超高壓水射流破拆機器人噴槍結構設計

羅洋，祁宇明，黃賢振

（1.天津市武清區職業中等專業學校，天津300222；2.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；3.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

新產品開發

超高壓水射流破拆機器人噴槍結構設計

羅洋1，祁宇明2，黃賢振3

（1.天津市武清區職業中等專業學校，天津300222；2.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；3.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222）

我國是水泥混凝土的產銷大國，許多早期的混凝土建筑需要進行破碎和修復，而采用傳統機械破碎方式不僅效率低下，易造成環境污染和材料浪費。采用移動機器人平臺搭載超高壓水射流噴槍，可以在多種環境下對混凝土建筑物進行破碎拆除而不損傷內部結構以及周邊混凝土材料性能，優勢明顯。通過對國內外超高壓水射流破拆機器人進行研究，設計了破拆機器人機械臂架機械臂架，優化了破拆機器人機械臂架結構關鍵參數。

超高壓水射流；破拆機器人；機械臂

目前在我國采用機器人作為超高壓水射流技術搭載平臺的工程設備主要有超高壓清洗機器人、超高壓消防機器人、水切割機器人和儲油罐清理機器人[1]。與傳統機械破碎工藝相比，混凝土的超高壓水射流破碎具有以下優點：

（1）作業無振動，可以逐層破碎，這是采用應力傳遞、通透破碎的傳統液壓錘擊工藝不可比擬的，在很多工程場合極大減少了作業量。

（2）作業無粉塵現象。由于用水作業，清潔、環保，破碎作業全程不出現粉塵，保障了人身安全，降低了社會危害。

（3）極好的粗糙結合面，不遺留粉塵和疏松雜物，有利于新鋪材料與舊結合面的良好結合，其對橋梁道面維護極為重要，南京長江大橋橋面屢鋪屢毀、凹坑遍布，就是機械破碎未形成良好結合面的原因[2]。

噴槍是高壓水射流破拆機器人的末端執行器，負責機器動作的執行，由于高壓水在進行破拆過程中具有較大的反作用力，所以需要設計一個可以緩解反作用力，可以穩定執行破拆作業的執行裝置。本文依據水力破拆的實際作業工況設計出一種可以緩解高壓水反作用力的噴槍及機器人連接移動機構，并通過對機械結構的分析實現對噴槍機械結構的優化。

1 噴槍的設計

1.1 噴槍機械結構設計

噴槍屬于管型物件，其一端固定著高壓噴嘴，一端連接高壓水管，對噴槍桿進行機械固定時還需要考慮其破拆時的擺動動作。噴槍的擺動以及整個噴槍固定機構的擺動均采用液壓馬達進行帶動，但兩者具有一定的區別，噴槍的擺動動作是由一個曲柄搖桿機構進行驅動，液壓馬達帶動曲柄，曲柄通過連桿以及具有減震塊的鉸鏈連接在噴槍的固定件上；為了方便噴槍的更換同時確保其工作過程中的安全性能，噴槍通過夾塊以及高強度螺栓進行固定，以保證工作時噴槍在反作用力的作用下不產生滑動和脫落。

根據對破拆噴槍固定方式、驅動方式及破拆功能需求的綜合分析，利用三維繪圖軟件對破拆噴槍的固定機構進行了簡要的設計，其設計模型如圖1所示。

圖1 噴槍三維圖

1.2 噴槍結構參數優化

將破拆機器人噴槍擺動機構結構圖取出進行分析，噴槍擺動軸線水平距離馬達旋轉中心距離為105 mm，噴槍擺動軸心距旋轉中心垂直方向為85 mm，連桿與噴槍固定機構鉸接點距旋轉中心為75 mm.根據該機構圖，作機構簡圖，如圖2所示。

圖2 噴槍擺動機構簡圖

根據設計要求的噴槍擺動角度為±10°，對該機構的曲柄偏心距AA1以及曲柄桿長A1B進行計算。

由AO＝151 mm，DO＝85 mm，且AO⊥DO，可得：

由余弦公式可得：

可得：

可得曲柄偏心距為：

連桿長為：

2 噴槍托盤移動機構設計

2.1 噴槍托盤移動機構機械結構設計

超高壓水射流破拆機器人噴槍能夠在一定的水平橫向范圍內進行移動，通過橫向的往復運動，控制噴槍在水平方位的破拆作業，擴大橫向混凝土的破拆范圍，其三維模型圖如圖3所示。

