趙紅紅,同長虹 ,寧小剛，郭銳辛

(1.甘肅機電職業(yè)技術學院,甘肅 天水 741000; 2.蘭州城市學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

管道輸送具有運量大、可靠性好、安全性好等優(yōu)點，與公路運輸、水路運輸、鐵路運輸、航空運輸并稱為五大運輸[1]。然而，管道一般鋪設在地下、海底、荒郊野外等場所，主要輸送石油、天然氣等流體物質(zhì)，在長期的服役過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：因應力疲勞、腐蝕疲勞等引起的疲勞斷裂，因腐蝕和機械損傷引起的表面損傷，因地面交通等引起的外部干擾，因過載引起的鼓脹和地面位移引起的變形，因設備故障和操作違章引起的破裂，以及因地震等自然災害引起的斷裂等失效破裂。此外，管道運輸是長距離、大運量運輸方式，一旦發(fā)生破裂將造成巨大的經(jīng)濟損失以及對人的生命安全造成嚴重的傷害[2-4]。

由于石油管道需要穿山越嶺、跨越河流，有些埋設在地下，有些架在高空，管線距離又十分長遠，人力檢測管道比較困難，管道機器人能夠代替人類解決這個難題。管道機器人的行走方式多樣，按照行走機構(gòu)、運動特點分為：履帶式，支撐輪式、車式，蠕動式等[5]。由于支撐輪式管道機器人具有結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單，容易實現(xiàn)變徑功能，具有良好的過彎能力，可攜帶檢測設備，能夠較好地適應管道內(nèi)工況，實現(xiàn)機器人的特殊功能，因此，文中旨在設計一種主動自適應支撐輪式石油檢測管道機器人(以下簡稱管道機器人)，為石油管道的檢測提供一種新方案。

1 管道機器人整體方案設計

管道機器人在管道內(nèi)行走的過程中要克服阻力，故需要驅(qū)動模塊提供機器人運動的驅(qū)動力；由于管道距離長遠，管道機器人選擇高能電池為原動力——電源模塊；在檢測的過程中要將檢測信號傳輸?shù)浇K端上，則需要信號傳輸系統(tǒng)；管道機器人是承載電池、傳動機構(gòu)和檢測設備等的載體，必須進行機器人總體結(jié)構(gòu)設計——機械結(jié)構(gòu)設計模塊；為了實現(xiàn)檢測結(jié)果的存儲、通訊，需要設計通信模塊。文中構(gòu)建的機器人整體方案，如圖1所示。

圖1 管道機器人整體方案框架圖

1.1 管道機器人的性能指標

此設計參考了現(xiàn)有管道[6]機器人的性能參數(shù)，規(guī)定了主要的技術要求，主要包括以下幾點。

(1) 適用管徑范圍D(mm)320～390 mm。

(2) 運行速度V(m/min)≥10 m/min。

(3) 牽引力F(N) ≥100 N。

(4) 具有一定的過彎能力，當曲率半徑R≥2D時，管道機器人能順利通過。

(5) 能夠搭載一定的傳感器及檢測設備。

(6) 具有良好的供電能力。

(7) 機器人重量M(kg) ≤3 kg。

1.2 驅(qū)動方式及動力供給方式的選擇

1.2.1 管道機器人驅(qū)動方式

按照管道機器人上每個輪子的功能，將驅(qū)動系統(tǒng)分為全驅(qū)動和部分驅(qū)動，全驅(qū)動是指每個輪都是驅(qū)動輪，而部分驅(qū)動是指有一部分輪子是驅(qū)動輪，其余為從動輪。二者相比，全驅(qū)動系統(tǒng)具有牽引力大、轉(zhuǎn)彎能力強等優(yōu)點。根據(jù)電機對各輪子的控制方式不同，又分為同步驅(qū)動和獨立驅(qū)動，同步驅(qū)動是通過一個電機同時驅(qū)動每個驅(qū)動輪，獨立驅(qū)動指一個電機只驅(qū)動一個輪。二者相比，獨立驅(qū)動有更好的過彎能力、轉(zhuǎn)向能力、可靠性強、驅(qū)動力大等優(yōu)點。

綜合考慮，文中設計的管道機器人采用“全驅(qū)動+獨立驅(qū)動”的驅(qū)動方式。因為伺服電機能使控制速度，位置精度很準確，可以將電信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動控制對象，伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號的控制，并能快速反應，能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或者角速度輸出?？紤]到管道機器人的運動精度可靠性、速度調(diào)節(jié)性、適應性、穩(wěn)定性等方面。最終驅(qū)動方式選取為“全驅(qū)動+獨立驅(qū)動+直流伺服電機+一對錐齒輪嚙合”驅(qū)動，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動傳動機構(gòu)簡圖

1.2.2 管道機器人動力供給方式

利用電能作為動力的管道機器人,按其供電方式分為有纜式和無纜式兩種[7]。兩種供電方式相比較，無纜式在一定程度上減少了拖動負載，有更大的動力承載檢測設備，但是無纜式供電方式儲存的能量有限，受電池性能的影響很大。針對以上問題，此管道機器人采用具有質(zhì)輕、續(xù)航里程長、使用范圍廣、能量密度高、輸出功率高等優(yōu)點的磷酸鐵鋰電池為管道機器人供電[8]。

