埋地管道泄漏自適應封堵機器人設計及研究*

閆宏偉，劉 翼，李 健，寇子明，趙鵬洋，何勃龍

(1.中北大學 機械工程學院，山西 太原 030051；2.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

管道作為運輸水、石油、天然氣等流體介質的主要方式，對人們的生產生活具有重要價值[1-2]。然而，隨著管道使用時間的增加，由于自然環(huán)境、人類活動等因素的影響使得管道經常出現(xiàn)裂紋甚至是破損[3]，如若不能及時地對泄漏部位進行定位和封堵修復，極易引起經濟損失、環(huán)境污染等一系列問題[4]。然而管道大多被埋于地下，對于大部分埋地管道發(fā)生泄漏等故障時，由于其所處環(huán)境特殊，會產生定位效率低、修復難度大、空間狹小人工作業(yè)不便等許多問題[5]。亟需1種集管道泄漏檢測、及時封堵、自適應性強的管道封堵機器人。

在管道機器人方面，山東大學韓猛[6]設計了1種四周輪式機器人，該機器人采用模塊化串聯(lián)設計，由2節(jié)機器人采用萬向聯(lián)軸器連接；國內劉清友教授等[7]設計了1種螺旋驅動管道機器人，將主軸電機的扭矩經過錐齒輪減速換向后作用于機器人驅動輪，理論推導出驅動輪螺旋傾角和負載與運動速度的關系；德國慕尼黑工業(yè)大學Mishra等[8]研制出8足機器人MORITZ，安裝角傳感器、微重力傳感器和5軸加速度傳感器等精密儀器，雖然適應性好，但結構復雜，控制困難。螺旋式機器人利用驅動輪在管道內壁做螺旋運動，將周向旋轉力轉變?yōu)檩S向前進動力，具有驅動力高，運行穩(wěn)定，控制方式簡單，適合在復雜管道中運行的特點，成為本文研究的重點。在泄漏封堵方面，美國OIL-STATES HYDRO TECH公司[9]最早使用外卡式帶壓封堵夾具，利用夾具壓緊管道泄漏點達到封堵修復的目的，主要用于小型單點泄漏；美國FURMAN-ITE公司[10]最早開發(fā)開孔式封堵器，該公司目前研發(fā)出開孔、封堵、傳輸為一體的封堵器，在深海高壓管道泄漏中有廣泛應用。

本文以直徑140～160 mm的埋地管道自適應封堵泄漏為研究對象，研究1種能實現(xiàn)管道內泄漏點檢測、快速封堵及修復、平穩(wěn)可靠運行的管道泄漏自適應封堵機器人，使其能夠在單點泄漏、多點泄漏及多點長間距分散區(qū)段泄漏的工況下完成修復工作，并對其行走穩(wěn)定性及越障能力展開研究，以驗證其工作狀況的合理性和優(yōu)越性。

1 封堵機器人結構設計

1.1 自適應封堵機器人總體結構

本文提出的埋地管道泄漏自適應封堵機器人主要針對埋地管道的泄漏封堵作業(yè)。由于工作空間狹小、環(huán)境惡劣，本文提出設計1種能應對各種復雜狀態(tài)并平穩(wěn)、高效工作的管道自適應封堵修復機器人。模擬實驗環(huán)境為亞克力實驗空管，泄漏形式為小孔泄漏，泄漏孔徑小于20 mm。整體結構設計需滿足表1的各項設計要求。

表1 埋地管道泄漏自適應封堵機器人設計要求Table 1 Design requirements of adaptive plugging robot for leakage of buried pipeline

本文提出的埋地管道泄漏自適應封堵機器人通過電磁吸附聯(lián)結單元將2套自適應封堵機器人相連。自適應封堵機器人由驅動單元、泄漏封堵單元和控制單元組成。驅動單元為系統(tǒng)運行提供動力；控制單元根據(jù)各類傳感器反饋回來的信號控制機器人的執(zhí)行機構，使其完成相應的運動和功能；泄漏封堵單元對泄漏部位進行封堵修復。平行聯(lián)軸器將各個單元連接成1個整體，埋地管道泄漏自適應封堵機器人結構如圖1所示。

圖1 埋地管道泄漏自適應封堵機器人結構Fig.1 Structure of adaptive plugging robot for leakage of buried pipeline

1.2 驅動單元

埋地管道泄漏自適應封堵機器人驅動單元由螺旋驅動機構、驅動電機和彈簧伸縮式支撐機構3部分構成。

螺旋驅動機構如圖2所示。固定殼體與驅動電機連接在一起，當驅動電機旋轉時電機軸帶動固定殼體進行旋轉，進而帶動調角舵機、輪架和驅動輪旋轉。驅動輪安裝在輪架上，輪架與調角舵機軸固接，可通過舵機來控制輪架偏轉。

