支撐輪式石油管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)*

趙紅紅,同長(zhǎng)虹 ,寧小剛，郭銳辛

(1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000; 2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

管道輸送具有運(yùn)量大、可靠性好、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，與公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸并稱(chēng)為五大運(yùn)輸[1]。然而，管道一般鋪設(shè)在地下、海底、荒郊野外等場(chǎng)所，主要輸送石油、天然氣等流體物質(zhì)，在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中難免受到各種因素的影響出現(xiàn)管道破裂現(xiàn)象，比如：因應(yīng)力疲勞、腐蝕疲勞等引起的疲勞斷裂，因腐蝕和機(jī)械損傷引起的表面損傷，因地面交通等引起的外部干擾，因過(guò)載引起的鼓脹和地面位移引起的變形，因設(shè)備故障和操作違章引起的破裂，以及因地震等自然災(zāi)害引起的斷裂等失效破裂。此外，管道運(yùn)輸是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量運(yùn)輸方式，一旦發(fā)生破裂將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)人的生命安全造成嚴(yán)重的傷害[2-4]。

由于石油管道需要穿山越嶺、跨越河流，有些埋設(shè)在地下，有些架在高空，管線(xiàn)距離又十分長(zhǎng)遠(yuǎn)，人力檢測(cè)管道比較困難，管道機(jī)器人能夠代替人類(lèi)解決這個(gè)難題。管道機(jī)器人的行走方式多樣，按照行走機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分為：履帶式，支撐輪式、車(chē)式，蠕動(dòng)式等[5]。由于支撐輪式管道機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)變徑功能，具有良好的過(guò)彎能力，可攜帶檢測(cè)設(shè)備，能夠較好地適應(yīng)管道內(nèi)工況，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的特殊功能，因此，文中旨在設(shè)計(jì)一種主動(dòng)自適應(yīng)支撐輪式石油檢測(cè)管道機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱(chēng)管道機(jī)器人)，為石油管道的檢測(cè)提供一種新方案。

1 管道機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人在管道內(nèi)行走的過(guò)程中要克服阻力，故需要驅(qū)動(dòng)模塊提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；由于管道距離長(zhǎng)遠(yuǎn)，管道機(jī)器人選擇高能電池為原動(dòng)力——電源模塊；在檢測(cè)的過(guò)程中要將檢測(cè)信號(hào)傳輸?shù)浇K端上，則需要信號(hào)傳輸系統(tǒng)；管道機(jī)器人是承載電池、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測(cè)設(shè)備等的載體，必須進(jìn)行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊；為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的存儲(chǔ)、通訊，需要設(shè)計(jì)通信模塊。文中構(gòu)建的機(jī)器人整體方案，如圖1所示。

圖1 管道機(jī)器人整體方案框架圖

1.1 管道機(jī)器人的性能指標(biāo)

此設(shè)計(jì)參考了現(xiàn)有管道[6]機(jī)器人的性能參數(shù)，規(guī)定了主要的技術(shù)要求，主要包括以下幾點(diǎn)。

(1) 適用管徑范圍D(mm)320～390 mm。

(2) 運(yùn)行速度V(m/min)≥10 m/min。

(3) 牽引力F(N) ≥100 N。

(4) 具有一定的過(guò)彎能力，當(dāng)曲率半徑R≥2D時(shí)，管道機(jī)器人能順利通過(guò)。

(5) 能夠搭載一定的傳感器及檢測(cè)設(shè)備。

(6) 具有良好的供電能力。

(7) 機(jī)器人重量M(kg) ≤3 kg。

1.2 驅(qū)動(dòng)方式及動(dòng)力供給方式的選擇

1.2.1 管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式

按照管道機(jī)器人上每個(gè)輪子的功能，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為全驅(qū)動(dòng)和部分驅(qū)動(dòng)，全驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)輪都是驅(qū)動(dòng)輪，而部分驅(qū)動(dòng)是指有一部分輪子是驅(qū)動(dòng)輪，其余為從動(dòng)輪。二者相比，全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有牽引力大、轉(zhuǎn)彎能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電機(jī)對(duì)各輪子的控制方式不同，又分為同步驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同步驅(qū)動(dòng)是通過(guò)一個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)指一個(gè)電機(jī)只驅(qū)動(dòng)一個(gè)輪。二者相比，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)有更好的過(guò)彎能力、轉(zhuǎn)向能力、可靠性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。

綜合考慮，文中設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人采用“全驅(qū)動(dòng)+獨(dú)立驅(qū)動(dòng)”的驅(qū)動(dòng)方式。因?yàn)樗欧姍C(jī)能使控制速度，位置精度很準(zhǔn)確，可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)的控制，并能快速反應(yīng)，能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或者角速度輸出。考慮到管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度可靠性、速度調(diào)節(jié)性、適應(yīng)性、穩(wěn)定性等方面。最終驅(qū)動(dòng)方式選取為“全驅(qū)動(dòng)+獨(dú)立驅(qū)動(dòng)+直流伺服電機(jī)+一對(duì)錐齒輪嚙合”驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2.2 管道機(jī)器人動(dòng)力供給方式

