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高壓輸電導線除冰機越障機構設計
摘要
本文針對高壓輸電線路覆冰會導致桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡，由此引起的線路跳閘、供電中斷等事故等問題，設計一臺通過敲擊、碾壓、銑削等多重除冰的雙分裂高壓輸電導線除冰機。該除冰機具有自動爬行，制動、防滑、除冰、越障等能力。
本文首先分析了高壓電線結冰的實際情況，擬定了高壓電線除冰小車的原理方案：電機驅動、鏈輪作為減速機構、輪式行走方式、振動和對滾洗刀除冰方式。
然后對除冰機的傳動機構進行了設計計算，并設計了結構。
最后，繪出除冰機的三維模型圖和二維圖。
用本文的方法設計的除冰機結構簡單，工作可靠，生產制造成本低，使用維護方便。
關鍵詞：除冰機、輪式小車、鏈傳動、對滾銑刀
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
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
第一章 緒論 1
1.1 課題研究的內容和意義 1
1.2 輸電線的常見規(guī)格 1
1.3輸電線覆冰的危害 2
1.4 國內外相關除冰設備及技術的特點、發(fā)展趨勢 3
第二章 總體原理方案設計 4
2.1 總體方案 4
2.2原理方案設計 4
第三章 傳動設計計算 9
3.1電機選擇 9
3.2 鏈傳動的運動特性 12
3.2.1鏈傳動的運動不均勻性 12
3.2.2鏈傳動的動載荷 15
3.2.3鏈傳動的受力分析 16
3.3設計計算 17
第四章 結構設計 21
4.1 傳動軸的設計 21
4.2 機架的設計 26
第五章 三維建模 28
5.1 Pro/E軟件簡介 28
5.2 零件建模 30
5.2.1機架的建模 30
5.2.2鏈輪的建模 30
5.2.3 行走輪和加緊輪的建模 31
5.2.4銑刀以及敲擊部分零件的建模 31
5.3 虛擬裝配 32
第六章 結論 33
參考文獻 34
致謝 37
第 38 頁
第一章 緒論
1.1 課題研究的內容和意義
結合生產實際，針對高壓輸電線路覆冰會導致桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡，由此引起的線路跳閘、供電中斷等事故等問題，設計一臺通過敲擊、碾壓、銑削等多重除冰的除冰機。該除冰機具有自動爬行，制動、防滑、除冰、越障等能力。
本課題研究的目的在于根據輸電線系統的除冰需要，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，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。它的前端是一個振動電機連接著帶有伸出的敲擊棒的圓盤和銑刀，用于清除在電線結的冰。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, 機體上的八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倒轉。四個動壓輪分別與四個固定壓輪配合, 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; 另一部分傳至動壓輪，實現小車的行走。
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，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。
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。
1.2 輸電線的常見規(guī)格
根據全國供電部門提供的情況,高壓輸電線路使用的導線為鋼芯鋁絞線,主要分短距離輸電和長距離輸電兩種,導線規(guī)格如下:
短距離輸電:城區(qū)內供電: 10KV,導線截面積分別為50mm2,70mm2,95mm2 , 120mm2 等。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電: 35KV,導線截面積分別為120mm2 , 150mm2 等。
長距離輸電:主要有幾種類型: 110KV,導線截面積240mm2 ; 220KV,導線截面積為500mm2 ,一相雙線,即2×500mm2 ,每相兩線之間用支架隔離,間距約10cm; 500KV,導線截面積為400mm2 ,一相四線,即4 ×400mm2 ,每相四線之間使用方形支架相對固定,間距約10cm。
導線兩端,使用絕緣椽子固定在鐵塔上。每兩座鐵塔之間的距離并不固定,而是根據地形布設,主要是高離地面、房屋以及高大喬木。
1.3輸電線覆冰的危害
