有小型輕質，除冰效率高，安裝方便，適應環(huán)境能力強的特點。工作原理如圖2—1所示，輸電線除冰機工作時由行走電機推動機器行走，通過大齒輪帶動軸1轉動，再通過兩個減速齒輪組分別帶動軸2和軸3轉動，驅動行走輪轉動，并帶動鏈輪回轉，通過傳動鏈帶動行走輪2轉動，實現(xiàn)輸電

17、線除冰機在電線上行走。工作電機通過一組減速齒輪使輪5轉動，驅動工作刀具做回轉運動。 圖2-1 機構運動簡圖 輪式輸電線除冰機由電動機提供動力。行走機構通過三級齒輪減速機構實現(xiàn)減速，除冰機構通過一級齒輪減速機構實現(xiàn)減速。輪式輸電線除冰機的組成框圖，如圖2—2所示。 2.2 機構的設計方案 能夠實現(xiàn)輪式輸電線除冰機功能的技術原理很多，但各有利有弊，具體分析如下： 1.驅動方式選擇 1）小型柴油機驅動 柴油機驅動的優(yōu)點是馬力大，適應環(huán)境能力強。但重量和所占空間過大，驅動時會產(chǎn)生較大振動，容易引起輸電線舞動，不適用于在輸電上行走使用，另外對環(huán)境會產(chǎn)生污染，不環(huán)保。 2）電動機驅動

18、 型號較多，選擇范圍廣。在質量和振動方面有著不可替代的優(yōu)勢。對環(huán)境無污染，可以滿足環(huán)護要求。 行走電機 減速機構 行走輪 除冰電機 減速機構 除冰刀具 圖2-2 輪式輸電線除冰車組成框圖及運動傳遞路線 2．減速方式選擇 1）帶傳動 抗拉強度較大，耐濕性好，廉價，可以傳送較大功率。但所需空間比較大，不適用于受空間限制要求中心距小以及急速反向傳動的場合。 2）鏈傳動 鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，鏈輪齒受力情況較好，承載能力較大；有一定的緩沖與減震性能；中心距可大而結構輕便?？梢赃m應惡劣的工作環(huán)境。但是同樣，所需空間較大，不適用于受空間限制要求中心

19、距小以及急速反向傳動的場合。 3）齒輪傳動 瞬時傳動比恒定；傳動比范圍大，可用于減速或增速；速度和傳遞功率的范圍大，可用于高速（v>40m/s）、中速和低速（v<25m/s）的傳動；功率可從小于1W到105kW；傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上；結構緊湊，適用于近距離傳動。 4）蝸桿傳動 蝸桿傳動用于交錯軸間傳遞運動及動力。傳動比大，工作較平穩(wěn)，噪聲低，結構緊湊，可以自鎖；效率低，易發(fā)熱，蝸輪制造需要貴重的減摩性有色金屬。 鏈傳動和帶傳動雖然適應環(huán)境的能力比較強，但是所需傳動空間比較大，不適用于在輪式輸電線除冰車上使用。蝸桿傳動效率低，易發(fā)熱，環(huán)境適應性差。

20、因此，綜合考慮各方面因素，減速方式選擇通過齒輪傳動機構來完成。 3.行走方式選擇 1）履帶式 履帶式行走機構廣泛用于工程機械、拖拉機等野外作業(yè)車輛。行走條件相對惡劣，該行走機構具有足夠的強度和剛度；具有良好的行進及轉向功能。但是履帶式行走機構特別笨重，不適于作為輸電線除冰車的行走機構。 2）輪式 輪式行走機構廣泛于汽車、火車、航空等各種交通工具，應用范圍極廣，可在大多數(shù)路況行走，適應能力較強。質量較輕，便于攜帶、裝配、更換。 3）液壓缸式 在同等功率情況下，液壓執(zhí)行元件體積小、重量輕、結構緊湊。液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活地來布置。液壓裝置工作比較平穩(wěn)，由于重量輕、慣

