气动履带式消防车的设计-毕业设计说明书论文正文结论参考文献等.doc

1、1 引言消防车是汽车工业的一个分支，由近代消防发展进程来看，消防器具越来越趋向于巨型化，轻巧化，智能化，多用途化发展，因此机器人在消防车上的应用越来越得到现代社会的认可，并在消防领域发挥越来越重要的作用。机器人已经不是一个新鲜的事物，但是早在上个世纪中期自动化产品兴起，电子计算机技术走向实用化，如何定义机器人这个概念成为一个棘手的问题。1979 年，国际社会以对机器人有了基本一致的定义，联合国标准化组织采用美国机器人协会（RIA: Robot Institute of America）的建议，机器人因此有了专门的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同任

2、务而具有可改变和可编程动作的专门系统” 1。自从机器人问世以来，由于其高度自动化，智能化，能代替人类从事高强度体力劳动、危险劳动、枯燥重复劳动等，且机器人可以自动测量控制以达到高于人工劳动质量的产品，因此越来越得到现代社会的欢迎。人们认为：“机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志 2 。 ” 机器人消防车是以任意地盘的消防炮为载体，加装无线遥控执行系统构成的。它具有智能化的特点，采用轮式行走机构，点火、行走、转向、驻车。水泵以及消防炮的转动、俯仰、喷射灭火剂等一系列过程采用无线遥控方式。机器人消防车还具有侦查和自救功能，将灾害现场通过摄像机无线传输给指挥员 3。1.1

3、选题背景与研究优势现代社会火情复杂，消防设备使用有很多的问题，面对这一问题各高校都有研究，例如武汉科技大学的气动遥控消防车就较好的完成了灭火任务。针对现代国内外火灾现场地形复杂，消防炮使用中的安全隐患，提出了气动履带式消防车的课题。本课题基于武汉科技大学参加的第四届全国大学生机械创新设计大赛课题：气动遥控消防小车。气动遥控消防车是武汉科技大学参赛参加的第四届全国大学生机械创新设计大赛课题。该小车结合现代机器人技术发展的特点，设计具有在复杂地形行走、原地转向、可自动瞄准定位灭火，自动防护降温等功能的气动履带式消防车。车辆行走采用履带式，利用气动装置为动力源，双气动马达，温控自动洒水控温，远程遥控

4、等思想来实现。1.1.1 履带的优势履带是人类社会发展的重大发明，履带式车辆不仅加强了离开道路的越野能力，同时也增大了负重能力。车轮行走由车轮的四个点接触，在平坦的道路上可以快速平稳的行走，却不适合山地等复杂地形。越野车采用宽大的车轮，实际上是为了增加与地面的接触面积，而履带比越野车车轮的接地面积更大，能更好的贴合地面，适合复杂的软地面、不平整地面。由于火灾现场地形复杂，杂物堆积屡见不鲜。履带式行走装置支撑机器的履带面积足够大，以满足复杂地面，尤其是软地面承受的平均接地比压的要求 4。且在火灾现场常见各种坡地不平整地形，履带式行走可以与之相对应，尤其是坡地上行走抓地能力较强，可以平稳通过上述地

5、形 5。另外，使用消防炮需要支撑体结构稳定，履带式车辆正好可以满足这一需要。1.1.2 气动系统的采用面对需求多变的市场，机器人产品已经相对较为成熟，尤其是日本走在了家用的家庭机器人前沿，美国、俄罗斯、欧洲等地区对机器人的开发也较为完善。但是机器人多采用舵机、内燃机、电子器件等提供动力，传动也很复杂，因此价格一直高居不下，这不利于机器人进入民用市场。且高精密的电子器件不适应高温、粉尘等恶劣环境。由于小车属于非载人车辆，仅需满足承载水泵和消防炮等设备，气动马达完全可以符合这一要求。且气动马达可以无极调速，瞬间反向快速无负面影响，不会因为过载发生故障，功率范围极大，工作升温小，在易燃易爆、高温震动