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。對電力系統的安全運行造成了嚴重威脅,也一直是電力系統研究中急待解決的難點問題。據不完全統計,自上世紀50年代以來,我國輸電線路便不斷遭受覆冰危害。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,我國華中電網出現大面積冰災事故,僅湖南省就有700多萬人受災,直接經濟損失超過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、湖北等地的電網發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡等多種災害, 湖南電網14條500 kV、44條220 kV和121條110 kV線路停運; 江西電網17條500 kV、57條220 kV和168條110 kV線路停運; 浙江電網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骨干網基本癱瘓,華中、華東電網幾十條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,全國13個省份拉閘限電,共有17個省級電網電力供應緊張。全國受災人口達1億多,直接經濟損失超過1100億元。
隨著我國經濟的高速發(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)常出現霧凇和雨凇現象,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。
1.4 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。現已經在輸電線路上得到應用的有平衡重量、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。
第二章 總體原理方案設計
2.1 總體方案
本設計采用八輪式結構布局，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，從左到右為電機1和電機2，電機1是行走電機，電機2是反轉電機你，電機通過鏈輪連接驅動軸使得行走輪回轉。兩個電機配合運動時，有以下三種情況，情況一，當行走的是平坦的線路時，電機1工作，電機2處于休眠狀態(tài)，動力有只有電機1來提供；情況二，當行走的是爬坡路線時，電機1,和2同時工作，動力由電機1和2頭同時提供；情況三，當行走的是下坡路線時，電機1工作，電機2反轉，此時，動力原為電機1的動力減去電機2的動力。
輪式輸電線除冰機由電動機提供動力。輪式輸電線除冰機的組成框圖，如圖2.1所示。
圖2.1 機構運動簡圖
2.2原理方案設計
能夠實現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)境會產生污染，不環(huán)保。
2）電動機驅動 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。
圖2.2輪式輸電線除冰機組成框圖及運動傳遞路線
本設計中采用電驅動方式，優(yōu)先采用電池供電的直流電機作為驅動源。
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，考慮到空間問題，本設計采用的減速裝置都是直接與電動機相連的，蝸桿傳動效率低，易發(fā)熱，環(huán)境適應性差。因此，綜合考慮各方面因素，減速方式選擇通過鏈輪傳動機構來完成。
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、慣性小、反應快，液壓裝置易于實現快速啟動、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。
由于履帶式系統過于笨重，因此不適合在輸電線上行走；液壓系統過于復雜，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28mm的凹槽。
圖2-3 行走輪
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，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。
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。化學法對環(huán)境污染大，對輸電線腐蝕比較大，不宜采用。綜合來看，采用對滾銑削和振動除冰法是最佳選擇。
5.行走輪行走方法與越障
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。下端加緊輪通過機架和凸輪機構與上端行走輪加緊導線，負責推進除冰機行進。為了使輸電線除冰機推進更加平穩(wěn)，我們采用了八個輪子的運動機構。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。通過彈簧機構，行走輪可以輕易地越過小塊覆冰。
圖2.4行走輪越障機構
綜合考慮：本設計采用電機驅動，鏈輪減速機構，輪式行走方式，振動和對滾洗刀除冰的方式。
第三章 傳動設計計算
3.1電機選擇
由于網絡上并沒有相關的完整計算的論文，而且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。在此情況下，通過導師在以前的工程項目中積累的經驗，建議采用ZYT系列永磁直流電動機，這種電動機采用鐵氧體或稀土永久磁鐵激磁，屬于封閉自冷式。作為小功率直流電機，可在各種裝置中用作驅動元件。
