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1、 变电站巡检机器人设计摘 要：变电站是电力输送中的重要一环，变电站内每个设备的运行状况需要定期的进行安全检查。随着智能化机器人的推广，电子技术的不断提高，变电站的巡检工作由人工转移到了巡检机器人的身上。同时应用机器人进行巡检，在大大提高了巡检效率的同时，减少了人工巡检的安全问题。本设计的变电站巡检机器人，是针对变电站室内外的巡检设计的一个变电站智能巡检机器人系统。机械结构方面设计了一种轮式移动底盘，用以实现机器人的行走移动；以及一种基于滚珠丝杠的伸缩杆与可进行旋转及俯仰功能的云台，用以实现云台的升降旋转与俯仰来实现对设备的不同部位的信息数据采集；电气控制方面采用单片机进行控制，对电机与各传感器
2、、相机进行控。关键词：变电站；巡检；机器人；伸缩杆；轮式移动底盘；云台 全套图纸加扣 3346389411或3012250582IIAbstract：Substation is an important part of power transmission. The operation of each equipment in substation needs regular safety inspection. With the promotion of intelligent robots and the continuous improvement of electronic techn
3、ology, the inspection work of substation has been transferred from artificial to inspection robot. At the same time, robot inspection can improve the efficiency of inspection and reduce the safety problems of manual inspection. The substation inspection robot designed in this paper is an intelligent
4、 inspection robot system for indoor and outdoor inspection of substation. In the aspect of mechanical structure, a kind of wheeled mobile chassis is designed to realize the walking and moving of the robot; in addition, a kind of telescopic rod based on ball screw and a pan tilt which can rotate and
5、pitch are designed to realize the lifting, rotating and pitching of the pan tilt to realize the information and data collection of different parts of the equipment; in the aspect of electrical control, a single- chip microcomputer is used to advance the motor, sensors and cameras Row control.Keyword