21、性小、反應快，液壓裝置易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。液壓元件實險了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和使用。但是工作性能易受溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作。由于流體流動的阻力損失和泄漏較大，所以效率較低。如果處理不當，泄漏不僅污染場地，而且還可能引起火災和爆炸事故。 由于履帶式系統(tǒng)過于笨重，因此不適合在輸電線上行走；液壓系統(tǒng)過于復雜，也不適合用于輸電線除冰機上。因此輸電線除冰機的行走機構采用輪式行走機構。為了使輪式行走機構在輸電線上行走更加平穩(wěn)，在行走輪中部開通一個直徑為30mm的凹槽。 4.除冰方式選擇 1)加熱除冰 通過電阻加熱或噴火加熱，使覆冰融化

22、，達到清除覆冰的目的。加熱除冰方法對環(huán)境沒有任何污染，清除效率高。但是這個方法耗能過多，不節(jié)能。 2)化學法除冰 依靠撒布化學藥劑固體顆?；蛞后w使冰雪融化為化學融冰, 其特點是除凈率高, 但這種方法成本高, 且容易對環(huán)境造成污染, 尤其是鈉鹽融雪劑對鋼筋混凝土結構有破壞作用, 易造成混凝土路面的表層脫落, 使電線質量受損而縮短其使用壽命, 對植被的損害也較嚴重。 3）振動除冰 振動式除冰法, 通過馬達帶動一具有一定重量的除冰錘上下往復的敲擊動作,當敲擊到覆冰上時，覆冰由于受到震動，與輸電線脫離。達到除冰的目的。此方法除冰效果明顯，效率較高，能耗少。但是由于震動會引起電線的舞動，有違除冰

23、的本意。 4）對滾銑削除冰 對滾銑削式除冰工作裝置安裝在輸電線除冰機前端, 通過滾壓輪上的組合刀片, 依靠較高轉速把輸電線上的覆冰銑除。此方法工作效率高，清除效果好。 加熱方法耗能過多，輸電線除冰機不能攜帶過重的能源儲存裝置，因此加熱除冰法不適用?；瘜W法對環(huán)境污染大，對輸電線腐蝕比較大，不宜采用。振動除冰法容易使輸電線產(chǎn)生舞動，違背了清除覆冰的初衷。綜合來看，采用對滾銑削除冰法是最佳選擇。 5.行走輪同步行走方法與減震方法 行走輪是推動輸電線除冰機行走的主要零件,上端行走輪倒掛在電線上,主要目的是給除冰機提供一個拉力,使除冰機能掛在電線上。下端行走輪通過齒輪與電動機相連，負責推進除冰

24、機行進。為了使輸電線除冰機推進更加平穩(wěn)，將下端兩行走輪通過鏈傳動連接在一起，實現(xiàn)下端兩行走輪同步。具體結構如圖2-3所示。此外，通過對滾刀具除冰機構的電線上可能依然會有小塊的覆冰。因此，行走輪還應該具有一定的越障能力。不會讓小塊覆冰成為行走輪推進除冰機行走的障礙。我們?yōu)榇嗽O計了一個減震機構。通過減震機構，行走輪可以輕易地越過小塊覆冰。具體結構如圖2-4。 圖2-3 通過鏈傳動是行走輪同步 圖2-4 行走輪減震機構 綜合考慮：本設計采用電機驅動，齒輪傳動減速機構，輪式行走方式，對滾洗刀除冰方式。 2.3 主體結構設計 1.輸電線輪式除冰機上部 如圖2-5所示,輸電

25、線輪式除冰機上部能把小車懸掛在輸電線上，提供向上的支撐力。同時，具有一定的越障和減震能力，可以越過沒有清理完全的覆冰。前端是除冰機構的一部分，能使其完成除冰工作。 2.輸電線輪式除冰機下部 如圖2-6所示，輸電線輪式除冰機下部向小車提供向前的推力，推進小車向前行走。前端是除冰機構的一部分，能使其完成除冰工作。同時，通過齒輪機構與上部的除冰機構和下面的電動機相連，實現(xiàn)動力傳輸。 圖2-5 輸電線輪式除冰機上部 圖2-6 輸電線輪式除冰機下部 3.減速器 減速器是指原動機和工作機之間的獨立傳動裝置。目前，許多減速器在我國已有國家標準，并在專門工廠批量生產(chǎn)。減速器的種類很多，

