水下管道清污機(jī)器人艙體及清理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

張祥祥 ， 倪 援 ， 檀 祎 ， 邢 為 ， 谷 芳

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下管道被廣泛應(yīng)用于能源開采、漁業(yè)養(yǎng)殖等各個(gè)方面。管道長(zhǎng)期在水下浸泡，其表面極易附著浮游生物及其他垃圾，這使得管道被嚴(yán)重腐蝕。1998年到2012年，國內(nèi)報(bào)道過的管道泄漏重大事故共19起[1]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致管道泄漏的因素很多，其中，被腐蝕是引起管道失效的重要原因之一[2-3]。

對(duì)管道進(jìn)行清理是減緩管道腐蝕的有力措施，現(xiàn)階段的研究大多針對(duì)水下管道內(nèi)壁的清理，而較少關(guān)注淺水區(qū)管道外壁的清理。最常用清理方式是潛水員下潛[4]完成清理，然而人工清理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高。傳統(tǒng)無纜水下機(jī)器人大多利用水下推進(jìn)器完成下潛[5]，此過程需要推進(jìn)器持續(xù)高強(qiáng)度工作以保證其在水下穩(wěn)定懸浮，消耗電能較多且續(xù)航時(shí)間較短。對(duì)管道外壁的清理方式較為簡(jiǎn)單，如鐘思等[6]設(shè)計(jì)的水下管道清理機(jī)器人清理方式僅為機(jī)械爪夾持管道進(jìn)行機(jī)械性撞擊，但是此種清理方式清理不全面，效果欠佳。課題組設(shè)計(jì)了一種適用于淺水區(qū)域的水下管道清污機(jī)器人。該機(jī)器人通過改變自身重力實(shí)現(xiàn)上浮下潛，通過機(jī)械爪清理管道外壁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好、便于制造等優(yōu)點(diǎn)，能夠在提高清理效果的同時(shí)，利用自身重力使機(jī)器人在水下穩(wěn)定運(yùn)行，減少對(duì)電能的消耗。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

課題組使用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了水下機(jī)器人的三維模型如圖1所示。該清污機(jī)器人主要由艙體、氣泵、水泵、機(jī)械爪、水下推進(jìn)器等組成，搭載開發(fā)板、攝像頭、電池等必要控制器件及其他零件。

圖1 水下機(jī)器人三維圖

艙體由支架固定在支撐板中部，兩個(gè)水下推進(jìn)器對(duì)稱分布在艙體兩側(cè)，水泵位于艙體一側(cè)尾部，安裝在支撐板上，開發(fā)板、攝像頭、電池等控制器件位于艙體內(nèi)的中前部，氣泵位于艙體內(nèi)的尾部，機(jī)械爪安裝在支撐板下方靠近艙體頭部的位置。

2 艙體設(shè)計(jì)與校核

2.1 艙體設(shè)計(jì)

2.1.1 艙體設(shè)計(jì)原理

目前大型潛航器大多通過改變自身重力實(shí)現(xiàn)上浮下潛，其能保證在水下穩(wěn)定懸浮，利用推進(jìn)器完成水底巡航、探測(cè)等任務(wù)。根據(jù)這一原理，課題組通過艙體設(shè)計(jì)，利用水泵和氣泵配合實(shí)現(xiàn)向艙體內(nèi)注水和排水來改變機(jī)器人自身重力，保證機(jī)器人在水下穩(wěn)定運(yùn)行，避免使用較多水下推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人下潛并維持水下穩(wěn)定運(yùn)行，減少對(duì)有限電能的消耗。

