管道封堵機(jī)器人的大變形橡膠筒靜態(tài)密封特性仿真與試驗(yàn)研究

唐 洋 ,王 遠(yuǎn) ,李澤良 ,孫 鵬 ,劉 祥 ,王 強(qiáng) ,吳 聚

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué) 能源裝備研究院,四川 成都 610500;3.四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司,四川 成都 610500)

大變形橡膠筒是管道封堵機(jī)器人最為重要的核心組成部件之一，其作用主要是密封管道、隔絕管道內(nèi)油氣以及保護(hù)管道.現(xiàn)場使用中，橡膠筒密封失效和撕裂失效問題較為突出，已成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一[1-4].

為了揭示大變形橡膠筒密封和損傷失效機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者對封隔器膠筒做了相關(guān)研究.Hu等[5]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)對比，對壓縮式封隔器填料元件密封性能進(jìn)行了研究.Dong等[6]研究了壓力作用下，應(yīng)力松弛對織物橡膠密封性能的影響.張智等[7]采用正交優(yōu)化方法，對橡膠筒的長度、厚度和倒角尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了橡膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化組合方案.王曉龍等[8]分析了在20 MPa載荷下，橡膠筒與套管和中心管間的接觸應(yīng)力分布規(guī)律、橡膠筒Mises應(yīng)力變化規(guī)律和剪切應(yīng)力變化規(guī)律.張康等[9]通過仿真研究了橡膠筒的自密封特性，分析了不同橡膠筒硬度對其自密封性能的影響.黎偉等[10]分析了不同摩擦系數(shù)、橡膠筒厚度、工作壓力和環(huán)空間隙等因素對橡膠筒變形的影響.上述研究主要涉及封隔器中橡膠力學(xué)性能分析，也有涉及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)部分.類似橡膠筒在封隔器上使用較多，并且其為常規(guī)的小變形的橡膠筒.然而，管道封堵機(jī)器人橡膠筒與封隔器橡膠筒有明顯區(qū)別，需考慮橡膠材料特性、幾何形狀、管內(nèi)高壓和大尺寸等因素.

因此，在本研究中選取5種不同類型的橡膠材料作為試驗(yàn)對象，擬合出5種橡膠材料的本構(gòu)模型；其次采用有限元方法研究橡膠材料和橡膠筒幾何參數(shù)對管道封堵機(jī)器人密封特性的影響；進(jìn)一步采用多因素分析方法對橡膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高橡膠筒的密封性能和使用壽命.本研究的結(jié)果對開發(fā)高性能、高壽命以及高可靠性管道封堵機(jī)器人具有重要的參考意義.

1 管道封堵機(jī)器人橡膠筒多階段變形力學(xué)分析

管道封堵機(jī)器人封堵模塊由支撐輪、施力塊Ⅰ、橡膠筒、施力塊Ⅱ、卡瓦和支撐盤組成，如圖1所示.橡膠筒承受軸向載荷，會(huì)發(fā)生形變膨脹貼合管壁，與管壁產(chǎn)生接觸應(yīng)力.接觸應(yīng)力隨著橡膠筒膨脹而增大，最終將管壁與機(jī)器人間的環(huán)形通道封住[11].

Fig.1 Structure model of pipeline plugging robot sealing module: 1.support wheel;2.pressing block I;3.rubber cylinder;4.pressing block II;5.slips;6.support plate圖1 管道封堵機(jī)器人封堵模塊結(jié)構(gòu)模型圖：1.支撐輪；2.施壓塊Ⅰ；3.橡膠筒；4.施壓塊Ⅱ；5.卡瓦；6.支撐盤

橡膠筒受軸向力產(chǎn)生的變形可分為自由變形和約束變形2個(gè)階段[12].橡膠筒密封管道所需的總擠壓力F為

其中，F(xiàn)ε為橡膠筒自由變形階段所需的壓力；FΔP為橡膠筒約束變形階段所需壓力.

