城市窨井清掏机械手研究可编辑.docx

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城市窨井清掏机械手研究可编辑

城市窨井清掏机械手研究

分类号:

学校代码:

10128

UDC:

学号:

20101006

硕士学位论文类别:

全日制硕士研究生

题目:

城市窨井清掏机械手的研究

英文题目:

ResearchontheManipulatorforCleaningup

CitySewageWell

研究生:

王俊跃

学科名称:

机械工程

指导教师:

乌日图教授

二○一三年六月

原创性声明

本人声明:

所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研

究成果。

除文中已经注明引用的内容外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

究成果,也不包含为获得内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过

的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明

并表示谢意。

学位论文作者签名:

指导教师签名:

日期:

日期:

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:

内蒙古工业

大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的

复印件和磁盘,允许编入有关数据库进行检索,也可以采用影印、缩印或其它复制手

段保存、汇编学位论文。

为保护学校和导师的知识产权,作者毕业后涉及该学位论文

的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同

意,并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。

本学位论文属于保密□,在年解密后适用本授权书。

不保密□。

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名:

指导教师签名:

日期:

日期:

内蒙古工业大学硕士学位论文

摘要

城市垃圾处理是城市环境建设过程中的一项重要工作,而城市窨井及污水管道清

理又是城市垃圾处理工作中的关键环节。

在城市现代化建设过程中,极易发生生活垃

圾及工程物料掉入窨井内,导致重物堆满窨井,堵塞生活污水管道,给排污工作带来

了很多困难,甚至会发生生活污水外溢。

这给人们的生活带来诸多不便,且会影响环

境卫生。

目前城市窨井清掏重物工作主要依靠人工清掏,使用较原始清掏工具进行作

业。

人工清掏效率低下、劳动强度大及安全性差。

针对城市窨井清掏重物难于实现机

械自动化问题,设计了一种具有自适应抓取和卸载能力的大负载窨井清掏机械手。

本文分析了目前城市窨井清掏作业现状,提出了窨井清掏机的总体设计方案。

在

对工业机械手设计理论研究的基础上,阐述了窨井清掏机械手的工作过程及特点;进

行了机械手手爪运动学分析和静力计算;利用UGNX软件的设计功能,建立了机械手

和回转臂的三维实体模型,装配模型并对机械手手爪进行了运动仿真,获得了机械手

手爪的角位移、角速度和角加速度曲线。

通过手爪各曲线图,分析手爪的运动特性;

利用ANSYS软件的有限元分析功能,对窨井清掏机手爪和回转臂进行了线性静力学分

析,获得位移变形图、应力分布图和安全因子图,并对输出结果进行了详细分析。

通过对机械手进行虚拟建模、仿真、比较、修改与优化,观察并分析角位移、角

速度及角加速度曲线的变化规律,验证了所设计的机械手正确、合理。

通过对手爪和

回转臂进行有限元分析,明确了它们各自的安全系数、应力分布及总体变形情况,分

析结果证明了手爪和回转臂的结构设计安全、合理和可靠,为进一步优化设计与研究

清掏机械手提供了重要依据。

窨井清掏机械手将成为城市建设中的新亮点,对城市现

代化建设具有重要意义。

关键词:

窨井;机械手;运动仿真;有限元分析内蒙古工业大学硕士学位论文

Abstract

Urbangarbagetreatmentisanimportantworkinthecourseoftheconstructionofthe

urbanenvironment.Buttheworktocleanthesewagewellandmunicipalsewagepipeline

isthekeylinkofurbangarbagedisposal.Intheprocessofurbanmodernization,itiseasy

thatthelivinggarbageandengineeringmaterialsfallintothesewagewell,itleadstofill

thesewagewellwiththeweight,andblockthesewagepipe;itwillbringalotof

difficultiestodrainwork,evensewagespilloverwilloverflow.Itwillbringsomuch

troubletodailylife,andwillaffecttheenvironment.Now,theartificialcleaningmethodis

stillthemainwaytocleantheweight,workersusetheoriginaltoolsforhomework.The

characteristicofartificialcleaningislowefficiency,highlaborintensityandpoorsafety.In

viewoftheproblemthatitwasdifficulttorealizemechanicalautomationwithcleaning

sewagewell,akindofadaptivecrawlandunloadingcapacityoflargeloadcleaning

manipulatorwasdesignedInthispaper,thecurrentstatusofcitysewagewellcleaningwasanalyzed,theoverall

