履带式油气管道巡检机器人爬坡特性分析.pdf

针对目前油气管道机器人对油气管道的适应能力弱、爬坡能力差等问题，提出一种能够变径的履带式油气管道检测机器人。采用 三维软件建立样机模型，然后将样机模型导入 仿真软件中，根据实际情况设置约束并简化模型，对管道机器人进行运动学仿真，分析变径、爬坡等能力，最后搭建试验平台对管道机器人的爬坡能力进行试验验证。结果表明：该机器人能够适应 管径的油气管道，能够在承受自重的情况下爬上、的斜坡。关键词：油气管道机器人；爬坡能力；变径；仿真中图分类号：，（，；，）：，：；前言在石油化工以及天然气的发展中，油气管道起着运输、保存介质等作用，并且随着科学技术的迅速发展和能源消费量的持续增长，油气管道的应用以及研发都得到广泛的提高。但是，随着油气管道使用年限的延长，很容易发生污染、腐蚀、堵塞等问题，并且管道大多深埋地下、铺设海底、悬架在空中以及穿梭在建筑物里，对检测、维修要求更高，一旦检测不到隐藏的危害，就会造成经济损失、人员伤亡甚至会导致整个系统的崩溃。目前最常见的就是人力检测管道，需要携带大量的设备、配备大量的人员，效率不高，并且检测的结果以及精度都得不到保障，出现危险还会危及检测人员的安全问题。随着特种机器人科技的迅速发展以及对油气管道安全问题的特别重视，衍生了以油气管道检测的特种机器人代替人力进行全面检测油气管道。但目前的特种机器人存在诸多弊端，例如当管道铺设有一定的坡度时，机器人爬坡能力就受到限制，因此对履带式油气管道巡检机器人的爬坡特性进行分析、仿真有重要的研究意义。在油气管道机器人的爬坡特性分析方面，宗成国等以双履带移动机器人在不同的路况下为基础，用理论分析以及试验验证得出所设计的机器人爬坡越障的能力，验证设计的合理性。帅立国等从机器人不同的运动模式出发，利用稳定锥的研究方法建立机器人爬坡的约束方程，验证了机器人能够爬上 的坡，具有深远的影响。尹铁等人设计了一种大口径管道内爬行机器人，通过空气动力学的方法，在大管径管道内进行机器人现场爬坡试验，创新性地提出气动爬坡的方法，有效提高工程应用性。年四成等设计了一种可以在管道内进行 爬坡的机器人，为了保证机器人爬坡等特性，提出一种等距传动机构，通过动力学分析和理论学验证，最后完成机器人在管道内的爬坡试验，证明了该机器人爬坡的可行性。本文作者通过三维软件建立机器人爬坡模型，利用 软件添加机器人爬坡过程中的几何约束，对所设计的履带式油气管道检测机器人爬坡特性进行仿真分析，并搭建试验样机爬坡运动平台，通过现场试验对爬坡特性进行验证，为后续的履带式管道机器人爬坡运动研究提供理论基础。履带式油气管道巡检机器人三维模型文中设计一种能自主适应管道的履带式油气管道巡检机器人，该机器人主要运用在化工压力管道、原油、成品油、天然气的输送管道，可以实现对化工、石油天然气、核电等行业化工装备中压力容器和压力管道等特种设备的智能巡检功能。该油气管道检测机器人质量大约为 ，履带轮的驱动电机采用直流无刷电机，电机型号为，机器人的变径机构动力通过 直流无刷电机提供，采用蓄电池无缆线方式进行供电，能够减少缆线移动不方便等问题，该机器人可以适应管径在 变化的管道。履带式油气管道巡检机器人基本组成结构如图 所示。主要包括机器人中央控制处理系统、机器人驱动系统、定位与导航系统、图像处理及信号传输系统以及外机操作设备平台等。图 油气管道机器人系统结构 油气管道机器人的总体结构如图 所示。该油气管道巡检机器人由可以变径的 个履带轮和 个被动支撑轮式的管道机器人（履带和滚轮呈 分布）组合而成，个履带轮可以有效地增加机器人与管道内壁的摩擦力，提供更大的承载能力以及更大范围的爬坡能力。油气管道检测机器人的行走装置是由滚珠丝杠、螺母、连杆等零部件组成，丝杠电机装载联轴器驱动滚珠丝杠转动，带动丝杠螺母移动，然后推动连杆改变左右履带轮的接触直径大小，以此达到在管道内变径的效果。