一種襯里復(fù)合管修形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

成旭堂，練章華，谷天平

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500)

0 前言

在油氣集輸管道建設(shè)中，為了防止腐蝕性油氣對(duì)長(zhǎng)輸管道帶來(lái)的危害，常采用雙金屬?gòu)?fù)合管來(lái)有效控制腐蝕，大幅度節(jié)約了油氣集輸?shù)慕ㄔO(shè)和維護(hù)成本，得到了廣泛應(yīng)用。但雙金屬襯里復(fù)合管襯管壁厚很薄、襯管剛度很小，在外界載荷作用下襯管很容易出現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)剛度失穩(wěn)產(chǎn)生鼓包的現(xiàn)象。復(fù)合管襯管鼓包會(huì)降低襯管的疲勞壽命、阻礙管道通球作業(yè)以及使得管道預(yù)防性內(nèi)檢測(cè)工作無(wú)法有效開(kāi)展，無(wú)法了解管道運(yùn)行的實(shí)際狀況；同時(shí)，會(huì)降低管道的運(yùn)輸能力，甚至?xí)?dǎo)致雙金屬襯里復(fù)合管整體管段失效。

因雙金屬襯里復(fù)合管的工作環(huán)境及自身管體長(zhǎng)的特點(diǎn)，襯管一旦產(chǎn)生鼓包依靠人工修復(fù)非常困難，所以需要一種管道機(jī)器人攜帶必要的作業(yè)工具到達(dá)鼓包部位，展開(kāi)修復(fù)作業(yè)。管道機(jī)器人具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈巧、工作能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以攜帶不同的傳感工具、定位系統(tǒng)及必要的工作工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程操控，可輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)合管襯管鼓包檢測(cè)、修復(fù)以及后續(xù)清理等工作，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，以方便工程師后期處理分析。因此，設(shè)計(jì)一種雙金屬襯里復(fù)合管襯管鼓包修形機(jī)器人具有十分重要的工程價(jià)值及意義。

1 修形機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

要求修形機(jī)器人可以依靠自身所帶電池動(dòng)力，在襯里復(fù)合管內(nèi)自由移動(dòng)工作。機(jī)器人可依靠支撐機(jī)構(gòu)平穩(wěn)支撐在管壁，在移動(dòng)過(guò)程中可以利用檢測(cè)模塊對(duì)復(fù)合管襯管鼓包部位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；然后，將數(shù)據(jù)經(jīng)控制系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理；最后，返回控制數(shù)據(jù)流到主要修形工作模塊，通過(guò)機(jī)械滾壓對(duì)襯管鼓包部位進(jìn)行修復(fù)處理。因此，機(jī)器人至少需要有導(dǎo)向、修形、控制和行走四大基本模塊。圖1所示為修形機(jī)器人設(shè)計(jì)流程。

圖1 機(jī)器人設(shè)計(jì)流程

1.2 修形機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

(1)總體框架

基于目前管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征，考慮襯管鼓包位置不確定性及襯管內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境因素，在滿足整體設(shè)計(jì)要求情況下，將各個(gè)模塊合理化設(shè)計(jì)連接。圖2所示為修形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)框圖

