Разработка мобильного робота (РПЗ-Белоцерковский)

Посмотреть архив целиком




СОДЕРЖАНИЕ…………………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………


1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ…………………………………………….

1.1. Технические характеристики…………………………………………..….

1.2. Тяговый расчет………………………………………………………………

1.2.1. Расчет плавучести………………………………………………………

1.2.2. Тяговый рачёт………………………………..…………………………..

1.3. Выбор конструктивной схемы тяговых приводов ТС…………………..

1.4. Бесконтактный моментный электродвигатель ДБМ…………………..

1.5. Источники энергии для МРР……………………………………………….

1.5.1. Внешние источники электропитания…………………………………

1.5.2. Бортовые источники питания………………………………………....

1.5.3. Вывод по источникам питания………………………….……………..

1.5.4. Методы эксплуатации химических источников тока………………

1.5.4.1. Эксплуатация аккумуляторов…………………………………..…

1.5.4.2. Способы заряда аккумуляторов………………………………….

1.5.4.3. Зарядка щелочных аккумуляторов и батарей…………………..

1.5.4.4. О режиме компенсационного подзаряда щелочных

аккумуляторов…………………………………………………………………….

1.5.4.5. Нестационарные режимы заряда……........................................

1.6. Качественная оценка деформаций лапки……………………………….

1.6.1. Физическое моделирование лапки……………………………………

1.6.2. Вывод по деформациям…………………….…………………………..


2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………..

2.1. Расчёт редуктора…………………………………………………………….

2.1.1. Расчёт передаточного числа редуктора………………………..……

2.1.2. Кинематический расчёт первой ступени ПР…………………………

2.2. Силовой расчёт редуктора………………………………………………...

2.2.1. Допускаемые напряжения при расчёте на контактную выносливость……………………………………………………………………

2.2.2. Допускаемые напряжения при расчёте на изгибную выносливость……………………………………………………………………

2.2.3. Расчёт параметров зубчатого зацепления ПР…………………….

2.2.4. Проверка зубьев по контактным напряжениям…………………….

2.2.5. Проверка зубьев по напряжениям изгиба………………………….

2.3. Расчёт соединений…………………………………………………………..

2.3.1. Расчёт клеевых соединений……………………………………………

2.3.1.1. Соединений «ротор-вал»…………………………………………..

2.3.1.2. Соединение «водило-вал»…………………………………………

2.3.2. Расчёт сварных соединений…………………………………………..

2.3.2.1. Соединение «фланец-корпус»……………………………………


3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………..

3.1. Проектирование технологического процесса сборки модуля борта

3.1.1. Назначение модуля борта………......................................................

3.1.2. Технические требования на сборку……….......................................

3.1.3. Подготовка деталей к сборке………………………………………….

3.1.4. Анализ технологичности конструкции....…………………………….

3.1.5. Расчет усилий запрессовки…………………………………………….

3.1.6. Нормирование времени сборочных операций……………………..

3.1.7. Обоснование последовательности и методов сборки…………….

3.1.8. Испытание сборки на работоспособность…………………………..

4. ОРГАНИЗАЦИОННО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………

4.1. Разработка, анализ и оптимизация сетевого графика выполнения работ по проектированию и изготовлению опытного образца мобильного робота разового применения…………………………………….

4.1.1. Выявление и описание событий и работ, необходимых для достижения конечных целей……………………………………………………......

4.1.2. Расчёт продолжительности работ сетевого графика……………..

4.1.3. Расчёт основных параметров сетевого графика…………………..

4.1.4. Анализ и оптимизация сетевого графика……………………………

4.1.5. Обоснование сметы затрат на выполнение опытно- конструкторских работ……………………………………………………………

4.1.5.1. Расчёт затрат на основные материалы при изготовлении опытного образца мобильного робота…………………………………………

4.1.5.2. Расчёт затрат на покупные части при изготовлении опытного образца мобильного робота…………………………………………


5. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ……………………

5.1. Общие требования к утилизации и хранению щелочных аккумуляторных батарей…………………………………………………………

5.1.1. Методы утилизации щелочных аккумуляторов…………………….

5.1.1.1. Жидкофазное окисление…………………………………………..

5.1.1.2. Гетерогенный катализ………………………………………………

5.1.1.3. Пиролиз промышленных отходов…………………………………

5.1.1.3.1. Окислительный пиролиз………………………………………..

5.1.1.3.2. Сухой пиролиз…………………………………………………….

5.1.1.4. Огневая переработка……………………………………………….

5.1.1.5. Переработка и обезвреживание щелочных отходов с применением плазмы…………………………………………………………………………………

5.1.2. Хранение химических источников тока………………………………

5.1.2.1. Хранение первичных источников тока…………………………..

5.1.2.2. Хранение аккумуляторов…………………………………………..

5.1.2.3. Профилактические мероприятия при эксплуатации щелочных герметичных аккумуляторов……………………………………………….