在本次設計總共用到5個電機，除冰部分用到了1個振動電機，2個切削電機；行走部分由1個行走電機和1個制動電機組成。
由高壓輸電導線除冰機的工作情況，自身的重量等因素綜合考慮，其運動參數擬定如下行走速度V=5～8m/min,最大爬行角度為40度，敲擊電機V=250r/min,銑削速度V=3r/s。通過考察，得知除冰厚度40～50mm，銑削冰的厚度為大約為10mm。
以下為電機的相關參數（如表3.3）
表3.3
型號
SDDM-
轉矩
（mN.m）
轉速
（r/min）
功率
（W）
電壓
（V）
電流（A）
不大于
允許順逆轉速差（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
綜合上表個參數和實驗數據的考慮最后確定選定敲擊電機用90ZYT55PX6A3,行走電機用90ZYT106PX36A3。電機參數如下表3.4
表3.4
型號
SDDM-
轉矩
（mN.m）
轉速
（r/min）
功率
（W）
電壓
（V）
電流（A）
不大于
允許順逆轉速差
（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
經過查閱相關資料和多次實驗最后確定銑削電機為70ZYT51PX16A3，制動電機55ZYT55PX96A
3.2 鏈傳動的運動特性
3.2.1鏈傳動的運動不均勻性
因為鏈是由剛性鏈節(jié)通過銷軸鉸接而成，當鏈繞在鏈輪上時，其鏈節(jié)與相應的輪齒嚙合后，這些鏈節(jié)將曲折成正多邊形的一部分，該正多邊的邊長等于鏈條的節(jié)距，邊數等于鏈輪齒數。鏈輪每轉一周，隨之轉過的鏈長為，所以鏈的平均速度(m/s)為
（3-1）
式中、分別為主、從動鏈輪的齒數； 、分別為主、從動鏈輪的轉數()；為鏈的節(jié)距(mm)。
（3-2）
式中（3-1）和（3-2）計算的鏈速和傳動比是平均值。事實上，即使主動鏈輪的角速度=常數，其瞬間鏈速和瞬時傳動比都是變化的，而且是按每一鏈節(jié)的嚙合過程都作周期性的變化。
圖3.1 鏈傳動的速度分析
鏈輪轉動時，繞在鏈輪的鏈條，只有其鉸鏈的銷軸A的軸心是沿著鏈輪分度圓運動的，而鏈節(jié)其余部分的運動軌跡均不在分度圓上。若主動鏈輪以角速度轉動，該鏈節(jié)的鉸鏈銷軸A的軸心作等速圓周運動，設鏈輪分度圓半徑為，則其圓周速度=。
設鏈傳動在工作時，主動邊始終處于水平位置。這樣可分解為沿著鏈條前進方向的水平分速度和作橫向運動的垂直分速度，其值分別為
（3-3）
（3-4）
式中是主動鏈輪上進入嚙合的鏈節(jié)鉸鏈銷軸A的圓周速度與水平線的角度，從銷軸A圓周速度與水平線的夾角，從銷軸A進入鏈輪嚙合位置到銷軸B也進入鏈輪嚙合位置為止，角也是從到之間變化。(=360°/是主動鏈輪上鏈節(jié)距對應的中心角)。
當時，
（3-5）
（3-6）
當時，
（3-7）
（3-8）
由此可知，主動鏈輪雖然作等角速度回轉，而鏈條前進的瞬時速度卻周期性地由小變大，又有大變小。每轉過一個鏈節(jié)，鏈速的變化就重復一次，鏈輪的節(jié)距越大，齒數越少，角的變化范圍就越大，鏈速的變化也就越大。于此同時，鉸鏈銷軸作橫向運動的垂直分速度也在周期性的變化，導致鏈沿鉛垂方向產生有規(guī)律的振動。
同理可知，每一鏈節(jié)在從動鏈輪輪齒嚙合的過程中，鏈節(jié)鉸鏈在從動鏈輪的相位角，也在不斷的在的范圍內變化，所以從動鏈輪的角速度為
（3-9）
鏈從動的瞬時傳動比為
（3-10）
可見，隨著角和角不斷變化，鏈傳動的瞬時傳動比是不斷變化的。當主動鏈輪以等速度回轉時，從動鏈輪的角速度將周期性地變動。只有在=（即=），且傳動的中心距恰好為節(jié)距的整數倍時（這時和角的變化才會時時相等），傳動比才能在全部嚙合過程中保持不變，即恒等于1，鏈條的送進速度恒定，但鏈條的垂直分速度總是周期性變化的。
上述鏈傳動運動的不均勻性的特征，是由于圍繞在鏈輪上的鏈條形成了正多邊形這一特點造成的，所以稱為鏈傳動的多邊形效應。
3.2.2鏈傳動的動載荷
鏈傳動在工作過程中，鏈條和從動鏈輪都是作周期性的變速運動，因而造成和從動鏈輪相連的零件也產生周期性的速度變化，從而引起了動載荷。鏈傳動的多邊形效應是產生動載荷的根本原因。動載荷的大小與回轉零件的質量及加速度的大小有關。
鏈條前進加速度引起的動載荷為
（3-11）
式中為緊邊鏈條的質量（）；為鏈條加速度（/）。
（3-12）
當時， （3-13）
式中 為鏈節(jié)距
（3-14）
從動鏈輪的角加速度引起的動載荷為
（3-15）
式中是從動系統轉化到從動鏈輪軸上的轉動慣量；為從動鏈輪的角速度(rad/s)；為從動鏈輪的分度圓半徑()。
計算結果表明，鏈輪的轉速越高、節(jié)距越大、齒數越少，則傳動的動載荷就越大。
由于鏈條在橫向的分速度也在作周期性的變化，將使鏈條發(fā)生橫向振動，甚至發(fā)生共振，這也是鏈傳動產生動載荷的重要原因之一。
鏈節(jié)和鏈輪嚙合瞬間的相對速度，也將引起沖擊和動載荷，顯然，鏈節(jié)距越大，鏈輪的轉速越高，則沖擊越強烈。
3.2.3鏈傳動的受力分析
鏈傳動在安裝時，應使鏈條受到一定的張緊力。鏈傳動張緊的目的主要是松邊不致下垂過多，以免影響鏈條正常退出嚙合和產生振動、跳齒或脫鏈現象，因而所需的張緊力比起帶傳動來要小的多。
