宋海強(qiáng)　王述博（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110168）

液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)

宋海強(qiáng)王述博
（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110168）

管道是物質(zhì)和能源輸送的重要工具之一，被廣泛應(yīng)用于核電、煤氣、石油、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。管道機(jī)器人作為一個(gè)運(yùn)輸工具廣泛應(yīng)用于管道的檢測(cè)、維護(hù)等工作中。管道的檢測(cè)對(duì)于提高產(chǎn)量和效率具有重要的作用，研制液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人裝置對(duì)提高測(cè)井技術(shù)有著重要意義。文章介紹了一種液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式的管道機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)，相比其它的驅(qū)動(dòng)方式具有更大的牽引力和牽引速度，希望能給從事本行業(yè)的同仁們一點(diǎn)參考依據(jù)。

液壓驅(qū)動(dòng) 伸縮式 管道機(jī)器人

在航空航天、國(guó)防、石油天然氣、化工業(yè)、市政等領(lǐng)域中，管道機(jī)器人因具有可控性強(qiáng)、作業(yè)范圍廣等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種管道內(nèi)的機(jī)能動(dòng)作實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)和維護(hù)等。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管道機(jī)器人的研究較為廣泛。大多數(shù)已實(shí)用的管道機(jī)器人多以電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接作為機(jī)器人的動(dòng)力。在管道內(nèi)徑的限制條件下，特別是動(dòng)作較多的機(jī)器人，必然需要每個(gè)動(dòng)作都需要至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這往往導(dǎo)致機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，給設(shè)計(jì)、加工、裝配等帶來(lái)困難，從而帶來(lái)成本的高昂和可靠性降低。國(guó)外現(xiàn)已有部分領(lǐng)域開(kāi)始探索使用液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，不同的動(dòng)作之間只需要簡(jiǎn)單的管線連接即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。

1　液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀

液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人的主要特征是設(shè)備本體攜帶微型液壓站，為機(jī)器人的各個(gè)動(dòng)作提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)前端抓靠—收縮—后端抓靠—前端放松—伸出的循環(huán)前進(jìn)過(guò)程。目前國(guó)外幾家公司已針對(duì)石油領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了幾款液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人，并投入了實(shí)際使用，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有此類(lèi)的研究應(yīng)用。

Schlumberger公司伸縮式爬行管道牽引器系統(tǒng)外徑為54mm，長(zhǎng)度9.8m，速度為671m/h，牽引力大小為445kg。

Smartract公司伸縮式牽引器先后在加拿大和墨兩哥灣進(jìn)行了測(cè)井作業(yè)，不借助其他設(shè)備，其牽引距離接近12192m。其外徑為54 mm，長(zhǎng)9144mm.可用于雙向操作，牽引力為454kg，牽引速度545m /h。

2　管道機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1管道機(jī)器人的組成和動(dòng)作過(guò)程

管道機(jī)器人的組成如圖1所示。

主要?jiǎng)幼鳈C(jī)構(gòu)包括兩個(gè)支撐三爪架和伸縮機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）采用三爪臂，能自動(dòng)定心，撐緊內(nèi)壁：（2）采用獨(dú)特的抓靠臂結(jié)構(gòu)，三點(diǎn)離散與管壁結(jié)合。另外還包括提供動(dòng)力的液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油箱、控制閥、結(jié)構(gòu)本體等。

動(dòng)作過(guò)程：前爪撐起與管壁接觸固定——伸縮筒收縮，后半部分被拉向前面——后抓撐起，抵住管壁固定——前爪收回——伸縮筒伸出，前半部分被推出。依次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。

該機(jī)器人具有輕巧、牽引力大，對(duì)動(dòng)力源功率需求小、地面設(shè)備緊湊、易于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。抓緊式的爬行方法有選擇的與管擘間距接觸，管內(nèi)越障能力強(qiáng)；雙方向（推/拉）驅(qū)動(dòng)方式對(duì)接卡和長(zhǎng)水平段起收電纜更具優(yōu)勢(shì)，代表了最先進(jìn)的管道機(jī)器人的類(lèi)型之一。

