賈宏杰 張志萬 姜辛 馬海飛 高亮 王思宇

〔摘 要〕針對精礦輸料管、礦漿管道磨損嚴(yán)重、磨損時不易檢測的現(xiàn)狀，基于仿生學(xué)技術(shù)以綠色高效、低成本為設(shè)計理念，結(jié)合蜈蚣的軀體構(gòu)造和運(yùn)動特點(diǎn)，設(shè)計了一種仿蜈蚣式管道檢測儀。通過對檢測儀進(jìn)行統(tǒng)一控制系統(tǒng)設(shè)計、分動并聯(lián)式設(shè)計以及模塊化設(shè)計，完成了總體的設(shè)計方案。該系統(tǒng)地設(shè)計了仿蜈蚣式管道檢測儀的結(jié)構(gòu)和布局，并介紹了工作原理，通過運(yùn)動學(xué)理論計算得出了檢測儀有獨(dú)立的運(yùn)動特性。利用ADAMS運(yùn)動仿真軟件，對檢測儀進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，分析結(jié)果表明：檢測儀動態(tài)性能良好，運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)計合理。對仿蜈蚣式管道檢測儀進(jìn)行樣機(jī)制造，驗(yàn)證了檢測儀結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)動的穩(wěn)定性。

〔關(guān)鍵詞〕仿蜈蚣式;輸料管;檢測儀;動力學(xué)仿真;樣機(jī)制造

中圖分類號：TH132? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0042-05

Research on Wear Detection Technology of Centipede-like Material Conveying Pipeline

JIA Hongjie， ZHANG Zhiwan， JIANG Xin， MA Haifei， GAO Liang， WANG Siyu

（Jinchuan Group Tonggui Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China）

Abstract? In response to the current situation of serious wear and difficult detection of concentrate conveying pipe and slurry pipe， according to the bionics-based technology， taking green and high efficiency and low cost as design concept and combing with the body structure and movement characteristics of centipedes， a centipede-like pipe detector is designed. The overall design plan has been completed by the design of the unified control system， split parallel design， and a modular design of the detector. In this paper， the structure and layout of a centipede-like pipeline detector are systematically designed， and its working principle is presented. It is calculated by kinematic theory that the detector has independent motion characteristics. The kinematic simulation analysis is conducted on the detector by using ADAMS motion simulation software. The analysis results show that the detector had good dynamic performance， stable operation， and reasonable design. The rationality of the detector structure and the stability of its motion are verified by manufacturing the prototype of the centipede-like pipeline detector.

Keywords? centipede-like style; material conveying pipe; detector; dynamic simulation; prototype manufacture

收稿日期：2023-10-14

作者簡介：賈宏杰（1974—），男，工程師，主要從事冶煉生產(chǎn)技術(shù)工作。

仿生學(xué)是一門根據(jù)模擬生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為以及相互作用，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。在冶煉領(lǐng)域中，通過仿制天然材料或利用生物學(xué)原理，設(shè)計和制造出具有生物功能或生物活性的材料（具有天然材料所不具備的超常物理特性），用以替換當(dāng)代冶煉工業(yè)中常見的鋼鐵﹑橡膠和陶瓷等材料，從一定程度上提升了現(xiàn)有材料﹑工具以及設(shè)備的性能指標(biāo);同時還借鑒生物在信息感知和運(yùn)動方面的特性，研制出新型信息傳遞裝置，提高了信號的采集精度、廣度，擴(kuò)大了適用范圍。該技術(shù)對于冶煉生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測與控制水平的提高、大數(shù)據(jù)處理能力和智能化水平的提高也具有很大的優(yōu)勢。

精礦輸送管道及礦漿輸送管道在實(shí)際生產(chǎn)中由于輸送介質(zhì)壓力大小及輸送管線布置不同導(dǎo)致管道內(nèi)磨損程度不一樣，加之輸送物料的沉積導(dǎo)致管道壁厚不一致，影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文基于仿生學(xué)技術(shù)與設(shè)計方法，通過分析蜈蚣的軀體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特點(diǎn)，研制出一種新型的仿蜈蚣式檢測儀。以下擬通過對該檢測儀總體設(shè)計思路、工作原理進(jìn)行理論分析，證明其有獨(dú)立的運(yùn)動特性;再通過三維仿真軟件ADAMS對檢測儀進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和樣機(jī)制造，驗(yàn)證該檢測儀結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)動的穩(wěn)定性。