26、按傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器等，以及由它們相互組合起來的減速器；按齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器及圓錐——圓柱齒輪減速器；按傳動級數(shù)可分為單級減速器和多級減速器；按傳動的布置形式可以分為展開式、分流式及同軸式減速器。 輸電線輪式除冰機的減速器為三級展開式齒輪減速器。如圖2-7，每級傳動比均是2。為了減輕減速器的重量，把減速器的外殼切除一部分。 4.電池組支架 電池組支架用于存放電池組，為除冰機構和行走機構提供電能。為了減輕輸電線輪式除冰機的重量，支架設計成如圖2-8所示。 圖2-7 輸電線除冰機減速器 圖2-8 輸電線除冰機電池組支架 第3章

27、結構設計 3.1 傳動零件的設計 3.1.1 齒輪機構設計 1 選定齒輪的類型，精度等級，材料以及齒數(shù) 1） 按照圖2—1所示的傳動方案，因為齒輪受軸向力很小，故選用直齒圓柱齒輪傳動，制作比較簡單可以降低成本。 2） 該輸電線輪式除冰機工作時的速度較低，所以選擇8級精度（GB10095-88）。 3） 材料選擇。由輪齒的失效形式可知，設計齒輪時，應該使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合以及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪的材料性能基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。一般齒輪材料有鋼，鑄鐵，以及非金屬材料。 齒輪材料的選擇原則：齒輪材料必須滿足工作的

28、要求；應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型的方法以及熱處理和制造工藝：如正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調質碳鋼可以用于制作在中等沖擊載荷平穩(wěn)下工作的齒輪；合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下的齒輪；飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼；金屬制作的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持為30~50HBS或更多。由剪草機的工作條件可知對齒輪材料要求不高，而且大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，因此可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。 根據(jù)齒輪材料選擇的原則以及常用材料的力學特性選擇大小齒輪的材料為ZG

29、310-570，采用表面淬火。 2 齒輪尺寸設計 開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒主要為磨損失效，為使得輪齒不至于過小，故小齒輪不適宜選用過多的齒數(shù)，本設計中選擇小齒輪齒數(shù)z=15，大齒輪的齒數(shù)，取。設計傳動比。除冰機正常行走時的速度為大約3m/s。設計除冰機的前后輪直徑均為40mm。設想除冰機工作時處于理想狀況下即輪子只滾動不滑動。由此可得，后輪軸的轉速約為。查機械設計手冊得：橡膠輪對輸電線滾動摩擦力臂為10~15/mm，由于設計要求剪草機質量不大于20Kg，則車輪沿輸電線的最大滾動阻力矩為。設計輸電線除冰機機工作壽命為8年。 3 軸1和軸2上齒輪1和齒輪2的設計 基本參數(shù)

30、 ⒈ 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 ≥ (3-1) 1） 確定公式內各計算數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù) （2）小齒輪轉矩 注：由機械設計手冊查得：圓柱齒輪機械傳動7級精度的傳動效率為0.98-0.995 （3）選取齒寬系數(shù) （4）材料的彈性影響系數(shù) （5）由齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限 （6）計算應力循環(huán)次數(shù) (3-2) (3-3) （7）查得接觸疲勞壽命系數(shù); （8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1%，安

31、全系數(shù)S=1，得 (3-4) (3-5) 2）計算 （1）計算小齒輪分度圓直徑，代入接觸疲勞許用應力中的較小值 ≥ (3-6) （2）計算圓周速度與齒寬 （3）計算齒寬與齒高之比 模數(shù) (3-7) 齒高 (3-8) （4） 計算載荷系數(shù) 根據(jù)速度,7級精度，查得動載系數(shù); 直齒輪，假設＜查得; 使用系數(shù); 7級精度小齒輪對稱支撐布置，； 由，得；故載荷系數(shù) 2. 按齒根彎曲疲勞強度