1.1 橡膠筒自由變形階段力學(xué)分析

當(dāng)管道封堵機(jī)器人橡膠筒受到軸向載荷時(shí)，從初始狀態(tài)到接觸管壁前的過程稱為自由變形階段.假設(shè)完全符合胡克定律，在自由變形階段中橡膠筒的應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系.此時(shí)，橡膠筒內(nèi)任一質(zhì)點(diǎn)的徑向位移微分方程[13]為

其中，u為橡膠筒的徑向位移(單位mm)；r為曲率半徑(單位mm).

通解為

由邊界條件得

將式(4)和(5)代入式(3)得

其中，R1為橡膠筒內(nèi)半徑，R1=169 mm；R2為橡膠筒外半徑，R2=186 mm；R3為管道內(nèi)半徑，R3=196 mm.

橡膠筒相對徑向應(yīng)變?yōu)?/p>

橡膠筒相對切向應(yīng)變?yōu)?/p>

假設(shè)橡膠筒的體積變化為

其中，εz為橡膠筒相對軸向應(yīng)變.

由于橡膠圈的材料為丁腈橡膠，是1種塑性低、硬度極高的材料[14].在承受壓力時(shí)具有不可壓縮性，因此體積變化為

其中，V為橡膠筒體積；L為橡膠筒長度.

可知橡膠筒相對軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

由廣義胡克定律可以求得橡膠筒承變形時(shí)的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力：

其中，負(fù)號“-”表示軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力.

得出橡膠筒在自由變形階段所承受的軸向力

其中，E為橡膠筒彈性模數(shù)，E=7.84 MPa；μ為泊松比，μ=0.5.

由于(R3-R2)是在初始狀態(tài)下橡膠筒與管道內(nèi)壁之間的間隙值.因此，管道內(nèi)壁與橡膠筒之間的環(huán)向間隙越大，壓縮橡膠筒與管道內(nèi)壁接觸所需的軸向擠壓力也越大.

1.2 橡膠筒約束變形階段力學(xué)分析

所設(shè)計(jì)的管道封堵機(jī)器人要求密封10 MPa油氣介質(zhì).即10 MPa的壓差作用在橡膠筒一側(cè)的環(huán)形截面上時(shí)，管道封堵機(jī)器人仍能夠有效封堵油氣管道.根據(jù)管道軸向上的力學(xué)平衡條件可知，壓差 ΔP作用在橡膠筒上的推力與橡膠筒和管壁間的摩擦力相等[15]，即

其中，Sh為橡膠筒外徑與管道內(nèi)徑間的環(huán)形面積；So為橡膠筒變形后與管道接觸形成的外密封面積；f為橡膠筒與管壁間的摩擦因數(shù)，取極限值0.3；P1為理論接觸應(yīng)力，L為橡膠筒長度，L=180 mm；ΔL為橡膠筒長度差.

軸向壓縮應(yīng)變量 εz：

橡膠筒在密封工作狀態(tài)下所需的軸向壓縮力：

保證橡膠筒能夠密封管道所需要的總壓力：

管內(nèi)壓差作用在橡膠筒環(huán)形面上的作用力以及接觸應(yīng)力與縱向變形量之間的關(guān)系：

其中，F(xiàn)1為橡膠筒所受的軸向擠壓力；A0為橡膠筒側(cè)面環(huán)形面積；A1為橡膠筒變形后與管道間側(cè)面環(huán)形面積；σj為沿橡膠筒截面的平均軸向應(yīng)力；η為縱向變形量；ρ0為橡膠筒內(nèi)外徑之比；Pk為接觸應(yīng)力；G為抗剪切彈性模量，G=2.65 MPa；ω為與橡膠筒內(nèi)外徑有關(guān)的調(diào)節(jié)系數(shù)[16].

計(jì)算得出，當(dāng)出現(xiàn)接觸應(yīng)力Pk大于等于7.26 MPa時(shí)，可認(rèn)為管道封堵機(jī)器人能夠有效封堵住10 MPa壓力的介質(zhì).