5.1.2.4. Заключение…………………………………………………………..


ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………….

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………


2

6


7

7

7

7

8

8

10

20

21

22

23

23

24

24

25


28

29

35

35

38


39

39

39

39

41


41


43

44

47

47

48

48

48

49

49

49


50


50

51

51

52

53

60

64

65


66



66


66

68

69

71


73


74


75


77


77

77

77

78

79

79

79

80



81

83

83

84


85

86


86

88



























ВВЕДЕНИЕ


Мобильные робототехнические комплексы (МРК) нашли своё применение в условиях повышенной радиации, загазованности или взрывоопасности, в условиях боевых действий. Мобильному роботу часто приходится работать в труднодоступных местах (завалы, пересечённая местность, помещения), в связи с чем предъявляются повышенные требования к проходимости и манёвренности.

В настоящее время существует повышенный интерес к мобильным роботам-разведчикам (МРР), способным собирать наиболее полную информацию об окружающих объектах на поле боя. Это связано, в том числе, и с увеличением угрозы террористических актов, с повышением уровня безопасности на промышленных предприятиях и в общественных местах, на открытых пространствах и в сооружениях.


















1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ



1.1. Технические характеристики


Технические характеристики МРР:

Масса мобильного робота, кг………………………………………….……....15

Масса переносного пульта управления,

кг, не более……………………………………………………..…………………10

Максимальная скорость движения, м/с………………………………………..3

Максимальная продольная база, м……………………………………………0,4

Тип движителя – 6 шлёпок, все шесть шлёпок являются основными.

Тип привода - 6 электромеханических приводов - для привода шлёпок.

Планируемое время работы до подзарядки батарей

(в зависимости от вида работ, ч)…………………………..………………...0.5... 2

Эффективная дальность управления:

- по радиоканалу на открытой местности, м……………………...………...3000



1.2. Тяговый расчёт


1.2.1. Расчёт плавучести


Исходя из условий технического задания, проектируемый мною, мобильный робот должен обладать плавучестью. Исходя из этого сила Архимеда действующая на погруженную в воду часть робота должна больше силы тяжести.

Оценим объем мобильного робота:

Определим массу, которой должен обладать предмет, вытесняющий такой объём жидкости, при которой он будет обладать плавучестью

Исходя из конструкции, только половина объёма может быть погружена в воду, соответственно и мобильный робот должен быть в 2 раза легче. Примем, что робот весит 15 кг.



1.2.2. Тяговый расчёт


Исходные данные:

- масса робота;

- радиус колеса;

- коэффициент сцепления движителя с поверхностью.


Определение потребная силы тяги:


Определение необходимого тягового момента:


Необходимый тяговый момент на одном колесе:



1.3. Выбор конструктивной схемы тяговых приводов МР


Тяговые приводы мобильных роботов (МР) предназначены для создания необходимых тяговых усилий, обеспечивающих движение МР. Приводы должны отвечать следующим требованиям:

  1. Минимальные габаритно-весовые характеристики,

  2. Возможность регулирования в широком диапазоне скоростей,

  3. Торможение МР при выключении

  4. Удобство в эксплуатации и ремонтопригодность.

На МР находят применение следующие типы тяговых приводов:

-механические,

-гидравлические,

-пневматические,

-комбинированные.

Наибольшее распространение в МР получили электромеханические приводы, называемые обычно мотор-звездочка.

Приемлемыми двигателями для данного МР являются электродвигатель ДП60-63 и двигатели типа ДБМ.

Для уменьшения массы и размеров тяговых приводов применяют планетарные и волновые редукторы. Из технологических и конструктивных соображений целесообразнее использовать планетарные передачи.

Приводы МР должны обеспечивать максимальную скорость движения в транспортном режиме работы. Этот режим работы можно реализовать применением двухрядного планетарного мотор редуктора.

С этой точки зрения наилучшими возможностями обладает привода с двигателями типа ДБМ, которые позволяют осуществить бесступенчатое регулирование тяговых и скоростных параметров МР за счет большой установочной мощности электродвигателей. При этом при малых скоростях передвижения ТС реализуется максимальный момент двигателя, а при максимальной скорости передвижения момент на двигателе ограничивается возможностями системы энергоснабжения.

Кроме того, эти двигатели позволяют наилучшим образом скомпоновать приводы с точки зрения размещения их в корпусе МР. Далее я более подробно рассмотрю данные двигатели и проведу их оптимизацию по напряжению.




1.4. Бесконтактный моментный двигатель ДБМ



Традиционное построение электропривода в виде быстроходного электродвигателя постоянного или переменного тока и понижающего редуктора в настоящее время почти исчерпали возможности повышения точности, быстродействия и надежности оборудования.