2.1.2 艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙體頭部為半球形殼體，中部為圓柱形殼體，尾部有凸緣，均布通孔用于與密封蓋連接。艙體內(nèi)分為上下兩層，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。上層為蓄水艙，下層為控制艙。蓄水艙內(nèi)部裝有氣囊，與控制艙的氣泵相通。外側(cè)頂部靠近艙體頭部和尾部位置分別留有圓柱孔，孔口由帶有密封片的圓形鐵片密封，鐵片通過鉸鏈裝在孔口上，鐵片密封側(cè)連接小彈簧，提供一定拉力，使其緊貼孔口。圓柱孔邊緣安裝錐帽，錐尖開設(shè)小孔，當(dāng)蓄水艙壓力過大時(shí)用于排水或排氣。艙體尾部用兩個(gè)扇形密封板分別對(duì)控制艙、蓄水艙密封，密封蓄水艙的密封板開設(shè)進(jìn)水口和進(jìn)氣口，進(jìn)水口與水泵相通，進(jìn)氣口與氣囊相通。密封控制艙的密封板開設(shè)出氣口，氣泵通過出氣口與氣囊相通。

圖2 艙體二維圖

艙體工作原理如下：通過控制蓄水艙內(nèi)水的體積來改變機(jī)器人自重，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上浮下潛。控制系統(tǒng)通過控制水泵向蓄水艙注水，當(dāng)蓄水艙內(nèi)的壓力略高于外界壓力時(shí)，在內(nèi)外壓力差的作用下，艙體頂部密封片打開，艙內(nèi)氣體排出。蓄水艙蓄水后機(jī)器人重量增加，實(shí)現(xiàn)下沉。錐形小孔能夠抑制或減緩?fù)饨绲囊后w進(jìn)入蓄水艙，當(dāng)蓄水艙內(nèi)壓力與外界相等時(shí)，密封片在彈簧拉力下閉合?？刂葡到y(tǒng)通過控制氣泵將控制艙內(nèi)的氣體抽到蓄水艙的氣囊內(nèi)，當(dāng)蓄水艙內(nèi)的壓力略高于外界壓力時(shí)，艙體頂部密封片打開，蓄水艙內(nèi)的水通過艙體頂部的排氣孔排出艙外，機(jī)器人重量減輕，實(shí)現(xiàn)上浮。

2.2 艙體結(jié)構(gòu)校核

水下機(jī)器人的艙體是核心部件，是保障機(jī)器人在水下正常運(yùn)行的關(guān)鍵，艙體需要考慮其在水下的壓力、透光性及密封性能。課題組設(shè)計(jì)的艙體選用PMMA材料，其抗壓強(qiáng)度為90 MPa～130 MPa，取安全系數(shù)為1.5，取許用應(yīng)力為60 MPa。根據(jù)模擬水下機(jī)器人工作深度為5 m的條件，設(shè)計(jì)艙體尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 艙體尺寸參數(shù)

根據(jù)液體壓強(qiáng)公式：

得出5 m水壓約為0.05 MPa。假定大氣壓為0.1 MPa，則水下5 m壓力約為0.15 MPa。由基爾霍夫-樂甫假設(shè)可知，球殼應(yīng)力公式：

圓柱殼體應(yīng)力公式：

球殼應(yīng)力小于圓柱殼體應(yīng)力，將參數(shù)代入公式可知圓柱殼體應(yīng)為1.95 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，能夠保證裝置安全工作。

2.3 艙體仿真分析

在ANSYS Workbench中，設(shè)定PMMA密度為1.19 kg/m3，楊氏模量為3.16×109Pa，泊松比為0.32。在Mash中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇靜水壓力分析[7]，設(shè)置自由液面高度為5 m，密封蓋側(cè)面為固定支撐面。形變量計(jì)算結(jié)果如圖3所示，等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 艙體形變量

圖4 艙體等效應(yīng)力

根據(jù)圖3艙體形變量計(jì)算結(jié)果，艙體最大變形為0.094 mm，相對(duì)于整體設(shè)計(jì)尺寸可忽略不計(jì)。根據(jù)圖4艙體等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，艙體最大等效應(yīng)力為1.956 MPa，遠(yuǎn)小于材料抗壓強(qiáng)度90 MPa～130 MPa，能夠保證裝置安全工作。

3 機(jī)械爪設(shè)計(jì)與校核

3.1 機(jī)械爪設(shè)計(jì)