designschemeofcleaningsewagewellmachinewasproposed.Intheindustrialdesign

theorybasedontheresearchofthemanipulator,theworkingprocessandcharacteristicsof

cleaningupsewagewellmanipulatorwasexpounded;thekinematicanalysisandstatic

calculationofthemanipulator'sgripperwereworked;usingthedesigncapabilitiesofUG

NXsoftware,thethree-dimensionalentitymodelandassemblymodelofthemanipulator

andtherotaryarmwereestablished,andmotionsimulationofmanipulatorgripperwas

worked,thecurveofangulardisplacement,angularvelocityandangularaccelerationof

manipulatorgripperwereobtained.Themovementcharacteristicsofgripperwereanalyzed

witheachgraph;usingfiniteelementanalysisfunctionofANSYSsoftware,thelinear

staticsanalysisoftheclawandtherotaryarmwascarriedout,thefigureofdisplacement

deformation,stressdistributionandsafetyfactorwereobtained,andtheoutputresultsare

analyzedindetailBasedonvirtualmodeling,simulation,comparison,modificationandoptimization,the

correctnessandrationalityofthemanipulatorisverifiedbyobservingandanalyzingthe

changeruleofangulardisplacement,angularvelocityandangularaccelerationcurve.By

thefiniteelementanalysisfortheclawandrotatingarm,theirrespectivesafetycoefficient,内蒙古工业大学硕士学位论文

stressdistributionanddeformationsituationasawholeweremadeclear.Analysisresults

provedthatthestructureofthehandclawandrotaryarmweresafe,reasonableandreliable,

itprovidedanimportantbasisforfurtheroptimumdesignandresearchforthemanipulatorThemanipulatorforcleaningupsewagewellwillbecomeanewbrightspotintheprocess

ofurbanconstruction,therewillbegreatsignificancefortheurbanmodernization

Keywords:

Sewagewell;Manipulator;Motionsimulation;Thefiniteelementanalysis

内蒙古工业大学硕士学位论文

目录

第一章绪论.1

1.1课题的背景和意义1

1.2国内外窨井清淘的研究发展现状2

1.2.1国外窨井清淘的发展现状2

1.2.2国内窨井清淘的发展现状3

1.3本课题的研究内容及主要工作5

第二章窨井清掏机的总体方案设计7

2.1引言7

2.2实际作业环境及作业要求分析7

2.2.1窨井7

2.2.2井底坠落物8

2.2.3作业要求分析.9

2.3窨井清掏机的总体设计方案.9

2.3.1窨井清淘机械手.10

2.3.2伸缩臂15

2.3.3回转臂15

2.3.4清掏车底盘16

2.4本章小结.17

第三章清掏机械手的运动仿真研究.19

3.1软件概述.19

3.1.1UGNX软件简介.19

3.1.2UGNX软件的模块功能.19

3.2清掏机械手三维实体建模20

3.2.1三维实体建模种类20

3.2.2三维建模操作步骤21

3.3机械手手爪运动学分析.22

3.3.1手爪正运动学分析22

3.3.2手爪逆运动学分析24

3.4机械手的装配与运动仿真24内蒙古工业大学硕士学位论文

3.4.1机械手模型的装配.25

3.4.2基于UGNX7.5手爪机构的运动仿真.26

3.4.3仿真结果分析32

3.5本章小结32

第四章清掏机械手手爪的有限元分析33

4.1有限元法及ANSYS软件的简介33

4.1.1有限元法33

4.1.2ANSYS软件.34

4.2机械手手爪的静力计算34

4.3利用ANSYS对手爪的有限元分析.36

4.4本章小结40

第五章清掏机回转臂的设计..41

5.1回转臂建模设计41

5.2回转臂的受力分析与计算.42

5.2.1回转臂受力分析42

5.2.2回转臂受力计算42

5.3回转臂的有限元分析45

5.4本章小结49

第六章结论.51

参考文献.53

致谢.56

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果57

第一章绪论

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

我国城市化趋势预测结果显示,到2050年,我国城镇人口比重将达到78%左右,

[1]

