馬金茹,王 旭

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）

儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人移動(dòng)方式的分析研究

馬金茹1,王 旭2

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）

石油化工是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，油品儲(chǔ)存需要大量的儲(chǔ)油罐，每3~5年就需要清理一次。國(guó)內(nèi)石化企業(yè)通常采用人工方式清理儲(chǔ)油罐，存在安全性差、施工周期長(zhǎng)、效率低、污染環(huán)境等問(wèn)題，利用機(jī)器人進(jìn)行清理可提高清理的效果和效益，具有高的可靠性和安全性。根據(jù)實(shí)際調(diào)研本文從儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)其移動(dòng)方式進(jìn)行了分析，對(duì)其行走裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

儲(chǔ)油罐；清理；機(jī)器人；行走

移動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩者構(gòu)成儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人的本體。移動(dòng)方式有車輪式、履帶式和足腳式(兩足或多足)等。

1 運(yùn)動(dòng)方式選擇原則

機(jī)器人的移動(dòng)方式很多，有車輪式、履帶式、多足步行式和框架式等種類，通過(guò)比較分析，根據(jù)他們的優(yōu)缺點(diǎn)選擇了儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式為履帶式移動(dòng)。

由于工作過(guò)程中要推動(dòng)粘結(jié)的油泥、淤渣等需要機(jī)器人提供很大的牽引力，此牽引力不僅取決于驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，還取決于運(yùn)行的地面情況和水射流的反作用力。所以設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)采用后輪驅(qū)動(dòng)，保證機(jī)器人具有足夠的動(dòng)力性，也可以是機(jī)器人前部具有足夠空間安裝清洗設(shè)備和推鏟。履帶采用阻燃和抗油泥腐蝕的橡膠材料，并且根據(jù)履帶地面力學(xué)設(shè)計(jì)漸變式履帶外形不僅提高機(jī)器人在油泥上的通過(guò)性，并且還能減少機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的能量損耗。同時(shí)履帶內(nèi)側(cè)開有縱向?qū)虿?，防止履帶在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中脫帶。綜合考慮各方面的特性，履帶式機(jī)器人既可以產(chǎn)生較大的吸附力，又具有較快的運(yùn)動(dòng)速度，且越障能力和負(fù)載能力較強(qiáng)、控制相對(duì)簡(jiǎn)單，因此具有較突出的優(yōu)點(diǎn)，是適合于油罐機(jī)器人要求的運(yùn)動(dòng)方式。

履帶式機(jī)器人的行走系統(tǒng)，亦稱機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，包括兩套驅(qū)動(dòng)履帶行走的電機(jī)傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)、機(jī)架（或稱車體）和其它功能附件等。

根據(jù)本研究的實(shí)際工作條件，選擇履帶式結(jié)構(gòu)行走系統(tǒng)，使用時(shí)用左右兩套電機(jī)驅(qū)動(dòng)，比較簡(jiǎn)單，越障能力取決于前導(dǎo)輪的高度，在條件允許的情況下可以調(diào)整。

2 機(jī)器人橡膠履帶結(jié)構(gòu)

橡膠履帶具有耐油特性、牽引力大、低噪、不損壞油罐、接地比壓小、重量輕、速度快等特點(diǎn)。

橡膠履帶如圖1所示，由強(qiáng)力層、芯金、緩沖層和橡膠彈性體四大部分組成。其中橡膠彈性體又分為花紋側(cè)膠、底膠、鋼絲簾線膠與緩沖層膠、布層膠、齒膠和輪側(cè)膠橡膠彈性體把其它部件緊密地結(jié)合為一個(gè)整體，提供行走能力及整體的緩沖、減震和降噪功能。

圖1 橡膠履帶的結(jié)構(gòu)圖

橡膠履帶的寬度多為180～920mm，節(jié)距一般為72～109mm，節(jié)數(shù)多為29～74。

根據(jù)油品存儲(chǔ)罐機(jī)器人的規(guī)格查表選定(履帶寬×節(jié)數(shù)×節(jié)距)，227×56BX 50-020。

3 機(jī)器人履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算及確定

（1）履帶條數(shù)N

確定儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人是采用雙履帶還是多履帶的行走裝置，主要是根據(jù)初步估算的機(jī)器人本體的重量來(lái)確定，一般根據(jù)機(jī)器人本體重量按表1選擇履帶的條數(shù)N。

（2）履帶的寬度和接地長(zhǎng)度

按重型機(jī)器的工作條件，確定土壤比壓值為[p]，根據(jù)履帶數(shù)和機(jī)器人工作重量，可計(jì)算履帶尺寸。

履帶總支承面積設(shè)為A則：

其中W為機(jī)體的重量。

如果假設(shè)選擇履帶數(shù)目為N，履帶長(zhǎng)度為l，履帶的寬度為b，則根據(jù)下式確定每條履帶的總面積：

履帶的寬長(zhǎng)比k，根據(jù)大量履帶行走裝置的參數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得：