32、設計 彎曲疲勞強度的設計公式為 ≥ (3-9) 1） 確定公式內的各計算數(shù)值 （1）查得小齒輪的彎曲疲勞極限；齒輪的彎曲疲勞極限； （2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù)；; （3）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得 (3-10) (3-11) （4）計算載荷系數(shù) （5）查取齒形系數(shù) ； （6）查取應力校正系數(shù),; （7）計算大、小齒輪的并加以比較得： (3-12) (3-13) 大齒輪的數(shù)值大

33、。 2） 設計計算 ≥ (3-14) 由上可得，小齒輪的分度圓直徑大于42mm，模數(shù)大于2.8即可滿足齒輪強度要求?？紤]到加工難易以及軸的強度故取模數(shù)m=3，小齒輪分度圓直徑為45mm。 3. 幾何尺寸計算 1） 計算分度圓直徑 (3-15) (3-16) 2） 計算中心距 (3-17) 3） 計算齒輪寬度 取 , . 4） 計算齒頂圓直徑 (3-18) (3-19) 5） 計算齒根圓直徑

34、 (3-20) (3-21) 齒輪結構通常與其幾何尺寸，材料及制造工藝有關，一般多采用鑄造或者鍛造毛坯。為了減輕重量,在大齒輪輪轂打六個通孔；當齒輪根圓直徑與該處軸所需直徑差值過小時，為避免由于鍵槽處輪轂過于薄弱而發(fā)生失效，應將齒輪與軸加工成一體；由于小齒輪的齒頂圓直徑較小，所以可以做成實心結構的齒輪。 圖3—1 小齒輪形狀結構圖 圖3—3 大齒輪形狀結構圖 3.1.2 軸的設計 1 軸的材料選擇 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。 由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏

35、感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造尤為廣泛，其中最常用的是45號鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的力學性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。 必須指出：在一般工作溫度下（低于200℃），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時，所根據(jù)的是強度與耐磨性，而不是軸的彎曲或扭轉剛度。但也應當注意，在既定條件下，有時也可以選擇強度較低的鋼材，而用適當增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。 各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化

36、、氰化等）以及表面強化處理（如噴丸、滾壓等），對提高軸的抗疲勞強度都有著顯著的效果。 高強度鑄鐵和球墨鑄鐵容易作成復雜的形狀，且具有價廉，良好的吸振性和耐磨性，以及對應力集中的敏感性較低等優(yōu)點，可用于制造外形復雜的軸。 根據(jù)軸的常用材料及其主要力學性能，結合此處的實際的情況，所受載荷小而且轉速低所以三個軸均選擇用45鋼（調質）。 2 軸的結構設計 軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置以及形式；軸上零件的類型，尺寸，數(shù)量以及和軸聯(lián)接的方法；載荷的性質，大小，方向以及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結構因素較多，而且結

37、構形式又要隨著具體情況的不同而不同，所以軸沒有標準的結構形式。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結構都應該滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調整；軸應具有良好的制造工藝性等。 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保證的。 軸肩　分為定位軸肩和非定位軸肩兩類，利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應力集中。另外，軸肩過多時也不利于加工。因此，軸肩定位多用于軸向力較大的場合。 套筒定位　結構簡單，定位可靠，軸上不需開槽﹑鉆孔和切制螺紋，因而不影響

38、軸的疲勞強度，一般用于軸上兩個零件之間的定位。如兩零件的間距較大時，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的質量及材料用量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉速較高時，也不宜采用套筒定位。 圓螺母　定位可承受大的軸向力，但軸上螺紋處有較大的應力集中，會降低軸的疲勞強度，故一般用于固定軸端的零件，有雙圓螺母和圓螺母與止動墊片兩種型式。當軸上兩零件間距離較大不宜使用套筒定位時，也常采用圓螺母定位。 軸承端蓋　用螺釘或榫槽與箱體聯(lián)接而使?jié)L動軸承的外圈得到軸向定位。在一般情況下，整個軸的軸向定位也常利用軸承端蓋來實現(xiàn)。 軸上零件的周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉動。常用的周向定位零件有鍵﹑花鍵、銷