未来40年将是我国人口城市化的高峰期。

随着区域工业化和城市化进程加快,不

断增长的人口就意味着城市生活及各种废水（垃圾）的产量会越来越多。

城市排污系

统是现代化城市建设过程中的重要基础设施,完善的排污系统是一个现代化城市的重

要特征之一。

城市排污系统畅通与否,将直接影响城市生活污水能否及时被处理。

一

旦排污系统发生堵塞,生活污水得不到及时疏通及处理,将直接影响人们的日常生活,

会给人们的生活带来不便。

建设和完善城市排污系统,是现代化城市和地区实现科学

可持续发展的需要。

生活污水内的杂物种类较多,除了日常生活废水外,污水管道内经常可见塑料垃

圾、粘稠状的生活垃圾腐烂物及淤泥等杂物,这些生活垃圾流动性较差,不容易随着

污水的流动而排出污水管道,而会长时间沉积在窨井及污水管道底部,占据较大的流

通空间,在居民生活废水产生的高峰期,极易发生污水管道堵塞。

特别是在城市建设

过程中,经常会发生石块、砖块、水泥块、路缘砖、路面沥青块、破损井盖及其座圈

掉进窨井的现象,城市窨井经常出现不易清理,甚至发生窨井及污水管道严重堵塞现

象,使得生活污水沿着下水管道从窨井口溢出,溢流到街道上,这既给人们的生活带

来了许多不便,又影响了城市的环境卫生。

窨井及其联接的污水管道属于密闭空间,管道的污水中含有大量的微生物和有机

[2]

物,有机物的分解会产生硫化氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等危险有害气体,目

前清掏窨井底部重物的工作完全是靠单纯的人工作业,工人在井下作业过程中,长时

[3]

间会吸入有毒、有害气体,严重威胁人体健康,甚至危及生命,导致人员伤亡。

可

见,城市污水管道的畅通与否关系到了人们的日常生活安全。

尽管污水管道的畅通工

作与人们的生活和城市建设紧密相关,但目前全国各城镇在这一领域的清掏技术还比

较落后,远远跟不上城市发展的步伐。

由此可见,随着城市化发展速度的加快,以前不被人们重视的机械化窨井清掏杂

物设备所暴露出来的问题越来越明显,因此,在城市窨井清掏这一领域研究和设计一

些实用的,成本相对合理的机械自动化清掏设备是非常有必要的,这方面的研究正逐

1内蒙古工业大学硕士学位论文

渐成为国内外各科研机构研究的热点,这将成为现代城市建设的新亮点。

因此,窨井

清掏机械手以其独特的应用功能,不但具有广阔的应用前景,而且该设计研究还会带

[4]

来一定的社会价值和经济效益。

城市建设机械自动化高速发展是社会和经济发展的必然结果,机械自动化的实现

不但提高了社会生产水平和改善了人类的生活质量,同时减轻了人类的劳动强度,而

且替人类做了他们干不了的、不好干的各种工作。

窨井清掏机的研究主要包括机械工

程、水下作业、自动控制、定位检测等技术。

窨井清掏设备的成功研究,将有利于实

现全国各城市窨井清掏工作的自动化,将填补这一领域尚无自动化清掏装置的空白,

对城市现代化建设具有十分重要意义。

1.2国内外窨井清淘的研究发展现状

国外窨井清淘主要采用高压清掏方式,国内主要采用机械清掏和人工清淘相结合

方式。

1.2.1国外窨井清淘的发展现状

[5]

国外目前主要采用高压清掏方式进行窨井的清淘。

美国在上世纪60年代就开

始研制自动化窨井清掏车,目前其它欧美国家如意大利、德国、英国、加拿大等也采

用这种清掏方式。

下面以美国阿奎泰克（AQUATECH）窨井清掏车为例进行介绍。

阿奎泰克公司是专门从事生产研发各类疏通窨井及管道设备的全球知名公司。

AQUATECH40年来研发出多种不同规格型号的清掏设备。

在全球几十个国家都在使用

AQUATECH窨井清掏设备。

美国AQUATECH窨井清掏车见图1-1所示。

[6]

美国AQUATECH窨井清掏车主要性能指标为:

（1）采用先进的高压真空泵方式,可连续恶劣环境中清掏作业。

（2）先进的柱塞泵能够循环利用废水。

（3）车体结构布局合理,作业视线不受影响,。

（4）高压清掏管可在较大范围内转动,车体方便变位控制与操作。

（5）采用后置卷管,可保护和减小车辆部件损坏。

（6）水箱由特种材料研制而成,不易变形,耐冲击。

（7）清掏过程要求作业人员劳动力低,过程短,产生噪音低。

（8）底盘采用国际领先的美国万国卡车底盘,美观,耐用。

2第一章绪论

图1-1美国AQUATECH窨井清掏车

Fig1-1TheAQUATECHcarforcleaningupsewagewellofAmerica

1.2.2国内窨井清淘的发展现状

国内的窨井清掏研究相对于欧美国家有一定差距,多年来主要采用人工清掏的方

式,近年来,随着城市建设和规划的发展需要,逐渐开始对窨井清掏设备机械自动化

进行研究。

[7][8]

