管道檢測牽引裝置自適應(yīng)控制特性

史永晉，唐德威

(1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266580;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017;3.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

管道檢測牽引裝置自適應(yīng)控制特性

史永晉1，2，唐德威3

(1.中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266580;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017;3.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

針對管道檢測牽引裝置驅(qū)動系統(tǒng)中沒有差動機構(gòu)而引起的通過彎管時產(chǎn)生運動干涉的問題，將差動機構(gòu)應(yīng)用于管道檢測牽引裝置中。通過對差動機構(gòu)進行理論分析，建立該輪系的力矩傳遞方程;利用ADAMS軟件建立差動機構(gòu)的樣機模型并進行仿真分析。結(jié)果表明，具有差動機構(gòu)的管道檢測牽引裝置驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動效率高、功率體積比大，可實現(xiàn)機械自適應(yīng)功能。

管道檢測牽引裝置;差動機構(gòu);力矩傳遞;仿真分析;自適應(yīng)分析

油氣管道檢測器的牽引裝置是為檢測器提供牽引動力，協(xié)助檢測器完成管道探傷檢測、管道防腐涂層、管內(nèi)異物的識別及清除等任務(wù)［1-3］。由于油氣管道內(nèi)空間小，所以對油氣管道檢測牽引裝置的結(jié)構(gòu)形式、動力輸出特性要求很高。很多學者［4-8］介紹了多種輪式驅(qū)動方式，直管中輪式驅(qū)動具有效率高、運動平穩(wěn)等特點而成為管道檢測牽引裝置的主要驅(qū)動方式，但這種驅(qū)動方式存在過彎管運動干涉問題，嚴重限制了輪式管道檢測牽引裝置的應(yīng)用?，F(xiàn)在常用的解決方法是采用多個電機獨立驅(qū)動［9］，但這種方法的動力實時性和柔順性還不夠理想，并且由于多個電機占據(jù)了大部分管內(nèi)的有限空間而限制了在中小型管道中的應(yīng)用［10-11］。筆者采用由一個電機輸入、具有協(xié)調(diào)差速功能的差動機構(gòu)構(gòu)成核心驅(qū)動單元，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)速度的自動調(diào)節(jié)。對差動輪系的力矩傳遞關(guān)系進行研究，并進行仿真，考察管道檢測牽引裝置在管道內(nèi)差速和非差速狀態(tài)下的自適應(yīng)控制能力。

1 差動機構(gòu)結(jié)構(gòu)型式與工作原理

差動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示［12］。該機構(gòu)是一個三自由度輪系，主要由3個主差速器(包含惰輪D)和一個分動器Hf組成。其工作原理是初始傳動由主軸齒輪A0和主差速器齒輪A1、A2、A3形成。輸入轉(zhuǎn)速n0由主輸入軸輸入，經(jīng)過直齒輪和錐齒輪的向下傳遞，由主差速器的軸1、軸2、軸3分別輸出轉(zhuǎn)速 n11、n22、n33。

圖1 差動機構(gòu)工作原理Fig.1 Principle of differential mechanism

從結(jié)構(gòu)型式和工作原理可以看出，差動機構(gòu)可同時輸出3個差動轉(zhuǎn)速，且輸出轉(zhuǎn)速之和恒定(輸入轉(zhuǎn)速一定情況下)。由于差動器傳動因子恒定，所以其運動輸入和輸出的分配數(shù)值關(guān)系由結(jié)構(gòu)中的初始傳動比決定，其運動方程為

式中，i0為初級傳動比。

2 力矩傳遞方程

對安裝有差動機構(gòu)的管道檢測牽引裝置的工作狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，隨著裝置的工作環(huán)境(彎管和直管)的不同，其差速機構(gòu)具有兩種不同的工作狀態(tài)即差速狀態(tài)和非差速狀態(tài)［13］。

2.1 非差速狀態(tài)時力矩傳遞方程的推導

管道檢測牽引裝置行走在直管中時，各驅(qū)動輪實際行走環(huán)境相同，其內(nèi)部的差動機構(gòu)不起差速作用，即差動機構(gòu)中輪系處于非差速工作狀態(tài)。此時差動機構(gòu)的分動器靜止不動，每個主差速器中有一個中心輪不動，相當于分動器及每個主差速器中不動的中心輪與基架固定連接在一起，整個系統(tǒng)可以簡化為圖2所示結(jié)構(gòu)?？梢?，這種狀態(tài)下3個主差速器的布置和傳動關(guān)系都是空間對稱的。