6、s: Substation; patrol inspection; robot; telescopic pole; wheeled mobile chassis; pan tilt目录摘要I目录III3. 绪论13.1 选题背景13.2 国内外研究现状14. 确定具体方案44.1 移动方式确定44.2 导航方式选择44.3 巡检云台方案54.4 控制部分方案65. 机械结构设计75.1 云台部分75.2 伸缩杆部分255.3 轮式底盘部分316. 电气控制部分376.1 导航设备选型386.2 主控单元406.3 机器人动作部分控制电路416.4 信息采集控制电路476.5 无线传输设备496
7、.6 电源选型536.7 其它功能模块555 总结602.1 整体设计总结602.2 可行性分析602.3 不足与展望61参考文献62翻译部分65 IIIContentsAbstractIIContentsIV1. Introduction11.1 Purpose and significance of the topic11.2 Research status at home and abroad12. Determine the specific plan42.1 Movement mode determination42.2 Guidance mode selection42.3 Ins
8、pection holder program52.4 Control part scheme63. Mechanical design73.1 Camera platform73.2 Telescopic rod part253.3 Wheeled chassis314. Electrical control section374.1 Selection of navigation hardware384.2 MCU404.3 Robot control circuit414.4 Information acquisition control circuit474.5 Wireless tra
9、nsmission equipment494.6 Power supply selection534.7 Other functional circuit555. Conclusion605.1 Overall design summary605.2 Feasibility analysis605.3 Deficiency and prospect61References62Translation section65IV1 绪论1 绪论Introduction 选题背景（Background of the topic）变电站作为电力传输系统中的一个重要组成部分，站内设备主要分为一次设备与二次设
10、备。一次设备的主要工作将来自发电厂的电进行变换电压，对电能的集中管理，并电能分配到用户或其余比较小型的变电站。二次设备主要是为一次设备提供控制监控保护的设备。目前 220kV 变电站一周进行两次常规巡检，主要巡检内容为设备外观、温度，仪器仪表状态等。此外，还有一个月进行一次的全面巡检。则巡检内容更为广泛。同时，随着国内工厂的增多，家用电器种类越来越丰富，导致用电用户及用电量持续增加，因此对变电站的更对的电能管理的能力也提出了要求，必须扩大占地面积，引入更多的电力设备。而设备的增加， 导致变电站运行维护人员的巡检任务随之急剧增加。而机器人可根据不同的工作环境需求，装配不同的检测传感器，依照预先设
11、定的巡检路线及巡检工作内容，自动移动到指定地点开展巡检工作。用机器人来进行巡检工作，可通过为机器人增加防水的设计，减少天气等因素对机器人巡检工作的影响，可在巡检云台上增设补光灯，使得巡检机器人在夜间也可正常巡检。同时，机器人巡检与人工维护两者结合开展工作，大大提高了变电站巡检效率。同时也减少变电站运行维护工作人员的巡检任务。从 2009 年起，国家确定了一个未来十年的目标，旨在建设高度智能化的电网系统。充分运用自动化技术与互联网技术等先进技术对我国的电网系统进行整合。随着国家工业产业规模的不断扩大，越来越多的生产制造厂商进入国内，为保持经济的持续增长，为工厂提供安全稳定电力，安全、可靠的电力输
