一種流體驅(qū)動式管道機器人的結(jié)構(gòu)設計與運動分析

施 濤,袁銳波,邵禹然,陳 坤,李 想,胡啟明

(1.昆明理工大學 機電工程學院, 昆明 650504;2.光機電液系統(tǒng)集成與控制研究所, 昆明 650504)

0 引言

管道運輸因其經(jīng)濟、高效與安全的特點一直是流體介質(zhì)輸送的主要方式。隨著全球管道里程數(shù)的增長,油氣管道泄露爆炸導致的人員傷亡、環(huán)境破壞以及經(jīng)濟損失也逐年增加。此外,城市部分供水管道也面臨著年久失修等問題。管道外部可以由人工定期完成清潔和巡檢,但內(nèi)部的檢測、維修和清潔任務就只能依賴管道機器人來完成[1]。流體驅(qū)動式管道機器人的驅(qū)動力主要由機器人前后端的介質(zhì)壓力差來提供,在充滿流體介質(zhì)的長距離管道內(nèi)可以長時間安全運行的優(yōu)點是其他驅(qū)動方式的管道機器人所不能取代的,因而更適合易燃易爆的長距離油氣管道的巡檢清潔工作[2]。

流體驅(qū)動式管道機器人實則上是搭載著檢測設備的一種運送裝置[3]。傳統(tǒng)的管道機器人習慣上將所有零件集成在一個整體結(jié)構(gòu)中,沿著圓柱狀機器人軸向布置的多個皮碗既要起到支撐機器人質(zhì)量的作用,又要和管道形成良好密封[4]。這一方面導致機器人和管道之間摩擦力難于預測,另一方面加速了密封皮碗的快速磨損[5]。給機器人的速度控制和運行壽命帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

初代管道機器人的結(jié)構(gòu)是在圓柱狀物塊上纏繞碎布條和橡膠塊等材料,使其隨著管內(nèi)高速流體沖擊而運動,從而對管道內(nèi)壁起到清潔作用。這種設計因其功能單一笨重,且在運動時發(fā)出的聲音類似豬鳴,因此也被稱為管道pig[1]。目前英國、德國、美國對流體驅(qū)動式管道機器人研究趨于成熟。麻省理工學院和英國劍橋大學合力研發(fā)了一款高速流體管內(nèi)機器人,該機器人主體采用柔性材料設計,外部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)流線型設計,既可以保持和管壁的柔性接觸,又能最大限度減少管內(nèi)介質(zhì)阻力,美中不足之處在于未實現(xiàn)模塊化設計,維護成本高昂[6]。德國ROSEN公司研制了較實用的管道檢測機器人,主要應用的檢測原理是超聲檢測和漏磁檢測。其理想適用管道流速為1～5 m/s,然而高壓高流速管道內(nèi),流體流速可達 10 m/s,機器人運動速度很不穩(wěn)定[7]。國內(nèi)對于流體驅(qū)動式管道機器人的研究起步很晚,目前在役管道機器人主要依賴進口。廣州工業(yè)大學楊宜民、黃明偉團隊研制的機器人將主體結(jié)構(gòu)劃分為3部分,每一部分之間用彈簧連接,但此設計只適用于大口徑、高流速管道,且并沒有速度調(diào)節(jié)功能[2]。北華大學張玉峰等設計了具有速度調(diào)節(jié)功能的管道機器人結(jié)構(gòu),驅(qū)動部分安裝蝶形皮碗,皮碗中部開節(jié)流口起到調(diào)速功能,但因未加裝制動裝置,在遇到較大流體速度波動時,這種結(jié)構(gòu)設計調(diào)速范圍受到很大限制[8]。