(2)工作原理

為同時(shí)保證復(fù)合管修形機(jī)器人在復(fù)合管內(nèi)修復(fù)鼓包和行走的功能，設(shè)計(jì)了兩條傳動(dòng)鏈:一條是主要修形動(dòng)力傳遞，完成對(duì)襯管鼓包的修復(fù)；另一條是驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)擴(kuò)徑及使整個(gè)機(jī)器人在管道內(nèi)的行走。整個(gè)機(jī)器人通過(guò)前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中彈簧自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和后三角履帶行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定地爬附在管壁，在行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下在復(fù)合管內(nèi)連續(xù)行走，前端CMOS圖像傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)襯管內(nèi)壁情況;當(dāng)檢測(cè)到鼓包位置時(shí)，主修形電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，使修形機(jī)構(gòu)后座發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)可變形支架發(fā)生徑向擴(kuò)張;當(dāng)修形滾子與鼓包部位接觸后，修形機(jī)構(gòu)后座與絲杠軸段“鎖死”，處于動(dòng)態(tài)擴(kuò)徑平衡狀態(tài)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)修形機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滾壓修復(fù)襯管鼓包部位，直至修形機(jī)構(gòu)后座到上極限位置，達(dá)到將襯管鼓包修復(fù)的目的。同時(shí)，當(dāng)襯管鼓包修復(fù)后，襯管鼓包大小及修復(fù)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄到襯管鼓包修復(fù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，隨后修形裝置解鎖發(fā)生軸向收縮，修形機(jī)器人則繼續(xù)在襯管內(nèi)移動(dòng)檢測(cè)完成既定任務(wù)。圖3所示為修形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意。

圖3 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意

2 各部件模塊設(shè)計(jì)

2.1 前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模塊

(1)自適應(yīng)管壁支撐機(jī)構(gòu)

機(jī)器人前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)要求能適應(yīng)不同管徑的襯里復(fù)合管、跨越一定管內(nèi)障礙并支撐機(jī)器人行走和導(dǎo)向的功能，因此采用彈簧自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際復(fù)合管管道內(nèi)修形機(jī)器人行走過(guò)程中，應(yīng)盡量降低底盤的高度，保證機(jī)器人質(zhì)心下降，以增加機(jī)器人工作的穩(wěn)定性。考慮管道尺寸以及結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)，使用低副連桿機(jī)構(gòu)。這種接觸對(duì)連桿等部件沖擊力小，但承載能力強(qiáng)、加工容易，可以很方便地改變運(yùn)動(dòng)的行程。圖4所示支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，當(dāng)點(diǎn)處滾子受到的襯管內(nèi)壁豎直方向反作用力發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致連桿與水平方向的夾角發(fā)生變化，進(jìn)而改變的大小，最終使得彈簧產(chǎn)生軸向伸縮運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)變徑的目的。圖5所示為支撐機(jī)構(gòu)模型。

圖4 支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖5 支撐機(jī)構(gòu)模型

根據(jù)圖4對(duì)彈簧自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可計(jì)算出支撐桿滾輪對(duì)復(fù)合管襯管內(nèi)壁正壓力。

滾動(dòng)產(chǎn)生摩擦力：

=

(1)

在直角坐標(biāo)系下，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)閉環(huán)矢量方程為

++=

(2)

把以上矢量方程按直角坐標(biāo)系的和坐標(biāo)軸進(jìn)行分解，得：

(3)

式中:為摩擦力，N；為摩擦因數(shù)；為正壓力，N；為支撐桿的起始角度；為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)適應(yīng)管徑變化過(guò)程中支撐角的變化量;、、分別為各桿的長(zhǎng)度，mm。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)適應(yīng)管徑變化是一個(gè)非常緩慢的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的力平衡方程為

(4)

綜合式(1)—式(4)，可以得到自適應(yīng)機(jī)構(gòu)在正常工作時(shí)，支撐桿系外撐時(shí)，對(duì)管壁的正壓力為

=·(tancos+sin)

(5)

通過(guò)分析式(5),可為支撐機(jī)構(gòu)彈簧的優(yōu)化選型提供理論依據(jù)。

(2)鼓包檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鼓包檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由照明模塊、廣角鏡頭、CMOS圖像傳感器、圖像處理芯片以及計(jì)算機(jī)終端組成，如圖6所示。襯里復(fù)合管修形機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)，實(shí)時(shí)采集機(jī)器人前方及襯管內(nèi)壁的圖像，經(jīng)圖像處理芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給計(jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像對(duì)比分析對(duì)鼓包部位進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)。圖7所示為鼓包檢測(cè)裝置模型。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖7 檢測(cè)裝置模型