12、送及转换的设备变得非常的重要。保证电力设备能安全正常的运行，是变电站等场所成功运行之后工作人员的主要任务。现如今已有部分电网公司的变电站成功投入巡检机器人进行巡检工作。将来巡检机器人将会在越来越多的场景看到。用巡检机器人代替人工来完成巡检工作的无人化巡检方式发展趋势将逐渐明显。 国内外研究现状（Research status at home and abroad）机器人技术通过电子技术与传感器技术的结合，现如今已有了较大的进步与发展，同时机器人也在消防灭火、仓储搬运、医疗服务等领域得到广泛应用。者得益于世界上各个国家的科学家及早就开始了对机器人的研究工作。在 1980 左右，众多国家的科学家与
13、工程师都开展了巡检机器人的研发工作。并且成果丰富，77为后来的进一步的研究夯实了基础，其中有日本四国电力公司研发的用于变电站设备监控的移动巡检机器人。该机器人利用路面上的轨道，完成移动动作，如图1-1 所示，该机器人同时搭载了可见光图像采集与红外成像仪等设备，并且在两侧配有补光灯，方便夜间巡检。可对变电站的电力设备实时监控。图 1-1 变电站设备巡检机器人 Figure 1-1 Substation equipment inspection robot2008 年，经过美国电科院成功研制出一种输电线路巡线机器人，并将该机器人将名为 TI。对比其它的巡巡线机器人，TI 巡线机器人有显著的创新点，
14、体现在该机器人不仅仅是从电缆上获取电能，在一些特殊情况下，还可利用太阳能作为其备用电源。如图 1-2 所示，该机器人表面装配有太阳能板。TI 巡线机器人具有数据上传功能，在后台的管理系统里，用户能看到高清巡检图像，输电线路的故障诊断结果报表等数据。图 1-2 TI 巡线机器人 Figure 1-2 TI line inspection robot2005 年，中国首台“变电站巡检机器人”问世了，该机器人主要由山东电力研究院与鲁能智能公司合作研究开发。投入山东电网开展巡视检查工作，经过十天的各项综合测试，得出其巡检效果与人工巡检相差无几。10 月下旬，机器人在长清 500kv 变电站“上班”巡逻
15、检查，移动机器人上装配了两个图像采集设备， 这相当于巡检机器人的眼睛，分别是红外热成像、可见光成像。还配备了拾音器等多种传感器，该机器人在强电磁干扰的情况下也能进行正常的巡检工作，适合于超高压变电站应用。2016 年，龙岩供电公司 220kv 赤水变电站全面实现无轨智能机器人巡检。如图 1-4 所示。在导引方式的选择上，该机器人采用激光导航技术，底盘行走方案采用的是承载能力较强、运动平稳的四轮驱动技术，该技术使得该机器人能适应更多不同的路况，同时具有一定的越障能力。同时，机器人利用电源管理模块， 通过剩余电量的判断，当电量低于一定值时自动返回充电桩自主充电，巡检机器人的投入提高了巡检效率，为在
16、恶劣天气下完成巡检工作提供了可能。除了图像数据信息的采集之外，基于该机器人车体上装配的各类传感器，该机器人还可对设备温度、大气压力、泄漏电流等进行检测，并在出现异常检测数值时，向后台管理系统操作人员发出警示。福建电网龙岩供电公司管理的赤水、园田等变电站也采用该巡检机器人与少数工作人员进行配合共同开展巡检工作。2018 年，宁波第一台变电站室内巡检机器人投入运行，国家电网宁波市鄞州区供电公司与科研机构合作立项，研发了变电站室内巡检机器人。由图可看到， 该机器人上部有一个俯仰旋转云台，云台两侧为相机机舱，机舱内则装有工业相机与热成像仪。机舱上部装有补光灯，即使光照条件较差条件下可智能辨识变电站测控