管道封堵機(jī)器人中橡膠筒的密封性能不僅與橡膠筒和管道之間的接觸應(yīng)力有關(guān)，還與橡膠筒和管道之間的有效接觸長度有關(guān).考慮到這一點(diǎn)，有學(xué)者應(yīng)用密封性能系數(shù)K來評價(jià)彈性密封材料的密封性能[17].密封性能系數(shù)K等于橡膠筒和管道之間的平均接觸應(yīng)力和有效接觸長度的乘積.

其中，Pk為平均接觸應(yīng)力，Lk為有效接觸長度.

橡膠筒在未損壞的情況下，密封性能系數(shù)K值越大，橡膠筒的密封性能越好.

2 橡膠材料試驗(yàn)與本構(gòu)模型分析

橡膠材料作為1種高度非線性的復(fù)合材料，因其本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，無法簡單通過固定的材料參數(shù)來描述其力學(xué)性能，所以前人在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立了理論模型，并確定了一系列本構(gòu)模型常系數(shù)[18-20].

2.1 橡膠常用本構(gòu)模型

2.1.1 Arruda-Boyce模型[21]

Arruda-Boyce模型適用于模擬橡膠3倍的應(yīng)變，在大應(yīng)變硬化的情況下同樣適用.其應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為

其 中，C1=1/2，C2=1/20，C3=11/1050，C4=19/7050，C5=519/673750，Ci為材料剪切性能參數(shù)，u為初始切變模量，λm為自鎖應(yīng)變，為應(yīng)變不變量，D為材料壓縮性能參數(shù)，J為彈性體積比.

2.1.2 Van Der Waals模型[22-23]

Van Der Waals模型與Arruda-Boyce模型相比具有更好的擬合性能，在預(yù)測橡膠變形能力上較優(yōu).其應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為

2.1.3 Mooney-Rivlin模型[24]

Mooney-Rivlin模型是多項(xiàng)式模型中最簡單的模型.其應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為

其中：C10和C01均為材料剪切性能參數(shù)，D1為材料壓縮性能參數(shù).當(dāng)材料的精確參數(shù)不確定時(shí)，通常采用Mooney-Rivlin模型.該模型適用于小應(yīng)變或中應(yīng)變(100%拉伸應(yīng)變，30%壓縮應(yīng)變).

2.1.4 Yeoh模型[25]

Yeoh模型在大應(yīng)變情況下應(yīng)變能與試驗(yàn)結(jié)果吻合情況較好.其應(yīng)變能函數(shù)為

其中，N為函數(shù)的階數(shù)，N越大，擬合精度越高.

2.1.5 Ogden模型[26]

Ogden模型一般適用得應(yīng)變范圍較大(達(dá)700%)，應(yīng)變能函數(shù)為

2.2 橡膠的單軸拉伸壓縮試驗(yàn)

不同材料的橡膠，仿真分析時(shí)本構(gòu)模型不同，需進(jìn)行材料拉伸壓縮試驗(yàn)，得出應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，擬合出合適的本構(gòu)模型.單軸拉伸試驗(yàn)按照GB/T 528-2009的方法，單軸壓縮試驗(yàn)按照GB/T7757-2009的方法，具體試驗(yàn)方式如下.

選取邵氏硬度為70 HA、75 HA、80 HA、85 HA和90 HA的丁腈橡膠作為試驗(yàn)材料.拉伸試樣采用Ⅰ型啞鈴狀試樣，總長為115 mm，端部寬25 mm，試件中部寬6 mm，厚2 mm.壓縮試樣采用圓柱體，直徑為29.0±0.5 mm，高度為12.5 ±0.5 mm.

橡膠拉伸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到的不同邵氏硬度試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示.