圖3 噴槍托盤移動機構三維設計圖

托盤移動機構包括托盤支架、托盤導向輪、托盤面板、齒輪齒條傳動件以及液壓驅動馬達等部件。其中托盤支架承受噴槍固定以及運動機構的重量，同時支架的底部還裝有防護罩，防止在混凝土破拆過程中，破碎的混凝土飛出傷人。托盤機構通過托盤面板四角的導輪在支架上的“V”型槽內滾動，平面設計圖如3所示。托盤面板上固定有液壓驅動的馬達，液壓馬達經過減速箱將動力傳遞給穿過托盤面板的小齒輪，而對應的齒條固定在支架上，通過齒輪的轉動，小齒輪帶動整個托盤在支架上運動。

2.2 噴槍托盤移動機構參數優化

根據托盤齒輪齒條傳動的設計要求，確定小齒輪參數m=2.5，z=30，根據托盤快速移動速度vmax=0.2 m/s，可求得小齒輪轉速

液壓馬達轉速

其中i為減速器傳動比。選定馬達額定工作壓力p2=16 MPa，綜合考慮系統總功率以及使用維修性，泵的功率應小于2.5 kW，選取CMK04型外嚙合齒輪液壓馬達。其參數見表1.

表1 齒輪馬達參數表

根據表1以及馬達轉速，計算馬達輸入功率其中η為總效率，滿足功率要求，通過減速機減速后的小齒輪輸出轉矩：

T＝T0·i·η'=10.82×30×0.75=243.45 N·m（8）

其中η'為減速機傳動效率。

托盤通過支重輪在支架上移動時，會受到來自支架的摩擦阻力，為克服摩擦阻力驅動托盤運動所需最大轉矩為：

式中：

N為支重輪受到的正壓力（N）；α為V型導軌夾角，通常取α＝90°；h為支重輪距小齒輪中心水平距離（m）；μ為導軌的動摩擦因素，其值可以參考相關設計手冊；k為傳動效率；

取μ=0.2，k=0.8則

而小齒輪輸出轉矩T≥Tmax，因此該齒輪馬達滿足設備動力需求且可適當過載。

經過優化后的噴槍托盤移動機構通過螺栓和旋轉馬達與噴槍相連接，組成超高壓水射流破拆機器人的機械臂系統，其三維模型如圖4所示。

圖4 機械臂架三維設計圖

3 結束語

以超高壓水射流破拆機器人作為執行機構的混凝土破拆裝備能夠針對不同類型、不同混凝土材質的建筑物進行破拆作業，而作為其執行裝置，破拆機器人采用液壓驅動的履帶式移動底盤作為行走部件，以及具有多個自由度的機械臂作為其噴槍的夾持和動作機構，能夠靈活的應對其所面對的待修復或破碎的混凝土結構。本文采用三維造型軟件對破拆機器人噴槍結構以及噴槍托盤移動機構進行了結構設計，并進行了參數優化，為后續的機械臂架建模和動力學仿真分析做好了準備。

[1]祁宇明，鄧三鵬，王仲民，等.坍塌現場高壓水射流破拆機器人系統研究[J].機械設計與制造，2013，（6）：209-211.

[2]邢嘉珍.超高壓水射流破拆機器人設計與研究[D].天津：天津職業技術師范大學，2015.

Ultra High Pressure Water Jet Breaking Gun Structure Design of Robot

LUO Yang1，QI Yu-ming2，HUANG Xian-zhen3
（1.Tianjin City Wuqing District Occupation Specialized Secondary Schools，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China；3.Tianjin Occupation Technology Normal University Robotics and Intelligent Equipment Research Institute，Tianjin 300222，China）

China is the cement production and sales，many early concrete buildings need to be broken and repaired，and the use of the traditional mechanical crushing method is not only inefficient，causing environmental pollution and waste materials.The mobile robot platform is equipped with super high pressure water jet gun，which can demolish the concrete structure in many environments without damaging the internal structure and the performance of the surrounding concrete material.Based on the research of the super high pressure water jet demolition robot at home and abroad，the mechanical arm frame of the robot arm is designed，and the key parameters of the robot arm structure are optimized.

ultra high pressure water jet；rescue robot manipulator

TH113.2

：A

：1672-545X（2017）01-0073-03

2016-10-10

國家科技支撐計劃課題（2015BAK06B04）；天津市科技支撐計劃重點項目（14ZCZDSF00022）；天津市智能制造科技重大專項（15ZXZNGX00260）；國家自然科學青年基金項目（61301040）

羅洋（1975-），男，天津武清人，學士，中學高級，研究方向：機器人技術及應用。