17、设备、液晶显示屏、空气开关位置和压板的状态，通过无线数据通讯，向远程后台管理系统传输各类数据以及检测到故障时发出警示，实现了全天候无阻碍自主全面巡检。其后台监控系统软件即时监控显示器画面如图1-5 所示。同时， 该机器人亦可执行管理系统后台下达的独立巡检任务。巡检机器人还有智能的电源监控系统。检测到剩余电量值低回程所需的电量时，由主控单元下达指令，自动返回机器人充电室充电。图 1-4 福建电网第一个无轨巡视机器人 Figure 1-4 Fujian Power Grid's first railless patrol robot图 1-5 巡检机器人系统即时监控软件 Figure 1-
18、5 Real time monitoring software for inspection robot system2 确定具体方案26 确定具体方案1 Define specific plan 移动方式确定（Movement mode determination）机器人的移动机构包括以下几种：（1）固定轨道式机构。它需要预先铺设轨道，较常见的为吊轨式，移动机器人车体沿着铺设好的轨道移动，该种机构的定位实现方式较为简单，可通过在轨道上粘贴 RFID 标签可实现较为精准的定位。由于其移动依靠轨道的铺设，因此改变轨道铺设形式，即可实现多维度的移动。可在已经铺设轨道的空间内任意移动。比较适用于室内
19、环境。缺点是当需要改变行走路径时，需要拆卸轨道重新安装，较为麻烦。（2）轮式机构。轮式结构像生活中常见的交通工具汽车一样，基本原理较简单，转向移动方便，控制也较为方便，有一定的越障能力，能适应一般地形。（3）仿生腿式机构。即模仿生物的行走方式，设计多自由度的结构，使其对不同的地形都能适应。也是今年来较热门的研究方向。但该技术还处于不太成熟的阶段，且方案实施起来过于复杂。生产制造及后期维护成本都较高。难以商业化推广。（4）履带式机构。它在现有的大型工业机械中如挖掘机、钻孔机等都有广泛应用，另外军工中的坦克、特种救援车辆等也有应用履带式结构。其抓地力强，有优异的越障能力。移动过程车体平稳。缺点是结
20、构复杂，还有体积较大机动性差等缺点。但其发展已久，有较多成熟的案例可作设计参考。相比较之下，本设计的巡检机器人，考虑到变电站内路况较好，采用轮式底盘驱动，性价比更高。其对比仿生腿式与履带式机构具有结构简单、开发成本低、控制较简便等优势。相比轨道式，轮式移动具有更好的灵活性与速度，无需预设轨道。本次设计采用轮式移动底盘。 导航方式选择（Guidance mode selection）常用的移动机器人的导航控制技术有下面几种，如磁条导航技术、激光反射光导航技术、惯性式导航技术、SLAM 激光导航技术、视觉导航技术等。这里需要根据不同导航方式的特点及使用环境、成本等进行方案的确定。（1）磁条导航。这
21、是一种较为成熟的技术，利用车身上的传感器，测量行走线路上的磁场信号， 通过算法获得车身与目标的位置关系，以此实现车辆导航。磁条导航需要提前铺设磁条，但铺设过程较为简单，所以线路多次修改也无太大的成本消耗。（2）激光反射光导航。这种导航方式需要依靠在移动路线的周围安装激光反射装置，基本原理为在激光传感器的发射端在发出激光的同时，其接收端也在高频率的接收反射板反射过来的激光，记录接收端接收到反射激光的角度，并计算发射与接收之间的时间差，来计算距离，通过计算机算法，就能判断巡检机器人当前的位置和方向。从而实现导航。由于数据采集频率很高，该导航技术定位精准，缺点就是成本较高，需另外安装激光反射装置。（
22、3）SLAM 激光导航技术，与前面的激光反射导航不同，它不再需要激光反射装置。而是通过激光扫面工作环境，进行实时建图。在后续的巡检移动过程中，通过对比激光扫描到的信息与地图中的信息相比对，完整定位与行走路线的规划。（4）视觉导航技术。该导航技术也是像SLAM 激光导航技术一样，通过摄像头扫描环境的图像信息，自主构建地图，通过图像信息来进行导航与定位。在实际应用中具有较高灵活性，但图像信息的处理对 CPU 的性能要求较高，目前该技术的成熟度一般。对变电站的巡检机器人来说，不仅仅要检测电力设备外观，还要对站内各设备如电气柜等设备的的开关状态、指示灯、指针表与液晶屏读数等进行图像采集。目前，巡检机器
