基于Solidworks的线路行走装置的建模与仿真分析
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摘 要： 借助Solidworks建模软件，对线路行走装置的各个零部件进行零件模型构建，完成后把零件进行装配，形成装配体;应用solidworks simulation模块对行走装置的行进滚轮进行有限元分析;最后利用solidworks motion模块对整个行走装置进行模拟仿真，仿真数据能够帮助我们分析行走装置的可行性，对不合理部件进行修改，受力分析能对整体方案进行合理评估。
关键词： 行走装置;Solidworks;建模;有限元分析;仿真
中图分类号： TP3 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.049
【Abstract】： With the help of Solidworks software， each part of the line walking device is modeled in 3d， and then the parts are assembled to form an assembly. Solidworks simulation module was used to conduct finite element analysis of the moving roller of the walking device. Finally， solidworks motion module is used to simulate the whole walking device. The simulation data can help us analyze the feasibility of the walking device， modify the unreasonable parts， and conduct a reasonable evaluation of the overall scheme through force analysis.
【Key words】： Walking device; Solidworks; Modeling; Finite element analysis; The simulation
0 引言
當前我国经济迅猛发展，人民对常规的电力能源的需求逐年增长，因此为满足人民日益增长的需求，国家和政府不断加大对电力系统行业的投入和规划，覆盖全国、全地区的输电系统应运而生[1]。这些输电系统在野外或者高寒山区或者气温较低的地方十分容易受到雨雪等恶略天气的影响，在输电线路上产生影响电网系统的覆冰[2]。是一种比较常见的自然现象，但对于输电线路来说覆冰现象却是一种极大的威胁，它不但会影响输电线路的传输性能和效率，而且覆冰不断积累凝固还会导致电力系统中的绝缘子闪络、空中电网线路随风舞动、杆塔受重导致倾斜，而且在遇到严重的情况之下，随着覆冰量的增加或者雨雪天气的持续还会导致倒塔等严重事故，进而大面积引发停电，使电力系统暂停工作，极大的破坏了人们的正常生活，给当地人民造成了难以估量的损失和破坏。
因此，对输电线路覆冰进行消除就尤为重要，现在我国使用最多的机械除冰方法就是除冰机器人，且在现有除冰机构中，线路行走装置是最为关键的部分，除冰效率与它有密切关系。目前国内外高压线机器人的行走基本采用两种方式：步进蠕动式和轮式滚行式。对比国内外对于轮式滚行式机构的设计以两轮挂式行走机构为主。在以上基础上，我们采用四轮式滚行式行走方式，该机构结构简单，行走速度快，制造成本低[3]。只需要把行走安装在输电线路上，在电机的配合下能够沿输电线路移动。
对此，我们利用建模软件Solidworks来设计一个线路行走装置，将三维建模用于设计的前期方案设计阶段，然后对所提出的方案进行优化设计，之后对所建立的模型进行有限元运动仿真分析，并对行走轮受力分析，确定该行走轮的刚度，对设计的整体装置进行运动仿真，根据运动仿真数据和结果验证行走装置的合理性和可操作性。利用Solid works对相关的线路行走装置的设计提供了依据和指导[4]。