行走装置设计为履带轮的样式，履带轮之间的张角大小固定为，每条履带轮安装有独立的履带轮带电机，可以使机器人进行差速行驶。履带轮采用高强度的橡胶双面齿履带，并且管道机器人的驱动以及支撑组件围绕主轴呈均匀分布。通过 三维设计软件对此机器人的驱动装置、支撑装置、行走装置等部件进行设计，再进行装配。图 管道机器人三维模型 管道机器人爬坡力学分析管道机器人能够顺利、安全地爬上一定的坡度需要具备以下要求：（）机器人在爬坡的过程中不会出现翻转，需要保持整体的平衡性能；（）管道机器人在爬坡过程中的牵引力必须充足，防止机器人在此过程中出现动力不足导致下滑以及原地不动。对于要求（），如图 所示，当机器人在管道内部进行爬坡运动时，机器人自身重力沿着坡道的分力表现为机器人所受到的一个坡度阻力；机器人在坡道上行驶时，由于履带轮与管道内壁存在一定的摩擦阻力，因此机器人在爬坡时其重力的一个分力称之为滚动阻力。坡道阻力与滚动阻力均与机器人的重力成正比，故可以把这 种阻力整合，叫做道路阻力。（）在管道内进行爬坡运动时，所需要的牵引力 必须大于管道阻力：（）令，当爬最大坡度角时，由式（）可得：（）（）由式（）（）可得：（）式中：为机器人的重力，且 总；为履带轮与管道内壁的摩擦因数；为管道与水平面的夹角。机床与液压第 卷图 机器人力学分析 对于要求（），如图 所示，管道机器人在爬坡的过程中，履带轮与管道内壁出现打滑时的临界条件，即履带轮与管壁的摩擦力小于等于最大牵引力，且垂直于坡道上的力平衡。图 机器人爬坡模型 （）由式（）变换可得：（）式中：为管道与水平面的夹角。由式（）和式（）可得管道机器人所具备的最大爬坡角度：，（）通过上式计算的最大爬坡角度，是在管道机器人的牵引力以及自身重力已知，并且摩擦因数已知的情况下进行理论计算而得，其他阻力不计。管道机器人在管内行驶时，所受到的力如图 所示。根据管道机器人所受到的力进行分析，计算出履带电机所能达到的牵引力，从而进行 仿真，进行验证机器人能爬到的坡度。由受力平衡可知：（）式中：为重力；、为支撑力。因为所设计的管道机器人的最大整体质量为，取 为 ，则 为 。在理想的情况下，管道机器人不需要支撑轮，就可以匀速行驶，即、为。又因为履带和支撑轮呈 分布，则机器人的驱动力：（）式中：为橡胶履带轮与钢管的摩擦因数，一般取值范围为 ，在此处取为 。联立式（）（）可得驱动力为 。由于此管道机器人设计安装两条履带轮，并且为对称分布，所以每条履带轮的驱动电机的驱动力为 。所以，所选用的直流无刷电机可以达到该驱动力的要求。图 管道机器人总体受力分析 管道机器人运动仿真研究油气管道检测机器人的仿真分析主要是利用虚拟样机技术对性能指标进行仿真和测量，评价机器人模型设计的合理性。利用 软件设计管道机器人总体三维机械模型。运动学仿真的过程中，在不影响仿真结果的同时，为了缩短仿真时间、减少仿真软件中各部件之间的相互作用，电机单元、其他内部零件单元和后支架被设置为一个单独的部件。此外，驱动轮的轮架是一体的，支撑杆件和支撑车轮的轮架是一体的。将建立的模型导入到 中，并添加各部分之间的运动副。首先，在管道和大地之间增加固定约束，在伺服电机和履带驱动框架之间增加移动副，在支撑杆和支撑框架之间增加移动副。在每个履带轮转动轴和轮架轴之间添加旋转约束，在驱动机构和驱动电机之间添加旋转副。最后，增加履带驱动轮、被动支撑轮和管壁的接触约束。总体仿真结构如图 所示。图 油气管道巡检机器人总体仿真结构 在 软件中模拟时，在条件约束中，将油第 期喻九阳 等：履带式油气管道巡检机器人爬坡特性分析 气管道机器人放置在管径为、壁厚为 的管道中，每条橡胶履带轮与钢管管壁的摩擦因数设定为 ，设置步数为 迭代处理，终止时间为 ，设置不同的重力方向，模拟、的倾斜管道，如表 所示。