一般情況下履帶寬長(zhǎng)比通常在0.2～0.4范圍內(nèi)。常用的履帶寬度一般為0.5～4m,履帶的接地長(zhǎng)度為2～15m。

（3）履帶行走裝置的寬度

機(jī)器人的轉(zhuǎn)向所需的功率和轉(zhuǎn)向性能主要有履帶行走裝置的長(zhǎng)寬比決定。實(shí)驗(yàn)表明，如果機(jī)器人長(zhǎng)寬比大于1.7，即使在最好的路面上行駛也不能轉(zhuǎn)向，除非外側(cè)履帶嚴(yán)重滑轉(zhuǎn)，但的值降到小于1，轉(zhuǎn)向就變的不穩(wěn)定，只有在頻繁地使用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，才能達(dá)到要求。一般機(jī)器履帶行走裝置的長(zhǎng)寬比值介于1.01～1.6之間。

（4）履帶板節(jié)距及各輪直徑的確定

根據(jù)大量履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，履帶行走裝置履帶節(jié)距及各輪直徑可由下面的統(tǒng)計(jì)公式近似確定：

其中：L為所需確定的尺寸，m

W為重型機(jī)器的重量，kN，c為回歸系數(shù)，根據(jù)表2選取。

（5）機(jī)器人履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

根據(jù)儲(chǔ)油罐清理機(jī)器人工作條件和技術(shù)指標(biāo)， 確定機(jī)器人的履帶行走裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)：履帶條數(shù)為2條，履帶長(zhǎng)不超過(guò)1.5m，履帶寬0.2m左右，履帶高0.3m左右。

（6）機(jī)器人履帶的優(yōu)化要求

牽引能力，牽引性能主要受行駛路面的影響。工作時(shí)，與橡膠履帶的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、帶寬、橫向剛性、節(jié)距和花紋塊高度有關(guān)，也受路面載荷和狀況情況的影響。直線型花紋和側(cè)面拉長(zhǎng)間距花紋效果較好。機(jī)械車輛在較硬路面上行駛，牽引性能與花紋塊剛度、花紋高度有直接關(guān)系。

表1 履帶數(shù)目的選取

表2 回歸系數(shù)表

抗振性，消除振源是減輕振動(dòng)和降低噪聲的最好辦法。橡膠履帶的振動(dòng)性與其節(jié)距、轉(zhuǎn)輪數(shù)及其重心位置配置、膠料性能和花紋有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)這些因素進(jìn)行最佳匹配，且花紋塊節(jié)距小且低的效果較好。

耐久性，主要指表現(xiàn)為橡膠履帶耐磨損切割、穿刺龜裂及碎裂的能力。橡膠膠料不但要有良好的物理性能、動(dòng)態(tài)疲勞性能、抗應(yīng)力集中和耐老化性能，還需要與傳動(dòng)件和保護(hù)層間有良好的粘合強(qiáng)度。對(duì)于某些特殊產(chǎn)品，還要求有耐鹽堿、耐油耐寒、和防火阻燃等特殊功能。

不脫輪性，取決于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)輪的配置、橡膠履帶剛度、履帶突起的高度、接地的長(zhǎng)度和履帶導(dǎo)向長(zhǎng)度。脫輪一般情況下多發(fā)生在主動(dòng)輪或張緊輪與轉(zhuǎn)輪之間，所以最好將該部分的長(zhǎng)度減小到最小程度。保持履帶具有一定的張緊度是十分必要的。橡膠履帶扭曲剛度、橫向剛性、縱向柔順性、以及節(jié)距與凸緣高度都對(duì)不脫輪性有十分重要的影響。

總之，橡膠履帶的設(shè)計(jì)后要滿足，牽引能力強(qiáng)、抗振性、耐久性和不脫輪性等基本性能要求。

[1]孫運(yùn)強(qiáng).橡膠履帶底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)仿真研究[D].大慶:大慶石油學(xué)院, 2010.03-27

[2]陳淑艷,陳文家.履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)電工程.2007,24(12):109

[3] 白琨.履帶式移動(dòng)機(jī)器人越障能力的研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2006

Analysis and Research on Movement Mode of Storage Robot Cleaning

Ma Jinru1，Wang Xu2
(1.Beijing Vocational and Technical College of Electronic Science and Technology; 2.Tianjin Vocational and Technical Normal University)

Petrochemical industry is a pillar industry in China.Oil storage tank needs a large number of oil storage tanks.It needs to be cleaned every 3 to 5 years.Domestic petrochemical enterprises usually use artificial way to clean storage tanks, there are poor safety,long construction period,low efficiency, pollution of the environment and other issues,the use of robot cleaning can improve the cleaning effect and efficiency,high reliability and security.According to the actual research,this paper analyzes the movement mode of the storage tank cleaning robot from the point of view of the whole design,and studies the structure of its walking device.

oil storage tank;cleaning;robot;walking

馬金茹（1981-）女，北京人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院講師。研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。