利用電能作為動(dòng)力的管道機(jī)器人,按其供電方式分為有纜式和無(wú)纜式兩種[7]。兩種供電方式相比較，無(wú)纜式在一定程度上減少了拖動(dòng)負(fù)載，有更大的動(dòng)力承載檢測(cè)設(shè)備，但是無(wú)纜式供電方式儲(chǔ)存的能量有限，受電池性能的影響很大。針對(duì)以上問(wèn)題，此管道機(jī)器人采用具有質(zhì)輕、續(xù)航里程長(zhǎng)、使用范圍廣、能量密度高、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)的磷酸鐵鋰電池為管道機(jī)器人供電[8]。

1.3 管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

管道在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中因多方面因素會(huì)引起管徑的變化，需要管道機(jī)器人具有一定的適應(yīng)管徑變化的能力，此處所指變徑，主要指的是小范圍的變徑，主要通過(guò)彈簧等元件實(shí)現(xiàn)。另外，如果一種管道機(jī)器人只適應(yīng)一種直徑的管道，勢(shì)必會(huì)造成管道機(jī)器人的利用率很低，并且導(dǎo)致成本增加、資源浪費(fèi)。所以設(shè)計(jì)良好的變徑機(jī)構(gòu)可以真正實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的功能，更符合實(shí)際生產(chǎn)的需求。而此處變徑指的是主動(dòng)變徑，主要通過(guò)一些機(jī)械結(jié)構(gòu)配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較大范圍的管徑變化。經(jīng)典的三種變徑機(jī)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比如表1所列。

表1 三種變徑機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的對(duì)比

經(jīng)分析以上三種典型變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，最終確定出了一種絲杠螺母+平行四邊形連桿變徑機(jī)構(gòu)，如圖3所示。該機(jī)構(gòu)充分利用了絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)，使得傳動(dòng)精度更高，效率更高，支撐連桿采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)變徑，另外與同步盤(pán)相連的連桿采用彈性桿，可以實(shí)現(xiàn)較小范圍的自適應(yīng)變徑功能。

圖3 絲杠螺母+平行四邊形連桿變徑機(jī)構(gòu)

2 管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

2.1 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

經(jīng)綜合考慮，最終確定管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。該款管道機(jī)器人主要由變徑機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架結(jié)構(gòu)組成，且周向呈120°均勻分布，所以，取其1/3作詳細(xì)論述。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：減速器4、直流伺服電機(jī)5、驅(qū)動(dòng)支撐輪部件3、電機(jī)支架6等，驅(qū)動(dòng)支撐輪部件包括：輪軸、軸承、擋圈等，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在前連架桿7上，前連架桿7通過(guò)螺釘連接在外殼頭部上，驅(qū)動(dòng)支撐輪部件3與支撐輪安裝板11通過(guò)螺釘固定在前連架桿7上，驅(qū)動(dòng)支撐輪部件3的輪軸伸出端與錐齒輪壓裝在一起，與其嚙合的另一錐齒輪與直流伺服電機(jī)5通過(guò)螺釘連接在一起，直流伺服電機(jī)5安裝在電機(jī)支架6上，電機(jī)支架6通過(guò)螺釘安裝在前連架桿上。

圖4 管道機(jī)器人最終結(jié)構(gòu)方案1.外殼頭部 2.外殼中部 3.驅(qū)動(dòng)支撐輪部件 4.減速器 5.直流伺服電機(jī) 6.電機(jī)支架 7.前連架桿 8.連桿 9.彈性連桿 10.后連架桿 11.支撐輪安裝板 12.從動(dòng)支撐輪部件 13.外殼尾部

變徑機(jī)構(gòu)包括：絲杠、同步盤(pán)、前連架桿7、后連架桿10、彈性連桿9、調(diào)節(jié)電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承架等，調(diào)節(jié)電機(jī)固定在外殼尾部13中間，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接，絲杠通過(guò)兩端的軸承架安裝，與螺母一體的同步盤(pán)與絲杠配合，彈性連桿9通過(guò)螺釘與同步盤(pán)16連接，彈性連桿9與連桿8通過(guò)螺釘連接，連桿8與前連架桿7、后連架桿10通過(guò)螺釘連接，前連架桿7與外殼頭部1通過(guò)螺釘連接，后連架桿10與外殼尾部13通過(guò)螺釘連接，上述各部分的連接組成了主動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)。外殼頭部1、外殼中部2、軸承架、外殼尾部13通過(guò)螺釘連接。電源模塊與調(diào)節(jié)電機(jī)通過(guò)線(xiàn)路連接，電源模塊19與直流伺服電機(jī)5通過(guò)線(xiàn)路連接，該線(xiàn)路在前連架桿7內(nèi)部穿過(guò)。