23、人大多数采用的是磁轨道导航和激光反射导航。综上所述，通过各导引方式的对比，再加以从便捷性、经济性和安全性的考虑，本次设计打算选用激光反射导航方式。 巡检云台方案（Inspection holder program）巡检云台是本次设计中变电站巡检机器人的检测核心部分，其需要能实现系列日常巡检的基本检测功能，其相当于代替人工巡检中人的眼，即完成视觉方面的检查与信息方面的提取记录。与此同时其还需要代替人工巡检时人工使用的检测设备，故其要能全面的完成多类型的检测。根据本次设计题目要求与变电站巡检系统的特性，云台需要搭载高清摄像头以完成图像的采集，获得图像一方面是为了通过内部程序等对比图像数据分析设备的
24、仪器仪表值、设备的开关及指示灯之类是否正常等，另外一方面是为了能将图像传输至客户端或上位机以便负责人员实时查看。云台自身还需要实现一定的动作来实现巡检对象、巡检范围的覆盖，本设计中考虑实现摄像头的升降、旋转、俯仰三个自由度。考虑到电气柜体可能具有的高度、设备布置高度等，需要实现较大范围的升降，从减小尺寸、便于巡检机器人搭载的方面考虑，选择使用多级的伸缩杆的机构实现升降功能。而云台的旋转因为搭载设备主要是工业相机与热像仪，负载极小，故只需考虑功能实现的便捷性、经济性与尺寸的合适度，最后将旋转部分与俯仰部分设计成结构较紧凑的一体化设计。 控制部分方案（Control part scheme）变电站
25、巡检机器人的电控功能主要需要实现五大部分:导航部分（导引路径、定位），行走部分（驱动、转向），位姿调整部分（云台升降、云台旋转、云台俯仰），信息采集部分（图像采集、传感信息采集）以及各信息的通讯传输。同时该部分还要涉及电源供电的分配控制。考虑到功能的多样化，中控制器选用STM32。图 2-1 控制系统组织结构图 Figure 2-1 Organization chart of control system3 机械结构设计2 机械结构设计5 Machine structure design图 3-1 变电站巡检机器人的机械部分组成 Figure 3-1 The mechanical parts
26、of the substation inspection robot如图 3-1 所示，整个巡检机器人的机械系统结构主要分为 3 个部分。云台部分为巡检工作中最重要的部分，可完成可见光与红外热成像的图片采集；伸缩杆部分可以让巡检机器人适应多样的巡检工作，使得该巡检机器人不仅能对室外的高大变电设备进行检查，也能在室内对不同高度的电气柜等设备进行巡检工作； 底盘部分则赋予巡检机器人灵活移动的能力。5.1 云台部分（Camera platform）5.1.1 成像设备选型本设计中变电站巡检机器人的，配合后台巡检系统软件，可完成的对变电站内环境的监测、仪器仪表的具体参数状态监测，站内相关变电设备温度的
27、监测及局部放电现象的监测。考虑到监测目标的多样性与复杂性，同时需要实现实时监控，基于上述因素的考虑，本设计选用可见光摄像仪与红外热成像仪来代替人工完成巡检工作。（1）可见光摄像仪考虑到变电站巡检环境的复杂，需要监控多种设备，且不同的设备距离巡检机器人的距离不一样，需具备对焦功能以适应巡检工作，本设计采用海康高清可变焦 IPC 摄像头，配置的高清摄像头有光学变焦功能（标配为 4 倍变焦，高配为18 倍变焦），拍摄画面为 2K 高清图像。具体型号为 DS-2CD4035FWD-(A)(P)300 万 1/2.8" CMOS ICR 枪型网络摄像机。图 3-2 海康威视 IPC 300 万
28、像素枪型网络摄像机 Figure 3-2 Hikvision IPC 3 megapixel gun-type network camera表 3-1 摄像头规格参数 Table 3-1 Camera specifications传感器类型 1/2.8" Progressive Scan CMOS 快门 1 秒至 1/100,000 秒 自动光圈 DC 驱动(-P:支持 P-Iris) 背光补偿 支持，可选择区域 聚焦 -A: 支持 ABF 辅助聚焦 工作温度和湿度 -3060,湿度小于 95%(无凝结) 电源供应 AC24V±10% / DC12V±10% /