Скачка в улучшении качественных показателей можно достичь, используя тихоходные малоредукторные (безредукторные) приводы на базе бесконтактных моментных электродвигателей (ДБМ). Термин “моментный” означает, что электродвигатель спроектирован для режима вращения с малой скоростью. Ввиду конструктивных особенностей таких как:

  • встраиваемая, компактная конструкция;

  • непосредственное соединение двигателя с исполнительным инструментом;

  • большие возможности по форсированию момента за счет увеличения силы тока в обмотках статора;

  • более удобный по сравнению с другими двигателями отвод тепла, т.к. греющиеся обмотки расположены на статоре, а не на роторе как в других электродвигателях;

особенно перспективным становится их применение в приводах мотор-колесо и мотор-звездочека. Двигатели серии ДБМ могут использоваться как в номинальном режиме, так и в режиме “интенсивного” использования. Под интенсивным использованием понимается комплекс мероприятий, обеспечивающих, при необходимости, длительную форсировку машины по моменту. При таком использовании номинальный режим не устанавливается, а ограничения по применению определяются только условиями допустимого перегрева и предельными амплитудными значениями токов и напряжений.

Учитывая, что уже известны конструктивные особенности ходовой части и корпуса мобильного робота можно практически точно прикинуть габаритные размеры мотор-редуктора, ее конструкцию и тот объем, в который необходимо вписать ДБМ. Исходя из этого рассмотрим двигатель ДБМ 63-0,6-3-2 Д25. Его характеристики приведены ниже:



Наименование параметра


Значение

В режиме вентильного двигателя при базовой схеме управления и амп­литуде фазного напряжения 27В:



Частота вращения при идеальном холостом ходе, об/мин


2700-3400

Пусковой момент, Н м, не менее

0.11

Электромеханическая постоянная времени (усредненная), мс

160

Число пар полюсов

8

Сопротивление секции фазы постоянному току при температуре 20*С, Ом

7.4-9.2

Электромагнитная постоянная времени фазы, мс, не более

0.06

Момент инерции ротора,

Момент сопротивления при обесточенных обмотках, Нм, не более

Предельно допустимое напряжение питания, В

0.003

Предельно допустимая амплитуда тока в фазе (секции) обмотки стато^ pa. A

10

Термическое сопротивление статора, "С/Вт

1.0 – 1.2

Масса, кг, не более

0.32



Синхронная электрическая машина с постоянными магнитами обладает наиболее широкими функциональными возможностями по сравнению с другими видами электрических машин. При питании обмоток статора системой синусоидальных напряжений с временным сдвигом 90 эл. градусов для двухфазных и 120 эл. градусов для трехфазных машин (непрерывное управление) имеет место режим синхронного двигателя. Если на обмотку статора подавать систему разнополярных или однопо-лярных импульсов напряжения (дискретное управление с реверсивным или нереверсивным питанием), двигатель становится шаговым. При наличии обратной связи по положению ротора (локально замкнутая система), как показано на рис.1, двигатель превращается в бесколлекторный аналог двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, сохраняя присущий последнему характер механических и регулировочных характеристик, широкий диапазон регулирования частоты вращения и т.д. Этот режим называют также режимом вентильного двигателя, который может осуществляться с нереверсивным или реверсивным питанием при непрерывном или дискретном управлении.



Рис. 1. Структура вентильного двигателя с 2-фазной машиной

СМ - синхронная машина; ПК - преобразователь координат; ДПР - датчик положения ротора; ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель; УМ - усилитель мощности; М - модулятор; Uy - управляющий сигнал.


Принципиальная структура вентильного двигателя показана на рис. 1 и содержит преобразователь координат (ПК), синхронную маши­ну (СМ) и усилитель мощности (УМ) по числу фаз СМ. В наиболее распространенных аналоговых вариантах ПК используется отдельный датчик положения ротора (ДПР) в виде трехобмоточного редуктосина серии ВТ (2), хотя для безредукторных систем код утла Сможет быть снят с датчика угла главной обратной связи следящей системы.

В режиме вентильного двигателя с дискретным управлением могут быть использованы ДПР других типов (фотоэлектрические, индуктив­ные и т.д.). Подробный перечень литературы по разработке ПК и УМ приведение.

Иногда вентильный двигатель может работать и без отдельного ДПР.В этом случае сигнал углового положения ротора формируется специальной электронной схемой по другим доступным измерению координа­там: индуктивности фаз, ЭДС вращения СМ, сигналам тахогенератора и т.д.


Рис. 2.


Изменение характеристик БМП путем изменения его структуры самим потребителем, а также путем изменения формы фазных напря­жении или переключения секций обмотки статора СМ называют про­граммированием параметров. Рассмотрим, для примера, возможности которые предоставляет потребителю двухфазный четырехсекционный двигатель серии ДБМ, принципиальная электрическая схема об­мотки статора которого показана на рис.2


Если секции каждой фазы соединить между собой последовательно (рис 3 а), то в режиме вентильного двигателя при непрерывном управлении и реверсивном питании (рис.4,а) его механическая характери­стика при амплитуде фазного напряжения U изображается на рис.5 прямой 1 (примем ее за базисную).