如果要求差動機構(gòu)發(fā)生勻速運動，需要功率平衡條件、力偶平衡條件滿足下式：式中，MA0為主軸輸入轉(zhuǎn)動力矩，N·m;M'Ai為3個主差速器對主軸的阻力矩，N·m，i=1、2、3;MAj為3個主差速器主軸的內(nèi)力偶矩，N·m，j=1、2、3;η0為初級傳遞效率。

圖2 非差速狀態(tài)時差動機構(gòu)等效結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent configuration in non-differential property of differential mechanism

由于此種狀態(tài)下差動機構(gòu)傳遞關(guān)系具有空間對稱性，所以有

以1號主差速器為研究對象，聯(lián)立式(2)、(3)和(4)，有

根據(jù)圓錐齒輪差速器的力偶平衡和嚙合效率平衡條件，有

式中，MA1、MB1和MH1為主差速器1中3個軸的內(nèi)力偶矩，N·m;ηH為等效機構(gòu)的傳遞效率;iH1A1B為等效機構(gòu)的傳動比，在圓錐齒輪差速器中取為－1。

整理式(6)有

聯(lián)立式(5)和式(7)，主差速器1輸出軸的輸出力矩為

管道檢測牽引裝置中差動機構(gòu)工作在非差速狀態(tài)時，三輸出軸的布置和力矩傳遞完全對稱，則差動機構(gòu)的力矩傳遞方程相同，所以此時差動機構(gòu)力矩傳遞方程為

由式(9)可知，在非差速狀態(tài)時，管道檢測牽引裝置中差動機構(gòu)的三輸出軸輸出力矩與初級傳動比、初級傳遞效率、轉(zhuǎn)化機構(gòu)效率及輸入力矩有關(guān)，輸出力矩相等。這些證明了差動機構(gòu)工作在非差速狀態(tài)時在結(jié)構(gòu)上滿足對稱性要求。

2.2 差速狀態(tài)時力矩傳遞方程推導

2.2.1 檢測牽引裝置的運動姿態(tài)

過彎道期間，差動機構(gòu)開始發(fā)揮作用。由于過彎道時，每個驅(qū)動輪走過的路程不同，相應(yīng)輸出的力矩不同［14］，通過對檢測牽引裝置過彎道時的運動姿態(tài)進行分析，分析力矩的傳遞。

從圖3可以看出，檢測牽引裝置過彎道時有3種運動姿態(tài)：一是剛進入彎道時，即前輪在彎道內(nèi)，后輪還在直管道內(nèi);二是前后輪全部位于彎管道內(nèi);三是出彎管時，即前輪在直管道內(nèi)，后輪在彎管內(nèi)。根據(jù)3種不同運動姿態(tài)，分析驅(qū)動輪系力矩的輸出。

圖3 差速狀態(tài)時管道檢測裝置運動姿態(tài)Fig.3 Moving posture of pipeline inspection traction device in differential condition

2.2.2 力矩傳遞方程的推導

檢測牽引裝置通過彎管時，各驅(qū)動輪實際行走路程不等，此時其內(nèi)部差動機構(gòu)起差速作用，傳遞關(guān)系如圖1所示。當差動機構(gòu)工作在差速狀態(tài)且整個系統(tǒng)運動平衡時，在初級傳動中根據(jù)功率平衡條件和力偶矩平衡條件依然有式(2)和式(3)成立。

當系統(tǒng)勻速運動時，根據(jù)力偶系平衡條件［15］，4個圓錐齒輪差速器平衡方程為

式中，MAj、MBj、MHj(j=1，2，3)分別為主差速器上的內(nèi)力偶矩，N·m;MBj(j=1，2，3)同時為分動器的外力偶矩，N·m。

主差速器與分動器之間有一個惰輪起換向作用。

在4個圓錐齒輪差速器的轉(zhuǎn)化機構(gòu)中，根據(jù)嚙合效率平衡條件［15］有

式(15)說明差動機構(gòu)的輸出力矩與初級傳動比、輸入扭矩和各級傳遞效率有關(guān)，與輸出軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，可證明差動機構(gòu)具有差速不差力的特點。通過式(15)還可以看出，各輸出軸的輸出扭矩近似相等，約為輸入軸扭矩的2/3i0(其中i0為初級傳動比且為固定值)，由此證明了該輪系在結(jié)構(gòu)上滿足對稱性要求。

差動機構(gòu)的力矩傳遞方程表征了該機構(gòu)輸入輸出力矩及內(nèi)部相關(guān)參數(shù)的基本關(guān)系，是差動理論的基礎(chǔ)。

通過對差動機構(gòu)力矩傳遞關(guān)系的研究，建立力矩傳遞關(guān)系的數(shù)學模型，該數(shù)學模型從本質(zhì)上直接反映了該輪系的傳動特性，為差動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