Fig.2 Uniaxial tensile and compressive stress-strain curves of rubber at different hardness圖2 不同硬度下橡膠單軸拉伸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2中可以看出，隨著橡膠硬度增加，壓縮或拉伸相同應(yīng)變所需的應(yīng)力增大.在有限元仿真軟件中利用最小二乘法對單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[27-28].優(yōu)選出最適合不同硬度橡膠力學(xué)性能的本構(gòu)模型并列于表1中.

表1 不同材料橡膠的擬合本構(gòu)模型Table 1 Fitting constitutive models of rubber with different materials

3 橡膠筒的密封特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

所設(shè)置的分析變量為橡膠筒的硬度、軸向長度L、徑向厚度b以及受壓邊的傾斜角 α.橡膠筒截面示意圖如圖3所示.

Fig.3 Schematic diagram of cross-section of the rubber cylinder圖3 橡膠筒截面示意圖

3.1 橡膠筒在不同材料硬度下的密封性能分析

將硬度為70 HA、75 HA、80 HA、85 HA和90 HA的橡膠材料根據(jù)上述選擇的本構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)置.設(shè)置載荷為523.56 kN，5種硬度橡膠筒與管壁的接觸應(yīng)力分布曲線如圖4所示，橡膠筒的肩部應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，橡膠筒與管道接觸參數(shù)列于表2中.

表2 不同硬度橡膠筒與管道接觸參數(shù)表Table 2 Contact parameters between rubber cylinder and pipe with different hardness

Fig.4 Contact stress distribution curve between rubber cylinder and pipe wall with different hardness圖4 不同硬度橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線

Fig.5 Strain cloud diagram of rubber cylinder with different hardness圖5 不同硬度橡膠筒肩部應(yīng)變云圖

通過對上述不同硬度橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布結(jié)果、橡膠筒與管道接觸參數(shù)和不同硬度橡膠筒肩部應(yīng)變云圖進(jìn)行分析可知：

(1) 橡膠筒硬度為75 HA時(shí)，接觸應(yīng)力最大可達(dá)到14 MPa，密封性能系數(shù)K為1 721，密封效果較好，但橡膠筒的應(yīng)變較大，最大值為140.7%.

(2) 隨著橡膠筒硬度的增加，橡膠筒與管道之間的接觸應(yīng)力先增大后減小.在硬度為75 HA時(shí)，橡膠筒與管道間的接觸應(yīng)力最大.在硬度為85 HA時(shí)，橡膠筒應(yīng)變最小為47.48%.

(3) 70 HA、75 HA和80 HA硬度的橡膠筒有明顯的肩凸現(xiàn)象，會(huì)縮短橡膠筒的使用壽命.

為進(jìn)一步優(yōu)選出滿足密封條件的橡膠筒材料，根據(jù)橡膠筒硬度設(shè)置不同載荷，保證密封效果相近(最大接觸應(yīng)力近似相等)，參數(shù)列于表3中，分析橡膠筒的形變損傷，如圖6所示.

表3 不同硬度橡膠筒載荷與最大接觸應(yīng)力Table 3 Load and maximum contact stress of rubber cylinders with different hardness

Fig.6 Maximum deformation of rubber cylinders with different hardness under the same maximum contact stress圖6 最大接觸應(yīng)力相等情況下不同硬度橡膠筒的最大變形量

在近似相同的密封效果下，橡膠筒為85 HA時(shí)，最大變形量最小.再綜合考慮肩凸現(xiàn)象對橡膠筒使用壽命的影響及密封特性分析，可以得出最優(yōu)的橡膠筒硬度為85 HA.

3.2 橡膠筒在不同軸向長度下的密封性能分析

取橡膠筒軸向長度為80～200 mm，將橡膠筒軸向長度等分為80、100、120、140、160、180和200 mm，對管壁的接觸應(yīng)力進(jìn)行對比分析.相同載荷下不同軸向長度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線如圖7所示.橡膠筒與管道接觸參數(shù)列于表4中.