29、PoE 功耗 6W MAX (当 ICR 切换时,9W MAX) 尺寸（mm） 69.8×58×145 重量 830g （2）红外热成像仪图 3-3 FLIR A310 红外热像仪Figure 3-3 FLIR thermal imaging camera综合考虑工作环境与巡检工作的内容，本设计采用 FLIR 红外热像仪进行红外成像的工作，这有助于提前检测和诊断出即将发生的故障。利用红外热像仪，可以轻松扫描温差和热点，以定位问题区域并诊断问题。FLIR A310 配备一台 320×240 像素的氧化钒（VOx）微测辐射热计，能够检测出小至 50 mK 的温差。表
30、3-2 FLIR A310 红外热成像仪规格参数 Table 3-2 FLIR A310 infrared thermal imager specifications视场角（FOV） 25°×18.8° 焦距 18mm 红外分辨率 320×240 像素 对象温度范围 20 至+120°C 0 至+350°C 尺寸（长×宽×高） 170×70×70 mm 外接电源管理 12/24 VDC 功耗 绝对功率最高 24W 尺寸（mm） 69.8×58×145 重量 700g 5.1.
31、2 一体化云台设计（1）具体参数表 3-3 云台基本规格参数 Table 3-3 Camera platform specifications水平预置位速度100°/s（16.6r/min）垂直预置位速度80°/s（13.3r/min）水平手动控制速度0°60°/s垂直手动控制速度0°40°/s水平角度360°无限位旋转垂直角度-90°+90°可见光摄像头重量830g红外热成像仪重量700g（2）具体方案云台作为巡视工作中的重要部分，需要拥有较强的拍摄能力的同时，还应具有类人眼一样的可多方向进行视频图片采
32、集的能力。这就需要云台具有多个自由度。本设计的一体化云台，拥有水平方向360°无限位旋转的能力以及垂直方向90° + 90°旋转能力，配上可升降的伸缩杆，则该云台将具有 3 个自由度，可达到多方位巡检的能力。两个方向的机械传动均采用齿轮传动实现摄像头的两个方向的旋转。（3）云台结构尺寸结合选择的可见光摄像头和红外热成像仪的尺寸，在云台设计两个相机机舱用于两个摄像头的安装。（4）垂直旋转部分机械传动设计图 3-4 云台垂直旋转部分机械传动简图 Figure 3-4 Mechanical transmission structure of the vertically
33、 rotating part of the gimbal如图 3-4 所示，电机轴上的小齿轮带动大齿轮转动，使得回转轴转动，而回转轴两侧与相机机舱固定，使得相机机舱实现的垂直方向旋转的功能，也就是相机的俯仰。1）电机初选：a.换算到电机轴上的总转动惯量：𝐽𝑥 = 𝐽1 + 𝐽2/𝑖2 式中：𝐽 𝑥 换算到电机轴上的总转动惯量；𝐽1为轴 1 上回转体的转动惯量；𝐽2为轴 2 上回转体的转动惯量；𝑖 为电机轴到转轴的传动比。b.由于回转轴是
34、空心轴，为简化计算过程，查得常用旋转体的转动惯量计算公式，回转轴与齿轮均简化成如图 3-5 所示的圆柱筒。图 3-5 常用回转体转动惯量 Figure 3-5 Rotational inertia of commonly used rotating bodies𝑒计算公式为：𝐽 =𝐾𝑚𝐷2 4(𝑘𝑔 𝑚2)式中：𝑚旋转体质量(通过 Creo 建模估算)；𝐾 系数，如图回转体取𝐾 = 0.5；𝐷Ү