1 线路行走装置的三维建模
1.1 工作原理分析
行走装置是将输电线路放在四个开有凹槽的滚轮内，滚轮的转动在受到压紧力和线路摩擦力的作用下沿着输电线路前进，此装置的主要功能是在电机施加的作用力下沿着输电线路平稳移动，不产生打滑或者是滑步的现象。目前比较常见的是步进蠕动式和轮式滚行式，不同的工作环境应用不同的行走装置，特点和效率也各不相同，原理也各不相同，不同的行进方式优缺点也各有差异;步进蠕动式的设计比较复杂，行进速度较慢，但此装置最大的优势在于能够翻越较为复杂的障碍物;轮式滚行式结构较简单，行动速度快[5]。经过分析输电线路具体场景，在线路行走装置不需要考虑翻越障碍物，分析得到其工作原理为输电线放入四个行进滚轮后，在夹紧后行走轮转动时对于线路的摩擦力转动带动装置的行进。
1.2 零件构建
根据行走装置的工作原理，利用Solidworks构建线路行走装置的三维模型，所设计的行走装置主要包括主体箱体、行走滚轮、活动手轮、上夹紧机构、滚动轴承、齿轮、支座、轴轮固定板、电机等构成。主体箱体分为两个可进行拆卸安装的结构。主体两个部分的连接方式采用螺杆链接。螺杆处于松开状态时，箱体两个结构分开，此时就可以把装置安装在输电线上，与四个行走轮接触，随后对螺杆进行固紧。由于输电线的架空特性，装置在与电线作业时，输电线的与装置之间容易发生震动，所以在主体机构中还设计了减震机构，该机构由弹簧组成，在弹簧减震特性下，能够有效控制装置在线路移动时产生的线路震动，增加了装置的平稳性。这个装置运动的动力源由电机提供，通过电机转动，带动连接在电机上的蜗轮蜗杆机构，此后蜗轮蜗杆带动主动大齿轮旋转，主动大齿轮带动与下面两个行进滚轮连接的从动轮转动，将力传递给滚轮，带动滚轮转动;与此同时主动大齿轮还带动与上方两个行进滚轮传动的齿轮转动将力传递到上方行进滚轮，引起转动，即完成整个运动过程力的传递[6]。 当我们初步完成装置的结构分析后，利用Solidworks软件开始装置模型的建立，在初始界面选择零部件的建立，进入草图绘制平面图形，平面图形绘制完成后通过solidworks软件里的特征命令选择需要的特征，常见的有放样，拉伸，扫描，剪切等，以及应用solidworks各种命令就能够完成模型的基本构建。此装置中的每个零件在设置好它们的尺寸后，用solidworks进行建模，如下图2完成的主体箱体的建模。其中装置中需要的弹簧和齿轮可以从建模软件的零件库内调用，可以通过改变弹簧的直径、线圈数;齿轮模数、传动比以及齿轮其它参数等来得到需要的弹簧以及齿轮如下图3所示的齿轮。
在使用Solidworks软件进行建模过程中，最基本和最常用的的零件构建功能就是草图绘制，以及特征命令里的凸台拉伸，凸台切除，异型孔向导，倒圆等命令，大部分标准零件零件可以直接从零件库里调用，然后改变标准件的各个基本参数即可得到自己所需的零件，这样的建模方式大大提高了效率[6]。
1.3 整体装配
在我们把装置的全部零件绘制完成后，通过Solidworks新建装配体功能命令，将各个零件导入装配体后，按照每个零件之间的配合关系进行装配，各零部件的装配完成后就形成一个我们需要的的三维结构模型;当零部件较多时我们能够通过少量零件形成子装配体，然后又多个子装配体形成最终的装配体。拖动鼠标能够旋转模型视图，能够查看整个模型的特征以及各个零件的配合关系。
进入solidworks软件，选择新建装配体;按照装置的结构将主体箱体、行走滚轮、活动手轮、上夹紧机构、滚动轴承、齿轮、支座、轴轮固定板、电机等零件导入，然后利用他们之间的配合关系来建立约束关系以及确定零件的位置。先固定主体箱体，使之不发生改变，其次安装齿轮，齿轮中心和圆孔同轴心，齿轮内测与主体箱体平行;且大传动齿轮与其它传动齿轮保持轴向平行。其余零件按照装置相应的约束关系进行配合安装，完成所有零部件的配合安装后就得到了模型的装配体，命名为行走装置。