圖2 螺旋驅動機構結構Fig.2 Structure of spiral driving mechanism

彈簧伸縮式支撐機構結構如圖3所示。通過連接桿將彈簧伸縮部分與支撐輪架連接在一起。以內殼體開槽尺寸設計對支撐輪架的周向運動進行約束，使其只能進行上下移動。

圖3 支撐機構結構示意Fig.3 Schematic diagram for structure of supporting mechanism

1.3 泄漏封堵單元

泄漏封堵單元主要組成部分如圖4所示。在封堵單元進行單點封堵作業(yè)時，氣囊支撐圈上的氣孔會對封堵、修復氣囊進行充氣。隨著修復氣囊氣壓升高，迫使封堵層與管道泄漏部位緊緊貼合，實現(xiàn)對泄漏點的封堵修復。

圖4 泄漏封堵單元結構示意Fig.4 Schematic diagram for structure of leakage plugging unit

2 自適應封堵機器人驅動特性分析

2.1 機器人驅動力分析

假設工作過程中該自適應封堵機器人驅動輪與管壁之間不會產生相對滑動，選取任一驅動輪建立力學模型并進行分析，如圖5所示。

圖5 驅動力分析模型Fig.5 Model of driving force analysis

在圖5(a)中，驅動單元的速度方向為V，單個驅動輪做螺旋運行時的運動軌跡為S。

驅動單元提供的驅動力如式(1)所示：

F=3f1·N-3F2·sinθ

(1)

式中：f1為管道的動摩擦系數(shù)；N為管道與驅動輪之間的正壓力,N；F2為在S方向上驅動輪做純滾動時的滾動摩擦力,N；θ為驅動輪相對Z軸正方向的偏轉角度，(°)。

在圖5(b)中，由Y軸方向上平衡可得F2如式(2)所示：

(2)

式中：f2為在S方向上驅動輪做純滾動時的摩擦系數(shù)；R為驅動輪半徑,mm；f3為滾輪與驅動輪之間的滾動摩擦系數(shù)；r為輪軸半徑,mm。

聯(lián)立式(1)、(2)可得式(3)：

(3)

由式(3)可得，其他條件不變時，在0°～90°內，隨著θ值不斷增大，驅動力F的值不斷的減小。故可以通過改變驅動輪相對于Z軸的偏轉角度θ來改變驅動力F的值，從而使該封堵機器人能夠適應更加復雜的管道環(huán)境。

2.2 自適應管道封堵機器人越障性能分析

管道環(huán)境復雜，機器人運行過程中難免遇到障礙[11]。機器人在通過障礙時其運動過程和狀態(tài)較為復雜，對其運動產生影響的因素較多[12-13]。建立機器人運動載體的越障模型，對運動載體的越障過程進行運動學分析和動力學分析，研究影響運動載體越障性能的主要影響因素[14]。

以圓環(huán)形焊縫為障礙，對機器人在此工況下的越障能力進行受力分析，如圖6所示。

圖6 驅動輪越障分析Fig.6 Obstacle-crossing analysis of driving wheel

在機器人跨越障礙時，點O假設為驅動輪的幾何中心，焊縫外凸高度為H(mm)，驅動輪半徑為R，L為主動輪輪心O與障礙間的垂直距離，Lr為主動輪輪心O與障礙間的水平距離。驅動輪通過障礙時其至少需要提起的高度為h(mm)，此時驅動輪偏轉角度為θ(°)。當驅動輪與焊縫相互接觸產生作用時，驅動輪會受到焊縫給其的1個反作用力N(N)，而這個反作用力的方向恰好穿過驅動輪的幾何中心點O。封堵機器人跨越障礙時驅動輪所需要的驅動力為F(N)，主動輪受到變徑彈簧施加的彈力為Fs(N)，為保證驅動單元順利通過焊縫，需滿足關系式(4)：

(4)

式中：P為螺旋驅動電動功率,kW；n為電機轉速，r/min；r′為埋地管道內徑,mm；F0為彈簧預緊力,N；k為彈簧勁度系數(shù)。

由式(4)可得，在驅動單元跨越焊縫過程中，影響機器人障礙通過性的主要因素為電機轉矩和驅動輪偏轉角度。

在驅動單元跨越障礙運行的過程中，可通過適當減小驅動輪偏轉角，在一定程度上提高封堵機器人跨越障礙的能力。而當θ不變的情況下，可以通過改變螺旋驅動電機的轉速n來在一定程度上改變自適應封堵機器人的越障性能。