6、、潮湿。粉尘等不利因素下均能正常工作 8；另外使用空气，贴合环保的主流思想，利用气动源提供小车动力，水炮控制系统转向和俯仰，动力源清洁、环保、可循环。2 总体设计总体设计是机械设计的基础，本课题总体设计包括以下几个部分：结构设计、机构设计，气动系统设计，控制系统设计，各模块硬件选型等。以上这些设计是相互关联，由于传动链的增加会加大连接误差，增加控制难度，因此简洁有效的传动链是高质量产品保障的前提之一。另外，部件之间的选配直接关系到传动配合的有效传送能量比，配合的不准确还会影响传送机构的精度，传动结构过大增加自生体积和质量，传动机构过小则会影响机构的强度、刚度，从而减少寿命。因此合理安排部件尺寸

7、，如何选型也是本课题中必须注意的。2.1 功能分析一般来讲，市场需要决定产品功能，功能决定机械结构和控制模式，所有系统的设计都是要建立在功能需求上的。因此在设计开始就要完成需求与功能分析，然后确定方案。现代社会火灾多发，消防炮是消防队及广大人民的主要灭火工具。由于其造价低廉，迅速有效等特点已较为广泛的运用。但是消防炮较为沉重，火灾现场多为易爆、粉尘、高温、有毒、高辐射等危险环境，人员进入复杂的火灾现场容易遭受不幸，大大限制了消防炮运用的质量，危害人身安全。面对这一安全隐患提出并设计了一种采用远程遥控的气动消防履带车，该小车使用气动马达，环保无污染。小车采用水源灭火，取材容易。对于人工不便进入的

8、高温、有毒、易爆的环境，小车通过遥控实现代替人员灭火，极大的提高了消防安全系数。2.2 设计要求气动消防履带车的设计参数基于倪文彬老师给的审题表，按照要求需要实现小车的行走、转弯功能，水炮炮台的旋转、水炮俯仰，小车自动降温防护的功能。小车属于遥控式控制，按照激励信号完成相应命令。详细要求如下：（1）履带式结构，气动源驱动前进、后退，原地转弯；（2）遥控控制信号激励；（3）气动式水炮俯仰及旋转；（4）自动冷却系统降温；（5）电磁阀响应控制；除了上述基本功能外，小车需要配备供水、气口等。按原模型尺寸，数据如表2.1 所示：表 2.1 技术参数序号 名称 参数1 体积（长宽高） 约 1.2m1.1m

9、m0.8mm2 重量 200kg3 遥控距离 约 500m4 牵引力 500N5 转弯半径 0.6m6 行驶最大速度 0.5m/s7 消防炮旋转角度 -75 0 + 758 炮筒角度 15 759 消防炮俯仰/旋转速度 速度可调节2.3 总体布局与系统构成2.3.1 系统组成、设计原理及思想自动化机器人设计思路可以分为机械结构部分设计和控制系统设计。小车行走必须使用机械结构，因此机械结构是消防车的基础。另外，机器人的定义要求指出，机器人是根据用户需要产生的指令而实现自动化作业的机械结构，可以说控制系统对机器人小车的性能产生重要作用。机械部分可分为行走部分和消防炮部分；控制部分可分为气动控制部分

10、、自动降温部分，控制源需要有信号遥控和激励部分两个部分。小车的有三个流路：能量流、信号流和物质流，三个系统相互干涉。行走系统需要电机提供动力，采用气动马达为能量源，通过传动机构传递扭矩。水炮系统需要物质流水来灭火，需要独立的水源，同时需要相应的驱动系统和能量源。此外，小车的冷却也需要独立的系统支持。根据上述分析，可以将气动履带式消防车系统分为行走系统，消防炮驱动系统，控制系统，水幕冷却系统。结构如图 2.3 所示：电源水源气源信号控制系统温控开关外部环境行走系统水炮系统水幕冷却系统能量流：物质流：信号流：图 2.3 气动系统组成2.3.2 总体布局小车的动力确定为气动马达，且为行走和水炮分别配