零件装配完成后需要再次检验零件的约束关系是否有误，在Solidworks软件左部会显示装配体所有的配合关系，看配合关系是否出现红色标注。若出现则表示某一零件相应尺寸配合关系不正确，存在问题导致装配体出现错误。并且在装配过程中，我们能够单独选中某个需要改变或设计的零件，右键点击该零件进行相关操作，然后保存退出建模，此时在这个装配体中，这个被修改的零部件也会在我们的装配体中从新形成，且此零件与其它零件的配合关系和约束关系不会发生改变[6]。
1.4 干涉检查
在利用Solidworks构建三维模型时由于各个零部件之间的配合、尺寸、约束、构建等原因，装配体中的部分零部件可能会出现干涉现象，在solidworks软件中的评估命令下具有检查装配体之间的干涉检查命令，点击进入干涉检查时，鼠标单击，选择需要检查的零件或者是全部装配体，这样就完成了对装配体的检查。如果检查结果显示出现干涉错误，则会在界面左边红色显示，并显示有几处干涉现象，我们就能够根据干涉现象对零件进行修改[6]。
使用软件中的干涉检查，我们可以最大程度避免在实际生产过程中，各个零件例如轴、齿轮等配合不正确的现象，既能避免零件间因为干涉现象出现卡死、摩擦等问题，同时也可以有效避免因在安装时出现精度不对而反复人工处理的问题，提高效率，减少加工成本。同时还能为接下来要进行的运动仿真和受力分析提供必要保证。
2 对线路行进装置进行受力分析与仿真
2.1 行进滚轮受力分析
在Solidworks中，Solidworks Simulation模块可以分析装置在各种条件下的性能变化，并且可以检查出零件在设计阶段有可能出现的现象，通过软件命令给零部件添加受到的载荷和固定夹具，给选择此零件的材料;就可以对零件进行有限元分析，得到结果。全部的检测信息都生成在simulation显示结果中。在产品设计过程中，许多分析产品问题时都需要对产品进行综合性的全方面分析，在产品最终设计之前完成准确的实物模拟分析。Solidworks simulation模块具有极其全面的性能评估，且运算速率也比较快;能够促进产业和产品的发展创新。
此次构建的模型是为了模拟行走装置的结构特征和装置在输电线上的运动特征。使用solidworks里的simulation模块功能来分析和优化行进滚轮的刚度强度要求和零件的受力情况，保证行进滚轮能够在上夹紧机构的配合下，保障滚轮和输电线间的接触，使得行进装置沿输电线平稳高效的行进，并且在运动过程中不会改变此装配体的形态和约束。通过受力分析利用零件的受力分析等手段能够有效帮助我们解决或者确定数据的特点，可以确定行进滚轮和各个齿轮之间的质量，并且保证在运动时在自身重力和行进轮扭矩载荷作用下，不会发生偏移和打滑[7]。
随着互聯网技术和科技手段的不断发展，从最初的人工计算分析到现在的大数据计算机分析，到现阶段为止，已经有许多公司和企业先后发布了多款受力分析软件，比如最为常见的Solidworks，Ansys，Catia，HYPERWORKS，Abaqus以及各种二维、三维建模软件自带的分析模块。这些受力分析软件的基本原理大致相同，采取以零取整的方式，化大为小，对需要分析的三维模型进行不同程度的单元格划分。
这些软件核心原理基本相同，采用化整为零方法，即将各自建立的三维模型进行网格划分，分成很多小块，每一小块受不同载荷。最后将每一个相关的受力小块单元进行叠加，受力分析由一个单元变成一个整体，这样就可以分析在受载荷情况下的变形、受力情况等静力学特性，并计算出整个三维模型的特性，称为有限元分析计算。由于实际有限元分析受力单元多，分布面广，且重叠性突出的特点，都借助于相应的计算机辅助软件进行有限元分析计算，通过计算机辅助软件分析为工程设计者提供了便利，减少了产品设计的工作量，加快了设计进度。在这些受力分析软件中Solidworks Simulation操作界面简单，使用方便，性能突出。 对于模型进行相关的有限元分析计算，需要我们对三维模型进行单元网格划分，在最后我们得到的有限元分析数据的精确度在很大程度上取决于对于单元格划分的大小和所选参数，单元格划分越大计算越简单，相应的结果则精度较低。在使用solidworks软件进行有限元分析时，需要进行多个步骤，如添加固定夹具：加入夹具能够固定模型，防止模型的移动、施加载荷：施加模型受到的压力或者扭矩等力、添加模型材料属性：此模型的材料、结果运算以及优化模型这几个步骤。