對支撐輪越障過程進行分析，分析模型如圖7所示。

圖7 支撐輪越障分析Fig.7 Obstacle-crossing analysis of support wheel

可知，當支撐輪跨越焊縫障礙時，封堵機器人即驅動機構所提供的驅動力為F。支撐輪在跨越焊縫時會與焊縫發(fā)生一定的接觸，假設接觸點為O1；則焊縫對支撐輪有相應的支撐力，大小為N。為使支撐輪跨越焊縫，必須要達到式(5)～(6)：

∑M(O1)≥0

(5)

(6)

式中：M為力矩，N·m;H為焊縫外凸高度,mm；Ff為支撐輪與管道之間的摩擦力,N；Fs為彈簧對支撐輪垂直向下的力,N。

當支撐輪越過障礙的瞬間，F(xiàn)f=0，帶入式(6)中，可得式(7):

(7)

由式(7)可知，當自適應封堵機器人處在某一確定工況時，分析支撐輪越障方程，r′為埋地管道內徑不發(fā)生改變，H為焊縫外凸高度在跨越當前障礙時也為固定常量。因此，為使不等式成立，應當增加驅動力F，從而可以提升自適應封堵機器人的越障能力。而由式(4)可知，當減小驅動輪偏轉角度時，驅動力會隨之增加。

以上可得，影響機器人跨越障礙性能的主要因素為電機轉速和驅動輪偏轉角度。通過減小電機轉速或者減小驅動輪偏轉角度均可提高自適應管道封堵機器人的驅動力，從而提高其越障性能。

3 機器人驅動單元仿真分析

3.1 驅動單元在直管中運行速度仿真分析

機器人的動力學仿真分析是用ADAMS View 2016軟件完成的[15]，處理器版本為英特爾Core i7-6700HQ @ 2.60GHz四核。驅動單元在直管中運行時，驅動輪的偏轉角度通過調角舵機進行調節(jié)，且需保證3個驅動輪轉角一致。偏轉角的選取范圍為0°～90°，以5°為間隔區(qū)間共取18個取樣點，設定螺旋驅動電機的轉速為30 r/min，仿真結果如圖8所示。

圖8 驅動單元直管運行速度仿真Fig.8 Simulation on running speed of driving unit in straight pipe

當驅動輪偏轉角度為5°～45°時，驅動單元速度不斷增大，當轉角為45°時驅動單元的運行速度最大，最大速度為0.051 m/s。由于驅動輪輪邊與管道產生的阻力逐漸增大，導致30°～45°時速度增長速率逐漸減小，但驅動力增加幅值仍然大于阻力增加幅值，使得速度持續(xù)增加；偏轉角度為45°～90°時，由于驅動輪與管道軸向摩擦導致速度不斷減小且不穩(wěn)定，并且阻力大于軸向運動提供的驅動力，使得速度降低。在15°～45°之間時，速度增加平穩(wěn)，運行效果最好。因此，以仿真結果為參考，在實際運行過程中機器人驅動輪偏轉角度的調整在15°～45°范圍內，可使機器人達到較好的運行狀態(tài)。

3.2 驅動單元在直管中運行牽引力仿真分析

對驅動輪轉角與牽引力大小進行仿真擬合，仿真圖如圖9所示。

圖9 機器人牽引力仿真Fig.9 Simulation on traction force of robot

當驅動單元驅動輪轉角設定在15°～40°之間時，由圖9可知驅動輪轉角與機器人牽引力的關系呈負相關。原因是偏轉角增大時驅動體軸向摩擦力越大，導致沿管道軸向的牽引力越小。當偏轉角度為45°時，牽引力小于20 N，不滿足實際設計要求。因此，將驅動單元工作偏轉角度設定在15°～40°范圍內效果最好。

3.3 驅動單元最大越障高度仿真分析

本文仿真以直徑150 mm的管道為對象，驅動輪偏轉角度為20°，電機轉速為30 r/min，將焊縫的高度分別設定為5，6，7 mm進行分析，研究其越障能力。仿真結果如圖10～11所示。

圖10 驅動單元通過5 mm焊縫仿真Fig.10 Simulation of driving unit passing through 5 mm weld seam

由圖10可得：1.75～2.5 s為驅動單元跨越5 mm障礙的過程，此時彈簧被壓緊收縮，驅動輪向上移動，在越障過程中驅動輪向上移動的位移約為5.5 mm。因此，在該工況下驅動單元可通過5 mm焊縫。