(3)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)管道機(jī)器人在復(fù)合管道內(nèi)行走和工作要求，前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要包括6組彈簧自適應(yīng)支撐機(jī)構(gòu)和前置鼓包檢測(cè)裝置。如圖8所示的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型，中間軸將前后支座連接，通過(guò)同一圓面上均勻分布的6根立柱將彈簧安裝在靠近右端支座處；通過(guò)立柱和前支座將連桿靠轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)自適應(yīng)管徑變化；同時(shí)，6組支撐機(jī)構(gòu)均勻支撐在管壁，以保證整個(gè)機(jī)器裝置以正確穩(wěn)定的姿態(tài)撐附在管道內(nèi)，無(wú)論機(jī)器人行走還是?？慷伎梢允顾c管壁保持相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)而為后續(xù)修形工作單元的鼓包修復(fù)提供必要的穩(wěn)定條件。

圖8 前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三維模型

2.2 修形機(jī)構(gòu)模塊

(1)結(jié)構(gòu)分析

為保證修形滾子部分的平行以及受力均勻最佳，設(shè)計(jì)平行四邊形結(jié)構(gòu)，無(wú)論在伸縮還是在旋轉(zhuǎn)過(guò)程，修形滾子能保持正確的姿態(tài)接觸鼓包位置。同時(shí)，為減少修形滾子在修形過(guò)程中對(duì)襯管內(nèi)壁的磨損，在滾子內(nèi)部設(shè)計(jì)了一組軸承，使修形滾子能繞滾子軸轉(zhuǎn)動(dòng)；為使前軸和后軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而不直接從后軸輸入動(dòng)力帶動(dòng)修形機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，在軸中間利用軸承組合設(shè)置相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；此外，在絲杠段通過(guò)雙螺母結(jié)構(gòu)可以改變后座軸向移動(dòng)的2個(gè)極限位置A和B，使修形半徑在一個(gè)可控范圍內(nèi)。

如圖9所示，根據(jù)平行四邊形與角度關(guān)系，可推導(dǎo)出修形半徑的變化范圍以及水平方向修形機(jī)構(gòu)后座移動(dòng)的極限位置A和B的關(guān)系。在取值上,為防止受力桿鎖死情況的發(fā)生，在30°～75°之間取值。因此，針對(duì)不同管徑設(shè)置A和B的位置來(lái)改變的范圍，再由值確定其極限位置。

圖9 修形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

=cos+

(6)

=2cos

(7)

因此，由式(6)與式(7)可得：

(8)

其中:為修形高度，mm；為受力連桿長(zhǎng)度，mm；為修形機(jī)構(gòu)前后座高度，mm；為軸向左極限位置距離。

(2)三維建模與裝配

為解決不同工況及管徑下雙金屬襯里復(fù)合管襯管修形機(jī)器人對(duì)襯管鼓包等問(wèn)題的修復(fù)，該機(jī)器人修形機(jī)構(gòu)特別設(shè)計(jì)為由可變形支架及修形滾子組成，可變形支架與修形機(jī)構(gòu)前后座相連接。圖10所示為修形機(jī)構(gòu)三維模型。修形機(jī)構(gòu)主要由修形機(jī)構(gòu)前軸、修形機(jī)構(gòu)后絲杠軸、前支座和后支座、連接銷柱、連接桿、受力桿、滾子修形滾子、滾子軸、滾子軸組軸承、滾子軸連接件、連接軸承、限位組件、限位圓螺母、軸段卡件和前置軸承組成，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器與前置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連接。圖11所示為修形機(jī)構(gòu)局部剖視圖。

