成旭堂，練章華，谷天平

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，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長輸管道帶來的危害，常采用雙金屬復(fù)合管來有效控制腐蝕，大幅度節(jié)約了油氣集輸?shù)慕ㄔO(shè)和維護成本，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)檢測工作無法有效開展，無法了解管道運行的實際狀況；同時，會降低管道的運輸能力，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)境及自身管體長的特點，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器人攜帶必要的作業(yè)工具到達鼓包部位，展開修復(fù)作業(yè)。管道機器人具有體積小、運動靈巧、工作能力強等優(yōu)勢，可以攜帶不同的傳感工具、定位系統(tǒng)及必要的工作工具，通過計算機、手機等設(shè)備遠程操控，可輕松實現(xiàn)復(fù)合管襯管鼓包檢測、修復(fù)以及后續(xù)清理等工作，并實時傳輸數(shù)據(jù)，以方便工程師后期處理分析。因此，設(shè)計一種雙金屬襯里復(fù)合管襯管鼓包修形機器人具有十分重要的工程價值及意義。

1 修形機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

要求修形機器人可以依靠自身所帶電池動力，在襯里復(fù)合管內(nèi)自由移動工作。機器人可依靠支撐機構(gòu)平穩(wěn)支撐在管壁，在移動過程中可以利用檢測模塊對復(fù)合管襯管鼓包部位進行實時檢測；然后，將數(shù)據(jù)經(jīng)控制系統(tǒng)傳輸?shù)接嬎銠C終端進行處理；最后，返回控制數(shù)據(jù)流到主要修形工作模塊，通過機械滾壓對襯管鼓包部位進行修復(fù)處理。因此，機器人至少需要有導(dǎo)向、修形、控制和行走四大基本模塊。圖1所示為修形機器人設(shè)計流程。

圖1 機器人設(shè)計流程

1.2 修形機器人總體設(shè)計

(1)總體框架

基于目前管道機器人的結(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)計要求情況下，將各個模塊合理化設(shè)計連接。圖2所示為修形機器人總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 機器人總體結(jié)構(gòu)框圖

(2)工作原理

為同時保證復(fù)合管修形機器人在復(fù)合管內(nèi)修復(fù)鼓包和行走的功能，設(shè)計了兩條傳動鏈:一條是主要修形動力傳遞，完成對襯管鼓包的修復(fù)；另一條是驅(qū)動行走機構(gòu)擴徑及使整個機器人在管道內(nèi)的行走。整個機器人通過前導(dǎo)向機構(gòu)中彈簧自適應(yīng)機構(gòu)和后三角履帶行走機構(gòu)穩(wěn)定地爬附在管壁，在行走機構(gòu)驅(qū)動下在復(fù)合管內(nèi)連續(xù)行走，前端CMOS圖像傳感器實時檢測襯管內(nèi)壁情況;當(dāng)檢測到鼓包位置時，主修形電機開始旋轉(zhuǎn)，使修形機構(gòu)后座發(fā)生軸向運動的同時帶動可變形支架發(fā)生徑向擴張;當(dāng)修形滾子與鼓包部位接觸后，修形機構(gòu)后座與絲杠軸段“鎖死”，處于動態(tài)擴徑平衡狀態(tài)，進而帶動整個修形機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)滾壓修復(fù)襯管鼓包部位，直至修形機構(gòu)后座到上極限位置，達到將襯管鼓包修復(fù)的目的。同時，當(dāng)襯管鼓包修復(fù)后，襯管鼓包大小及修復(fù)數(shù)據(jù)自動記錄到襯管鼓包修復(fù)信息數(shù)據(jù)庫，隨后修形裝置解鎖發(fā)生軸向收縮，修形機器人則繼續(xù)在襯管內(nèi)移動檢測完成既定任務(wù)。圖3所示為修形機器人總體結(jié)構(gòu)示意。

圖3 機器人總體結(jié)構(gòu)示意

2 各部件模塊設(shè)計

2.1 前導(dǎo)向機構(gòu)模塊

(1)自適應(yīng)管壁支撐機構(gòu)