表4 不同軸向長度橡膠筒與管道接觸參數(shù)Table 4 Contact parameters between rubber cylinder and pipe with different axial lengths

Fig.7 Contact stress distribution curve between rubber cylinder and pipe wall with different axial lengths圖7 不同軸向長度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線

對上述所獲得的不同軸向長度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線圖和橡膠筒與管道接觸參數(shù)表進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)果：

(1) 當(dāng)橡膠筒軸向長度為80、100和120 mm時(shí)，有效接觸長度較短導(dǎo)致密封性能系數(shù)K較小，橡膠筒密封效果不佳.

(2) 隨著橡膠筒軸向長度增加，最大接觸應(yīng)力和平均接觸應(yīng)力變化不大，密封性能系數(shù)K逐漸增大，密封性能越來越好.

(3) 橡膠筒最大Mises應(yīng)力在軸向長度為200 mm時(shí)為22.37 MPa，影響橡膠的彈性恢復(fù)力.結(jié)合橡膠筒的密封特性分析及最大Mises應(yīng)力對其彈性恢復(fù)力的影響，橡膠筒的最優(yōu)軸向長度為180 mm.

3.3 橡膠筒在不同徑向厚度下的密封性能分析

取橡膠筒徑向厚度為40～70 mm，將橡膠筒徑向厚度等分為40、45、50、55、60、65和70 mm，對管壁的接觸應(yīng)力進(jìn)行對比分析.相同載荷下不同徑向厚度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線如圖8所示.橡膠筒與管道接觸參數(shù)列于表5中.

表5 不同徑向厚度橡膠筒與管道接觸參數(shù)Table 5 Contact parameters between rubber cylinder and pipe with different radial thickness

Fig.8 Contact stress distribution curve between rubber cylinder and pipe wall with different radial thickness圖8 不同徑向厚度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線

對上述所獲得的不同徑向厚度的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線圖和橡膠筒與管道接觸參數(shù)表進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)果：

(1) 在相同的載荷下，隨著橡膠筒徑向厚度的增加，最大接觸應(yīng)力、平均接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)K逐漸減小.

(2) 橡膠筒徑向厚度的變化對其密封特性的影響很小，但最大Mises應(yīng)力變化較大，即對橡膠筒的損傷影響較大，結(jié)合密封特性和自身損傷分析可知橡膠筒的最優(yōu)徑向厚度為55 mm.

3.4 橡膠筒在不同傾斜邊角下的密封性能分析

橡膠筒密封時(shí)不同的傾斜邊角 α也會(huì)對其密封特性存在顯著影響.首先設(shè)置范圍在0°～45°之間，每間隔4°建立1個(gè)分析模型，相同載荷下不同傾斜邊角橡膠筒管壁接觸應(yīng)力分布曲線如圖9所示.橡膠筒與管道接觸參數(shù)列于表6中.

表6 不同傾斜邊角橡膠筒與管道接觸參數(shù)表Table 6 Contact parameters between rubber cylinder and pipe with different inclined corners

Fig.9 Contact stress distribution curve between rubber cylinder and pipe wall with different inclined corners圖9 不同傾斜邊角橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線

對上述所獲得的不同傾斜邊角的橡膠筒與管壁接觸應(yīng)力分布曲線圖和橡膠筒與管道接觸參數(shù)表進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)果：

(1) 在傾斜邊角 α ＜20°時(shí)，隨著傾斜角度增加，最大接觸應(yīng)力、平均接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)K均逐漸增大，在 α ≥28°時(shí)，最大接觸應(yīng)力、平均接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)K均隨著傾斜角度增加而逐漸減小.表明橡膠筒的密封性能隨著傾斜邊角 α的增加先增大后減小.

