王成軍 馬履中
1.安徽理工大學(xué),淮南,232001 2.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江,212013
鋼制管道,特別是鋼制埋地油氣管道的外防腐施工基本都依賴(lài)人工完成。鋼制埋地油氣管道外防腐施工用的機(jī)器人必須能夠沿管道軸線(xiàn)移動(dòng)并繞管道軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng);機(jī)器人要具有一定的爬坡能力、良好的越障和彎道通過(guò)性能,其周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必須具有良好的往復(fù)運(yùn)動(dòng)性能,以保證防腐施工的質(zhì)量,還應(yīng)具有徑向調(diào)節(jié)功能以適應(yīng)管徑變化。此外,還可以在機(jī)器人的通用機(jī)械接口上安裝不同執(zhí)行器,以完成不同的管道施工和維護(hù)任務(wù),實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能[1]。
現(xiàn)有的管道外防腐作業(yè)設(shè)備都只能在車(chē)間內(nèi)使用,作業(yè)時(shí)必須使管道旋轉(zhuǎn),而噴涂等執(zhí)行器只作沿管道軸線(xiàn)的移動(dòng)。文獻(xiàn)[2]介紹了一種可在車(chē)間內(nèi)使用的彎管外防腐涂裝機(jī),用于解決彎管機(jī)械化防腐涂裝的問(wèn)題;文獻(xiàn)[3]介紹了一種高效節(jié)能的球墨鑄鐵管外防腐生產(chǎn)線(xiàn)。這些設(shè)備的執(zhí)行器不能繞管道轉(zhuǎn)動(dòng)或者往復(fù)旋轉(zhuǎn),都不能滿(mǎn)足野外管道在線(xiàn)防腐施工的需要。
為此,本文提出了一種新的管外防腐機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案,該機(jī)器人主要由基于不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和兩鏈-輪式行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。本文對(duì)該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析。
管外防腐機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由行走機(jī)構(gòu)、周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行器等組成。機(jī)器人本體采用分體式結(jié)構(gòu),上下兩部分(分別稱(chēng)為管道機(jī)器人的上機(jī)體和下機(jī)體)通過(guò)快速操作手柄實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速安裝和拆卸。快速操作手柄采用偏心夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速夾緊。行走機(jī)構(gòu)主要由3組行走輪系(共6個(gè)行走輪)組成,3組輪系沿周向均布,其中位于上面的2組行走輪系為主動(dòng)輪系,前后行走輪之間通過(guò)鏈輪和鏈條傳遞動(dòng)力,構(gòu)成鏈-輪式雙驅(qū)動(dòng)輪系,而下面1組行走輪系為從動(dòng)輪系。主動(dòng)輪系主要由行走輪、U形支撐架、徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)架、鏈輪、鏈條和張緊輪組成,如圖2所示。徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能通過(guò)調(diào)節(jié)行走機(jī)構(gòu)U形支撐架的傾角來(lái)調(diào)節(jié)行走輪相對(duì)管道的距離,以適應(yīng)管徑的變化并使機(jī)器人具有一定的越障行走能力。張緊輪主要用于鏈條的張緊,徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和張緊輪調(diào)節(jié)桿上都安裝有彈簧,具有一定的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。管外防腐機(jī)器人的樣機(jī)如圖3所示。