此外,流體驅(qū)動式管道機器人在管道內(nèi)運動會受到管道內(nèi)變形凸起以及彎道、爬坡、流體速度變化等因素的影響[8]。以往的設計研究對機器人在管道內(nèi)運動時的角度位姿和摩擦力變化考慮不夠完善,導致機器人在實際工況下運動速度極其不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)堵塞管道現(xiàn)象?，F(xiàn)代化管道機器人需兼顧初代管道pig清潔管道以及管道檢測、定位等多項任務[9]。將所有功能元件集成于一整個笨重的結(jié)構(gòu)內(nèi)已經(jīng)難于滿足現(xiàn)代機器人智能化的發(fā)展趨勢。鑒于此,研究中采用鏈式模塊化設計,提高管道機器人的功能擴展性,同時優(yōu)化了結(jié)構(gòu),對機器人在不同坡度和轉(zhuǎn)動位姿情況下的阻力及流體驅(qū)動力進行了詳細分析。利用現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)對機器人外流場和易損壞變形結(jié)構(gòu)進行了模擬。該設計可以極大地提高預估機器人運動過程中的壓差阻力的準確性,增加皮碗的使用壽命,給機器人在流體驅(qū)動下的速度穩(wěn)定控制帶來極大便捷。

1 整體結(jié)構(gòu)設計及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設計

參考國內(nèi)外輸油管道和市政供水管道尺寸,設計的管道機器人以適應300 mm尺寸管道為主,當遇到管道內(nèi)沉積物及凸起時,也能自動適應微小管徑的變化。機器人驅(qū)動力來源于機器人前后端的驅(qū)動壓差,因此在管道內(nèi)的運動方向和流體運動方向一致,如圖1所示[10]。將3個不同功能的單元體通過連接裝置相互連接。連接裝置內(nèi)部由雙十字萬向節(jié)與單元信號連接管構(gòu)成,外部用高強度可彎曲軟管密封。調(diào)速驅(qū)動單元負責調(diào)節(jié)機器人前后端的驅(qū)動壓力差,進而起到調(diào)節(jié)機器人運行速度的作用。搭載單元負責搭載檢測設備,對管道內(nèi)壁凸起、裂紋等缺陷進行檢測。輔助單元負責機器人的輔助驅(qū)動和制動。變徑機構(gòu)內(nèi)安裝有調(diào)節(jié)彈簧,用于支承機器人重力和適應管徑變化。

① 皮碗;② 伺服電機;③ 控制器;④ 控制器電源;⑤ 單元體連接裝置;⑥ 變徑機構(gòu);⑦ 調(diào)速驅(qū)動單元;⑧ 搭載單元;⑨ 輔助單元;⑩ 管壁

傳統(tǒng)的流體驅(qū)動式管道機器人習慣把檢測、清潔、驅(qū)動等多個功能集中于一個整體結(jié)構(gòu)內(nèi)[11]。這種設計不僅造成機器人笨重、結(jié)構(gòu)復雜,而且后期維修和擴展新功能成本都很高昂[12]。圖2為麻省理工學院和英國劍橋大學研制的柔性管道機器人。圖3為德國ROSEN公司研制的智能流體驅(qū)動式管道機器人。

圖2 柔性管道機器人外形圖

圖3 ROSEN智能管道機器人外形圖

研究設計中采用模塊化思想,將機器人的不同單元模塊分別集成于3個單元體中,單元體之間通過連接裝置連接,既緩沖了各個單元體之間的速度波動和沖擊力,又縮減了機器人周向尺寸,提高了流體沖擊力利用率。在需要額外增加其他功能模塊時此設計的高擴展性也具有很大優(yōu)勢。此外,相對于傳統(tǒng)的純金屬材料轉(zhuǎn)閥調(diào)速設計,本文設計在機器人調(diào)速驅(qū)動單元外圈增加以丁苯橡膠為主要材料的皮碗,以此增加流體密封性和通過管道內(nèi)壁凸起等障礙物的柔性。

鏈式管道機器人設計機理源于傳統(tǒng)的火車設計,在調(diào)速驅(qū)動單元模塊中(圖4),外部動葉板和內(nèi)部伺服電機軸配合安裝,通過檢測流體速度和機器人位姿及自身速度來調(diào)節(jié)動葉板和定葉板之間的錯位孔大小,進而改變前后壓差,起到調(diào)速的功能,后端其余2個單元則被調(diào)速驅(qū)動單元這一火車頭拉動前行。