Рис. 3а

Рис. 3б

Рис. 3в


Если при том же управлении и том же напряжении использовать только по одной секции каждой фазы (рис.3б), механическая характе­ристика изменит свою жесткость и изображается на рис.5 прямой 2.

Такой же оказывается механическая характеристика при непрерыв­ном управлении и нереверсивном питании (рис.4,б), когда в положи­тельный полупериод фазного напряжения включена одна секция фазы, а а отрицательный полупериод - другая.

Если же две секции каждой фазы соединить параллельно (рис.3,в), то механическая характеристика при непрерывном управлении и ревер­сивном питании сохраняет жесткость базисной, но при том же напряже­нии U частота вращения и пусковой момент удваиваются (прямая 3).




Рис. 4. Циклограмма изменения фазных напряженй при различных способах управления.






Рис,5. Механические характеристики в режиме вентильного двигателя при различных способах управления и включения секций фаз обмотки статора 2 - фазного двигателя (по рис. 3 и 4)

Если вместо непрерывного управления применить дискретное с ре­версивным питанием (рис.4,в), то при последовательном соединении секций каждой фазы и фазном напряжении U механическая характери­стика двигателя (прямая 4) не изменит своей жесткости, но будет лежать выше прямой I. При непрерывном управлении с нереверсивным пита­нием (рис.4,г) механическая характеристика изменит свою жесткость и занимает положение 5.

Но, кроме того, этот же двигатель допускает работу и в режиме синхронного, и в режиме шагового двигателя с реверсивным или не реверсивным питанием.

Аналогично обстоит дело и с трехфазными двигателями, принципи­альная электрическая схема которых изображена на рис.2,б Соединяя фазы различным образом и применяя различные варианты управления можно получить разнообразные механические характеристики при од­ном и том же напряжении питания.


ИНТЕНСИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Под интенсивным использованием понимается комплекс мероприя­тий, обеспечивающих, при необходимости, длительную форсировку ма­шины по моменту или полезной мощности на валу.

Встраиваемое конструктивное исполнение двигателей серии ДБМ предоставляет возможность для более интенсивного отвода выделяюще­гося в статоре тепла, а наличие постоянных магнитов с высокой коэрци­тивной силой позволяет допускать значительные перегрузки по току и чоменту. Поэтому здесь возможен и оправдан совершенно иной подход к выбору режима работы.

Концепция интенсивного использования двигателей ДБМ или при­вода на его основе в корне отличается от традиционного номинального использования (использования в номинальном режиме).

При традиционном подходе в процессе проектирования двигателя отрабатывается, испытывается и проверяется типовой номинальный ра­бочий режим (или несколько режимов), в котором исполнительный электродвигатель предполагается использовать. При этом определяются ограничения по амплитудному и среднеквадратичному значениям тока и момента, форме и амплитуде питающего напряжения, схеме управле­ния и т.д. Применение двигателей в других режимах, кроме заведомо более легких, не допускается, даже если конструкция машины, в прин­ципе, может их обеспечить.

При интенсивном использовании номинальный режим не устанавливается, а ограничения по применению определяются только условиями допустимого перегрева и предельными амплитудными значениямитоков и напряжении.

Двигатели серии ДБМ в соответствии с технической документацией на них могут применяться во всех режимах - от S1 до S8 по ГОСТ 183-74 без ограничения по частоте пусков и реверсов, при любой форме и частоте фазных напряжении (амплитуда оговаривается в документации и указана в технических данных для каждого двигателя), любои схеме соединений секций фаз и любом виде нагрузки при условии, что амплитуда тока в обмотке статора не превышает установленного значения (обычно десятикратного по отношению к току, обеспечивающему некоторый условный номинальный момент, характеризующий данный типоразмер), а конструкция теплоотвода обеспечивает температуру об­мотки не более 150'С для двигателей с пазовым статором и не более 120'С для двигателей с гладким статором в течение минимальной нара­ботки 20000ч.

Проиллюстрируем это положение на примере произвольно выбран­ного двухфазного двигателя из серии ДБМ.

На рис.6 прямой 1 изображена его механическая характеристика при напряжении 27В в режиме вентильного двигателя при последовательном соединении секций каждой фазы. Допустим при этом, что у этого двига­теля кратность пускового момента Мп по отношению к номинальному моменту Мном равна 4.


Рис.5 Механические характеристики в режиме вентильного двигателя (1,2 – при напряжении 27В; 3 – при напряжении 60 В)




При традиционном подходе продолжительный режим работы регла­ментируется зоной А левее точки номинального момента, а при интен­сивном использовании допустимая рабочая зона гораздо шире (зона Б). Прямая 2 изображает механическую характеристику этого двигателя при напряжении питания 27В и параллельном соединении секций фазы, прямая 3 - характеристику при параллельном соединении секций фезы и предельном напряжении питания 60В. Однако прямая 3 ограничивает рабочую зону только частично, вторым ограничением является 10-крат­ная перегрузка по моменту, пропорциональному предельному току.