鏈條在工作過程中，緊邊和松邊的拉力是不等的。若不計傳動中的動載荷，則鏈的緊邊受到拉力是由鏈傳遞的有效圓周力、鏈的離心力所引起的拉力以及由鏈條松邊垂邊度引起的懸垂拉力三部分組成，即
（3-15）
鏈的松邊所受拉力則由及兩部分組成，即
（3-16）
有效圓周力為
（3-17）
離心力引起的拉力()為
（3-18）
懸垂拉力的大小與鏈條的松邊垂度及傳動的布置方式有關，取和中之大者。
（3-19a）
（3-19b）
式中為實際傳遞的的功率（）；為鏈速（）；單位長度鏈條的重量()；為鏈傳動的中心距()；為垂度因數。圖中為垂度，為兩輪中心聯線與水平面的傾斜角。一般鏈邊中點的相對垂度=1%～3%。
圖3.2 懸垂拉力的確定
3.3設計計算
1 選定鏈輪的類型，精度等級，材料以及齒數
1） 按照圖2.1所示的傳動方案，由于考慮高壓輸電導線除冰劑是在高空作業(yè)，不適合帶有笨重的變速箱，在考慮到空間和減速機構的重量、安裝等的問題，本設計直接采用減速器與電機一體的裝置，這樣制作比較簡單可以降低成本，減少重量和提高空間利用率。動力由電機提供再通過在電機上的減速器輸出一定的速度在通過鏈輪把動力傳給軸Ⅰ、Ⅱ。
2） 該輸電線輪式除冰機工作時的速度較低，所以選擇08A
3） 材料選擇。由鏈輪的失效形式可知，一般鏈輪失效的形式有（1）鏈板疲勞破壞即鏈在松邊拉力和緊邊拉力的反復作用下，經過一定的循環(huán)次數，鏈板會發(fā)生疲勞破壞。在正常的潤滑下，疲勞強度是限定鏈傳動承載能力的主要因素；（2）滾子套筒的沖擊疲勞破壞即鏈傳動的嚙入沖擊首先由滾子和套筒承受。在反復多次的沖擊下，經過一定的循環(huán)次數，滾子、套筒會發(fā)生發(fā)生疲勞破壞，這種失效形式多發(fā)生于中、高速閉式鏈傳動中；（3）銷軸與套筒的膠合即潤滑不當或速度過高時，銷軸和套筒的工作表面會發(fā)生膠合。膠合限定了鏈傳動的極限轉速。（4）鏈條鉸鏈磨損即鉸鏈磨損后鏈節(jié)變長，容易引起跳齒或脫齒。開式傳動、環(huán)境條件惡劣或潤滑密封不良時，極易引起鉸鏈磨損，從而急劇降低鏈條的使用壽命；（5）過載拉斷即這種拉斷常發(fā)生于低速重載或嚴重過載的傳動。綜上，設計鏈輪時，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，要有較高的抗折斷的能力。因此，小鏈輪的嚙合次數比大連輪多，所受沖擊力也大，故所用材料一般優(yōu)于大鏈輪。常用的鏈輪材料有碳素鋼（如Q235、Q275、45、ZG310-570等），灰鑄鐵如（HT200）等。重要的鏈輪可采用合金鋼。
2 鏈輪尺寸設計
大鏈輪的尺寸計算（如表3.1）
表3.1 大鏈輪的計算
序號
名稱
符號
計算區(qū)域
計算結果
1
節(jié)距值
p
數值1
數值2
鏈號
鏈號
25.4
16
06
9.525
2
分度圓直徑
d
P
度數
Z
9.535
180
30
0.10452
91.12
3
齒頂圓直徑
d
數值
p
91.12
1.25
9.35
6.35
95.24
4
齒根圓直徑
d
91.12
6.35
84.77
5
最大齒根距
奇數齒
84.65
偶數齒
0.99862953
84.77
通過計算：
大鏈輪的尺寸計算節(jié)距為9.525
分度圓直徑為91.12
齒頂圓直徑為95.24
齒根圓直徑為84.77
小鏈輪的尺寸計算（如表3.2）
表3.2小鏈輪的計算
序號
名稱
符號
計算區(qū)域
計算結果
1
節(jié)距值
p
數值1
數值2
鏈號
鏈號
25.4
16
06
9.525
2
分度圓直徑
d
P
度數
Z
9.535
180
25
0.125333
76
3
齒頂圓直徑
d
數值
p
76
1.25
9.35
6.35
80.86
4
齒根圓直徑
d
76
6.35
69.65
5
最大齒根距
奇數齒
70.65
偶數齒
0.99802672
69.65
分度圓直徑為76
齒頂圓直徑為80.86
齒根圓直徑為69.65
第四章 結構設計
4.1 傳動軸的設計
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、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，數量以及和軸聯接的方法；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。
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。
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﹑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，與齒輪和聯軸器等零件相配合部分的軸段長度一般應比輪轂長度短2～3mm。
由于軸上零件比較少。所以不需要太多的軸肩。因此設計成長度為556mm的五段階梯軸，需要在指定位置開鍵槽。軸的兩端分別有15mm的螺紋。
軸上零件的周向定位
圖4.1 軸的裝配結構