圖10 修形機(jī)構(gòu)三維模型

圖11 修形機(jī)構(gòu)局部剖視圖

2.3 控制系統(tǒng)模塊

為保證雙金屬襯里復(fù)合管襯管修形機(jī)器人在襯管內(nèi)移動(dòng)及鼓包修復(fù)時(shí)有足夠的動(dòng)力，將機(jī)器人動(dòng)力裝置設(shè)置為主電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)兩部分，主電機(jī)主要為襯管修形機(jī)器人修形機(jī)構(gòu)提供足夠的的修形動(dòng)力；步進(jìn)電機(jī)為后三角履帶式支撐機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。電源分別為前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)以及后行走系統(tǒng)提供能源；計(jì)算機(jī)終端通過(guò)無(wú)線控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)修形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制；通過(guò)整個(gè)控制系統(tǒng)將復(fù)合管道內(nèi)圖像鼓包位置信息實(shí)時(shí)記錄并傳輸;與此同時(shí)，中央控制單元讀取編碼器和各傳感器測(cè)得的數(shù)值，經(jīng)初步處理后傳送至計(jì)算機(jī)端，進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。圖12所示為修形機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖。

圖12 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

2.4 行走機(jī)構(gòu)模塊

雙金屬襯里復(fù)合管修形機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要起到帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)、控制機(jī)器人運(yùn)行速度及支撐機(jī)器人修形的作用。目前,管道修形機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的有管道式、輪式、履帶式、腳式、支撐式、行走式、蠕動(dòng)式、螺旋式及蛇形式等行走方式。分析各種行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可知履帶式與管壁接觸面廣、摩擦面大、機(jī)器人自身的牽引力相對(duì)較大、越障能力相對(duì)較高。因此，綜合考慮修形機(jī)器對(duì)管道修復(fù)的效率、爬管能力和穩(wěn)定性，采用三角履帶式行走方式，并依靠前端導(dǎo)向機(jī)構(gòu)彈性自適應(yīng)支撐，將整個(gè)機(jī)器人穩(wěn)定地支撐在管壁，通過(guò)后端履帶式行走機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)器人行走速度。此外，該履帶式行走機(jī)構(gòu)采用可伸縮的絲杠結(jié)構(gòu)，可由一部步進(jìn)電機(jī)結(jié)合齒輪組合，同時(shí)控制伸縮張開(kāi)變換，達(dá)到同步控制的效果；也可以通過(guò)三部步進(jìn)電機(jī)分別控制相對(duì)的履帶部位，對(duì)每個(gè)履帶的伸縮分別精準(zhǔn)控制，以增強(qiáng)機(jī)器人越障和過(guò)彎能力。圖13所示為修形機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)模型。

圖13 履帶式行走機(jī)構(gòu)模型

將上述四大模塊按總體設(shè)計(jì)框圖用聯(lián)軸器連接，以滿足修形機(jī)器人的完整性。前端采用萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器，可以提供機(jī)器人在管道內(nèi)的通過(guò)性；后面繞性聯(lián)軸器的連接可吸收一部分沖擊載荷，使機(jī)器人在修復(fù)鼓包工作時(shí)更加平穩(wěn)。機(jī)器人整體模型如圖14所示。

圖14 機(jī)器人整體模型

3 結(jié)論

本文作者針對(duì)復(fù)合管襯管鼓包修復(fù)，使用三維建模軟件設(shè)計(jì)了一種襯里復(fù)合管修形機(jī)器人。采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將機(jī)器人各個(gè)功能模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)優(yōu)化，最后進(jìn)行連接組裝，避免了各個(gè)功能模塊的運(yùn)行干擾，同步協(xié)調(diào)以完成鼓包修復(fù)功能。該機(jī)器人可以順利通過(guò)有一定障礙的管道，萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)使它在彎管處的通過(guò)性能更佳；各個(gè)部件模塊化的設(shè)計(jì)使得未來(lái)在該機(jī)器人基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)優(yōu)化存在無(wú)限可能，可獨(dú)立設(shè)計(jì)其他功能模塊，并組合使用以完成更復(fù)雜的管道作業(yè)。研究結(jié)果為未來(lái)集管道檢測(cè)、修復(fù)以及清理同步進(jìn)行的多功能管道機(jī)器人提供了參考。