機(jī)械爪由半圓形卡槽、半圓形毛刷[8]、舵機(jī)等組成。兩個(gè)半圓形卡槽分別固定在兩個(gè)防水舵機(jī)上，兩防水舵機(jī)并列相向安裝在支座內(nèi)，支座安裝在支撐板下方。在兩機(jī)械爪中間一側(cè)安裝舵機(jī)，該舵機(jī)的舵盤安裝外伸軸。毛刷安裝在卡槽內(nèi)，毛刷一端由彈簧連接在卡槽末端，另一端系繩纏繞在外伸軸上，同時(shí)保證兩條連接毛刷的繩子在外伸軸上纏繞方向相反。毛刷面與卡槽內(nèi)表面存在1 mm～2 mm的距離，使機(jī)械爪夾持管道時(shí)，保證毛刷能夠在卡槽內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)。機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)

機(jī)械爪工作原理如下：機(jī)械爪的半圓形卡槽可根據(jù)管道外徑進(jìn)行更換。控制裝置控制舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械爪開合，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的夾持與釋放。當(dāng)機(jī)械爪夾持管道時(shí)，中間舵機(jī)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繩子的收緊與釋放，配合卡槽末端彈簧的拉伸與復(fù)原，帶動(dòng)毛刷在卡槽內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道外壁的清理。機(jī)器人在水下推進(jìn)器的作用下沿管道前進(jìn)，卡槽外緣能將較大淤泥等附著物撞掉，毛刷對(duì)剩余附著物進(jìn)行進(jìn)一步清理。

3.2 機(jī)械爪仿真分析

給定模擬管道直徑為60 mm，設(shè)計(jì)卡槽內(nèi)徑比管道直徑略大，在保證毛刷有效清理管道的同時(shí)，有利于污垢清理后的脫落，同時(shí)能夠避免卡槽與管道的剛性接觸，從而降低管道對(duì)卡槽的反作用力。這對(duì)選擇合適扭矩的舵機(jī)、降低成本、保護(hù)管道有重要意義。機(jī)械爪卡槽設(shè)計(jì)參數(shù)如圖6所示。

圖6 卡槽設(shè)計(jì)參數(shù)

毛刷在卡槽內(nèi)滑動(dòng)時(shí)受到舵機(jī)和彈簧的兩側(cè)拉力，當(dāng)毛刷被舵機(jī)外伸軸拉到極限位置時(shí)，彈簧變形量最大，其最大值應(yīng)小于等于安裝外伸軸的舵機(jī)最大扭矩所提供的拉力。假定選用KM1850MD型防水舵機(jī)，該型號(hào)防水舵機(jī)在6 V電壓下可提供0.2 N·m的扭矩。取外伸軸直徑為15 mm，此時(shí)舵機(jī)能夠提供27 N的拉力，則彈簧拉力最大為27 N。根據(jù)牛頓第三定律可知，卡槽末端受到彈簧最大拉力為27 N，同時(shí)受到來自毛刷沿內(nèi)表面的漸變壓力。

在ANSYS Workbench中選擇靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊[9]，設(shè)置316不銹鋼的楊氏模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，導(dǎo)入模型后劃分網(wǎng)格，選定爪柄槽口表面為固定支撐，在卡槽末端施加27 N的力，沿卡槽內(nèi)側(cè)與毛刷接觸表面施加沿徑向均布54 N載荷。經(jīng)計(jì)算得到的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，形變量計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

316不銹鋼材料屈服強(qiáng)度大于170 MPa，根據(jù)圖7等效應(yīng)計(jì)算結(jié)果，機(jī)械爪所受最大應(yīng)力為14.07 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖8可知，機(jī)械爪在載荷作用下產(chǎn)生最大位移變形為0.01 mm，變形非常小，說明結(jié)構(gòu)合理。