鏈輪、車輪與軸的周向定位均采用平鍵聯接。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70mm（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H8/h7；同樣車輪與與軸的聯接，選用B型平鍵 ，車輪與軸的配合為H8/h7.
由機械設計手冊得，M15螺紋倒角為2×45°；各軸肩處的圓角半徑取R1。
初步確定的軸Ⅰ的結構如圖4.1所示。
圖4.2 傳動軸
6、不需要有用有色金屬；
7、標準化程度高，成批生產，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），選擇軸承基本類型、公差等級和游隙；2.根據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?，選用人員應從不同生產廠家、眾多的軸承產品中，選用合適的類型。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；承受較大的純軸向載荷時，可選用推力滾子軸承。當軸承承受徑向和軸向聯合載荷時，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；徑向力和周向力聯合作用時，用向心推力軸承；
大小：受到較大載荷時，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)
(3-27)
顯然，軸承壽命滿足要求。
4.2 機架的設計
底座、機架、箱體、基板等零件都屬于機架零件。
機架零件可劃分為四大類：即機座類、機架類、基板類和箱殼類，對機架零件一般可提出下列要求:
(1)工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架上安裝的零部件能順利運轉，機架的外形或內部結構不致有阻礙運動件通過的突起,設置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。
(2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對機架的主要要求是剛度。如果基礎部件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會產生變形，振動或爬行，而影響產品定位精度、加工精度及其它性能。例如機床的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產率和加工產品的精度。
(3)強度要求：對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度的要求
(4)穩(wěn)定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結構及受彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，某些板殼結構也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結構會產生很大的破壞，設計時必須校核。
(5)美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。
(6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。
在滿足機架設計準則的前提下，必須根據機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項要求，并有所偏重。
(1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。
(2)結構合理，便于制造。
(3)結構應使機架上的零部件安裝、調整、修理和更換都方便。
(4)結構設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內應力小，由溫度變化引起的變形應力小。
(5)抗振性能好。
(6)耐腐蝕，使機架結構在服務期限內盡量少修理。
(7)有導軌的機架要求機架導軌面受力合理，耐磨性良好。
圖4.3 機架
第五章 三維建模
5.1 Pro/E軟件簡介
Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。
Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。
1）Pro/Engineer
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統的基本部分，其中功能包括參數化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產生及不同視圖展示（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。Pro/Engineer是一個功能定義系統，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統是直接指定一些固定數值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和