35、90;旋转体的飞轮计算直径，如图回转体𝐷2 = 𝐷2+𝐷2。c.经过初步计算得： 轴 1 上回转体转动惯量𝑒12𝐽1= 𝐽小齿轮𝐾𝑚𝐷2𝑒=40.5 × 1.83 × 102 × (52 + 182)=4= 0.803𝑘𝑔 𝑚𝑚2轴 2 上回转体转动惯量（通过 Creo 建模测得）𝐽2 = 𝐽大齿轮 +
36、9869;水平轴 + 2 × 𝐽相机机舱 = 14883.40𝑘𝑔 𝑚𝑚2带入得换算到水平电机轴上得转动惯量𝐽𝑥 = 𝐽1 + 𝐽2𝑖2 = 0.00093 𝑘𝑔𝑚2d.假定垂直旋转的速度从 0 加速到 80°/s 时间需要的为 0.1s。则其角加速度𝜀 = 40 𝜋(𝑟𝑎𝑑/⻖
37、4;2)。电机角加速度𝜀 = 𝜀𝑖 = 160 𝜋(𝑟𝑎𝑑𝑠2) 9则垂直旋转的负载转矩𝑇𝑟= 𝐽 𝜀9= 0.00093 × 160 𝜋 = 0.0519(𝑁 𝑚)𝐿𝑥 𝑟9最大静力矩 𝑇 = 2𝑇𝐿 = 0.104(𝑁 ⻕
38、8;)考虑到在巡检机器人在移动中会受到许多不确定的因素影响，云台垂直旋转所需要的扭矩会受到一些运动因素的影响，同时为了断电后云台仍能保持断电前的姿态。本设计选用 35MM 电磁制动步进电机，断电自动刹车。2）齿轮传动计算：初步拟定已知条件为：传动比𝑖 = 4，𝑛2 = 13.3𝑟/𝑚𝑖𝑛，工作寿命为80000。a.确定所设计的齿轮类型、压力角、精度等级、材料及齿数：直齿圆柱齿轮，压力角 20°；7 级精度；材料小齿轮采用 40Cr，齿面硬度 280HBS， 大齿轮采用 45 钢，面硬度 2
39、40HBS；小齿轮齿数 18，大齿轮齿数 73。b.按齿面接触疲劳强度设计：（一）由下式试算小齿轮分度圆直径：3 2𝐾𝐻𝑡𝑇1 𝑢 + 1𝑍𝐻𝑍𝐸 𝑍𝜀 2𝑑1𝑡 确定公式中的各参数值：选载荷系数𝐾𝐻𝑡 = 1.3；𝜙𝑑()𝑢𝜎𝐻确定小齿轮传递转矩，即电机的最大静
40、转矩为𝑇 = 0.3(𝑁 𝑚) = 300(𝑁 𝑚𝑚)；选取齿宽系数𝜙𝑑 = 0.5；区域系数𝑍𝐻 = 2.5；材料的弹性影响系数𝑍𝐸 = 189.8𝑀𝑝𝑎1/2重合度系数𝑍𝜀𝑎𝛼𝑎1 = arccos 𝑧1𝑐𝑜𝑠&
41、#120572;/(𝑧1 + 2 )= arccos 18𝑐𝑜𝑠20°/(18 + 2 × 1) = 32.267°𝑎𝛼𝑎2 = arccos 𝑧2𝑐𝑜𝑠𝛼/(𝑧2 + 2 )= arccos 73𝑐𝑜𝑠20°/(73 + 2 × 1) = 23.846°𝜀x
42、572; = 𝑧1(𝑡𝑎𝑛𝛼𝑎1 𝑡𝑎𝑛𝛼) + 𝑧2(𝑡𝑎𝑛𝛼𝑎2 𝑡𝑎𝑛𝛼)2𝜋= 18 × (𝑡𝑎𝑛32.267° 𝑡𝑎𝑛23.846
43、6;) + 73 × (𝑡𝑎𝑛32.267° 𝑡𝑎𝑛23.846°)2𝜋= 2.74𝑍 = 4 𝜀𝛼 = 4 2.74 = 0.648 𝜀33计算接触疲劳许用应力𝜎𝐻。查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚1 = 600𝑀𝑃𝑎
44、;、𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚2 =550𝑀𝑃𝑎。计算应力循环次数：𝑁1 = 60𝑛1𝑗𝐿 = 60 × 53.2 × 1 × 80000 = 2.56 × 108𝑁2 = 𝑁1𝑢 = 6.4 × 107查得接触疲劳寿命系数𝐾𝐻𝑁1 = 0.93，𝐾Ү
45、67;𝑁2 = 0.95。取失效概率为1%、安全系数𝑆 = 1，得𝜎𝐻1 =𝐾𝐻𝑁1𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚1=𝑆0.93 × 600= 558𝑀𝑃𝑎1𝜎𝐻2 =𝐾𝐻𝑁2𝜎𝐻𝑙𝑖𝑚2=&#
46、119878;0.95 × 550= 522.5𝑀𝑃𝑎1取𝜎𝐻1和𝜎𝐻2中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即𝜎𝐻 = 𝜎𝐻2 = 522.5𝑀𝑃𝑎试算小齿轮分度圆直径：3 2𝐾𝐻𝑡𝑇1𝑢 + 1𝑍𝐻𝑍𝐸 w