39、﹑緊定螺釘以及過盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）部位的軸徑，應取為相應的標準值及所選配合的公差。 為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應采用較小的直徑。為了使與軸作過盈配合的零件易于裝配，相配軸段的壓入端應制出錐度；或在同一軸段的兩個部位上采用不同的尺寸公差。 確定各軸段長度時，應盡可能使結構緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件

40、相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短2～3mm。 結合以上設計準則設計各個軸的結構尺寸如下： （1） 軸Ⅰ的設計 1） 求作用在軸Ⅰ上齒輪1的力 因為 ，故 (3-22) （） (3-23) 由此可見，軸所承受的力很小。 (3-24) 2） 初步確定軸的最小直徑 根據(jù)機械設計手冊查得，取=112,于是得 (3-25) 考慮到需要開鍵槽以及加工工藝，故取。顯然，軸的最小直徑是安裝車輪處，即。 3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 ①為了滿足車輪的軸向定位要求，車輪外用M10的

41、螺母定位；內用套筒定位。 ②初步選擇滾動軸承。因軸承同時承受的徑向和軸向力均很小，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，參照國家標準GB/T 276-1994,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0組基本游隙組、標準精度級的單列深溝球軸承6004，其尺寸為，由于不需要安裝擋油環(huán)，所以軸承內用套筒定位，套筒用行走輪定位；外用軸承錐形套筒定位。軸承安裝在下車體外殼上，其周向定位是借助過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 ③由于軸上零件比較少。所以不需要軸肩。因此設計成長度為130mm的光軸，需要在指定位置開鍵槽。軸的兩端分別有10mm的螺紋。 ④軸上零件的周向定位 齒輪、車輪與軸的周向定位

42、均采用平鍵聯(lián)接。按由手冊查得平鍵截面（摘自GB/T 1095-2003），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為5mm（摘自GB/T 1096-2003）。 同時為了保證齒輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6；同樣車輪與與軸的聯(lián)接，選用B型平鍵，車輪與軸的配合為H7/k6. ⑧由機械設計手冊得，M10螺紋倒角為245；M27螺紋倒角為145；各軸肩處的圓角半徑取R1。 初步確定的軸Ⅰ的結構如圖3—4所示。 圖3—4軸Ⅰ的結構 3 提高軸強度的措施 (1) 合理布置軸上零件以減小軸的載荷； (2) 改進軸的結構以減小應力集中的影響； 軸通常是在變應力

43、條件下工作的,軸的截面尺寸發(fā)生突變處要產(chǎn)生應力集中,軸的疲勞破壞往往在此發(fā)生。為了提高軸的疲勞強度，應盡量減少應力集中源和降低應力集中程度。為此軸肩處應采用較大的過渡圓角半徑r來降低應力集中。但對定位軸肩，還必須保證零件得到可靠的定位。當靠軸肩定位的零件的圓角半徑很小時，為了增大軸肩處的圓角半徑，可采用內凹圓角或加裝隔離環(huán)。 (3)改進軸上零件的結構以減小軸的載荷； (4)改進軸的表面質量以提高軸的疲勞強度； 軸的表面粗糙度和表面強化處理方法也會對軸的疲勞強度產(chǎn)生影響。軸的表面愈粗糙，疲勞強度也愈低。因此，應合理減小軸的表面及圓角處的加工粗糙度值。 表面強化處理的方法有：表面高頻淬火等

44、熱處理；表面滲碳、氰化、氮化等化學熱處理；碾壓、噴丸等強化處理。通過碾壓、噴丸進行表面強化處理時可使軸的表層產(chǎn)生預壓應力，從而提高軸的抗疲勞能力。 各個軸均采用淬火處理。 4 軸的結構工藝性 軸的結構工藝性是指軸的結構形式應便于加工和裝配軸上零件，并且生產(chǎn)率高，成本低。一般地說,軸的結構越簡單,工藝性越好。因此,在滿足使用要求的前提下,軸的結構形式應盡量簡化。 為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出45的倒角；需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。它們的尺寸可參看標準或手冊。 為減少加工了減少裝夾工件的時間，在同一軸上，不同軸段的鍵槽應布置（或投