圖4 調(diào)速單元模塊示意圖

在機器人爬坡越障過程中,僅僅依靠前端的調(diào)速驅(qū)動單元提供驅(qū)動力較顯吃力。因此模仿高原地區(qū)火車爬坡雙火車頭設計,在最后一節(jié)輔助單元上添加小型皮碗,進行雙機重聯(lián)來牽引整列機器人。此外,輔助單元內(nèi)安裝有伺服電機2(圖5),在機器人需要駐留檢測和即將從管道內(nèi)取出時,通過調(diào)節(jié)閥口開度最大的方法來減小流體介質(zhì)壓力差后仍然無法停下機器人的情況下,則需要在最后一節(jié)輔助單元體上安裝制動裝置。具體方案如圖5所示,伺服電機2的軸上安裝有齒輪,電機轉(zhuǎn)動再通過齒條齒輪機構(gòu)傳動使得機器人輔助單元上周向呈120°分布的3組支撐輪壓緊管壁,增大摩擦,起到制動減速功能。

圖5 制動裝置示意圖

1.2 工作原理

流體驅(qū)動式管道機器人在充滿介質(zhì)的管道內(nèi)運動,驅(qū)動力完全來源于流體壓力差[13]。流體壓力差受流體流速、機器人運動速度、機器人形貌和受壓面積影響[14]。運動阻力則隨管道環(huán)境、機器人姿態(tài)等因素實時改變[15]。通過在調(diào)速驅(qū)動單元上安裝節(jié)流閥改變受壓面積與在輔助單元上安裝制動機構(gòu)改變摩擦力的方式實時調(diào)節(jié)機器人速度,從而為機器人檢測工作提供一個平穩(wěn)的環(huán)境。

控制方式如下：管道維護人員給放入管道工作的機器人一個預設期望速度v1。在機器人工作過程中,因管道幾何形貌和流體速度發(fā)生改變,導致機器人實際行進速度v2和預設期望速度v1不一致。此時機器人控制器通過角度傳感器、壓力傳感器和速度傳感器反饋信號先由伺服電機1驅(qū)動節(jié)流閥的閥口開閉大小來調(diào)速。當機器人速度太快,用調(diào)節(jié)閥口開度最大的方法仍然無法達到期望減速效果,以及在機器人需要急速制動時再通過伺服電機2驅(qū)動制動機構(gòu)來減速,從而使得期望速度v1和實際速度v2始終保持在相同大小。圖6是速度控制方案流程框圖。

圖6 速度控制方案流程框圖

如圖6所示,機器人控制器采用低成本高性能的STM32單片機。角度傳感器用于實時檢測機器人支撐機構(gòu)的角度位姿和管道與水平地面的瞬時角度。壓力傳感器用于檢測壓差的變化。

2 管道機器人阻力分析

2.1 阻力理論分析

管道機器人在充滿液體介質(zhì)的管道內(nèi)運動,會受到多種作用力影響,如圖7所示[14]。

圖7 機器人受力分析示意圖

圖7中,β為機器人運動過程中所處管道位置與水平地面的瞬態(tài)夾角,由機器人上的角度傳感器實時檢測;Fli為流體驅(qū)動力;Ff為摩擦阻力;Fz為流體阻力;Fr為機器人所受浮力,其大小為：

Fr=ρgVr

(1)

式中：ρ為管道內(nèi)液體介質(zhì)的密度,Vr為機器人體積。

在機器人運行過程中,主要依靠機器人上呈120°對稱分布的3組支撐機構(gòu)來提供支撐力和摩擦力。由力學知識可知摩擦力大小受摩擦因數(shù)和正壓力影響。機器人支撐機構(gòu)的滾動輪和充滿液體介質(zhì)的濕滑管壁之間既存在滾動摩擦,又存在滑動摩擦,參考前人研究取摩擦因數(shù)為0.3[16]。在實際工況下,機器人運動會產(chǎn)生不同的位姿,造成單元體上的支撐機構(gòu)與水平方向產(chǎn)生不同的角度α,如圖8所示。

圖8 機器人角度位姿示意圖

角度α的改變勢必會影響機器人和管壁摩擦力大小的變化。在任意角度下單元體重力對管壁的壓力都只作用于支撐輪偏下方的其中2組支撐機構(gòu)(如圖8中只作用于N1和N2這2組支撐機構(gòu))[1]。取單個單元體質(zhì)量為5 kg,將單元體重力簡化為集中于管道中心軸線上,則機器人單元體重力作用分解在支撐機構(gòu)上大小為：

(2)

如圖8所示,當機器人繞管道軸線逆時針旋轉(zhuǎn),導致N1軸位于水平線上方時取α角為負,反之,圖8中N1軸位于水平線下方時α角為正。

聯(lián)立以上各式,管道機器人整體和管壁之間的摩擦力為：

(3)