圖1 管外防腐機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

圖2 管外防腐機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

圖3 管外防腐機(jī)器人樣機(jī)
周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由不完全鏈傳動(dòng)系統(tǒng)組成的往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu),噴槍或其他執(zhí)行器沿圓周均布并固定在3號(hào)鏈輪上。在由多排鏈條構(gòu)成的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中,不完全鏈條內(nèi)有某一排或幾排鏈條的長(zhǎng)度比完整鏈環(huán)的長(zhǎng)度短,從而使部分鏈段的排數(shù)小于總排數(shù)。不完全鏈條由工作排和支撐排組成,工作排的鏈節(jié)數(shù)總小于總的鏈節(jié)數(shù)。工作排根據(jù)工作需要采用不同的鏈節(jié)數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng),支撐排起固定、連接和支撐工作排的作用,工作排也可以傳遞運(yùn)動(dòng)。如果使用不完全鏈條構(gòu)成鏈傳動(dòng)系統(tǒng),則支撐排必須是一個(gè)封閉的鏈環(huán),而工作排為不封閉的鏈排。本設(shè)計(jì)中使用的不完整鏈為3排不完全鏈,如圖4a所示。
圖4a為不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的鏈輪布置圖(不含3號(hào)鏈輪),圖4a就是圖1a的A-A向視圖。圖4b所示為1號(hào)、2號(hào)與3號(hào)鏈輪之間的徑向位置關(guān)系。不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由1個(gè)三聯(lián)小鏈輪9、1個(gè)雙聯(lián)小鏈輪11、1個(gè)單聯(lián)小鏈輪12、1對(duì)單聯(lián)小鏈輪15和16、1個(gè)雙聯(lián)大鏈輪5、一對(duì)外嚙合的齒輪13和14、2根鏈條組成。其中,1號(hào)小鏈輪9為主動(dòng)鏈輪,輸入動(dòng)力;2號(hào)小鏈輪不與軸固連;4號(hào)小鏈輪12與齒輪13同軸傳動(dòng)。鏈條有2根,1根為單排鏈條,1根為不完全鏈條10,該不完全鏈條由單排、雙排和三排鏈條拼裝而成。掛在5號(hào)鏈輪15和6號(hào)鏈輪16上的單排鏈以及不完全鏈條10的外側(cè)工作鏈排10a分別和3號(hào)鏈輪5的兩排鏈齒(圖1中的5a和5b)嚙合,傳遞運(yùn)動(dòng)。電機(jī)18為周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力,電機(jī)始終按一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)輸入的單方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)?號(hào)大鏈輪5(圖1)的環(huán)繞管道軸線(xiàn)的周向往復(fù)運(yùn)動(dòng),3號(hào)大鏈輪5通過(guò)機(jī)器人通用接口將運(yùn)動(dòng)傳遞給噴槍等執(zhí)行器,最終實(shí)現(xiàn)噴槍等執(zhí)行器的周向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)即為一種實(shí)現(xiàn)將單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹芟蛲鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖4 不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
管外防腐機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)利用周向均布的3組車(chē)輪壓緊管道,并利用車(chē)輪與管道之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走,能實(shí)現(xiàn)在水平和傾斜的管道上行走。行走機(jī)構(gòu)由3組如圖1所示的行走單元組成,如采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,則其中2組行走單元為驅(qū)動(dòng)單元,1組行走單元為隨動(dòng)支撐單元。每組行走單元都由行走輪、U形支撐架、徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、張緊彈簧和連接機(jī)架組成,徑向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)徑向尺寸以適應(yīng)不同直徑的管道,張緊彈簧用于機(jī)器人在越障和轉(zhuǎn)彎時(shí)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)以及用來(lái)調(diào)整行走輪與管道之間的壓緊力。驅(qū)動(dòng)單元和隨動(dòng)單元的區(qū)別在于前者在一個(gè)行走輪上裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和諧波減速器組件。3組單元的前后行走輪分別沿圓周方向均布安裝,各行走單元通過(guò)連接機(jī)架和機(jī)器人本體機(jī)架連接。機(jī)器人本體機(jī)架采用2個(gè)半圓管形鑄件通過(guò)耳板拼接成整圓結(jié)構(gòu),本體機(jī)架分兩部分分別與行走單元相連,本體機(jī)架的兩部分可以通過(guò)定位銷(xiāo)軸和快速操作手柄實(shí)現(xiàn)快速安裝與拆卸[1]。
機(jī)器人的行走輪采用鋼圈加橡膠結(jié)構(gòu),不是剛性輪,具有一定的彈性,在管道上行走時(shí),各種受力狀態(tài)下其半徑略有差異。行走輪的工作半徑rk是指行走輪彈性變形后的車(chē)輪中心到管道接觸表面的距離,它與行走輪外圈橡膠層的彈性度、管道狀況(平整度、焊縫情況等)和行走輪上的載荷(加載彈簧的壓緊力)有關(guān)。行走輪的工作半徑可以直接測(cè)得,也可以參照如下計(jì)算公式來(lái)近似計(jì)算:

式中,d為輪輞直徑,mm;b為輪緣寬度,mm;λ為行走輪徑向變形系數(shù)。
對(duì)充氣足的輪胎式行走輪,λ可取0.10~0.16;對(duì)鋼質(zhì)輪轂橡膠外圈行走輪,λ<0.10。
根據(jù)行走輪相對(duì)管道有無(wú)滑動(dòng),可以分為純滾動(dòng)、帶滑移滾動(dòng)和帶滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)3種形式。如果既無(wú)滑移也無(wú)滑轉(zhuǎn),則行走輪作純滾動(dòng),此時(shí)行走輪上P點(diǎn)速度為0,行走輪的線(xiàn)速度為

其中,ω為行走輪角速度,此時(shí)P點(diǎn)為速度瞬心,如圖5a所示。
當(dāng)機(jī)器人在陡坡上爬坡行走時(shí),如果阻力過(guò)大,機(jī)器人行走輪可能在滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑移。此時(shí)行走輪的線(xiàn)速度為

其中,vG為機(jī)器人行走輪在管道上的滑移速度,此時(shí)瞬心移到P′點(diǎn),相當(dāng)于行走輪以工作半徑rk=OP′作純滾動(dòng),如圖5b所示。
如果行走輪在滾動(dòng)中還帶有滑轉(zhuǎn),設(shè)此時(shí)由滑轉(zhuǎn)引起的行走輪本身相對(duì)前進(jìn)方向的滑移速度為vR,則此時(shí)行走輪的線(xiàn)速度為

此時(shí)瞬心移到P″點(diǎn),相當(dāng)于行走輪以工作半徑rk=OP作純滾動(dòng),如圖5c所示。

圖5 行走輪在管道外壁上的滾動(dòng)情況
設(shè)Q為行走輪外圓上任意一點(diǎn),如圖6所示,則Q點(diǎn)的速度由車(chē)輪本身的平移速度向量vP和因繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的速度向量vO兩部分組成,其絕對(duì)速度向量即為vP與vO的向量和,絕對(duì)速度的大小為

其中,vO=ωr,車(chē)輪平移速度vP根據(jù)是否有滑移(轉(zhuǎn))情況取前述對(duì)應(yīng)的數(shù)值,若視行走輪為剛性輪,vP=vO=ωr,r=r k,則有


圖6 行走輪上任意一點(diǎn)的速度
vO的方向垂直于Q點(diǎn)與瞬心P(或者P′、P″)的連線(xiàn),本公式適用于行走輪外圓上任意一點(diǎn),且隨夾角θ值不同而有不同的絕對(duì)速度。
當(dāng)半徑為r的行走輪以工作半徑r k在管道外壁上滾動(dòng)時(shí),設(shè)行走輪與管道相切于任意一點(diǎn)P,當(dāng)行走輪轉(zhuǎn)過(guò)θ角度時(shí)P點(diǎn)移動(dòng)到P′點(diǎn),如圖7所示,則行走輪外圓上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程為

在此方程考慮了行走輪的彈性變形和滑移等因素,比較接近機(jī)器人的實(shí)際行走工況。

圖7 行走輪上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌
管外防腐機(jī)器人在管道外行走時(shí)的平面受力分析如圖8所示。圖8中,F t為驅(qū)動(dòng)力,F f為滾動(dòng)阻力,Fd為拖拽阻力,i為坡度,Fi為坡度阻力,Fz為管道對(duì)行走輪的有效法向反力,G為重力,v為行走速度,Fzj(j=1,2,3)為管道對(duì)各行走輪的法向反力,α坡度角。