機器人前導(dǎo)向機構(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)障礙并支撐機器人行走和導(dǎo)向的功能，因此采用彈簧自適應(yīng)機構(gòu)進行設(shè)計。在實際復(fù)合管管道內(nèi)修形機器人行走過程中，應(yīng)盡量降低底盤的高度，保證機器人質(zhì)心下降，以增加機器人工作的穩(wěn)定性。考慮管道尺寸以及結(jié)構(gòu)最簡，使用低副連桿機構(gòu)。這種接觸對連桿等部件沖擊力小，但承載能力強、加工容易，可以很方便地改變運動的行程。圖4所示支撐機構(gòu)運動簡圖，當(dāng)點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，將導(dǎo)致連桿與水平方向的夾角發(fā)生變化，進而改變的大小，最終使得彈簧產(chǎn)生軸向伸縮運動，以達到自動調(diào)節(jié)變徑的目的。圖5所示為支撐機構(gòu)模型。

圖4 支撐機構(gòu)運動簡圖

圖5 支撐機構(gòu)模型

根據(jù)圖4對彈簧自適應(yīng)機構(gòu)進行動力學(xué)分析，可計算出支撐桿滾輪對復(fù)合管襯管內(nèi)壁正壓力。

滾動產(chǎn)生摩擦力：

=

(1)

在直角坐標系下，自適應(yīng)機構(gòu)閉環(huán)矢量方程為

++=

(2)

把以上矢量方程按直角坐標系的和坐標軸進行分解，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)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中支撐角的變化量;、、分別為各桿的長度，mm。

運動機構(gòu)適應(yīng)管徑變化是一個非常緩慢的運動過程，自適應(yīng)機構(gòu)的力平衡方程為

(4)

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

=·(tancos+sin)

(5)

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

(2)鼓包檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

鼓包檢測系統(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算機終端組成，如圖6所示。襯里復(fù)合管修形機器人在管道內(nèi)行走時，實時采集機器人前方及襯管內(nèi)壁的圖像，經(jīng)圖像處理芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給計算機終端，計算機通過圖像對比分析對鼓包部位進行精準修復(fù)。圖7所示為鼓包檢測裝置模型。

圖6 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖7 檢測裝置模型

(3)導(dǎo)向機構(gòu)整體設(shè)計

根據(jù)管道機器人在復(fù)合管道內(nèi)行走和工作要求，前導(dǎo)向機構(gòu)主要包括6組彈簧自適應(yīng)支撐機構(gòu)和前置鼓包檢測裝置。如圖8所示的導(dǎo)向機構(gòu)三維模型，中間軸將前后支座連接，通過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；通過立柱和前支座將連桿靠轉(zhuǎn)動副連接，實現(xiàn)被動自適應(yīng)管徑變化；同時，6組支撐機構(gòu)均勻支撐在管壁，以保證整個機器裝置以正確穩(wěn)定的姿態(tài)撐附在管道內(nèi)，無論機器人行走還是?？慷伎梢允顾c管壁保持相對穩(wěn)定，進而為后續(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)向機構(gòu)三維模型

2.2 修形機構(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)計平行四邊形結(jié)構(gòu)，無論在伸縮還是在旋轉(zhuǎn)過程，修形滾子能保持正確的姿態(tài)接觸鼓包位置。同時，為減少修形滾子在修形過程中對襯管內(nèi)壁的磨損，在滾子內(nèi)部設(shè)計了一組軸承，使修形滾子能繞滾子軸轉(zhuǎn)動；為使前軸和后軸相對轉(zhuǎn)動而不直接從后軸輸入動力帶動修形機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，在軸中間利用軸承組合設(shè)置相對轉(zhuǎn)動；此外，在絲杠段通過雙螺母結(jié)構(gòu)可以改變后座軸向移動的2個極限位置A和B，使修形半徑在一個可控范圍內(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構(gòu)后座移動的極限位置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，針對不同管徑設(shè)置A和B的位置來改變的范圍，再由值確定其極限位置。

圖9 修形機構(gòu)簡圖

=cos+

(6)

=2cos

(7)

因此，由式(6)與式(7)可得：

(8)