3 自適應(yīng)能力仿真分析

為了證明以上所得結(jié)論的正確性，利用虛擬樣機設(shè)計軟件ADAMS構(gòu)建了差速器的三維數(shù)字化虛擬樣機模型并進行了仿真。該仿真是在理想狀態(tài)下進行的(即假設(shè)系統(tǒng)沒有功率損耗)，通過在輸入軸加驅(qū)動，在輸出軸加扭簧并將扭簧剛度設(shè)為不等(在這里扭簧有兩個作用：一是產(chǎn)生阻力，相當于實際阻力;二是由于彈簧剛度不等，在相同時間內(nèi)其角位移也不等，等同于過彎管時各輪經(jīng)過弧長不等)，并考慮管道內(nèi)壁的環(huán)境情況來模擬現(xiàn)實環(huán)境，得到如圖4所示曲線。

由曲線的正負可以看出，三輸出軸力矩方向相同，與輸入力矩相反，與推導結(jié)論是相同的;從數(shù)值上來看，三個輸出軸的力矩曲線接近相同，且為輸入軸扭矩的三分之二，與推導的結(jié)果也是相符的。由此證明所建立的力矩傳遞方程在理論上是正確的。

圖4 差動機構(gòu)虛擬樣機及力矩測試曲線Fig.4 Virtual model and moment test curve of differential mechanism

4 自適應(yīng)能力試驗分析

根據(jù)機構(gòu)的工作原理，設(shè)計制造了具有三軸差動機構(gòu)驅(qū)動單元的管道檢測牽引裝置，并在油氣管道模擬試驗室做直、彎管自適應(yīng)試驗，如圖5所示。

圖5 差動機構(gòu)管道檢測牽引裝置樣機及試驗管道Fig.5 Differential organization pipeline inspection traction device prototype and test pipes

對樣機進行了如下試驗：

(1)將實物樣機懸于空中，給電機供電，觀察各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動情況和分動器工作情況，此時，分動器不動，各驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速相當，類似于檢測牽引器通過直管情況，差速器不起差速作用。同時進行了直管爬行試驗。

(2)進行過彎管試驗，采用預壓傳感器、INS(慣性導航系統(tǒng))以及離線分析系統(tǒng)對其姿態(tài)、負載、自適應(yīng)精度和機械傳動效率進行分析，通過分析所測試的試驗數(shù)據(jù)，得出差動特性變化規(guī)律和自適應(yīng)精度，見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)分析Table 1 Analysis of experimental data

(3)將檢測牽引裝置轉(zhuǎn)動 0°、30°、60°三種不同的角度，利用慣性導航系統(tǒng)檢測其過彎管時的角加速度和姿態(tài)角的關(guān)系，得到圖6。

從圖6可以看出，在同一姿態(tài)角情況下，各個驅(qū)動輪的角加速度是不相同的，而且隨著角度的變化而變化。

圖6 角速度和姿態(tài)角的關(guān)系Fig.6 Relationship between angular velocity and attitude angle

5 結(jié)束語

通過對差動機構(gòu)的受力分析，建立了力矩傳遞方程，差動機構(gòu)輸出力矩具有對稱性且差動機構(gòu)具有差速不差力的特點。利用ADAMS軟件構(gòu)建了牽引裝置差動機構(gòu)數(shù)值三維模型，并驗證了校核力矩傳動方程計算結(jié)果的正確性。通過帶有差動機構(gòu)的管道實物樣機的試驗測試和分析，證明了差動理論的正確性和自適應(yīng)控制技術(shù)的可行性。

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Adaptive control characteristics of pipeline inspection traction device

SHI Yong-jin1，2，TANG De-wei3
(1.College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China;2.Drilling Technology Research Institute in Shengli Oilfield，Dongying 257017，China;3.School of Mechatronics Engineering in Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China)

Without differential mechanism in the drive system of pipeline inspection traction device，locomotion interference can be produced anciently when the robot is getting across the elbow.The tri-axial differential gearing system was applied to the traction device.The equations of momentum transfer in tri-axial differential gearing system were set up via theory analysis.The model of prototype machine was set up through ADAMS software and the simulation analysis was carried out.The results show that the traction device with differential mechanism has simple configuration of the drive cell，high drive efficiency，big ratio of power and cubage，and can achieve the function of mechanical self adapting.

pipeline inspection traction device;differential gearing system;momentum transfer;simulation analysis;adaptive analysis

TH 112

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.027

1673-5005(2012)02-0158-05

2011－07－22

國家“863”計劃項目(2005AA602210;2011AA090301)

史永晉(1973－)，男(漢族)，山東廣饒人，高級工程師，博士研究生，主要從事海洋平臺設(shè)計和海底管道檢測技術(shù)研究。

(編輯 沈玉英)