式中：μ為橡膠材料制作的支撐輪與管壁之間的摩擦因數(shù),設計中取0.3;k為變徑機構(gòu)彈簧彈性系數(shù),設計中取10 N/mm;δ為彈簧預緊后的變形量,設計中取2 mm;γ為支撐機構(gòu)和單元體軸向方向的夾角,設計中取45°。

由流體力學知識可知,機器人在充滿流體介質(zhì)的管道中運動除了受到管道內(nèi)壁的摩擦力外還會受到機器人迎流面上的介質(zhì)阻力[17],具體大小為：

(4)

式中：S1為機器人迎流面面積,ρ為流體密度,v0為流體速度,vr為機器人速度。

2.2 機器人運動阻力變化規(guī)律

從以上對鏈式模塊化管道機器人的阻力分析可知,機器人阻力主要來自和管壁之間的摩擦,流體帶來的阻力太小可忽略不計[18]。已知設計中機器人單個單元體質(zhì)量取為5 kg,則機器人整體阻力的大小和機器人支撐機構(gòu)角度位姿以及管道瞬時坡度角β有關(guān)。當機器人在管道傾角β=0°的情況下,摩擦阻力與支撐機構(gòu)位姿角α之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 摩擦阻力與機器人位姿角關(guān)系曲線

如圖9所示,β=0°時,隨著α的增大,管道機器人和管壁的摩擦力呈現(xiàn)開口向下的拋物線形狀。當α=30°時,機器人和管壁之間的摩擦力最大;當α=90°時,機器人和管壁之間的摩擦力最小。

圖10表示α=30°和α=90° 2種情況下,管道機器人摩擦阻力隨著管道瞬時傾角β增大的變化趨勢。

圖10 摩擦阻力與管道傾角關(guān)系曲線

由圖10可知,當α=30°時,β在78.7°附近摩擦力最大;當α=90°時,β在84.4°附近摩擦力最大。當機器人在管道內(nèi)運動時,所受阻力大小在圖中2條曲線圍成的區(qū)域內(nèi)變化。

傳統(tǒng)的皮碗支撐式管道機器人采用皮碗直接接觸管壁來支承機器人質(zhì)量的方案。橡膠材料制作的皮碗與金屬管道在有液體介質(zhì)作為潤滑的情況下平均動摩擦因數(shù)μ在0.5以上[19]。而支撐輪設計方式中,機器人與管壁之間的摩擦因數(shù)不超過0.3。相對皮碗支撐設計,在研究的呈120°對稱分布的支撐輪式管道機器人中,在同樣大小的管道傾角下,當α=30°(即此時摩擦力最大)時,支撐輪設計方案相比純皮碗支撐設計減少了40%的摩擦力。此外,由于設計的機器人在管道內(nèi)運動,支撐機構(gòu)位姿角α在不斷改變,機器人運動的絕大部分時間內(nèi)新設計的管道機器人實際摩擦力均比α=30°這一極端情況時小。因此,在實際工況下,支撐輪設計方式相對皮碗接觸支撐方式減少的摩擦力要大于40%。

3 流體驅(qū)動力分析

3.1 驅(qū)動力計算

流體驅(qū)動式管道機器人在管道內(nèi)運動主要受到流體作用力和管道內(nèi)壁的摩擦力影響。流體作用力大小取決于流體壓力和流體作用面積,摩擦力受機器人重力、位姿和管道粗糙度的影響。已建成天然氣管道流速多在7 m/s以上,甚至達到14 m/s的高速,石油管道流速多在5 m/s以上,市政供水管道的流速也超過管道機器人可以準確檢測到管道缺陷的臨界速度4 m/s[20]。因此,根據(jù)管道介質(zhì)流速與機器人和管道接觸位姿來實時調(diào)節(jié)流體作用面積進而獲得穩(wěn)定的運行速度,才能為管道檢測和清潔工作提供適宜的基本條件。