(2) 在傾斜邊角 α ＜20°時(shí)，隨著角度增大，Mises應(yīng)力值減小.α ≥20°時(shí)，隨著角度增大，Mises應(yīng)力值增大.在α=20°時(shí)橡膠筒Mises應(yīng)力值最小，為17.39 MPa.在 α=28°時(shí)，橡膠筒Mises應(yīng)力值為17.42 MPa，與最小值相差很小，結(jié)合橡膠筒的密封性能分析可知α=28°時(shí)應(yīng)用效果最好.

4 管道封堵機(jī)器人橡膠筒密封特性試驗(yàn)研究

4.1 橡膠筒材料密封特性試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)的橡膠筒材料試驗(yàn)原理如圖10所示[29].將橡膠筒放入模擬壓力管道容器中，壓力試驗(yàn)機(jī)擠壓橡膠筒變形貼合管道內(nèi)壁，不同硬度橡膠筒的試驗(yàn)作用載荷列于表7中.當(dāng)橡膠筒密封完成后，從進(jìn)壓口壓入10 MPa油液，觀察橡膠筒試驗(yàn)裝置上端是否出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，驗(yàn)證橡膠筒的密封效果.最后，觀察橡膠筒是否存在肩部突起和磨損等情況，選擇形變損傷最小的硬度的橡膠筒為最優(yōu)橡膠筒硬度.

表7 不同硬度橡膠筒試驗(yàn)作用載荷Table 7 Test load of rubber cylinders with different hardness

橡膠筒分為5種硬度，分別為70 HA、75 HA、80 HA、85 HA和90 HA，如圖11所示.

Fig.11 Photograph of 70 HA～90 HA hardness rubber cylinder圖11 70 HA～90 HA硬度橡膠筒照片

4.1.2 試驗(yàn)步驟

1) 將橡膠筒放入模擬壓力管道容器中，蓋上壓力蓋，放在壓力試驗(yàn)機(jī)上，連接好液壓管線與液壓泵.

2) 開啟壓力試驗(yàn)機(jī)，控制其向下作用壓力蓋并擠壓橡膠筒，橡膠筒向外膨脹貼緊管道內(nèi)壁.

3) 停止壓縮進(jìn)程并穩(wěn)壓.開啟手動(dòng)液壓泵，向橡膠筒下端緩慢打入10 MPa油液，然后穩(wěn)壓10 s.穩(wěn)壓過程中手動(dòng)液壓泵上的壓力表讀數(shù)如圖12所示.

Fig.12 Manual hydraulic pump stabilizes 10 MPa without pressure drop圖12 手動(dòng)液壓泵穩(wěn)壓10 MPa無壓降

4) 試壓油液退壓，壓力試驗(yàn)機(jī)再慢慢回升，更換不同硬度橡膠筒，重復(fù)以上步驟，共5組.

5) 記錄各組試驗(yàn)過程的泄漏情況及橡膠筒受損情況.

4.2 橡膠筒密封試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)以手動(dòng)液壓泵穩(wěn)壓過程中壓力表數(shù)值穩(wěn)定無壓降判斷橡膠筒是否實(shí)現(xiàn)了10 MPa的壓力密封.圖12中手動(dòng)液壓泵穩(wěn)壓10 MPa無壓降表明，5種硬度橡膠筒在表7所列的載荷下均可實(shí)現(xiàn)10 MPa密封.如圖13所示，觀察橡膠筒側(cè)面，硬度為70 HA和75 HA的橡膠筒出現(xiàn)明顯裂縫.硬度為85 HA～90 HA時(shí)，側(cè)面與初始形狀相同.觀察橡膠筒被壓縮面，硬度為70 HA～80 HA時(shí)肩突現(xiàn)象最明顯，85 HA的橡膠筒肩突現(xiàn)象最弱.硬度大于80 HA時(shí)，橡膠筒的應(yīng)用效果更好.硬度越大，橡膠筒所需封堵力越大.結(jié)合仿真分析結(jié)果可知，管道封堵機(jī)器人橡膠筒的最優(yōu)硬度為85 HA.