Однако, реализация такой теоретически широкой рабочей зоны тре­бует от потребителя, с одной стороны, конструирования соответствую­щего теплоотвода и теплозащиты двигателя, а с другой стороны, опти­мизации схемы управления.

Оптимизация схемы управления для интенсивного использования, сводится обычно к следующим мероприятиям: —введение источника форсирующего напряжения; —применение непрерывного управления, обеспечивающего меньшие

потери в обмотках двигателя, чем дискретное; —уменьшение или компенсация постоянной времени усилителя-пре­образователя; —применение оптимального по быстродействию управления; —дополнительное управление по углу опережения коммутации и т.п.




1.6. Источники энергии для МРР


Для приведения мобильного робота-разведчика в движение необходим подвод энергии. Создание энергоёмкого, лёгкого, дешёвого источника питания с большим сроком службы является одной из важнейших проблем в мобильном роботостроении. Эти же проблемы стоят перед создателями транспортных средств передвижения, опыт которых в создании экологически чистых и экономичных средств перемещения может быть успешно использован для решения задач создания мобильных роботов.

Источник энергии может быть расположен как на борту МР, так и на некоторой дистанции. Далее проведено рассмотрение преимуществ и недостатков того и другого способа.


1.6.1. Внешние источники электропитания


Внешнее питание может осуществляться через кабель, намотанный на барабан.

Существует два способа размещения барабана с кабелем:

1. У поста оператора.

2. На мобильном роботе.

При размещении барабана с кабелем на МР увеличиваются габариты и вес МР. Однако при зацепе кабеля обрыва не происходит.

В ряде случаев, таких, как высокий уровень радиации, подавление управляющего радиосигнала и других, целесообразно применять кабель с размещением кабелеукладчика на борту МРР.

Второй вариант представляется более предпочтительным, поскольку изменение массы МРР будет незначительным, а также, что не менее важно, рабочая зона навесного оборудования также изменится незначительно.



В целом, размещение источников питания МРР вне мобильного робота признается для задач, решаемых проектируемым мобильным роботом, непригодным. Несмотря на облегчение самого робота, вес переносимого комплекта в целом не только не изменится, но и увеличится на массу кабеля и катушки.


1.6.2. Бортовые источники питания


Бортовые источники питания должны удовлетворять следующим требованиям:

- компактность;

- запас энергии, достаточный для удовлетворения ТЗ по дальности хода от одной зарядки;

- возможность быстрой подзарядки или замены;

- работоспособность в диапазоне температур, определяемом ТЗ;

- работоспособность при углах крена и дифферента, определяемая ТЗ;

- устойчивость к внешним динамическим воздействиям;

- низкий уровень шума.

Известные источники энергии, применимые к решаемой задаче, можно разделить на следующие типы:

1. Химические (аккумуляторные батареи);

2. Тепловые (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на газонефтепродуктах) .

Тепловой двигатель для решения поставленной задачи должен быть признан непригодным, т.к., они шумны, оставляют тепловой и визуальный след от продуктов сгорания.

Для мобильных роботов в настоящее время широко используются химические аккумуляторные батареи. Они удовлетворяют большинству из



вышеперечисленных требований. Однако у них также есть свои недостатки.

Недостатки АКБ:

- обладают меньшим запасом энергии от одной зарядки, по сравнению с дизельными мотор-генераторами;

- необходимо следить за разрядом, при разрядке больше чем на 50% свойства АКБ ухудшаются, они могут запасать меньше энергии и меньше её хранить;

- для подзарядки батареи необходимо их либо извлекать из корпуса МР, заменяя на новые, либо на время зарядки МР будет простаивать.


1.6.3. Вывод по источникам питания


Из рассмотренных вариантов питания мобильного робота следует сделать вывод, что наилучшим вариантом является установка химических аккумуляторных батарей непосредственно на борт мобильного робота разведчика.


1.6.4. Методы эксплуатации химических источников тока

Рассмотрим общие требования к эксплуатации аккумуляторных батарей

Выбор первичных источников тока целесообразен лишь при незначительном потреблении энергии устройством, для которого они предназначены. Такой выбор подкрепляется ценой, которая в разы меньше стоимости аккумуляторов и необходимых зарядных устройств, также простатой эксплуатации и иногда большим сроком хранения.

Надо заметить, что паспортное номинальное напряжение марганцево-цинковых элементов несколько больше номинального напряжения щелочных аккумуляторов (Ni-Cd, Ni-MH). Но это всего лишь терминологическая путаница. Начальное напряжение элементов под нагрузкой быстро


уменьшается, и большая часть разряда осуществляется при напряжении в диапазоне 1,2-1,1 В, в то время как номинальное напряжение аккумулятора - это, по определению, его напряжение в средней части разрядной кривой. Поэтому большая часть разряда аккумулятора при такой же нагрузке осуществляется при более высоком напряжении (примерно на 50-100 мВ).