流體驅(qū)動式管道機器人動力來源于流體動壓效應和靜壓效應[21]。驅(qū)動力的大小一方面取決于流體壓力差,另一方面和受壓面積相關(guān)[22]。因此,調(diào)速驅(qū)動單元速度調(diào)節(jié)盤尺寸d2、d3、h和θ(圖11)對于管道內(nèi)壓力場大小有著關(guān)鍵影響,是機器人驅(qū)動設計的幾個關(guān)鍵參數(shù)。其中,D為管道內(nèi)徑,d2為速度調(diào)節(jié)盤內(nèi)動葉板外圈直徑,d3為速度調(diào)節(jié)盤內(nèi)動葉板內(nèi)圈直徑,h為皮碗與管壁間隙,θ為動葉板與定葉板間的錯位夾角。

如圖12所示,流體介質(zhì)速度為v0,機器人速度為vr,管道直徑為D,調(diào)速驅(qū)動單元皮碗受流體沖擊變形后和管壁產(chǎn)生的間隙為h,動葉板受伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動與定葉板之間產(chǎn)生的錯位角度為θ。機器人受流體驅(qū)動,滿足流體力學基本定律,為簡化計算,設定研究條件如下：① 假設流體為連續(xù)穩(wěn)態(tài);② 只研究液態(tài)流體介質(zhì)驅(qū)動情況;③ 機器人外表面形貌復雜,為計算方便,忽略對流體沖擊力影響不大的結(jié)構(gòu),只保留機器人主體[23]。

圖12 機器人管道內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖

機器人在運動過程中,流體速度v0必須始終大于機器人速度,當機器人以穩(wěn)定速度vr運行時,流體順管道從機器人尾端經(jīng)皮碗和管道間隙h泄漏到機器人下游頭端,形成圖12所示的靜壓差ΔP1和ΔP2[24]。且由于流體和機器人存在速度差異,會產(chǎn)生動壓力：

Fl1=PdS1

(5)

式中：S1表征了調(diào)速驅(qū)動單元隨著動葉板轉(zhuǎn)動面積的變化,表達式為：

(6)

(7)

Pd為流體動壓,其大小為：

(8)

式中：C是機器人形貌系數(shù),由于機器人單元體近似于圓柱,故取C=1;ρ是流體介質(zhì)密度,以常見20 ℃水為研究對象,取ρ=1 000 kg/m3。

由于液體介質(zhì)在研究中一般假定為不可壓縮流體,根據(jù)流體連續(xù)性方程和同心環(huán)形間隙流量公式可得[25]：

(9)

(10)

Fl2=ΔP1S1

(11)

式中：h為調(diào)速驅(qū)動單元上的皮碗受壓變形后與管道內(nèi)壁的間隙大小;d1為調(diào)速驅(qū)動單元皮碗直徑;l為皮碗厚度;v1為機器人頭部泄流口速度;η為流體動力黏度,以20 ℃水為研究對象,取η=1.004×10-3[26]。

對于驅(qū)動輔助單元,動壓產(chǎn)生的驅(qū)動力為：

(12)

靜壓產(chǎn)生的驅(qū)動力為：

(13)

(14)

式中：t為輔助單元皮碗與管壁之間的間隙距離,d2為輔助單元皮碗直徑。

故流體產(chǎn)生的總驅(qū)動力為：

(15)

根據(jù)第2節(jié)阻力分析計算可知,當機器人期望速度為3.5 m/s,單元體質(zhì)量為5 kg時,在管道內(nèi)運動過程中最大摩擦阻力為170.97 N。此時為保證機器人在管道內(nèi)運動所能獲得的最大流體驅(qū)動力大于最大摩擦阻力,經(jīng)計算機器人所能適應的最小管道流速為4 m/s。而傳統(tǒng)的皮碗支撐式管道機器人因?qū)嶋H摩擦力遠大于170.97 N,且摩擦阻力難于實時計算,故所能適應的最小管道流速需大于4 m/s。

3.2 驅(qū)動力變化規(guī)律

根據(jù)以上驅(qū)動力理論分析可知,在已知流體流速的情況下,轉(zhuǎn)動速度調(diào)節(jié)盤上的動葉板角度可以改變驅(qū)動單元皮碗前后的壓力差,起到調(diào)節(jié)機器人速度大小的作用。流體驅(qū)動式管道機器人只有保持運行速度穩(wěn)定在4 m/s以下時才能確保檢測數(shù)據(jù)的準確性[26]。為兼顧檢測數(shù)據(jù)準確性和機器人的工作效率,設定機器人期望運行速度為3.5 m/s。結(jié)合以上驅(qū)動力理論分析,繪制當流體速度為4、4.5、5 m/s時,隨著閥口開度角θ增大,流體驅(qū)動力變化趨勢如圖13所示。