2.2 管道機(jī)器人三維實(shí)體建模

根據(jù)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案和總體要求，采用三維建模軟件SolidWorks對(duì)管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，其中變徑機(jī)構(gòu)包括：絲桿、螺母、同步盤(pán)、連架桿、彈性桿、電機(jī)、軸承、調(diào)節(jié)電機(jī)、軸承架等；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：錐齒輪、直流伺服電機(jī)、支撐輪、軸承、軸等，支撐輪與其連接的連架桿、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在軸向呈120°均勻分布，前后組成“3+3”的模式，中間通過(guò)連桿連接。按照各部件之間的連接關(guān)系裝配起來(lái)能夠較清晰的表達(dá)出真實(shí)的結(jié)構(gòu)，三維模型如圖5所示。

圖5 管道機(jī)器人三維模型

2.3 管道機(jī)器人工作原理

該款管道機(jī)器人具有主動(dòng)自適應(yīng)變徑的功能.具體工作原理如下：“主動(dòng)變徑”功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)外殼尾部13內(nèi)部的調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)外殼中部2內(nèi)部的絲杠旋轉(zhuǎn)，與絲杠配合的同步盤(pán)可以在絲杠軸線(xiàn)方向上作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，與同步盤(pán)相連接的彈性連桿9從而運(yùn)動(dòng)，與彈性連桿9相連接的連桿8從而運(yùn)動(dòng)，與連桿8兩端相連接的前連架桿7、后連架桿10從而運(yùn)動(dòng)，隨著調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變，變徑機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的改變(伸縮)，實(shí)現(xiàn)較大范圍的變化。

“自適應(yīng)變徑”功能主要通過(guò)與同步盤(pán)相連的彈性連桿9實(shí)現(xiàn)，當(dāng)主動(dòng)自適應(yīng)變徑支撐輪式管道機(jī)器人前行中遇到管徑的微小變化，或者出現(xiàn)一定高的障礙物時(shí)，驅(qū)動(dòng)支撐輪部件3將受到管壁的更大的壓力時(shí)，此時(shí)將通過(guò)彈性連桿9發(fā)生一定的變形，從而順利通過(guò)管道，轉(zhuǎn)彎能力的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)支撐輪上安裝的直流伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)驅(qū)動(dòng)支撐輪部件單獨(dú)運(yùn)動(dòng)或者停止，當(dāng)管道機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，使外側(cè)的驅(qū)動(dòng)支撐輪部件速度變快，內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)支撐輪部件的速度變慢或者停止，能夠使機(jī)器人通過(guò)彎道。

2.4 管道機(jī)器人工作特點(diǎn)

所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人主要有以下特點(diǎn)。

(1) 變徑功能齊全。該管道機(jī)器人具有自適應(yīng)變徑功能和主動(dòng)變徑的雙重功能。主動(dòng)變徑功能可以實(shí)現(xiàn)管徑變化320～390 mm左右的管道，可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的功能，“自適應(yīng)變徑”功能大大提高了因管道內(nèi)部輕微變形或雜物累積引起管徑變小的通過(guò)能力。

(2) 傳動(dòng)精度高，便于調(diào)節(jié)。該管道機(jī)器人采用螺母絲桿傳動(dòng)，螺母絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，同步盤(pán)推動(dòng)與平行四邊形變徑機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變徑，且具有高精度、摩擦阻力小、可逆性和高效率等優(yōu)點(diǎn)。

(3) 運(yùn)行里程長(zhǎng)，摩擦阻力小。該管道機(jī)器人采用無(wú)纜供電方式，減小了由于拖纜前行中的阻力，選用大容量的磷酸鐵鋰電池，具有質(zhì)輕、續(xù)航里程長(zhǎng)、使用范圍廣、能量密度高、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，增加了管道機(jī)器人的運(yùn)營(yíng)里程。

3 管道機(jī)器人的仿真分析

利用ADAMS仿真軟件，通過(guò)導(dǎo)入模型、添加約束、施加載荷、建立測(cè)量、仿真測(cè)試、后處理等流程對(duì)管道機(jī)器人的變徑范圍仿真，曲線(xiàn)如圖6；對(duì)管道機(jī)器人在管道中的運(yùn)行情況仿真，曲線(xiàn)如圖7所示。

圖6 管道機(jī)器人變徑范圍

圖7 管道機(jī)器人前端輪的位置變化

通過(guò)仿真分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該款管道機(jī)器人滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)有的功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)可選擇方案少的問(wèn)題[9]，文中提出了一種主動(dòng)自適應(yīng)管道變徑機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)及功能的設(shè)計(jì)分析在已有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后得出了一種為石油管道檢測(cè)可供選擇的新方案，通過(guò)ADAMS軟件對(duì)管道機(jī)器人變徑范圍和管道中的運(yùn)行性能仿真，驗(yàn)證了方案的可行性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然，該款管道機(jī)器人還存在結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱(chēng)容易造成傾翻等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究試驗(yàn)。