1?? 仿蜈蚣式檢測儀設(shè)計

1.1? 總體方案設(shè)計

蜈蚣屬于陸生節(jié)肢動物，每一對足都有一個獨(dú)立的運(yùn)動單元和獨(dú)立的神經(jīng)節(jié)，每對神經(jīng)節(jié)又通過發(fā)出神經(jīng)來調(diào)節(jié)身體活動。該結(jié)構(gòu)具有很高的獨(dú)立運(yùn)作能力，可以適應(yīng)各種環(huán)境。蜈蚣軀體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)蜈蚣軀體結(jié)構(gòu)，模擬其運(yùn)動的靈活性，本文提出了以綠色設(shè)計為理念、并行設(shè)計和模塊化設(shè)計為核心的設(shè)計方案。該設(shè)計基于蜈蚣的軀體構(gòu)造和運(yùn)動特點(diǎn)，以蜈蚣的控制中樞為檢測儀的控制系統(tǒng)，每一體節(jié)為一組模塊，形成一種用于測量輸料管內(nèi)徑的、可拆卸性好、可維護(hù)性高、耗材少、獨(dú)立性好、模塊化程度高，對環(huán)境友好，又可以循環(huán)使用的仿生設(shè)備。其總體方案示意如圖2所示。

1.2? 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述總體方案，該檢測儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

仿蜈蚣式檢測儀由一個控制系統(tǒng)（圖中未畫出）、若干個測量模塊、上護(hù)帽、下堵頭以及外殼體組成。每組模塊的結(jié)構(gòu)與蜈蚣體節(jié)相似，除了空間布局不同，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全一致。當(dāng)某一模塊發(fā)生故障時，其他模塊仍然可以正常運(yùn)行。每一組模塊中的檢測臂結(jié)構(gòu)、功能完全相同，且多采用標(biāo)準(zhǔn)件，這保證了該結(jié)構(gòu)的高度互換性，在滿足正常功能的前提下，可以提高檢測儀的現(xiàn)場適用性和降低維修成本。

1.3? 檢測模塊空間布局

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測儀設(shè)置有3組獨(dú)立的檢測臂，每一組檢測臂都可獨(dú)立運(yùn)動，互不影響，故而解決了傳統(tǒng)檢測儀的檢測臂只能同時伸展和收縮的問題，提高了測輸料管內(nèi)徑的時效。多組檢測臂的安裝極其方便，采用分動式設(shè)計，即同一外殼體內(nèi)放置多組檢測臂，按同軸放置在外殼體內(nèi)部的相應(yīng)位置，并固定安放。各組檢測臂都以固定的角度在空間中錯開安裝，錯開角度度數(shù)為180/n（n表示獨(dú)立檢測臂的組數(shù)）。檢測臂安裝的組數(shù)，則由工程實(shí)際要求具體來定。該檢測臂空間位置布局如圖4所示。

1.4? 單組檢測臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

單組檢測臂的設(shè)計其結(jié)構(gòu)如圖5所示。檢測臂內(nèi)的運(yùn)動模塊主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、推桿、傳感器固定座以及步進(jìn)電機(jī)固定座等組成。

檢測臂由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過聯(lián)軸器將扭矩傳遞給絲杠。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動時，由于頂端推桿固定座是固定的，底端推桿固定座將水平移動，以此來推動推桿，使得傳感器固定座在徑向方向張開或收縮。

1.5? 防護(hù)固定裝置設(shè)計

防護(hù)固定裝置設(shè)計如圖6所示。該防護(hù)固定裝置主要由外殼體、上護(hù)帽以及下堵頭3部分組成。外殼體表面設(shè)置有若干個缺口，每1組缺口都互成180 °設(shè)置，有幾組獨(dú)立的檢測臂便設(shè)置與之相對應(yīng)的缺口，缺口的空間角度的位置設(shè)置和前面所述檢測臂角度設(shè)置一樣。該缺口可供檢測臂從殼體內(nèi)部向外伸展并向內(nèi)收縮，從而避免了檢測儀在下放和上提時，機(jī)體與管壁發(fā)生碰撞而發(fā)生損壞。