圖13 閥口開度與驅(qū)動力關(guān)系

由圖13可知,隨著調(diào)速機構(gòu)的動葉板與定葉板之間的閥口角度增大,機器人驅(qū)動力減小。且隨著流體速度的增加,通過調(diào)速機構(gòu)動葉板和定葉板增大角度來減速機器人的效果越明顯,即機器人驅(qū)動力下降速度越快。利用Ansys Workbench 19.0軟件的Fluent模塊對機器人運動流場狀態(tài)進行仿真。選取一段管道和新設計的管道機器人作為計算域,劃分網(wǎng)格。機器人主體部分設置為固體域,管道內(nèi)其余區(qū)域設置為流體域。網(wǎng)格劃分形式采用非線性多面體網(wǎng)格,計算域網(wǎng)格數(shù)量為2 024 529個,節(jié)點數(shù)為360 211個。為兼顧計算效率和機器人周圍流場的真實性,忽略掉對流體壓力影響不大的結(jié)構(gòu)特征,只保留對流場影響顯著的部件[27]。選取管道入口速度為研究中機器人所能正常工作的最小速度4 m/s,管道出口設置為outflow,流體介質(zhì)設置為水,計算模型選擇標準的k-ε模型,綜合考慮收斂速度和穩(wěn)定性,選擇 Simple算法。觀察流場壓力云圖(圖14),可知改變驅(qū)動單元上的動葉板旋轉(zhuǎn)角度,機器人前后壓差明顯得到改變。通過調(diào)節(jié)動葉板和定葉板之間的錯位角度可以起到實時調(diào)節(jié)機器人運行速度的作用。且流體在單元體連接裝置附近受到的擾動很小,壓力變化不大,因此,單元體之間的連接裝置對流體的擾動可以忽略。

圖14 機器人流場壓力云圖

3.3 皮碗受力分析及結(jié)構(gòu)改進

機器人主體材料為鋁合金,在流體壓力下變形量極微小。故機器人主體變形帶來的流場壓力變化忽略不計,只需要重點關(guān)注受壓易變形的皮碗結(jié)構(gòu)。為防止機器人在運動過程中定葉板和管壁相撞造成兩者損傷,以及保持機器人和管壁之間良好的密封,機器人調(diào)速驅(qū)動單元上安裝有皮碗,皮碗材料選擇經(jīng)濟性和耐磨性良好的丁苯橡膠[28]。傳統(tǒng)的管道機器人大多讓調(diào)速定葉板直接暴露在管道內(nèi),或者不考慮皮碗結(jié)構(gòu)選型,采用最簡單的直板皮碗。這種設計造成了機器人和管壁之間的剛性碰撞以及皮碗的快速磨損和保壓效果差的結(jié)果[29]。針對上述問題,提出邊沿變曲率傾角皮碗結(jié)構(gòu),如圖15所示。

圖15 直板皮碗(左)與邊沿變曲率傾角皮碗(右)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖15所示,相對于傳統(tǒng)的直板皮碗,邊沿變曲率傾角皮碗在皮碗的外圈設置了唇部,并與垂直方向偏移γ的角度,使其在流體壓力下能更好地貼合管壁。利用Ansys Workbench 19.0軟件的靜力學分析模塊對皮碗進行受壓變形量分析,皮碗側(cè)面與管壁設置摩擦接觸,摩擦因數(shù)設定為0.3,皮碗內(nèi)圈與機器人定葉板固定,沿皮碗迎流面施加0.05 MPa壓力。分析直板皮碗與邊沿變曲率傾角皮碗在同等壓力下,不同厚度、不同角度設計中變形量的變化規(guī)律。為保證網(wǎng)格劃分的合理性,先對皮碗網(wǎng)格尺寸進行無關(guān)性檢驗。針對10 mm厚度傳統(tǒng)直板皮碗,承受壓力為0.05 MPa,當網(wǎng)格尺寸從5 mm變至2 mm時,網(wǎng)格尺寸劃分越細,位移結(jié)果越趨近收斂于14 mm。說明2 mm及以下網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果影響很小,可認為網(wǎng)格尺寸已達到無關(guān),因此取2 mm的網(wǎng)格尺寸作為計算網(wǎng)格。