45、影）在軸的同一母線上。為了刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽寬度和退刀槽寬度等應盡可能采用相同的尺寸。 3.1.3 軸承校核 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的零件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化，并由專業(yè)工廠大量制造即供應各種規(guī)格常用的軸承。 滾動軸承的構成：包括：內圈、外圈、滾動體、保持架 內圈用來和軸頸裝配，外圈用來和軸承座孔裝配。通常是內圈隨軸頸回轉，外圈固定，但也可以用于外圈回轉而內圈不動，或是內、外圈同時回轉的場合。當內、外圈相對轉動時，滾動體即在內、外圈的滾道內滾動。保持架的作用

46、主要是均勻地隔開滾動體。 滾動體的基本類型有：鋼球、圓柱滾子、圓錐滾子、滾針、鼓形滾子、不對稱鼓形滾子。 與滑動軸承相比，滾動軸承具有旋轉精度高、啟動力矩小、是標準件、選用方便等特點。 與滑動軸承相比，滾動軸承的優(yōu)點： 1、一般條件下，滾動軸承的效率和液體動力潤滑軸承相當，但較混合潤滑軸承要高一些； 2、徑向游隙比較小，向心角接觸軸承可用預緊可用預緊力消除游 隙， 運轉精度高； 3、對于同尺寸的軸徑，滾動軸承的寬度比滑動軸承小，可使機器的 軸向結構緊湊； 4、大多數(shù)滾動軸承能同時受徑向和軸向載荷，故軸承組合結構簡單； 5、消耗潤滑劑少，便于密封，易于維護；

47、6、不需要有用有色金屬； 7、標準化程度高，成批生產(chǎn)，成本低； 與滑動軸承相比，滾動軸承的缺點： 1、承受沖擊載荷能力較差； 2、高速重載載荷下軸承壽命較低； 3、振動及噪聲較大； 4、徑向尺寸比滑動軸承； 能否正確選用滾動軸承，對主機能否獲得良好的工作性能，延長使用壽命；對企業(yè)能否縮短維修時間，減少維修費用，提高機器的運轉率，都有著十分重要的作用。因此，不論是設計制造單位，還是維修使用單位，在選擇滾動軸承時都必須高度重視。一般來說，選擇軸承的步驟可能概括為：1.根據(jù)軸承工作條件（包括載荷方向及載荷類型、轉速、潤滑方式、同軸度要求、定位或非定位、安裝和維修環(huán)境、環(huán)境溫度等），選擇

48、軸承基本類型、公差等級和游隙；2.根據(jù)軸承的工作條件和受力情況和壽命要求，通過計算確定軸承型號，或根據(jù)使用要求，選定軸承型號，再驗算壽命；3.驗算所選軸承的額定載荷和極限轉速。 選擇軸承的主要考慮因素是極限轉速、要求的確良壽命和載荷能力，其它的因素則有助于確定軸承類型、結構、尺寸及公差等級和游隙工求的最終方案。類型選擇，各類滾動軸承具有不同的特性，適用于各種機械的不同使用情況。選擇軸承類型時，通常應考慮下列因素。一般情況下：對承受推力載荷時選用推力軸承、角接觸軸承，對高速應用場合通常使用球軸承，承受重的徑向載荷時，則選用滾子軸承?？傊x用人員應從不同生產(chǎn)廠家、眾多的軸承產(chǎn)品中，選用合適的類

49、型。軸承所占機械的空間和位置在機械設計中，一般先確定軸的尺寸，然后，根據(jù)軸的尺寸選擇滾動軸承。通常是小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承。但是，當軸承在機器的直徑方向受到限制時，則選用滾針軸承、特輕和超輕系列的球或滾子軸承；當軸承在機器的軸向位置受到限制時，可選用窄的或特窄系列的球或滾子軸承。軸承所受載荷的大小、方向和性質載荷是選用軸承的最主要因素。滾子軸承用于承受較重的載荷，球軸承用于承受較輕的或中等載荷，滲碳鋼制造或貝氏體淬火的軸承，可承受沖擊與振動載荷。在載荷的作用方向方面，承受純徑向載荷時，可選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承。承受較小的純軸向載荷時，可選用推力球軸承；承受較大的純軸向