1.6.4.1. Эксплуатация аккумуляторов


Главные проблемы при организации эксплуатации вторичных химических источников тока (аккумуляторов), решение которых определяет эффективность их функционирования и длительный срок службы:
- обеспечение эффективного заряда
- обеспечение ресурсосберегающих условий работы и хранения
- выполнение необходимых профилактических действий.

1.6.4.2. Способы заряда аккумуляторов


Способы заряда аккумуляторов имеют особенности, определяемые природой протекающих в них процессов.

На рисунке 1 изображены основные стратегии заряда (изменения тока в процессе заряда), которые применяются при заряде аккумуляторов разных систем, и характер изменения напряжения источника тока.


Рис.1. Методы заряда аккумуляторов:
а - при постоянном токе; б - при снижающемся токе; в - при ступенчатом изменении тока; г - при постоянном напряжении; д, е - комбинированные способы

Стремление к ускорению процесса заряда естественно и при использовании аккумуляторов для бытовой аппаратуры, и тем более для аппаратуры, работающей в производстве. При эксплуатации выбранного источника тока, нужно прежде всего учитывать, какие возможности обеспечены технологией производства аккумулятора, используемой данной компанией, и оговорены в документации. Гарантированный срок службы может быть обеспечен только при соблюдении всех рекомендаций и ограничений.

1.6.4.3. Зарядка щелочных аккумуляторов и батарей


Зарядные характеристики никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов при заряде в стандартном режиме (током 0,1 С в течение 14-16 ч) приведены в cоответствующей статье, особенности заряда никель-металлгидридных (Ni-MH) - в статье про Ni-MH аккумуляторы. Заряд производится в интервале температур от 0 до +50 °С, наиболее эффективно процесс идет в более узком интервале температур: от +10 до +40 °С.





При низкой температуре заряд проходит при более высоком напряжении конца заряда, чем обычно (до 1,7 В). При температуре ниже 0 °С аккумулятор заряжают очень маленькими токами, порядка 0,02 С. Токи большей величины могут быть применены только для аккумуляторов серий, разработанных для быстрого заряда. В этом случае аккумуляторы на первых минутах разогреваются, и условия заряда улучшаются.

Ускорение процесса заряда щелочных аккумуляторов постоянным током (гальваностатический режим заряда) стало возможным как в результате модернизаций самих аккумуляторов, приведших к созданию аккумуляторов с тонкими электродами и плотной рулонной сборкой пакета электродов, так и благодаря исследованию возможности контроля процесса при больших его скоростях и успехам электронной техники, позволившим осуществить этот контроль.

Для значительной части современных щелочных аккумуляторов допускается ускоренный заряд: током 0,3 С с контролем по времени (но не более 4 ч). Потребность уменьшения степени перезаряда при таком режиме заряда связана с более быстрым повышением давления в аккумуляторе в конце процесса, так как скорость выделения кислорода повышается, а скорость переноса его к отрицательному электроду и поглощения остается практически неизменной. Разрядная емкость аккумулятора при указанных плотностях тока заряда не понижается. Для аккумуляторов с пакетом электродов в виде рулона допускают также и быстрый заряд в течение 1 ч, иногда меньше, но при обязательном специфическом контроле процесса. Заряд в ускоренном режиме допускается в интервале температур от +5 до +50 °С. Быстрый заряд в течение 1 ч эффективен при температуре от +10 до +40 °С.





Нужно отметить, что многие современные типы щелочных аккумуляторов выдерживают достаточно длительный перезаряд стандартными токами заряда (0,1С) без повреждения, поэтому их можно заряжать и при наличии остаточной емкости. Но систематические перезаряды существенно сокращают срок их службы. Поэтому, если нет уверенности в полном исчерпании емкости аккумулятора, перед зарядом иногда целесообразно разрядить его до напряжения 1 В/ак. Процесс переподготовки при этом удлиняется. Однако доразряд перед каждым зарядом не только мало удобен в эксплуатации, но и вреден, поскольку приводит к сокращению срока службы.

Иногда аккумуляторные батареи снабжаются индикатором, который должен обеспечивать пользователю информацию о состоянии ее заряженности. Информация эта может быть получена при оценке уровня напряжения или при вычислении баланса зарядной и разрядной емкости. В обоих случаях точность невелика, и индикатор скорее создает иллюзию знания состояния заряженности, чем отражает истинную ситуацию. Повысить точность индикации состояния не представляется возможным из-за ограничений, диктуемых самим аккумулятором. Оценка состояния заряженности батареи по ее напряжению не может быть выполнена точно, так как у большинства современных источников тока напряжение мало меняется вплоть до исчерпания 80-90% емкости. Оно зависит от температурных условий и в процессе циклирования аккумулятора меняется. Если же контролируется баланс зарядной и разрядной емкостей, то нужно помнить, что оценить их при интегрировании тока нетрудно, но коэффициент отдачи по емкости меняется как в зависимости от тока нагрузки и температурных условий, так и от наработки аккумуляторной батареи.