1.3 管道機器人變徑機構(gòu)的設計

管道在長期的服役過程中因多方面因素會引起管徑的變化，需要管道機器人具有一定的適應管徑變化的能力，此處所指變徑，主要指的是小范圍的變徑，主要通過彈簧等元件實現(xiàn)。另外，如果一種管道機器人只適應一種直徑的管道，勢必會造成管道機器人的利用率很低，并且導致成本增加、資源浪費。所以設計良好的變徑機構(gòu)可以真正實現(xiàn)“一機多用”的功能，更符合實際生產(chǎn)的需求。而此處變徑指的是主動變徑，主要通過一些機械結(jié)構(gòu)配合驅(qū)動電機實現(xiàn)較大范圍的管徑變化。經(jīng)典的三種變徑機構(gòu)特點對比如表1所列。

表1 三種變徑機構(gòu)特點的對比

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

圖3 絲杠螺母+平行四邊形連桿變徑機構(gòu)

2 管道機器人整體設計

2.1 管道機器人結(jié)構(gòu)組成

經(jīng)綜合考慮，最終確定管道機器人的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。該款管道機器人主要由變徑機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、機架結(jié)構(gòu)組成，且周向呈120°均勻分布，所以，取其1/3作詳細論述。驅(qū)動機構(gòu)包括：減速器4、直流伺服電機5、驅(qū)動支撐輪部件3、電機支架6等，驅(qū)動支撐輪部件包括：輪軸、軸承、擋圈等，驅(qū)動機構(gòu)安裝在前連架桿7上，前連架桿7通過螺釘連接在外殼頭部上，驅(qū)動支撐輪部件3與支撐輪安裝板11通過螺釘固定在前連架桿7上，驅(qū)動支撐輪部件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5通過螺釘連接在一起，直流伺服電機5安裝在電機支架6上，電機支架6通過螺釘安裝在前連架桿上。

圖4 管道機器人最終結(jié)構(gòu)方案1.外殼頭部 2.外殼中部 3.驅(qū)動支撐輪部件 4.減速器 5.直流伺服電機 6.電機支架 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.從動支撐輪部件 13.外殼尾部

變徑機構(gòu)包括：絲杠、同步盤、前連架桿7、后連架桿10、彈性連桿9、調(diào)節(jié)電機、聯(lián)軸器、軸承架等，調(diào)節(jié)電機固定在外殼尾部13中間，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)軸與絲杠通過聯(lián)軸器連接，絲杠通過兩端的軸承架安裝，與螺母一體的同步盤與絲杠配合，彈性連桿9通過螺釘與同步盤16連接，彈性連桿9與連桿8通過螺釘連接，連桿8與前連架桿7、后連架桿10通過螺釘連接，前連架桿7與外殼頭部1通過螺釘連接，后連架桿10與外殼尾部13通過螺釘連接，上述各部分的連接組成了主動變徑機構(gòu)。外殼頭部1、外殼中部2、軸承架、外殼尾部13通過螺釘連接。電源模塊與調(diào)節(jié)電機通過線路連接，電源模塊19與直流伺服電機5通過線路連接，該線路在前連架桿7內(nèi)部穿過。

2.2 管道機器人三維實體建模

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

圖5 管道機器人三維模型

2.3 管道機器人工作原理

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

“自適應變徑”功能主要通過與同步盤相連的彈性連桿9實現(xiàn)，當主動自適應變徑支撐輪式管道機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，驅(qū)動支撐輪部件3將受到管壁的更大的壓力時，此時將通過彈性連桿9發(fā)生一定的變形，從而順利通過管道，轉(zhuǎn)彎能力的實現(xiàn)主要通過三個驅(qū)動支撐輪上安裝的直流伺服電機單獨驅(qū)動，這樣可以實現(xiàn)三個驅(qū)動支撐輪部件單獨運動或者停止，當管道機器人需要轉(zhuǎn)彎的時候，使外側(cè)的驅(qū)動支撐輪部件速度變快，內(nèi)側(cè)驅(qū)動支撐輪部件的速度變慢或者停止，能夠使機器人通過彎道。

2.4 管道機器人工作特點

所設計的管道機器人主要有以下特點。

(1) 變徑功能齊全。該管道機器人具有自適應變徑功能和主動變徑的雙重功能。主動變徑功能可以實現(xiàn)管徑變化320～390 mm左右的管道，可以實現(xiàn)“一機多用”的功能，“自適應變徑”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能力。

(2) 傳動精度高，便于調(diào)節(jié)。該管道機器人采用螺母絲桿傳動，螺母絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，同步盤推動與平行四邊形變徑機構(gòu)運動，實現(xiàn)主動變徑，且具有高精度、摩擦阻力小、可逆性和高效率等優(yōu)點。

(3) 運行里程長，摩擦阻力小。該管道機器人采用無纜供電方式，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、使用范圍廣、能量密度高、輸出功率高等優(yōu)點，增加了管道機器人的運營里程。

3 管道機器人的仿真分析

利用ADAMS仿真軟件，通過導入模型、添加約束、施加載荷、建立測量、仿真測試、后處理等流程對管道機器人的變徑范圍仿真，曲線如圖6；對管道機器人在管道中的運行情況仿真，曲線如圖7所示。

圖6 管道機器人變徑范圍

圖7 管道機器人前端輪的位置變化

通過仿真分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該款管道機器人滿足設計的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)應有的功能。

4 結(jié) 語

針對管道內(nèi)檢測可選擇方案少的問題[9]，文中提出了一種主動自適應管道變徑機器人的設計方案，通過對管道機器人結(jié)構(gòu)及功能的設計分析在已有研究的基礎上進行大膽創(chuàng)新設計，最后得出了一種為石油管道檢測可供選擇的新方案，通過ADAMS軟件對管道機器人變徑范圍和管道中的運行性能仿真，驗證了方案的可行性，具有一定的現(xiàn)實意義。當然，該款管道機器人還存在結(jié)構(gòu)上的不對稱容易造成傾翻等問題還有待進一步研究試驗。