2?? 檢測儀工作原理及運(yùn)動學(xué)分析

2.1? 檢測儀工作原理

檢測儀的工作流程圖見圖7。

當(dāng)檢測儀開始檢測時，將檢測臂調(diào)整為收縮狀態(tài)，下放至套管內(nèi)。在下放的過程中，步進(jìn)電機(jī)始終處于未工作的狀態(tài)。當(dāng)下放至所需要檢測的位置時，相對應(yīng)的驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)開始工作，步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，底端推桿固定座向頂端推桿固定座方向移動，從而檢測臂通過外殼體表面的缺口伸展出來，并繼續(xù)運(yùn)動，直到傳感器底座觸碰到套管內(nèi)壁時，限位開關(guān)接收到信號并將信號發(fā)送給控制器，控制器將信號發(fā)送給驅(qū)動器，驅(qū)動器控制電機(jī)停止工作，此時開始記錄數(shù)據(jù)。在該位置測量完畢后，控制器發(fā)出信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，檢測臂收縮，在底端推桿固定座下降至底部觸碰到底端限位開關(guān)時，限位開關(guān)將信號反饋給控制器，控制器控制步進(jìn)電機(jī)停止工作，檢測儀回到初始時的收縮狀態(tài)。同理，如需再次進(jìn)行測量，只需要將檢測儀上提或下放到需要測量的下一個位置，重復(fù)以上動作，再次記錄數(shù)據(jù)。如不需要再次進(jìn)行測量，只需要將檢測儀上提至初始位置，測井完畢。

2.2? 檢測儀運(yùn)動學(xué)計算

為了保證該檢測儀具有確定的運(yùn)動，需計算該系統(tǒng)的自由度。推靠系統(tǒng)運(yùn)動見圖8。

由圖8可知，此系統(tǒng)具有 5 個活動構(gòu)件，6 個低副，1 個高副，故機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3n-（2Pi+Ph）。

式中：n為桿件數(shù)，Pi為低副，Ph為高副。計算得：F=2。

由機(jī)械原理可知，如果系統(tǒng)的自由度數(shù)目等于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，則系統(tǒng)會有確定的運(yùn)動。如果系統(tǒng)沒有滿足這個條件，當(dāng)系統(tǒng)的自由度數(shù)目小于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，系統(tǒng)最薄弱的構(gòu)件將會被損壞。當(dāng)系統(tǒng)的自由度數(shù)目大于系統(tǒng)的原動件數(shù)目，則系統(tǒng)的運(yùn)動會完全不確定。但本次設(shè)計中檢測儀有兩種運(yùn)動狀態(tài)，即推靠系統(tǒng)收縮運(yùn)動狀態(tài)和檢測運(yùn)動狀態(tài)，由于傳感器固定座只會以豎直的姿態(tài)向其他方向運(yùn)動，而且不會進(jìn)行轉(zhuǎn)動，因此對傳感器固定座豎直姿態(tài)的約束相當(dāng)于1個低副，因此打開運(yùn)動狀態(tài)的自由度為：F=1。

測量過程中，電機(jī)停止運(yùn)動，絲桿也停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)的活動構(gòu)件變?yōu)榱?個，5個低副，1個高副，因此，測量運(yùn)動狀態(tài)的自由度為：F=3×4-（2×5+1）=1。

綜上所述，該分動式六臂檢測儀在收縮運(yùn)動狀態(tài)和檢測運(yùn)動狀態(tài)都有確定的運(yùn)動。

檢測臂在收縮狀態(tài)下，如圖9（a）所示。已知AB=

A'B'=CD=C'D'，BC=B'C'，設(shè)初始位置時，AD之間的距離為Sb（實(shí)際測量可得出Sb=300 mm），傳感器固定座兩中心孔之間的距離BC=B'C'=hv，兩推桿AB =CD=A'B'=C'D'=b（實(shí)際測量b=150 mm），從初始位置開始到測量狀態(tài)完畢時，螺母移動的距離DD'=l。

檢測臂在檢測過程中的運(yùn)動簡圖如圖9（b）所示，已知B'C'=E'F'，A'B'=C'D'，B'F'=C'E'，A'F'= D'E'，設(shè)檢測狀態(tài)時，沿絲杠中心兩推桿中心孔之間的距離A'D' =Se，傳感器固定座兩中心孔之間的距離B'C'=E'F'=hv（實(shí)際測量得hv=30 mm），固定座中心孔到絲杠之間的距離B'F' = C'E'=a。本次設(shè)計可以檢測的輸料管直徑的范圍為110～330 mm。