其中:為修形高度，mm；為受力連桿長度，mm；為修形機構(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)合管襯管修形機器人對襯管鼓包等問題的修復(fù)，該機器人修形機構(gòu)特別設(shè)計為由可變形支架及修形滾子組成，可變形支架與修形機構(gòu)前后座相連接。圖10所示為修形機構(gòu)三維模型。修形機構(gòu)主要由修形機構(gòu)前軸、修形機構(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，通過萬向節(jié)聯(lián)軸器與前置導(dǎo)向機構(gòu)相連接。圖11所示為修形機構(gòu)局部剖視圖。

圖10 修形機構(gòu)三維模型

圖11 修形機構(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)合管襯管修形機器人在襯管內(nèi)移動及鼓包修復(fù)時有足夠的動力，將機器人動力裝置設(shè)置為主電機與步進電機兩部分，主電機主要為襯管修形機器人修形機構(gòu)提供足夠的的修形動力；步進電機為后三角履帶式支撐機構(gòu)提供動力。電源分別為前導(dǎo)向機構(gòu)系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)以及后行走系統(tǒng)提供能源；計算機終端通過無線控制單元實現(xiàn)對修形機器人運動狀態(tài)控制；通過整個控制系統(tǒng)將復(fù)合管道內(nèi)圖像鼓包位置信息實時記錄并傳輸;與此同時，中央控制單元讀取編碼器和各傳感器測得的數(shù)值，經(jīng)初步處理后傳送至計算機端，進行數(shù)據(jù)后處理。圖12所示為修形機器人控制系統(tǒng)框圖。

圖12 機器人控制系統(tǒng)框圖

2.4 行走機構(gòu)模塊

雙金屬襯里復(fù)合管修形機器人行走機構(gòu)主要起到帶動機器人移動、控制機器人運行速度及支撐機器人修形的作用。目前,管道修形機器人的行走機構(gòu)常見的有管道式、輪式、履帶式、腳式、支撐式、行走式、蠕動式、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，可知履帶式與管壁接觸面廣、摩擦面大、機器人自身的牽引力相對較大、越障能力相對較高。因此，綜合考慮修形機器對管道修復(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)向機構(gòu)彈性自適應(yīng)支撐，將整個機器人穩(wěn)定地支撐在管壁，通過后端履帶式行走機構(gòu)調(diào)節(jié)機器人行走速度。此外，該履帶式行走機構(gòu)采用可伸縮的絲杠結(jié)構(gòu)，可由一部步進電機結(jié)合齒輪組合，同時控制伸縮張開變換，達到同步控制的效果；也可以通過三部步進電機分別控制相對的履帶部位，對每個履帶的伸縮分別精準控制，以增強機器人越障和過彎能力。圖13所示為修形機器人履帶式行走機構(gòu)模型。

圖13 履帶式行走機構(gòu)模型

將上述四大模塊按總體設(shè)計框圖用聯(lián)軸器連接，以滿足修形機器人的完整性。前端采用萬向節(jié)聯(lián)軸器，可以提供機器人在管道內(nèi)的通過性；后面繞性聯(lián)軸器的連接可吸收一部分沖擊載荷，使機器人在修復(fù)鼓包工作時更加平穩(wěn)。機器人整體模型如圖14所示。

圖14 機器人整體模型

3 結(jié)論

本文作者針對復(fù)合管襯管鼓包修復(fù)，使用三維建模軟件設(shè)計了一種襯里復(fù)合管修形機器人。采用模塊化的設(shè)計理念，將機器人各個功能模塊獨立設(shè)計優(yōu)化，最后進行連接組裝，避免了各個功能模塊的運行干擾，同步協(xié)調(diào)以完成鼓包修復(fù)功能。該機器人可以順利通過有一定障礙的管道，萬向節(jié)的設(shè)計使它在彎管處的通過性能更佳；各個部件模塊化的設(shè)計使得未來在該機器人基礎(chǔ)上的設(shè)計優(yōu)化存在無限可能，可獨立設(shè)計其他功能模塊，并組合使用以完成更復(fù)雜的管道作業(yè)。研究結(jié)果為未來集管道檢測、修復(fù)以及清理同步進行的多功能管道機器人提供了參考。