对行进滚轮进行受力分析时，首先对此模型加入夹具，将模型在轴的两端进行固定，防止它的移动。随后在行进滚轮的两端轴部和滚轮施加压力和扭矩，确定力的大小和方向;选择模型的材料，这里选择45钢，材料的具体属性软件能够直接给出;进行受力分析，最后显示运算数据。首先显示模型应力，下面显示位移，最后是应变。如下图9所示，绿色箭头表示夹具，粉色箭头表示模型受到的扭矩，红色箭头表示滚轮受到的压力。在下图10中，在受到上述力的作用下时，计算的应力图。图11表示的时模型位移图;图12表示的是模型应变图。
模型材料采用的是45钢，经查阅资料可知，45 钢的密度为7.8×103 kg/m3泊松比为0.3，弹性模量为2.1×1011。根据图10可知，行进滚轮在受到应力时，它的受力任然处于安全范围里。由图11显示可得，行进滚轮在轴的两端位移量增大;根据图12显示，应变范围也没有影响。因此，经过有限元分析可得行进滚轮在选择材料时能够满足强度要求，能够达到我们的设计要求，这充分说明了借助solidworks软件帮助的可能性[7]。
2.2 运动仿真
应用Solidworks Motion模块进行仿真实验，在模型的动画中能够直观的看到行进滚轮的转动情况，行进滚轮的主动大齿轮在电机带动下的蜗轮蜗杆的作用下运动，然后带动四个滚轮转动，最终在输电线和滚轮的挤压摩擦作用力下，将整个行走装置引导在输电线上行进。经过软件运动仿真实验可以观测到各个零部件的性能和状态，从不同的运动状态可以分析出装置的合理性，并检验出该装置的方案是否具有应用性，从而根据仿真实验来优化行走装置的设计。
在应用Solidworks motion模块功能中对行走装置进行运动仿真时，在solidworks插件中选择Solidworks motion，在加载完成后打开界面左下方的运动算例1，鼠标移动装配体键码，自定义进行选择不同时间段内的运动情况，给涡轮蜗杆添加马达，选择旋转马达，并确定转动方向和马达转速;选择接触，定义零件间的接触方式，选择蜗轮蜗杆和齿轮，填如数据，并保存;最后加入运动轨迹绘制进行计算，得到计算结果[8]。
在Solidworks Motion模拟中，我们能够根据需要随意改变模型速度，可以非常清晰的看到模型运动的具体情况，观察模型在装配过程中各种约束、配合是否合理，干涉现象是否存在，运动是否完整。由图14可知，通过移动键码来控制蜗轮蜗杆的运动;由图15可知，对蜗轮蜗杆添加马达，使得蜗轮蜗杆旋转，与主动大齿轮接触，大齿轮和与滚轮连接的四个小齿轮接触连接，经过运算计算比例，最后得到仿真结果，显示齿轮传动符合，和我们最初的设计目标一致，符合行走装置的设计。通过仿真实验能够有效减少资源的浪费，且效率较高，能够提高产品的设计时间[9]。
3 结论
本文经过solidworks软件进行零部件的绘制，然后利用软件进行装配，通过每个零部件的配合、约束等形成行走装置装配体，完成装配后通过干涉检查，对零件进行进一步的修改。利用solidworks设计出了行走装置的三维模型，能够直接给我们展现出行走装置的各部分外形结构，有助于我们对物体做出判断，避免缺少实物而带来的错误。利用solid works simulation模块对行走装置中的行进滚轮进行了有限元受力分析，检验了行进滚轮能够保证在受到扭矩和其它力作用时能够正常工作，保证了模型在选择材料和关于模型结构设计的安全性和有效性;其次在应用solidworks motion模块功能对整个行走装置运动仿真分析，仿真结果显示该装置能在输电线上移动，和设计要求一致，确保了整个装置里各个零件的合理性与零件间的有效配合，保证了设计方案的准确性和合理性[10]。
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