50、載荷時，可選用推力滾子軸承。當軸承承受徑向和軸向聯(lián)合載荷時，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。對于懸臂支撐結構，常采用圓錐滾子軸承或角接觸球軸承，且成對使用。 滾動軸承類型選擇應注意的問題: 1、考慮軸承的承受載荷情況 方向：受徑向力時，用向心軸承；受軸向力時，用推力軸承；徑向力和周向力聯(lián)合作用時，用向心推力軸承； 大?。菏艿捷^大載荷時，可用滾子軸承，或尺寸系列較大的軸承；受到較小載荷時，可用球軸承，或尺寸系列較小的軸承 2、考慮對軸承尺寸的限制 當對軸承的徑向尺寸嚴格限制時，可選用滾針軸承； 3、考慮軸承的轉速 一般來講，球軸承比滾子軸承能適應更高的轉速，輕系列的軸承比

51、重系列的軸承能適應更高的轉速；此外，各類推力軸承的極限轉速很低，不易用于高轉速的情況。 4、考慮對軸承的調心性要求 調心球軸承和調心滾子軸承均能滿足一定的調心要求（即：軸心線與軸承座孔心線可適當偏轉），而圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承滿足調心要求的能力幾乎為零 根據(jù)各個軸承的特點以及選用原則，可以肯定我們初步選定的型號6004深溝球軸承滿足要求。 由于軸1所承載的載荷最大，且軸1的轉速最大，故軸1上的軸承最危險。若此軸承壽命滿足要求，則其它軸承亦可滿足要求。所選6004深溝球軸承的基本額定動載荷C為9.38kN假設鏈傳動的效率為0.9。 (3-26)

52、 (3-27) 顯然，軸承壽命滿足要求。 3.2 除冰機構的設計 3.2.1 除冰方式選擇 1 銑削的方式 即先利用銑刀從覆冰的中間銑出一條裂縫，使覆冰的其它部分裂開,其后的楔形塊再對覆冰進行擠壓,擠壓掉覆冰,完成導線除冰。但是其除冰可行性和除冰效率有待于進一步驗證。 2 敲擊的方式 采用特制沖擊頭固接于曲柄滑塊機構的滑塊上，以15Hz 的頻率反復敲擊覆冰。但其采用敲擊方式除冰，容易引起電線共振和輸電線舞動。這樣違背了我們設計輸電線除冰機的初衷。 3 加熱的方式 通過電阻加熱或噴火加熱，使覆冰融化，達到清除覆冰的目的。加熱除冰方法對環(huán)境沒有任何污染，清除效率高。但是這個

53、方法耗能過多，不節(jié)能。在要求的重量范圍內，除冰機不能攜帶如此大的儲能設備。 4 對滾除冰的方式 對滾銑削式除冰工作裝置安裝在輸電線除冰機前端, 通過滾壓輪上的組合刀片, 依靠較高轉速把輸電線上的覆冰銑除。此方法工作效率高，清除效果好。 綜合以上幾種方案的優(yōu)缺點，結合實際設計理念以及實際需求，我們選擇設計對滾方式除冰。 刀片 2 1 1-滾刀片 2-滾刀底座 圖3—10 滾刀 圖3-11 除冰機除冰機構的傳動裝置 圖3—11 刀架零件圖 3.2.2刀架設計 1　剪切裝置 剪切裝置由3片切削刀具組成。所有切削刀具固定在底刀架上 ,對滾除冰

54、時軸線位置不動 ,刀刃為直線型。滾刀結構如圖 3—10所示 ,滾刀的刀片形狀為傾斜平面 ,中部有一方便與輸電線接觸的弧度。刀刃為直線線 ,三片刀片均勻分布固定在刀架上。除冰時 ,滾刀對滾轉動 ,兩組滾刀逐片組成剪口 ,覆冰隨著滾刀刀片的旋轉被切成碎屑 ,并被清除。上下刀刃在除冰過程中始終沒有接觸。 2 對滾刀具傳動裝置 對滾刀具傳動裝置由圖 3—11中的兩對齒輪組成。當電動機帶動下車體上除冰機構齒輪旋轉式，上車體除冰機構的齒輪也跟著旋轉。通過齒輪機構傳動，實現(xiàn)對滾齒輪同步對滾。為對滾刀具提供高效穩(wěn)定的動力輸出。 3.2.3 除冰機構電機選擇 由于網(wǎng)絡上并沒有相關的完整計算的論文，而且

