胡志明，樓 飛，朱 振，范長鑫，劉艷蓉

（南京師范大學中北學院，江蘇丹陽 212300）

0 引言

管道運輸具有獨特的優(yōu)勢，為各行各業(yè)提供便利。由于管道運輸?shù)慕橘|(zhì)多為氣體或液體，部分介質(zhì)易燃、易爆或有害，一旦發(fā)生泄漏，后果不堪設想。在此巨大安全隱患之下，管道運輸安全的監(jiān)管顯得尤為重要。管道機器人是一種由工作人員遠距離操控，攜帶多種檢測設備和傳感器的機器人，它們可以沿著細小的管道內(nèi)壁自動行走，對管道內(nèi)部情況進行檢測。管道機器人結構形式多樣，其中基于螺旋驅動的管道機器人因結構簡單，控制方便而受到青睞。目前，已有的螺旋驅動機器人多為單體式結構，且應用于管徑小于200 mm的管道內(nèi)[1-7]。受工作環(huán)境的限制，管道機器人整體結構緊湊，若采用無線的自主工作方式，輕量化設計對提升機器人續(xù)航能力具有重要意義，而針對管道機器人開展的輕量化的研究工作相對較少。鑒于此，本文從提升管道機器人運行效率的角度入手、在已提出的管道機器人結構的基礎上，利用有限元分析方法，對螺旋驅動單元和支撐單元的關鍵部件及整體框架結構開展了靜力學、動力學和模態(tài)分析，并進行的結構優(yōu)化，為輕量化管道機器人開發(fā)奠定基礎[8]。

1 機械系統(tǒng)整體結構

目前，已提出的管道機器人如圖1所示[9]，機器人由頭部螺旋驅動單元、中間支撐單元、尾部螺旋驅動單元組成。螺旋驅動單元的連接軸和中間支撐單元的十字聯(lián)軸器固連，由驅動電機帶動，繞中心軸線做圓周運動。螺旋驅動單元支撐輪與管道軸線之間存在螺旋升角，當驅動螺旋驅動單元繞管道軸線旋轉之后，會產(chǎn)生升力，拖動整個機器人沿著管道內(nèi)壁運動。其中，頭部螺旋驅動單元支撐輪的傾斜方向和尾部螺旋驅動單元支撐輪的傾斜方向相反，這就要求中間支撐單元中兩個驅動電機輸出的旋轉方向相反，有利于抵消電機旋轉時的反向力矩，確保中間支撐單元保持相對穩(wěn)定的姿態(tài)，不會在管道內(nèi)發(fā)生繞軸線的旋轉。

圖1 管道機器人整體結構

2 齒輪傳動部件分析

由于機器人在運行過程中需要克服的最大阻力為自身重力，即機器人在通過垂直管道時，所需要的驅動力最大[10]。通過精細化建模，可以得出管道機器人螺旋驅動單元的質(zhì)量為1.511 kg，轉動慣量為3 937.4 kg·mm2，中間支撐單元的質(zhì)量為3.265 kg。根據(jù)功能關系，可以推算出電機的驅動力矩不小于4.5 N·m。

2.1 螺旋驅動傳動齒輪有限元分析

頭部和尾部螺旋驅動單元的旋轉運動是由中間支撐單元的電機通過傳動齒輪進行驅動的。利用HyperMesh繪制螺旋驅動傳動齒輪的六面體獨立網(wǎng)格模型，導入ABAQUS建立有限元模型。在分析過程中，定義了齒面接觸、齒輪軸耦合、5 N·m驅動力矩等約束條件，采用隱式動力學求解器，對不同材料的齒輪結構進行分析。圖2所示為齒輪受力云圖，表1所示為分析結果匯總。分析結果表明，選用鋁合金材料最為合適，既能滿足使用要求，又能夠有效減少自重。

表1 螺旋驅動單元傳動齒輪有限元分析結果

圖2 不同材料屬性齒輪傳動部件分析結果

2.2 變徑機構傳動齒輪有限元分析

變徑機構傳動齒輪設計初的材料選用低碳鋼，通過計算得到齒輪的驅動力矩為0.28 N·m，選用的GX24R370型號直流電機，電機額定電壓12 V，轉速23 r/min，額定轉矩0.48 N·m。以0.48 N·m作為載荷進行強度校核，并優(yōu)化材料[11]。圖3所示為齒輪受力云圖，表2所示為分析結果匯總。分析結果表明，選用POM材料最為合適，有效降低沖擊載荷，提高運行平穩(wěn)性。

表2 變徑機構傳動齒輪有限元分析結果

圖3 不同材料錐齒輪有限元分析云圖

圖4所示為加工制造的齒輪零件。

圖4 齒輪零件

3 螺旋驅動單元模態(tài)與動力學分析

由于螺旋驅動單元在整個運行過程中，繞中心軸線做5.6 rad/s的轉動，需要利用有限元軟件對其模態(tài)和動力學響應進行分析。通過模態(tài)分析可以搞清楚在某一受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，可預言在該頻段內(nèi)振源作用產(chǎn)生的響應問題，避免共振；通過動力學分析，可以計算螺旋驅動單元啟動、停止過程中動力響應問題。