Fig.13 Compression test results of 70 HA～90 HA hardness rubber cylinder圖13 70 HA～90 HA硬度的橡膠筒壓縮試驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文中以管道封堵機(jī)器人密封性能為基礎(chǔ).基于橡膠筒材料的高彈性和大變形特性，進(jìn)行了橡膠筒單元力學(xué)分析.對橡膠材料進(jìn)行了拉伸壓縮試驗(yàn)，得到了橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系參數(shù).建立出橡膠筒密封特性分析的有限元仿真模型.通過有限元仿真與試驗(yàn)分析，最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.管道封堵機(jī)器人封堵作業(yè)過程中，橡膠筒與管壁之間的接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)的大小是評價(jià)封堵性能的關(guān)鍵參數(shù).橡膠筒被壓縮面的Mises應(yīng)力是評價(jià)橡膠筒彈性回復(fù)力的關(guān)鍵參數(shù)，減小Mises應(yīng)力有利于提高管道封堵機(jī)器人使用壽命.

b.隨著橡膠筒的硬度增大，在相同載荷下，橡膠筒密封性能越弱，變形量越小.隨著橡膠筒軸向長度增加，橡膠筒密封性能越好，但橡膠筒被壓縮面Mises應(yīng)力越大，橡膠筒肩凸較大.隨著橡膠筒徑向厚度減小，橡膠筒的密封性能越好，但橡膠筒被壓縮面Mises應(yīng)力越大.隨著橡膠筒傾斜邊角增加，橡膠筒的密封性能先增強(qiáng)后減弱，橡膠筒被壓縮面Mises應(yīng)力先減小后增大.

c.合理的優(yōu)化橡膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)可以有效提高管道封堵機(jī)器人工作壽命減小橡膠筒損傷變形，以提高管道封堵機(jī)器人的工作性能.經(jīng)過橡膠筒密封特性與被壓縮面Mises應(yīng)力對比分析后得出最優(yōu)的橡膠筒結(jié)構(gòu)為L=180 mm，b=55 mm，α=28°，橡膠材料硬度為85 HA.

d.加工出70 HA～90 HA的5種硬度橡膠筒進(jìn)行密封特性分析試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，5種硬度橡膠筒分別在所對應(yīng)的載荷下均滿足10 MPa密封要求，85 HA硬度的橡膠筒側(cè)面及被壓縮面損傷較少，密封效果最好.

本文中開展的橡膠材料單軸拉伸壓縮試驗(yàn)及其本構(gòu)模型擬合為管道封堵機(jī)器人設(shè)計(jì)人員針對橡膠材料的選擇提供了參考.幫助管道封堵機(jī)器人設(shè)計(jì)人員考慮從橡膠筒與管壁間的接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)去評價(jià)橡膠筒的密封性能，從橡膠筒被壓縮面的Mises應(yīng)力去評價(jià)橡膠筒彈性回復(fù)力，有利于幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)出高壽命、高可靠性的管道封堵機(jī)器人.橡膠筒材料密封特性試驗(yàn)研究考慮了管內(nèi)高壓和大尺寸的橡膠筒，具備一定的通用性，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員開展不同型號管道封堵機(jī)器人和不同管內(nèi)壓力的橡膠筒密封試驗(yàn).

同時(shí)，設(shè)計(jì)了1套微型液壓控制系統(tǒng)，相應(yīng)地開展了液壓系統(tǒng)工況分析，研究了調(diào)壓回路、節(jié)流調(diào)速回路和鎖緊回路的設(shè)計(jì)以及液壓缸、微型液壓泵、蓄能器、三位四通換向閥和溢流閥等元器件的選型計(jì)算.針對設(shè)計(jì)的微型液壓控制系統(tǒng)，后續(xù)將利用Amesim/Simulink聯(lián)合仿真，開展無控制器、PID控制和模糊PID控制的對比分析，并開展相關(guān)的試驗(yàn)研究以實(shí)現(xiàn)橡膠筒密封外部加載力的精確控制.