Возможен другой подход к проблеме переподготовки: при неизвестной остаточной емкости перезаряжаемого источника тока сообщить ему при за



ряде ровно столько энергии, сколько нужно для достижения состояния полной заряженности аккумулятора при любой степени его деградации. Главная проблема, которая возникает при таком подходе, состоит в поиске параметра, измерения которого дали бы возможность с достаточной точностью оценить это состояние.

В процессе заряда герметичных щелочных аккумуляторов изменяется несколько параметров: напряжение, температура, внутреннее давление. Характер этих изменений в процессе заряда герметичного никель-кадмиевого аккумулятора покачан на рис. 2. Эти параметры обеспечивают разную чувствительность и имеют разные ограничения при использовании. Характер изменения указанных параметров у никель-металлгидридного аккумулятора аналогичен, но Ni-MH аккумуляторы более чувствительны к перегреву при перезаряде. (см. статью)


Рис.2. Изменение характеристик герметичного никель-кадмиевого аккумулятора при заряде

1.6.4.4. О режиме компенсационного подзаряда щелочных аккумуляторов


После быстрого заряда аккумулятор обычно рекомендуется перевести в режим заряда током 0,03-0,05 С, который позволит безопасно дозарядить его. Такой же режим используется и для постоянного подзаряда с целью компенсации саморазряда, если аккумулятор не используется сразу для



разряда на нагрузку. Но не следует долго оставлять аккумулятор в этом режиме, так как это способствует сокращению его срока службы.

Для работы в режиме непрерывного подзаряда даже при повышенной температуре многие компании разработали специальные серии высокотемпературных никель-кадмиевых аккумуляторов, которые несколько лет способны работать в буферном режиме с основным источником питания.

Также рекомендуется другой компенсационный заряд: импульсным режимом токами в диапазоне 0,1-1 С. Ток 0,1 С должен протекать 1 ч в сутки, ток 1 С - в течение 5-6 мин каждые сутки. Такой режим много раз был проверен в лабораторных условиях и является наиболее дешевым способом компенсации саморазряда. Он кажется наиболее целесообразным с точки зрения уменьшения влияния чрезмерного насыщения кислородом, миграции кадмия и роста дендритов. Но это несколько более трудно осуществимый режим эксплуатации.



1.6.4.5. Нестационарные режимы заряда


Для заряда источников тока разных электрохимических систем с водным электролитом применяются и разнообразные стратегии нестационарного заряда, которые отличаются от регламентированных производителями, но во многих исследованных случаях обеспечивают улучшение эксплуатационных характеристик источников тока. Интерес к таким методам заряда возник давно, когда было показано, что при осаждении и кристаллизации металлов для создания мелкозернистого осадка, при котором обеспечивается большая рабочая поверхность электродов, могут быть использованы токи промышленной частоты.



К нестационарным способам могут быть отнесены различные методы импульсного (пульсирующего) заряда. Влияние пульсирующего тока сказывается не только на формировании структуры осадка, но более всего на ходе побочных процессов при заряде химических источников тока с водным электролитом, т. е. оно особенно заметно в конце заряда и при перезаряде. Паузы между импульсами тока обеспечивают снижение выделения кислорода на положительном электроде (за счет снижения поверхностного потенциала и выравнивания потенциала в его поровом пространстве) и улучшают условия его поглощения на отрицательном электроде. Это позволяет существенно увеличить средний ток заряда и сократить время заряда. Такой режим заряда способствует понижению скорости деградационных процессов в герметичном аккумуляторе.

Амплитуда, частота следования и скважность импульсов могут быть либо неизменными на протяжении всего зарядного процесса, либо изменяться в зависимости от степени заряженности аккумулятора. Учитывая особенности протекания электрохимических процессов в поровом пространстве электрода, характер и скорость изменения концентрации электролита вблизи его поверхности, повышение эффективности заряда при пульсирующем токе обеспечивают за счет снижения к концу заряда (при повышении зарядного напряжения) амплитуды импульсов или увеличения длительности пауз.

Наложение разрядного импульса в паузе между зарядными, приводит к режиму асимметричного тока. В целом, параметров, которые при режиме заряда асимметричным током могут регулироваться независимо, много: амплитуда и длительность импульсов обеих полярностей, форма импульсов, частота их следования, продолжительность паузы между ними. Наилучшие параметры процесса заряда реальных аккумуляторов могут быть найдены только на основании детального изучения влияния всех пара



метров нестационарного режима на пористые электроды и аккумулятор как систему.

Обширные исследования продемонстрировали, что при нестационарных режимах заряда амплитуда зарядных импульсов определяет возможность эффективного заряжения активной массы положительного электрода, частота определяет проработку в глубь его пористой структуры, амплитудные и временные характеристики разрядных импульсов действуют на глубину его деполяризации и возможность вести основной токообразующий процесс без побочного практически до конца заряда.