由圖11(a)可知驅動單元在通過6 mm焊縫時，驅動輪最大偏移位移為6.5 mm，因此，驅動單元可順利通過6 mm焊縫。由圖11(b)可知驅動單元在通過7 mm焊縫時，最大偏移位移無法超過7 mm，結合后續(xù)周期性波動圖以及實際工作狀況可得，7 mm焊縫會將驅動單元驅動輪卡住，驅動單元會持續(xù)工作，輪體無法越過障礙，質心高度在障礙處近似上下對稱擺動。經分析可以得出驅動單元能夠順利通過的最大越障高度約為6 mm，符合設計要求。

圖11 驅動單元通過6 mm和7 mm焊縫仿真Fig.11 Simulation of driving unit passing through 6 mm and 7 mm weld seams

4 實驗驗證

按照上文中的設計要求對埋地管道泄漏自適應封堵機器人樣機進行制作與組裝。經測量可得，驅動單元質量為1.3 kg，長度為230 mm；單套自適應封堵機器人總質量為3.5 kg，長度為765 mm；則組合樣機的質量為7 kg，長度為1 530 mm。

對樣機進行速度測試，結果如圖12所示。從圖12中可看出，驅動單元速度仿真分析的結果與實驗結果大致相同，但是從運行速度對比圖可看出，偏轉角度在5°～45°之間時，驅動輪的偏轉角度逐漸增加，樣機速度也隨之增加，樣機速度在45°時達到峰值，峰值速度約為0.042 m/s，這一結果也滿足設計要求。

圖12 實驗樣機運行速度對比Fig.12 Comparison on running speed of test prototype

將驅動單元主軸轉速設置為30 r/min，依次調整驅動輪轉角為15°～45°，讀取彈簧測力計示數(shù)。實驗結果與仿真對比如圖13所示。

圖13 實驗樣機驅動力測試對比Fig.13 Comparison on driving force test of test prototype

將仿真結果與實驗結果進行對比分析，可得出兩者曲線變化趨勢大致相同，證明仿真結果的正確性。由于仿真是在理想工況下進行運動，而實驗樣機的設計與安裝以及實驗環(huán)境會存在一定的精度誤差，使得實驗數(shù)值始終低于仿真數(shù)值。由此可得在實際工作運行時，驅動輪偏轉角度應取20°～35°才可保證設計要求。

對驅動單元進行越障能力測試。實驗環(huán)境如圖14所示。

圖14 樣機越障能力測試Fig.14 Obstacle-crossing ability test of prototype

模擬實驗環(huán)境為管道內流體介質為氣體的直徑150 mm，長2 000 mm的亞克力實驗空管，用多個橡膠密封圈經過包扎粘結在管道內壁上來模擬障礙物。模擬5，6，7 mm焊縫檢驗樣機通過性。樣機越障能力結果見表2。

表2 樣機越障結果統(tǒng)計Table 2 Statistics on obstacle-crossing results of prototype

對表2進行分析可知，驅動輪轉角為15°時無法通過障礙。因此驅動輪越障時最小通過角為20°，與仿真結果一致。機器人驅動輪轉角為20°時，可以通過6 mm障礙，無法通過7 mm障礙。25°勉強可以通過6 mm障礙，無法通過7 mm障礙。30°時，牽引機器人通過6 mm障礙時較為困難，7 mm障礙仍然無法通過。分析原因主要是機器人運行速度較快，自身不穩(wěn)定性導致越障能力降低。

5 結論

1)為滿足設計要求，機器人使用各個單元串聯(lián)連接的多體分布式結構，主體是用電磁吸附模塊將2套自適應封堵機器人連接起來。自適應封堵機器人的組成分別為驅動單元、控制單元及泄漏封堵單元，并且用平行聯(lián)軸器將各單元連接。驅動單元采用電機驅動、螺旋行走的驅動形式，利用彈簧的伸縮使系統(tǒng)有變徑功能，使用波紋氣囊來完成封堵。

2)通過對自適應管道封堵機器人越障機理研究可得，減小電機轉速或者減小驅動輪偏轉角度均可提高自適應管道封堵機器人的驅動力，從而提高其越障性能。

3)組裝樣機進行相關實驗，確定樣機整體結構達到設計要求，對樣機運行時的牽引力和越障能力進行實驗驗證得出，樣機驅動輪偏轉角設置在20°～35°時運行指標達到設計要求，驅動輪偏轉角在此范圍內，角度越小，運行效果越好，最佳運行角度為20°。在最佳運行狀況下，樣機最大越障高度為6 mm。

4)為使所設計機器人的性能適應更多的如海底管道泄漏、地埋管道泄漏等工況，未來還需要對機器人在不同流體介質中的運動特性進行研究；當管內流體介質干擾較大或埋地位置不穩(wěn)定場干擾較強時，需要研發(fā)穩(wěn)定可靠的通訊系統(tǒng)，對裝置動作進行準確操控，保證準確完成機器人的封堵修復作業(yè)。