47、885;𝜀 2𝑑1𝑡 𝜙𝑑4 (𝑢)𝜎𝐻3 2 × 1.3 × 3004 + 12.5 × 189.8 × 0.648 2= ×× (0.54= 8.77𝑚𝑚（二）调整小齿轮分度圆直径计算实际载荷系数前的数据准备：圆周速度𝑣。522.5)𝑚𝑚𝑣 =齿宽𝑏。𝜋𝑑1
48、19905;𝑛1 60 × 1000𝜋 × 8.77 × 53.2=60 × 1000𝑚/𝑠 = 0.024𝑚/𝑠𝑏 = 𝜙𝑑𝑑1𝑡 = 0.5 × 8.77 = 4.39𝑚𝑚计算实际载荷系数𝐾𝐻：查得使用系数𝐾𝐴 = 1；根据 𝑣 = 0.024⻕
49、8;/𝑠、7 级精度，查得动载系数𝐾𝑣 = 1；齿轮的圆周力；2𝑇1𝑑𝐹𝑡1 =1𝑡𝐾𝐴𝐹𝑡1300= 2 ×= 68.42𝑁 8.7768.42= 1 ×𝑏4.39= 15.59𝑁/𝑚𝑚查得齿间载荷分配系数𝐾𝐻𝛼 = 1.2；查得齿向载荷分布系数Ү
50、70;𝐻𝛽 = 2.5065；由此得实际载荷系数𝐾𝐻 = 𝐾𝐴𝐾𝑣𝐾𝐻𝛼𝐾𝐻𝛽 = 1 × 1 × 1.2 × 2.5065 = 3.0078。可得按实际载荷系数计算得的分度圆直径3 𝐾𝐻3 3.0078𝐾𝑑1 = 𝑑1𝑡 𝐻
51、9905;= 8.77 × 1.3= 11.60𝑚𝑚及对应的齿轮模数𝑚 =𝑑1𝑧111.60=18= 0.64𝑚𝑚由计算结果得知，此处齿轮所承受的载荷不大，所以算得的小齿轮分度圆直径偏小，所以后面的设计主要以结构尺寸设计为主，这里取模数为𝑚 = 1。小齿轮的齿数𝑧1 = 18，大齿轮的齿数𝑧2 = 𝑢𝑧1 = 4 × 18 = 72，取𝑧2 = 73，使得⻗
52、1;1与𝑧2互为质数。4.7 其它几何尺寸计算：计算分度圆直径计算中心距𝑑1 = 𝑧1𝑚 = 18 × 1 = 18𝑚𝑚𝑑2 = 𝑧2𝑚 = 73 × 1 = 73𝑚𝑚𝑎 = (𝑑1 + 𝑑2)2 = (18 + 73)2 = 45.5𝑚𝑚计算齿轮宽度𝑏 = 𝜙𝑑Ү
53、89;1 = 0.5 × 18 = 9𝑚𝑚为避免安装误差，同时能节省材料与确保齿宽强度足够，将取小齿轮轮齿宽度𝑏1 = 12𝑚𝑚，大齿轮轮齿宽度𝑏2 = 9𝑚𝑚。4.8 按齿根弯曲疲劳强度校核：要满足弯曲疲劳强度，需有下公式成立：12𝐾𝐹 𝑇1𝑌𝐹𝑎𝑌𝑠𝑎𝑌𝜀𝜎
54、9865; =𝜙𝑑𝑚3𝑧2 𝜎𝐹（一）确定公式中的各个参数值： 计算实际载荷参数𝐾𝐹：圆周速度：𝑣 =𝜋𝑑1𝑛1 60 × 1000𝜋 × 18 × 53.2=60 × 1000= 0.05𝑚/𝑠据 𝑣 = 0.05𝑚/𝑠，7 级精度，查得动载系数𝐾
55、19907;=1.2；由𝐹𝑡1 =2𝑇1𝑑1= 2 ×300= 33.33𝑁18𝐾𝐴𝐹𝑡1𝑏= 1 ×33.3312= 2.78𝑁/𝑚𝑚查得齿间载荷分配系数𝐾𝐹𝛼 = 1.2。用插值法查得𝐾𝐻𝛽 = 1.18225， 宽高比𝑏/。𝑎 = (2
56、+ 𝑐)𝑚 = (2 × 1 + 0.25) × 1 𝑚𝑚 = 2.25𝑚𝑚𝑏 = 122.25 = 5.33结合 𝑏 = 5.33查得𝐾𝐹𝛽 = 1.14可得实际载荷系数为𝐾𝐹 = 𝐾𝐴𝐾𝑣𝐾𝐹𝛼𝐾𝐹𝛽 = 1
57、 × 1.2 × 1.2 × 1.14 = 1.64查得齿形系数𝑌𝐹𝑎1 = 2.42，𝑌𝐹𝑎2 = 2.25； 查得应力修正系数𝑌𝑠𝑎1 = 1.52，𝑌𝑠𝑎2 =1.76； 计算弯曲疲劳𝑌𝜀：𝑌𝜀 = 0.25 +0.75𝜀𝛼0.75= 0.25 += 0.5242.74查得小
58、齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为𝜎𝐹𝑙𝑖𝑚1 = 500𝑀𝑃𝑎、𝜎𝐹𝑙𝑖𝑚2 = 380𝑀𝑃𝑎；查得弯曲疲劳寿命系数𝐾𝐹𝑁1 = 0.89，𝐾𝐹𝑁2 = 0.91； 取弯曲疲劳安全系数𝑆 = 1.4，得𝐾𝐹𝑁1 𝜎𝐹𝑙𝑖𝑚10.89 × 500𝜎 = 317.85𝑀𝑃𝑎 𝐹 1𝑆1.4𝜎 = 𝐾𝐹𝑁2