研究中針對管道內(nèi)徑D為300 mm,機器人調(diào)速驅(qū)動單元上的定葉板外圈與管道內(nèi)壁間隙e為30 mm的情況(圖15),分別對2種類型皮碗在 10 mm厚度和20 mm厚度情況下進行受壓仿真分析,觀察皮碗變形云圖如圖16。

圖16 皮碗變形云圖

如圖16所示,同等厚度下,邊沿變曲率傾角皮碗在同等流體壓力下變形更小。

在皮碗設計中,傾角皮碗的直徑、厚度以及與垂直方向的傾角γ對于皮碗在流體受壓時產(chǎn)生的變形有關(guān)鍵影響。在機器人定葉板直徑和管道內(nèi)徑固定情況下。傾角皮碗傾角γ越大,則皮碗沿傾角方向的斜向長度只能設計越長以此來保持皮碗與管壁接觸密封,這必然導致皮碗受流體沖擊面積將更大,皮碗也會產(chǎn)生更大的變形。為詳細探究以上2種不同結(jié)構(gòu)的皮碗在同等流體壓力下厚度和變形量之間的關(guān)系,選取10、20 mm厚度皮碗進行受力仿真研究。圖17表示0.05 MPa壓力下,直板皮碗和邊沿變曲率20°傾角皮碗隨著厚度的增加,變形變化規(guī)律。

圖17 0.05 MPa下2種皮碗變形量隨厚度變化趨勢曲線

如圖17所示,邊沿變曲率20°傾角皮碗與傳統(tǒng)直板皮碗相比,隨著厚度的增加,其最大承載壓力變形量均小于傳統(tǒng)直板皮碗。

對20 mm厚度邊沿變曲率傾角皮碗在0.05 MPa壓力下探究傾角γ與變形量之間的關(guān)系,如圖18所示。

圖18 20 mm邊沿變曲率傾角皮碗隨傾角變化趨勢曲線

如圖18所示,相同厚度的變曲率傾角皮碗隨著傾角γ的增大,最大承載壓力變形量呈現(xiàn)先緩慢減小再逐漸快速增加的趨勢。皮碗傾角為20°附近時最大承載壓力位移最小。根據(jù)變形量的變化可知,與傳統(tǒng)直板皮碗相比,由于自身邊沿的存在,邊沿變曲率傾角皮碗在受到流體壓力時不僅可以和管壁保持較好的接觸狀態(tài),而且在承載壓力和抗壓形變方面都有良好的提高效果,有更好的保壓效果。

4 結(jié)論

1) 針對傳統(tǒng)流體驅(qū)動式管道機器人周向體積大,摩擦阻力大,易發(fā)生卡堵現(xiàn)象等問題設計了鏈式模塊化管道機器人并設計了速度控制方案。對鏈式流體驅(qū)動管道機器人進行了節(jié)流閥開度與驅(qū)動力關(guān)系分析,利用Fluent軟件進行了流場分析驗證。

2) 對運動過程中的摩擦阻力與機器人位姿、管道瞬時傾角之間的關(guān)系進行了分析,得出當α=30°時,β在78.7°附近摩擦力最大;當α=90°時,β在84.4°附近摩擦力最大。在機器人運動過程中,為減小摩擦阻力,應使機器人支撐機構(gòu)位姿角α保持在90°附近。此外,在油氣管道和市政供水管道建設中,管道傾角β不宜過大,在考慮地形地貌之外,也要根據(jù)管內(nèi)液體介質(zhì)速度和管道機器人質(zhì)量等參數(shù)給管道設置合適的坡度傾角。

3) 對安裝在定葉板上的密封皮碗結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與受力分析,得出邊沿變曲率傾角皮碗與傳統(tǒng)直板皮碗相比,在受壓狀態(tài)下,傾角為20°附近的變曲率傾角皮碗抗壓變形性能更優(yōu)。

4) 對于該鏈式模塊化管道機器人實物在實際管道環(huán)境中的速度控制測試,由于實驗條件限制,尚未進行,有待后續(xù)進一步研究和驗證。