儲油罐清理機器人移動方式的分析研究

馬金茹,王 旭

（1.北京電子科技職業學院；2.天津職業技術師范大學）

儲油罐清理機器人移動方式的分析研究

馬金茹1,王 旭2

（1.北京電子科技職業學院；2.天津職業技術師范大學）

石油化工是我國的支柱產業，油品儲存需要大量的儲油罐，每3~5年就需要清理一次。國內石化企業通常采用人工方式清理儲油罐，存在安全性差、施工周期長、效率低、污染環境等問題，利用機器人進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。根據實際調研本文從儲油罐清理機器人的整體設計角度出發，對其移動方式進行了分析，對其行走裝置結構進行了設計研究。

儲油罐；清理；機器人；行走

移動機構和驅動系統。兩者構成儲油罐清理機器人的本體。移動方式有車輪式、履帶式和足腳式(兩足或多足)等。

1 運動方式選擇原則

機器人的移動方式很多，有車輪式、履帶式、多足步行式和框架式等種類，通過比較分析，根據他們的優缺點選擇了儲油罐清理機器人的運動方式為履帶式移動。

由于工作過程中要推動粘結的油泥、淤渣等需要機器人提供很大的牽引力，此牽引力不僅取決于驅動動力，還取決于運行的地面情況和水射流的反作用力。所以設計時機器人驅動采用后輪驅動，保證機器人具有足夠的動力性，也可以是機器人前部具有足夠空間安裝清洗設備和推鏟。履帶采用阻燃和抗油泥腐蝕的橡膠材料，并且根據履帶地面力學設計漸變式履帶外形不僅提高機器人在油泥上的通過性，并且還能減少機器人轉彎時的能量損耗。同時履帶內側開有縱向導向槽，防止履帶在機器人運行過程中脫帶。綜合考慮各方面的特性，履帶式機器人既可以產生較大的吸附力，又具有較快的運動速度，且越障能力和負載能力較強、控制相對簡單，因此具有較突出的優點，是適合于油罐機器人要求的運動方式。

履帶式機器人的行走系統，亦稱機器人移動平臺，包括兩套驅動履帶行走的電機傳動及其控制系統、機架（或稱車體）和其它功能附件等。

根據本研究的實際工作條件，選擇履帶式結構行走系統，使用時用左右兩套電機驅動，比較簡單，越障能力取決于前導輪的高度，在條件允許的情況下可以調整。

2 機器人橡膠履帶結構

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。

橡膠履帶如圖1所示，由強力層、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膠、底膠、鋼絲簾線膠與緩沖層膠、布層膠、齒膠和輪側膠橡膠彈性體把其它部件緊密地結合為一個整體，提供行走能力及整體的緩沖、減震和降噪功能。

圖1 橡膠履帶的結構圖

橡膠履帶的寬度多為180～920mm，節距一般為72～109mm，節數多為29～74。

根據油品存儲罐機器人的規格查表選定(履帶寬×節數×節距)，227×56BX 50-020。

3 機器人履帶行走裝置結構參數計算及確定

（1）履帶條數N

確定儲油罐清理機器人是采用雙履帶還是多履帶的行走裝置，主要是根據初步估算的機器人本體的重量來確定，一般根據機器人本體重量按表1選擇履帶的條數N。

（2）履帶的寬度和接地長度

按重型機器的工作條件，確定土壤比壓值為[p]，根據履帶數和機器人工作重量，可計算履帶尺寸。

履帶總支承面積設為A則：

其中W為機體的重量。

如果假設選擇履帶數目為N，履帶長度為l，履帶的寬度為b，則根據下式確定每條履帶的總面積：

履帶的寬長比k，根據大量履帶行走裝置的參數，經統計得：

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

（3）履帶行走裝置的寬度

機器人的轉向所需的功率和轉向性能主要有履帶行走裝置的長寬比決定。實驗表明，如果機器人長寬比大于1.7，即使在最好的路面上行駛也不能轉向，除非外側履帶嚴重滑轉，但的值降到小于1，轉向就變的不穩定，只有在頻繁地使用轉向系統，才能達到要求。一般機器履帶行走裝置的長寬比值介于1.01～1.6之間。

（4）履帶板節距及各輪直徑的確定

根據大量履帶行走裝置結構參數的統計和計算，履帶行走裝置履帶節距及各輪直徑可由下面的統計公式近似確定：

其中：L為所需確定的尺寸，m

W為重型機器的重量，kN，c為回歸系數，根據表2選取。

（5）機器人履帶行走裝置結構參數確定

根據儲油罐清理機器人工作條件和技術指標， 確定機器人的履帶行走裝置結構參數：履帶條數為2條，履帶長不超過1.5m，履帶寬0.2m左右，履帶高0.3m左右。

（6）機器人履帶的優化要求

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

表1 履帶數目的選取

表2 回歸系數表

抗振性，消除振源是減輕振動和降低噪聲的最好辦法。橡膠履帶的振動性與其節距、轉輪數及其重心位置配置、膠料性能和花紋有關。設計時要對這些因素進行最佳匹配，且花紋塊節距小且低的效果較好。

耐久性，主要指表現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、動態疲勞性能、抗應力集中和耐老化性能，還需要與傳動件和保護層間有良好的粘合強度。對于某些特殊產品，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，取決于驅動轉輪直徑、轉輪的配置、橡膠履帶剛度、履帶突起的高度、接地的長度和履帶導向長度。脫輪一般情況下多發生在主動輪或張緊輪與轉輪之間，所以最好將該部分的長度減小到最小程度。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、以及節距與凸緣高度都對不脫輪性有十分重要的影響。

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

[1]孫運強.橡膠履帶底盤結構設計與實驗仿真研究[D].大慶:大慶石油學院, 2010.03-27

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

[3] 白琨.履帶式移動機器人越障能力的研究[D].呼和浩特:內蒙古工業大學,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，北京電子科技職業學院講師。研究方向：機電一體化技術。