Рассматриваются два этапа заряда. В начале заряда степень окисления изменяется по глубине и кислород еще не выделяется. Разрядный импульс обеспечивает более равномерное распределение процесса заряда по всей толщине электрода. На втором этапе на поверхности электрода происходит интенсивное образование кислорода, а в глубине его продолжается заряд активной массы. В этот период разрядный импульс тормозит выделение кислорода и тем самым содействует более равномерному окислению активной массы по глубине электрода.

Исследование особенностей фазовых превращений в цикле заряда-разряда дает основание предположить, что после разрядного импульса целесообразно иметь некоторую паузу. Исследования показали также, что важна не только величина зарядного импульса, но и скорость его нарастания: при больших скоростях образование кислорода происходит позже. Поэтому прямоугольные импульсы могут быть более результативными, чем другие.

Однако, проблема рациональности применения отрицательных импульсов в зарядном процессе не раз обсуждалась зарубежными специалистами. Дискуссия началась еще в 1960-х годах после активной пропаганды



этого режима для быстрого заряда никель-кадмиевых батарей владельцем соответствующего патента США. Компания GENERAL ELECTRIC долгое время изучала этот режим без видимых положительных эффектов и отказалась от его внедрения. Тем не менее заряд с импульсами разрядного тока предлагается рядом производителей зарядного оборудования.

Например, для никель-кадмиевого аккумулятора с металлокерамическими электродами были предложены два варианта ускоренного режима заряда знакопеременным током:
1. Режим наименьшего времени заряда (10-20 мин): амплитуда зарядного импульса I
зар.имп.=(5-8)С; соотношение амплитуд Iраз.имп./ Iзар.имп.= 5-6; длительность зарядного импульса - 0,2 с, разрядного - 0,01 с.
2. Режим наименьшего газовыделения (25-35 мин): I
зар.имп.=(2,8-3,5)С, все прочие параметры и соотношения - те же.
Необходимо отметить, что указанные параметры режима заряда не следует рассматривать как оптимальные для всех щелочных аккумуляторов, поскольку эффективный заряд аккумуляторов определяется не только их электрохимической природой, но и особенностями их конструкции, а также достигнутыми в процессе производства параметрами структуры электродов.

Отметим, что за последнее десятилетие герметичные щелочные аккумуляторы значительно изменились. Тонкие электроды и рулонная сборка пакета электродов аккумуляторов позволяют применять для большей их части быстрый заряд постоянным током 1С, а иногда и более большим, а также импульсным с частотной или амплитудной модуляцией.



1.6. Качественная оценка деформаций лапки



Ввиду того что движитель воспринимает нагрузки возникающие на мобильный робот во время выполняемых операций, он подвержен различным деформациям. С помощью CAD программы AutoCAD Mechanical 2009 был создан профиль лапки МР

Затем с помощью средств AutoCAD это модель была преобразована в формат IGES.

Формат данных IGES (Initial Graphics Exchange Specification - исходная спецификация графического обмена) представляет собой нейтральный формат, который используется для описания геометрии во многих программах, предназначенных для компьютерного проектирования. Файлы формата IGES являются наиболее предпочтительными для передачи моделей из таких программ в пакет ANSYS, если только пользователь не располагает транслятором прямого обмена. Программа ANSYS может как считывать, так и записывать данные в формате IGES.

При считывании IGES-файла программа ANSYS преобразует текст и графику в разные формы. Если объекты IGES-файла не распознаются программой, они игнорируются.

ANSYS — универсальная программная система конечно-элементного анализа.

Метод конечных элементов (МКЭ) является сеточным методом, предназначенным для решения задач микроуровня, для которого модель объекта задаётся системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями.

В среде программы ANSYS 12 модель лапки МР была разбита на элементы PLANE42 обазующие сетку.

Элемент PLANE42 используется для двухмерного моделирования конструкций с объемным НДС. Элемент может использоваться в качестве плоского (с плоским напряженным или плоским деформированным состоянием) или в качестве осесимметричного элемента.

Затем были заданы контактные пары, определено закрепление и приложены нагрузки.













2.Расчет редуктора



2.1. Кинематический расчет редуктора


2.1.1. Расчет передаточного числа редуктора


Передаточное число редуктора:

Исходя из значения передаточного отношения и размера колеса, целесообразно использовать двухступенчатый планетарный редуктор, т.к. с помощью него легко добиться больших передаточных отношений при достаточно небольших размерах.

Передаточные отношения первой и второй ступеней примем равным 6 и 5, соответственно.


2.1.2. Кинематический расчет первой ступени ПР

- число зубьев мцк;

- число зубьев бцк;

- число зубьев сателлита;


Условие соосности:

, где и - углы зацепления передачи внешнего и внутреннего зацеплений.

Найдем и :

, где и - смещения шестерни и колеса, соответственно.

Зубчатое зацепление «мцк – сателлит»:

,