2.2主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1　管道機(jī)器人組成

圖2　3爪支撐架

圖3　液壓原理圖

支撐架是伸縮式機(jī)器人的主要?jiǎng)幼鞑考驹O(shè)計(jì)采用三爪連桿機(jī)構(gòu)，具有自動(dòng)定心、強(qiáng)度高、剛度好的特點(diǎn)。在支撐液壓缸的推桿的軸向運(yùn)動(dòng)驅(qū)使下，連桿機(jī)構(gòu)的支撐梁做徑向張開(kāi)運(yùn)動(dòng)，并撐住管道內(nèi)壁，在摩擦力的作用下為機(jī)器人前進(jìn)提供支撐作用。支撐梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖3所示，液壓泵從油箱中抽取液壓油，經(jīng)過(guò)單向閥，流經(jīng)3個(gè)方向控制閥。3個(gè)方向控制閥分別控制前支撐液壓缸、伸縮缸、后支撐液壓缸。根據(jù)設(shè)定好的程序，三個(gè)油缸按照順序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的伸縮爬行。

圖4　支撐架油缸力分析

2.3設(shè)計(jì)計(jì)算

伸縮式管道機(jī)器人的主要參數(shù)體現(xiàn)在牽引力和爬行速度兩方面。牽引力主要體現(xiàn)在伸縮油缸的拉力和支撐架的支撐力兩方面。爬行速度則由伸縮油缸速度和實(shí)現(xiàn)支撐的時(shí)間決定。

2.3.1牽引力相關(guān)（油缸內(nèi)徑）計(jì)算

根據(jù)油缸推力公式，可以計(jì)算出伸縮油缸內(nèi)徑。

F拉：伸縮油缸拉力

R：油缸內(nèi)徑半徑

P：液壓壓力

根據(jù)支撐架結(jié)構(gòu)（圖4），計(jì)算出支撐油缸推力，進(jìn)而計(jì)算出支撐油缸內(nèi)徑。

將力按XY軸分解，得出力平衡方式如下：

另根據(jù)虛功原理，可得平衡方程：

F推：支撐油缸推力

F支1：支撐點(diǎn)1作用力

F支2：支撐點(diǎn)2作用力

F壓：管壁壓力，可根據(jù)要求的支撐力和管壁摩擦系數(shù)計(jì)算得出l：F推虛功位移

t：F壓虛功位移

其中，根據(jù)固定的支撐架幾何關(guān)系，在式4中，可最終把虛功位移相互抵消，最終由式2、式3、式4聯(lián)合解出支撐油缸推力F推，再根據(jù)油缸推力公式得出油缸內(nèi)徑。

2.3.2爬行速度計(jì)算

機(jī)器人爬行周期包含伸縮油缸的伸縮動(dòng)作和上/下支撐架的支撐動(dòng)作，因?yàn)?個(gè)動(dòng)作為順序動(dòng)作，所以一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)間為三個(gè)動(dòng)作時(shí)間的和。

T：1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)間

t1：=伸縮油缸時(shí)間

t2：支撐架撐起時(shí)間

t3：支撐架收回時(shí)間

2.3.3伸縮油缸時(shí)間

L：液壓泵額定流量

R：伸縮油缸內(nèi)徑

X：設(shè)定伸縮油缸行程

t2和t3的計(jì)算同伸縮油缸時(shí)間。

2.3.4機(jī)器人運(yùn)行速度計(jì)算

V：機(jī)器人運(yùn)行速度

4　結(jié)語(yǔ)

液壓驅(qū)動(dòng)伸縮式管道機(jī)器人由于其本身具有的大行程和牽引力的優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)微型的大功率電機(jī)、高壓大排量液壓泵、控制閥塊等元器件并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，是實(shí)現(xiàn)其及早國(guó)產(chǎn)化的主要方向。

［1］王兆龍，韓濤.拖拉機(jī)原理及其在水平井生產(chǎn)測(cè)井中的應(yīng)用［J］.國(guó)外測(cè)井技術(shù)，2006，21（6）.

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