其他的参数通过模拟软件自动计算添加，得到管道机器人不同支撑机构的弹簧受力，如图图 所示。表 管道机器人重力设置 图 管道机器人在 坡爬坡时支撑轮弹簧受力曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时支撑轮弹簧受力曲线 如图、图 所示：管道机器人在爬坡时，支撑轮慢慢撑开，贴近管壁，所以弹簧的弹力在初始运动的时候有一小段的波动，待贴近管壁的时候，支撑轮的弹簧弹力处于稳定值，维持管道机器人稳定爬坡的能力。爬坡时机器人质心、向速度、牵引力曲线以及履带轮与管壁接触力、曲线，如图 图 所示。图 管道机器人 坡爬坡时速曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时速度曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时牵引力曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时牵引力曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时接触力曲线 图 管道机器人在 坡爬坡时接触力曲线 由图 图 可知：管道机器人在爬坡的过程中，准备爬坡时需要先适应管道的管径变化，调节履带轮以及支撑轮，因此管道机器人的速度、牵引力以及履带轮的接触力在爬坡开始时刻都出现较大的波动；待履带轮、支撑轮调节到合理的状态后，管道机机床与液压第 卷器人的速度、牵引力、履带轮与管壁的接触力都保持在一定范围内波动而处于稳定。履带轮与管壁的接触力由于接触点时刻变化，各方向的接触力波动较大；牵引力集中在 左右变化，不超过第 节计算的理论值 。由此，所设计的管道机器人满足其爬坡所需要牵引力的要求。管道机器人爬坡能力试验测试通过理论计算和软件仿真分析，文中设计的管道机器人可以爬上 以及 的坡。为了验证理论分析以及软件仿真的合理性，设置管径为 、管壁厚度为 、长为 的亚克力材质的管道作为试验平台，以机器人在管道内不同坡度的爬坡为例开展管道机器人爬坡试验，如图 所示。试验表明：管道机器人的爬坡能力较好，在运动过程中比较稳定，能够顺利爬上 的斜坡，在支撑结构的助力下也可以缓慢爬上 的管道，所用时间较长，并且管道机器人的结构紧凑，被动调节装置具有非常理想的支撑效果。图 管道机器人试验 ：（）；（）结论文中根据三维软件以及虚拟样机的技术，建立了履带式管道检测机器人的三维模型并导入 中，进行管道机器人的爬坡运动仿真，验证了管道机器人爬坡理论分析的合理性，并搭建了试验平台进行相关试验，证明该管道机器人在承受自重的情况下可以爬上 以及 的坡，为样机结构设计提供了理论依据与现实基础，很大程度上缩短了履带式管道检测机器人爬坡性能的研究时间，为这一领域的研究提供了参考方法，有助于提高该类产品的性能、质量。参考文献：马国油气管道内检测技术现状及发展趋势石油化工安全环保技术，（）：，（）：祝海珍，袁艳，雷永军面向管道机器人的模块划分方法研究机床与液压，（）：，（）：刘清友油气管道机器人技术现状及发展趋势西华大学学报（自然科学版），（）：（），（）：何娜娜油气运输管道智能清洗管理研究石油工业技术监督，（）：，（）：，：，：杨彩霞，黎建军，许晓东支撑式油气管道机器人机构牵引设计与仿真研究中国设备工程，（）：，：宗成国，刘纪新，于岩，等关节式双履带移动机器人越障稳定性分析科学技术与工程，（）：，（）：帅立国，郑丽媛，费燕琼轮履混合式移动机器人爬坡运动研究哈尔滨工程大学学报，（）：，（）：尹铁，王金鹏，周伦，等一种大口径管道内爬行机器人的设计机床与液压，（）：，（）：年四成，邓中亮，刘铁，等一种管道机器人的结构设计与性能分析机械设计与制造，（）：，（）：第 期喻九阳 等：履带式油气管道巡检机器人爬坡特性分析