孫樂辰 萬菁菁 杜天昊 楊峰



摘要:為了對常用型號的輸油管道進行快速、準確的檢測,設計了一種能夠自主獨立運行、搭載檢測設備、保證較大范圍的變徑、適應較小直徑管道的內檢測機器人。該機器人可憑借自身動力在管道中行進,同時還可以利用超聲波探傷,對管壁上包含腐蝕、裂口、錯位及障礙物等多種缺陷進行探測并記錄缺陷所在位置。該管道機器人采用有源驅動模塊,可在輸油管道內獨立運行,額定運動速度為5cm/s,最大測試距離為1km,最小過彎半徑為813mm,驅動模塊使用了同步帶,大大增強了越障能力及運動的穩定性;其中的升降式變徑機構的變徑范圍可以達到114~325mm;其探頭理想探測范圍占管道內壁面積的84%。該項設計可為石油運輸管道缺陷的檢測提供參考。
關鍵詞:管道機器人;超聲波檢測;輸油管道;運動特性;COMSOL 仿真
中圖分類號:TE832 文獻標識碼:A DOI:10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2022.12.018
Structural Design and Simulation of Inspection Robot in Oil Pipeline
Sun Lechen' Wan Jingjing' Du Tianhao' Yang Feng
(1.School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong Unitersity;2.Dongxin Oil Production Plant of Shengli Oilfield Company,Sinopec)
Abstract: In order to inspect the oil pipelines quickly and accurately, an internal inspection robot was de- signed,which can run independently, cary inspection equipment, ensure a wide range of diameter change and a- dapt to smaller diameter pipelines. The robot can travel in the pipeline by its own power, and at the same time,it can use ultrasonic flaw detection to detect various defectson the pipeline wall such as corrosion, cracks,disloca- tion and obstacles,and record the locations of the defects. With an active driving module, the pipeline robot can run independently in the oil pipeline. Its rated moving speed is 5 cm/s, the maximum test distance is 1 km,and the minimum cornering radius is 813 mm. The driving module uses a synchronous belt, which greatly improves its obstacle-surmounting ability and the stability of movement. The variable diameter of the lifting variable diameter mechanism ranges from 114 mm to 325 mim and the ideal detection range of the pipeline robot probe occupies 84% of the inner wall area of the pipeline. This design provide a reference for the defect inspection of oil pipelines.
Keywords: pipeline robot; ultrasonic inspection; oil pipeline; motion characteristics;COMSOL simulation