圖9? 檢測臂收縮、打開簡化示意

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制脈頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過脈沖的個數(shù)來獲得電機(jī)所運(yùn)行的時間，當(dāng)選擇了步進(jìn)電機(jī)后，它的細(xì)分倍數(shù)和固有步進(jìn)角均為已知，故通過計算可得步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為：

n=f×60/[（306/T）×X]。

式中：n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min;f為控制電機(jī)的脈沖頻率，Hz;T為步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，（°）;X為步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)。

絲杠螺母之間的傳動，主要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動之間的相互轉(zhuǎn)換，主要的作用是用于機(jī)構(gòu)之間運(yùn)動形式的傳遞。已知電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，中間再無其他傳動部件，因此，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速也就等于絲杠的轉(zhuǎn)速，電機(jī)所運(yùn)行的時間即等于絲杠轉(zhuǎn)動的時間，已知絲杠的螺距為，則可求得螺母在絲杠上所移動的距離為：

l=n×p×t/60。

式中：t為絲杠轉(zhuǎn)動的時間，s;為絲杠的螺距，p=4 mm。代入以上數(shù)據(jù)即可得出輸料管內(nèi)徑d的大小。

A'F'=150-0.5×l ;

l=f×t×T/2 880 ;

BF=;

d=2× BF。

2.3? 檢測儀運(yùn)動仿真分析

驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性，需要對其進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。本文利用ADAMS仿真軟件對仿蜈蚣式檢測儀進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。

檢測儀的運(yùn)動主要是在檢測臂的打開與收縮的2種運(yùn)動的過程中，因此仿真前將檢測儀模型進(jìn)行簡化，去除外殼體、步進(jìn)電機(jī)等一些固定的零件。簡化模型如圖10所示。

根據(jù)檢測儀的工作原理，在檢測臂絲桿的旋轉(zhuǎn)副上添加運(yùn)動函數(shù)為：

Function=3 000 d×sin（×t）。

在此驅(qū)動函數(shù)的驅(qū)動下，設(shè)置仿真時間為t=5 s，step=100進(jìn)行仿真。其ADAMS設(shè)置結(jié)果如圖11所示。

對仿真結(jié)果進(jìn)行求解，得出運(yùn)動螺母、傳感器底座的位移曲線，如圖12、圖13所示。運(yùn)動螺母和傳感器支座的速度曲線如圖14、圖15所示。

由位移—時間、速度—時間曲線可見，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿螺母，同時帶動推桿及傳感器底座運(yùn)動時，位移和速度平穩(wěn)變化，表明在此過程中零部件傳動平穩(wěn)，沒有速度的急速變化帶來的沖擊，驗(yàn)證了設(shè)計的合理性及符合實(shí)際工作的要求。

3?? 檢測儀樣機(jī)試驗(yàn)情況分析

為了完成該裝置的原理設(shè)計及通過性檢驗(yàn)，按照實(shí)際大小的 1：1制作了檢測儀的一段測量模塊，如圖16所示。在平面狀態(tài)下，對該檢測儀進(jìn)行簡單的運(yùn)動測試，檢查運(yùn)動過程中是否存在干涉等現(xiàn)象。再進(jìn)行管道內(nèi)徑測量實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，通過對檢測儀在不同形狀、不同材質(zhì)的管道中內(nèi)徑的測量，對越障車運(yùn)動情況進(jìn)行校驗(yàn)及改進(jìn)。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，檢測儀運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，符合預(yù)期設(shè)計要求，驗(yàn)證了檢測儀結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)動的穩(wěn)定性。

4?? 結(jié)論

利用仿生學(xué)技術(shù)，結(jié)合蜈蚣的軀體特征和運(yùn)動特性，對檢測儀總體方案進(jìn)行設(shè)計。按照總體的設(shè)計方案，建立了仿蜈蚣式檢測儀的三維模型。通過對檢測儀的工作原理進(jìn)行介紹，利用運(yùn)動學(xué)理論得出了檢測儀運(yùn)動具有獨(dú)立性。通過ADAMS三維仿真軟件對檢測儀的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，以及檢測儀樣機(jī)制造的實(shí)踐檢驗(yàn)，驗(yàn)證了檢測儀結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)動的穩(wěn)定性。綜上，該檢測儀的動態(tài)性能良好，運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)計合理，在精礦輸料管、礦漿管道磨損嚴(yán)重、磨損時能夠?qū)崟r地測量套管內(nèi)徑來反映管道的磨損、腐蝕、破損及其他變形情況。

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