3.1 螺旋驅動單元有限元模型

根據(jù)管道機器人的結構和受力特點，對其幾何結構進行簡化，為了說明方便，現(xiàn)對螺旋驅動單元各個部件的名稱進行規(guī)范，命名方式如圖5所示。

圖5 螺旋驅動單元部件命名

在有限元建模過程中，幾點說明如下：

（1）有限元模型簡化了行走輪，只保留用于實現(xiàn)變徑的絲杠螺母；

（2）根據(jù)管道機器人設計過程，定義如表3所示的部件材料屬性；

表3 變徑機構傳動齒輪有限元分析分析結果

（3）在螺旋驅動單元轉軸處定義參考點，并將軸端和參考點進行耦合約束，限制參考點除了繞轉軸方向轉動以外的其他自由度；

（4）定義由彈簧預緊力提供的行走輪和管壁之間的壓力，通過在絲杠螺母端面進行施加，考慮到管道機器人在運行過程中可能會遇到障礙，出現(xiàn)管徑變化，這里將最大彈簧預緊力提高到50 N，進行計算，根據(jù)絲杠螺母端面面積225 mm2，可以得出在端面上施加0.222 MPa力最合適。

3.2 螺旋驅動單元模態(tài)分析

利用ABAQUS線性攝動分析模塊中的頻率分析步，求解螺旋驅動單元的前6階振型，選擇Lanczos模態(tài)提取方法，求解得到機器人振型如圖6所示。

圖6 螺旋驅動單元模態(tài)分析

根據(jù)分析結果，得出如下結論：

（1）根據(jù)約束定義，螺旋驅動單元在繞軸線方向為自由約束，第1階振型為繞軸線轉動，接近于0；

（2）螺旋驅動單元轉速為53.3 r/min，激勵頻率為0.89 Hz，計算得到的前6階固有頻率都避開了該頻率范圍，在運行過程中不會發(fā)生共振。

3.3 螺旋驅動單元動力學分析

根據(jù)之前內(nèi)容，建立螺旋驅動單元動力學分析有限元模型，旨在分析螺旋驅動單元在運行過程中，啟動、峰值轉速運轉、停止3個連續(xù)過程的動力響應。通過定義表格參數(shù)的形式加載螺旋驅動單元的轉動速度函數(shù)，模擬電機在0.25 s時間內(nèi)加速到53.3 r/min，勻速運行之后，再在0.25 s時間內(nèi)停止的動力學過程。通過動力學分析，得到如圖7所示的螺旋驅動單元框架的應力分布云圖。同時，分析材料為POM時的受力，得到圖8所示的應力分布云圖。分析結果表明，更改材料前后，結構強度都能夠符合使用要求，但是，中間支撐板不適合使用POM材料，原因在于會產(chǎn)生較大形變，影響機器人螺旋驅動單元的運行穩(wěn)定性，應使用鋁合金材料，以保證結構具有足夠的剛度。

圖7 初始材料屬性關鍵部件分析云圖

圖8 更改材料屬性后關鍵部件分析云圖

4 中間支撐單元靜力學分析

建立如圖7所示的中間支撐單元承載框架的有限元模型。建模方法和螺旋驅動單元類似，其中關于載荷的幾點說明如下：（1）需要在中間支撐單元轉軸處定義參考點，并將軸端和參考點進行耦合約束，限制參考點除了繞轉軸方向轉動以外的其他自由度，定義轉矩為6 N·m；（2）中間支撐單元只提供支撐，彈簧預緊力為20 N。分析結果如圖9所示，中間支撐單元框架結構強度能夠符合使用要求，并具有一定的優(yōu)化空間，以進一步降低自重[12]。

5 管道機器人輕量化設計

根據(jù)分析結果的云圖分布情況，對管道機器人部件的結構參數(shù)和材料進行優(yōu)化，關鍵在于采用輕質(zhì)材料替代和減少部件用料。圖10所示為中間支撐單元優(yōu)化前后對比圖。

圖9 中間支撐單元關鍵框架結構受力云圖

圖10 中間支撐單元優(yōu)化前后對比圖

通過輕量化設計，最終機器人總質(zhì)量為5.92 kg，較之前的6.29 kg，減重0.37 kg，達6%。同時，降低了螺旋驅動單元的轉動慣量，有效提升能源效率近10%，對優(yōu)選驅動電機型號，提升續(xù)航能力具有重要意義。

6 結束語

本文針對已有設計，基于ABAQUS，建立了一種多節(jié)式螺旋雙驅動管道機器人有限元模型，對其螺旋驅動單元和支撐單元的關鍵部件及整體框架結構開展了靜力學、動力學和模態(tài)分析。在分析結果的基礎上，通過采用輕質(zhì)材料替代和減少部件用料的方法，使機器人獲得有效減重。最終機器人減重6%，有效提升能源效率近10%。研究結果對優(yōu)選驅動電機型號，提升無線控制機器人續(xù)航能力具有重要意義，同時，為同類及相關類型的管道機器人輕量化設計提供了思路和方法。