55、此項目并非特別普及，所以電機選擇是很大的難題，沒有相關資料可以借鑒。又因為，我們學校的老師和同學們之前并未對此作過深入的研究，在本校也無法找到相關人員來解答和說明此問題。在此情況下，通過導師在機械創(chuàng)新設計大賽中積累的經(jīng)驗，建議采用電機為300W。為除冰機構提供動力源。 3.3 整機三維裝配圖 圖3-11 右端后側除冰機三維圖 圖3-12 左端后側除冰機三維視圖 圖3-13 除冰機正面三維視圖 圖3-14 除冰機俯視圖 圖3—15 除冰機仰視三維視圖 第4章 功能及創(chuàng)新點 本設計作品的主要功能及特點如下： 1、該機采用對滾刀具的除冰原理，結構緊湊，體積

56、小，質量輕，噪音小，無污染，使用靈活方便，適合在輸電線上除冰； 2、擁有減震機構，具有一定越障能力，使用安全可靠，便于維修； 3、輸電線直徑可以在20～40mm之間調整，覆冰直徑30~80mm,外型尺寸（長寬高：330160380mm）； 4、車輪帶有凹槽，具有良好的導向性，使得除冰機在輸電線上行走時不易倒轉； 5、兩輪之間采用鏈傳動實現(xiàn)同步行走； 6、外觀造型美觀，適合家庭用戶的審美要求； 7、采用滾刀刀具，除冰效果理想，而且成本較低，是輸電線除冰機的首選產(chǎn)品。 該設計作品的主要創(chuàng)新點如下： 1、采用對滾刀具除冰，節(jié)省能源，無污染（噪音、廢氣），不易引起電線共振或舞動； 2

57、、采用齒輪機構傳動（實現(xiàn)減速），提高整機的工作效率，解決了從電動機輸出轉速過高的問題； 3、采用具有減震的上車體，具有一定的越障能力； 4、外觀造型新穎，后端為大倒角設計，可減輕重量，適合在輸電線上除冰使用。 總結 畢業(yè)設計是對我大學四年學習成果的總結，是對我將來的學習、工作最為有力的一次鍛煉。它促進我將所學的理論知識與實踐有機的結合，并且深深的體會到了自己所學專業(yè)的博大精深。盡管在設計中遇到許多難題與不曾接觸過的東西，但在老師的幫助和我的刻苦努力下都一一克服，并學到了許多的實踐經(jīng)驗。盡管我所設計的東西

58、可能還有許多欠缺，但是我確實在此次設計中學得了很多東西，它將對我以后的學習與工作產(chǎn)生很大的影響。 我這次設計的題目是：輸電線除冰機設計，在整個設計過程中做了如下工作： 1、查閱有關的文獻資料，了解當今國內外輸電線除冰機，巡線機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，也看到了創(chuàng)新設計巨大發(fā)展?jié)摿Α? 2、根據(jù)輸電線除冰機的用途，對輸電線除冰機的傳動系統(tǒng)以及執(zhí)行機構進行了充分的論證，最終確定了方案。 3、對典型零件如直齒輪、軸進行了詳細的設計計算，并進行了校核。 4、對所用軸承進行了強度校核和以及壽命計算。 5、零件的圖紙以及裝配圖設計。 6、進行了輸電線除冰機的三維設計及建模 通過這次畢業(yè)設計，

59、使我具有了嚴謹、認真的工作作風，為自己今后學習更多的專業(yè)知識奠定了堅實的基礎，也為我將所學的知識應用到實際生產(chǎn)中提供了一次很好的鍛煉機會，必將對我的將來產(chǎn)生深遠的影響。 參考文獻 [1］ Sawada J，Kusumoto K，Munakata T. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines［J］. IEEE Trans on Power Delivery，1991，6（1）：309-315. [2］ Montambault S，Cote

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