11、备主副两个马达以方便传动。救灾现场环境恶劣，前面已经论述过采用履带式的小车的驱动方案，通过离合器和制动碟片组配合实现小车的原地转向。为实现小车高效灭火，在已有消防炮基础上分别增设了实现消防炮旋转及俯仰的驱动系统。由于小车为履带式结构，需要原地转向。按照这个思路，需要固定一边履带不动，另一边履带行走，使小车整体转向。因此在动力驱动部分用离合器连接，以实现动力源的选择性传递，用制动碟片部分来限制不需要运动的部分。其它的部分来自于小车各系统的驱动方案，车辆的平衡和操作互不干涉来完成整车总体布局也是本次设计要注意的。本次设计采用履带车辆的设计基本外形，其外形类似于坦克或者装甲车等兵器。在车体内安排传动

12、机构、各种气门电磁阀、电磁信号接收系统，控制模块等等。如有需要增加其他辅助装备，以保证气动消防履带车的性能。小车车体较小，是消防设备的微型化产品，将来有可能还要带上气源和水箱，将模型放大，因此设计之初，我应当将合理布局作为设计的重点之一。该小车主要由行走系统、消防炮驱动系统和气动控制系统等组成。消防车随车携带的高压气瓶或空压机通过高压气管连接小车气源接头为小车提供动力；水源来自于现场的水管消防设备。信号控制电磁阀组开关，电磁阀组通断实现左右离合器和制动碟片的配合，实现小车行走：当小车需要前进或者后退，气动马达直接通过二级传动链轮和离合器前进后退；当小车需要左转时，小车左边离合器断开转动且制动碟

13、片刹紧，左轮不动，右轮正常工作，实现左转，右转也类似。辅助气动马达通过联轴器、小齿轮轴和大齿轮啮合传动转矩，使炮台左右摆动。通过炮台顶部铰链伸缩实现俯仰。小车的需求根据大量阅读和对履带车辆的模仿，设计出下列其结构布置。详细如图 2.1、图 2.2 所示。图 2.1 整体布局 主视图图 2.2 整体布局图 俯视图3 行走机械系统设计3.1 主气动马达的选择3.1.1 驱动功率消防车的额定功率直接关系到小车运行的牵引力，小车实际用于运行的功率可根据公式（3.1）计算：（3.1）PFv按照选题要求分析数据（见 2.1 节） ，小车正常行驶速度 ，牵引力0.5/vms。将数据代入（3.1）得出小车运行

14、所需功率为 。50FN 2W然而，有关研究表明：履带车辆转向能耗是直接行驶能耗的 1.633.24 倍 6。履带式车辆在转向时的驱动力大于正常行走时的驱动力，其转向功率也大于直线行驶时的驱动功率 6。根据这个研究，履带的接地长度和履带轨距有关，小车的转弯功率随转弯半径的减小而明显增大。可用小车的驱动功率计算转向时的驱动功率，其式为：（3.2）12()PFvmgfv式中： ；1.6324F-车辆直行驱动力；v-小车正常工作速度。按照上面表达式，小车在高速转弯时阻力最大，能耗最大。取 ,3.24, , , , 。20mKg9.810.f2.05f./vms由式（3.2）可计算出驱动功率为 。476

15、8WP综上所述，驱动功率应该大于 。.Wp3.1.2 实际消耗功率（1）总效率。由小车整体布局图俯视图部分得出，气动马达通过联轴器带动一组链轮的主动轮，这组链轮的从动链轮带动离合器、左右轴，通过左右链轮组又分别传动给左右驱动轮。能量在此传动链中经过 5 对轴承，3 对链轮，1 个联轴器，2 个离合器，如图3.1 所示：图 3.1 气动履带式消防小车传动示意图总效率值可以按照效率叠加计算（3.3）53214：球轴承的传动效率值为 0.997；1：链轮的传动效率值为 0.977；2：联轴器的传动效率值为 0.997；3：离合器的转动效率值。离合器效率和传送功率有关，在不超过的需用范围4的情况下，效