目前,国内普遍采用机械清掏和人工清掏两种相结合的清理方式。

机械清掏式是国内常用的一种窨井疏通方法,是采用专用清掏设备对窨井进行清

掏作业的,机械清掏车见图1-2所示。

该清掏设备主要由车载底盘、起重伸缩臂、清

掏抓斗及钢丝绳索等组成,起重伸缩臂始端与汽车底盘相连,钢丝绳一端与固定在伸

缩臂小臂的绞盘相连接,钢丝绳另一端绕过起重伸缩臂末端与清掏抓斗相连,通过绞

盘的旋转,带动钢丝绳收放,从而带动清掏抓斗的升降,利用抓斗上端的液压控制系

统来实现抓斗的张合,以实现对窨井内堵塞物的清掏及处理。

该清掏设备结构比较简单,操作方便,适合于窨井管道堵塞不严重的情况,并且

其主要适用于清理窨井底部形状较小的堵塞物,但并不太适合于清掏窨井底部形状较

[10]

大的重物,抓斗与钢丝绳的连接方式属软索连接,在清掏作业过程中,钢丝绳容

易发生摆动,且不能准确定位堵塞物,抓斗的切入力不足。

这种清掏方式机械化程度

不高,需要投入的人力较大,清掏效率低下。

3内蒙古工业大学硕士学位论文

图1-2机械清掏车

Fig1-2TheMechanicalcleaningcar

对于抓取窨井底较大的石块、地砖、路缘砖、破坏井盖等重物,目前国内很多城

市还是通过人工方式进行清掏。

当窨井底部的杂物较为碎小,且窨井深度较浅时,清

掏工人只需要手持大铁勺、铁铲、铁叉,以及一些比较原始的夹具进行清淘作业,见

图1-3。

当需要清掏窨底部较大的重物,同时窨井较深时,作业工人不得不得进入窨

井进行手工清淘,见图1-4所示。

这种清理方法存在很多问题:

①工作安全性差;②

劳动强度大;③清掏效率低下;④清理效果和可靠性差。

图1-3人工清掏窨井图1-4窨井内清掏

Fig1-3ManualcleaningsewagewellFig1-4Cleaningsewagewellinside综合以上窨井清掏设备,国外引进的窨井清掏车性能较好,工作效率较高,通常

能够完成窨井及其管道的清理工作,但该清掏车体积庞大、价格昂贵、维修和使用成

本较高,不适合中小城市普及和推广;然而国内使用的窨井清掏设备价格比较低廉,

但作业效果不够理想,效率低下,且易出现机械故障,维修频率高。

本文所研究的手

4第一章绪论

爪式窨井清掏机械手结构简单、针对性强、成本低、易操作、清掏效果理想、效率较

高、容易加工制造、维修方便,特别适合于中小城市窨井底部重物清掏。

1.3本课题的研究内容及主要工作

本论文在综述近年来机械手技术研究和发展状况的基础上,结合客观实际条件,

设计了一种可以对窨井内目标物体进行稳定抓取和卸载的轻量化机械手系统。

该机械

手系统具有结构简单,外观优美,占用空间较小,多种驱动方式,安全可靠,成本低

等特点。

该设备主要用于清掏城市窨井底部堆积的重物,改变市政作业人员手工清掏

窨井重物的现状,提高现场清淘作业效率,确保城市排水管道的畅通。

论文首先通过对设计功能要求的分析,制定了清淘机械手系统总体设计方案,设

计了一种适合于自主抓取的机械手,然后分别对窨井清掏机的机械手和回转臂各零件

进行实体建模。

对机械手手爪结构分别进行静力学和动力学分析。

建立数学模型,在

此基础上利用UG软件对机械手爪进行运动仿真,验证运动学方程推导的正确性。

利

用Ansys软件对机械手爪和回转臂进行有限元分析,分析结果,验证设计机械手和回

转臂结构的合理性。

通过确定窨井清淘机械机系统总体设计方案和分析方法,为进一

步深入设计奠定了理论基础。

本课题需要完成以下几方面的研究工作:

1.设计合理的机械手系统

（1）确定清掏机械手手爪的结构

本课题所设计的机械手手爪结构应能够适应在狭小空间的窨井内作业和达到预

期工作效率。

设计合理的手爪结构,使手爪