圖7 機(jī)械爪等效應(yīng)力

圖8 機(jī)械爪總變形

4 可靠性分析

由艙體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的各部分體積如表2所示，其中艙外零件體積主要包括水下推進(jìn)器、機(jī)械爪、水泵及其他連接件的總體積。主要器件參數(shù)如表3所示。

表2 各部分體積

表3 主要器件參數(shù)

4.1 蓄水艙實(shí)現(xiàn)排水可靠性分析

以淡水水下5 m為例，按照設(shè)計(jì)的具體參數(shù)驗(yàn)證蓄水艙實(shí)現(xiàn)排水的可靠性。

控制艙空氣所占體積約為2.2×106mm3，選用的氣泵負(fù)壓為-75 kPa，能夠?qū)⑷萜鲀?nèi)氣體抽出的體積約為1.65×106mm3。根據(jù)前述水下5 m壓力約為0.15 MPa，當(dāng)蓄水艙壓力略大于外界壓力時(shí)，密封片打開，錐形孔與外界相通，使氣囊內(nèi)氣體壓強(qiáng)近似外界壓強(qiáng)。

由克拉貝龍方程：

可得，從控制艙抽出的空氣在氣囊中所占體積約為1.1×106mm3，近似蓄水艙體積，能夠?qū)⑿钏搩?nèi)的水排出。

4.2 艙體實(shí)現(xiàn)上浮下潛可行性分析

裝置完全浸入水中的排水體積為5.3×106mm3，由浮力公式：

得出裝置整體所受浮力約為52 N，蓄水艙蓄滿水能夠使裝置增重10.7 N。當(dāng)需要上浮時(shí)，通過氣泵向氣囊充氣，使蓄水艙的水通過錐形孔排出，使裝置減重10.7 N。

由以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，將機(jī)器人總重量控制在42 N～52 N，可實(shí)現(xiàn)通過改變重力控制機(jī)器人上浮下潛。根據(jù)選擇各器件的質(zhì)量，能夠容易實(shí)現(xiàn)上浮下潛功能。

4.3 機(jī)械爪工作可靠性分析

將機(jī)械爪卡槽簡(jiǎn)化為半圓形器件，忽略爪柄部位的影響，估算機(jī)械爪自身重力對(duì)舵機(jī)扭矩的需求。根據(jù)機(jī)械爪卡槽設(shè)計(jì)參數(shù)，簡(jiǎn)化后機(jī)械爪圓心到舵機(jī)旋轉(zhuǎn)中心距離為55 mm。機(jī)械爪質(zhì)心在對(duì)稱軸上[10]，到圓心距離為L(zhǎng)1，由巴普斯定理可知：

根據(jù)勾股定理得出質(zhì)心到舵機(jī)旋轉(zhuǎn)中心距離為L(zhǎng)2，假定毛刷質(zhì)量為m2，則機(jī)械爪質(zhì)心對(duì)舵機(jī)產(chǎn)生最大扭矩記為M。各參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

選用KM1850MD型防水舵機(jī)在6 V電壓下可提供0.2 N·m的扭矩，能滿足使用要求，能夠保證機(jī)械爪在夾持管道時(shí)穩(wěn)定工作。

5 結(jié)語

課題組通過SolidWorks軟件對(duì)水下管道清污機(jī)器人的艙體及清理機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過ANSYS Workbench軟件進(jìn)行計(jì)算仿真，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性。通過對(duì)艙體實(shí)現(xiàn)上浮下潛和機(jī)械爪工作的可靠性分析，得出機(jī)器人能在5 m左右的淺水區(qū)域通過改變自身重力實(shí)現(xiàn)上浮下潛，利用機(jī)械爪卡槽及毛刷對(duì)管道外壁進(jìn)行清理。課題組設(shè)計(jì)的水下管道清污機(jī)器人的艙體及清理機(jī)構(gòu)便于制造，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，同時(shí)為水下機(jī)器人密封艙設(shè)計(jì)及管道外壁的清理提供了一種設(shè)計(jì)思路，對(duì)推動(dòng)水下資源的利用具有重要意義。