16、率值为 0.97。由上述值代入公式（3.3）得到总效率值 。0.8（2）输出功率。气动马达的选择仅仅依据最大驱动所需功率是远远不够的，阻力是影响输出功率的重要因素之一。输出功率：（3.4）WdpP：小车输出最小输出功率；dP：小车驱动功率；Wp：总体效率比。转弯时候 ， 。代入（3.4）得到： 。476.28Wp0.8max589.4dPW直行时候 ， 。代入（3.4）得到： 。50 3063.1.3 气动马达的确定选择气动马达的根本依据是负载情况。在变负载场合主要考虑的因素是转速的范围，以及满足工作情况的力矩。对于均衡负载情况下，工作速度是主要因素。叶片式马达经常使用于变速、小转矩的场合，而

17、活塞式马达常用于低速、大转矩的场合，它在低速运转时，具有较好的速度控制及较小的空气耗量 8。由算出的技术数据，可以初步选用 KPT70R800M020 气动马达为小车提供动力。该马达功率 ，额定转速 ，净重 。80W284/minr5.12Kg3.2 传动部分设计3.2.1 传动比根据总体设计尺寸，确定驱动轮分度圆直径 。已知小车的设计速度096dm，转速公式如下：0.5/vms（3.5）2rnv输 出由（3.5）代入数据算出 。7.4356/in输 出总传动比 的计算公式如下：i（3.6）in输 入输 出输入转速即选用的气动马达的转速 ，代入（3.6）得总传动比=284r/mi输 入。3.9

18、2i3.2.2 传动方案的确定机械传动按照形式不同来分可分为：齿轮传动、涡轮蜗杆传动、带传送和链传动。皮带传动是一种挠性传动，其利用带轮和传动带间的摩擦或者啮合作用传动力矩，其结构简单，传动平稳，价格低廉，能缓冲吸震，在近代机械中应用广泛 12。齿轮传动是通过齿轮之间的啮合来传递扭矩，是机械传动的主要方式之一，因为其效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定等受到大家的青睐 12。蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递动力的一种传动机构，两轴之间的角度可以为任意角度，适合精密传动，非平行轴传动 12。气动履带式消防车所处环境相对恶劣，小车行驶速度不大，因为小车所需要的传动比不大，且属于重载低速的

19、运用范围。链传动能准确的保持平均传动，传动效率较高，工作时径向压力小，能在高温和潮湿的环境中稳定工作。很好的适应了气动履带式消防车的需要。3.2.3 传动比分配链传动的传动比过大，会造成链条在小链轮上的包角过小，因此参与的啮合的齿数减少而造成单个轮齿载荷增大 12。加剧轮齿磨损，且易造成跳齿和脱链现象。一般链传动的传动比 ，常取 之间，链条上包角不小于 12012 。6i23.5i设高速到低速的两级传动的传动比分别为： 。根据总体方案，小车采用二12i、级传动。二级传动两个传动比之间的关系应满足 。取：2(.35)i（3.7）12.3i且：（3.8）12.9i由（3.7） 、 （3.8）算出 ， 。.5743.2.4 传动部分的参数计算将传动机构的轴由高速到低速依次命名为轴、轴、轴、轴、轴；依次为气动马达与轴，轴与轴，轴与轴，轴与轴，012345,轴与轴间的传动效率。(1) 各个轴的转速： 1=8/minnr电 机2431/2.516./ini r46ir52/./74./ini(2) 各个轴最大输入功率： 1maxax589.dPW2ax1a3.40583.63max2ax586.97.W24 24ax3ax1.30.59.81P