圖8 管外防腐機(jī)器人行走平面受力分析圖
機(jī)器人在水平管道上沿管道軸線(xiàn)行走時(shí),必須克服由管道外表面與行走輪相互作用而產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力F f、坡度產(chǎn)生的坡度阻力F i、慣性阻力、機(jī)器人本體與空氣相互作用而產(chǎn)生的空氣阻力以及來(lái)自附件的拖拽阻力Fd。由于機(jī)器人行走速度比較低且機(jī)器人本體質(zhì)量較小,空氣阻力和機(jī)器人本身的慣性力(加速阻力)都比較小,可以忽略不計(jì)。因此,機(jī)器人行走時(shí)的總阻力為

圖8中,行走輪上承受的載荷與F z大小相等,方向相反,記為W。滾動(dòng)阻力的大小用滾動(dòng)阻力因數(shù)f來(lái)衡量,而行走輪的滾動(dòng)阻力等于行走輪徑向載荷與滾動(dòng)阻力因數(shù)的乘積,即有

滾動(dòng)阻力因數(shù) f包括了橡膠輪變形、管道外表面狀況條件以及管道外表面和行走輪接觸面上滾動(dòng)摩擦損失等的影響,是一個(gè)綜合性因數(shù)[5-6]。其大小可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得,它與管道表面狀況、行走輪結(jié)構(gòu)、材料等有關(guān)。實(shí)驗(yàn)初步測(cè)定的結(jié)果表明 f在0.015~0.025之間取值。
圖9為驅(qū)動(dòng)輪在管道外勻速直線(xiàn)行走時(shí)的受力圖,圖9中Fx2是由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T t所引起的管道外表面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的切向反作用力。Fp2為驅(qū)動(dòng)軸對(duì)行走輪的作用力。法向作用力F z受橡膠輪的遲滯而使其作用點(diǎn)前移距離l,從而使驅(qū)動(dòng)輪上也作用有一個(gè)滾動(dòng)力偶矩 T f。根據(jù)平衡條件得


圖9 行走輪在管道外滾動(dòng)受力圖
由式(10)知,真正作用在驅(qū)動(dòng)輪上并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的力為管道外表面對(duì)行走輪的切向反作用力Fx2,其數(shù)值為驅(qū)動(dòng)力Ft與驅(qū)動(dòng)輪上的滾動(dòng)阻力F f之差。
坡度阻力與機(jī)器人重力G和管道的坡度角有關(guān),Fi=G sinα,當(dāng) α<15°時(shí)可取Fi=Gi。機(jī)器人在管道上的爬坡能力是指機(jī)器人在帶負(fù)載時(shí)在管道上勻速行走能爬過(guò)的最大坡度。此時(shí),機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力除克服滾動(dòng)阻力和附件拖拽阻力外的剩余驅(qū)動(dòng)力全部用來(lái)克服坡度阻力,所以,加速度為零。機(jī)器人的行走受力方程為

其中,Fh為機(jī)器人行走輪上彈簧有效壓緊力。機(jī)器人爬坡能力用公式表示為

機(jī)器人在勻速行走時(shí),其驅(qū)動(dòng)力和各阻力必須滿(mǎn)足機(jī)器人行走受力方程。機(jī)器人在加速行走時(shí),機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力必須大于所有阻力之和,后備驅(qū)動(dòng)力大于零,才可用于克服加速阻力使機(jī)器人加速行走;當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于總阻力時(shí)機(jī)器人則會(huì)減速行走直到停止。所以,機(jī)器人能夠在管道外行走的驅(qū)動(dòng)條件(必要條件)為

事實(shí)上,機(jī)器人行走除了受驅(qū)動(dòng)條件制約外,還受行走輪與管道外表面間附著條件的制約。在行走輪未承受側(cè)向力的條件下,行走輪與管道外表面在接觸面上無(wú)相對(duì)位移時(shí),管道外表面對(duì)橡膠輪圈的切向反作用力的極限值稱(chēng)為附著力Fφ,它與驅(qū)動(dòng)輪的法向反作用力Fz成正比,可表示為Fφ=φF z,其中φ稱(chēng)為縱向附著系數(shù),它由橡膠輪圈、管道外表面狀況和使用條件決定。很顯然管道外表面的切向反作用力不能大于附著力,否則驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)發(fā)生打滑。可用下面的公式表示機(jī)器人行走的驅(qū)動(dòng)與附著條件:

機(jī)器人在正常工作時(shí),對(duì)稱(chēng)布置的4把噴槍隨著大鏈輪繞管道軸線(xiàn)往復(fù)擺動(dòng),分別在管道的外表面留下4條“弓”形涂層軌跡,為了使涂層厚度盡可能均勻,即每道涂層之間以及4把噴槍的噴幅交界處有一定量的搭接,如圖10所示。

圖10 單把噴槍一周期噴涂范圍展開(kāi)圖
噴槍任意時(shí)刻噴涂在管道表面上的噴涂范圍曲線(xiàn)是一條由所噴涂的涂料所形成的圓錐與管道圓柱表面相貫形成的空間曲線(xiàn),這條曲線(xiàn)在圓錐軸線(xiàn)方向的投影為一個(gè)橢圓。橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度分別設(shè)為a與b。再設(shè)噴槍的噴嘴距管道外表面的距離為h,散角為δ,設(shè)管道外徑為D,則噴涂在管道外表面的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度分別為[5]

由于噴涂機(jī)器人在管道外噴涂施工作業(yè)時(shí)的噴槍移動(dòng)速度是由周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)決定的,故噴槍運(yùn)動(dòng)速度是由周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器和不完全鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)決定的。噴槍周向移動(dòng)速度v可以通過(guò)以下公式得到:

式中,n1為周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;i0為減速器的減速比;i13為大鏈圈與小鏈輪的傳動(dòng)比。
機(jī)器人在作防腐噴涂時(shí),噴槍對(duì)管道外表面的噴涂必須連續(xù),這就要求噴槍每一次擺動(dòng)與上次擺動(dòng)所掃過(guò)的區(qū)域之間不能有空隙。根據(jù)這個(gè)要求,設(shè)噴槍沿管道軸線(xiàn)運(yùn)行周期為 T s(不包括間歇等待時(shí)間),行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n2。則每把噴槍在管道外作周向往復(fù)擺動(dòng)噴涂時(shí)擺動(dòng)的角度和沿管道軸線(xiàn)作直線(xiàn)段噴涂所需時(shí)間應(yīng)滿(mǎn)足下面的連續(xù)噴涂的條件:

其中,r為行走輪半徑。將a、b代入式(18),得

因此,可以得到滿(mǎn)足噴涂連續(xù)的條件時(shí),行走電機(jī)轉(zhuǎn)速n2、直線(xiàn)連續(xù)行走時(shí)間 Ts、噴涂距離h、噴嘴的噴射散角δ之間的關(guān)系。可以根據(jù)這些關(guān)系以及周向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)的參數(shù)選擇電機(jī)或確定其他參數(shù),從而滿(mǎn)足連續(xù)噴涂的條件。
另外,風(fēng)會(huì)影響野外施工的噴涂作業(yè),為了避免受風(fēng)的影響并減少涂料浪費(fèi),保護(hù)環(huán)境,需要在噴槍的四周設(shè)置防風(fēng)罩,防風(fēng)罩內(nèi)安裝涂料回收裝置。
根據(jù)以上對(duì)管外防腐機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)附著條件的分析可知,管外防腐機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)必須滿(mǎn)足機(jī)器人的行走受力方程和機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)附著條件公式,才能保證機(jī)器人在管道外安全行走,并有足夠的驅(qū)動(dòng)和越障能力。
[1] 王成軍.管外自動(dòng)噴涂機(jī)器人的研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2007.
[2] 陳炯.彎管外防腐涂裝機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)[J].全面腐蝕控制,2003,17(3):21-23.
[3] 馮永成,謝擁軍,崔勝凱,等.高效節(jié)能的球墨鑄鐵管外防腐生產(chǎn)線(xiàn)[J].山東機(jī)械,2003(4):55-58.
[4] 馬榮朝,秦嵐,潘英俊.微小管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2002,25(7):26-29.
[5] 晏克非.汽車(chē)行駛基本理論與性能[M].北京:人民交通出版社,1997.
[6] 張樹(shù)強(qiáng).汽車(chē)?yán)碚揫M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2000.