0引言
服役于石油運輸的管道長期處于水、油及其混合物以及硫化氫等環境中,極易發生電化學腐蝕。同時,隨著輸油管道服役年限的延長,裂紋、錯位等缺陷也會產生。為了避免管道事故的發生,必須對其定期進行檢測[1—2]。目前國內大型油田的例行檢測都采用外檢測法對管道接口處的焊縫進行檢測。因為輸油管道一般埋于地下,檢測成本和維修成本均很高。相較于大型的油氣管道,小直徑的輸油管道檢測難度更大。為了對常用型號的輸油管道進行快速、準確的檢測,設計一種能夠在管道中自主運行、適應復雜環境、搭載檢測設備并適用于各型號輸油管道的檢測機器人具有重要意義。
目前國內外對于金屬管道常用的檢測方法主要包括:超聲波檢測技術、漏磁檢測技術、X射線檢測技術及視頻圖像檢測技術等。超聲波檢測技術具有對管道性能無影響、受外干擾程度小、檢測準確、設備輕便以及檢測效率高等優點,將作為本設計的檢測方式。現有石油管道機器人主要驅動方式包括被動式和主動式,其中被動式機器人依靠管道中石油的流動被動運動。北京航空航天大學的張逍設計了一種由萬向輪連接具有高自由度的管道檢測機器人,但這種機器人的結構冗雜度高且被動驅動的方式穩定性較差。主動式管道機器人有較多的結構,其中包括輪式、履帶式及蠕動式等。其中輪式的結構靈活方便,但和管壁摩擦較小,在油氣管道中難以適應環境。較為經典的輪式結構機器人有張永順等研究的直進輪式全主動管內移動機器人。相對于輪式,蠕動式機器人應用更加廣泛,其通過交替重復的收縮和伸長方式向前行進,越障性能優越,但能量損失大且牽引力小,例如德國的B.KLAASSEN等5]研制的采用電動機驅動6單元體的蠕動式管道機器人。履帶式結構的機器人牽引力大、越障能力強,但結構復雜。筆者采用主動驅動的同步輪帶式結構,集成了履帶式和輪式的優點,其結構簡單且牽引力較強。同時基于超聲波檢測技術,設計一種能夠自主獨立運行,搭載檢測設備,保證較大范圍變徑及適應較小直徑管道的內檢測機器人。
1 輸油管道超聲波檢測原理
超聲波是一種頻率大于20kHz的彈性機械波,其檢測方法有很多,應用最廣泛的是A型脈沖反射法。A型顯示是用點掃描方法分析系列波信號的幅值與時間的關系,并顯示在直角坐標系中。脈沖反射法中超聲波發射后,其經過不同介質所形成的界面時會發生反射。本文的超聲檢測模塊利用了A型脈沖反射法[6],圖1為超聲波檢測原理圖。其中T代表發射脈沖信號,F代表缺陷回波信號,B代表底面回波。當探頭發射脈沖信號,超聲波經過聲耦合介質進入管道中,若無內部裂紋缺陷,超聲波會直接到達材料底面,并反射回到探頭接收器中(見圖1a);若存在內部裂紋,則有部分超聲波能量在缺陷處反射,提前回到探頭中(見圖1b);若存在腐蝕缺陷,腐蝕將導致待測件的厚度減小,使超聲波在材料中的反射距離變短,從而導致T信號與B信號從發射至返回時間間隔變短(見圖1c)[7]。
2機器人整體結構設計
2.1 設計要求
我國輸油管道常用規格(外徑×壁厚)為:DN100 ( 114 mm×7 mm)、DN150 ( 159 mm×9 mm) 、DN200(219 mmx9 mm)、DN250 (279 mmx9 mm)、 DN300(325mmx10mm)。設計機器人可憑借自身動力在管道中行進,同時利用超聲波探傷對管壁上的腐蝕、裂口、錯位、障礙物等多種缺陷進行探測并記錄缺陷位置。設計包含以下模塊:驅動模塊、變徑模塊、超聲波檢測與定位模塊。設計流程見圖2。
2.2 整體結構組成說明
機器人結構主要包括驅動模塊、變徑模塊、超聲波檢測模塊和定位模塊。其中驅動模塊使用同步帶和同步帶輪提升了機器人運動時的穩定性和越障能力;變徑模塊使用了基于滾珠絲桿的升降式變徑機構,其結構簡單易于控制且調節范圍大,能使機器人適應不同管徑的石油管道;超聲波探測模塊使用了一種原創的雙彈簧伸縮、噴探一體式的超聲波探頭,能一定程度上實現全自動化的管壁缺陷探測;定位模塊則采用計數齒輪和計時器2種方式同時計數,規避了GPS等坐標系統定位方式可能會出現的信號和精度問題。整機結構如圖3所示。
2.3 驅動模塊
管道機器人的主要運動方式包含蠕動式、蛇形、多足式、輪式、履帶式及螺旋前進式等[2—8]。其中輪式又包括支撐輪式與車型式。而蠕動式、蛇形、多足式運動方式具有運動效率低、行走不連續、穩定性較差且運動自由度較為冗雜等缺點,不適用于執行輸油管道內連續進行的檢測任務。因此,本文將重點對比輪式、履帶式以及螺旋前進式在攜帶檢測儀器、結構與越障方面的性能。
輪式、履帶式及螺旋前進式3種類型驅動機構都具有較強的驅動能力并且都便于攜帶檢測儀器。但是對于運動效率而言,螺旋式的性能與另外2種相比明顯不足。在結構方面支撐輪式最為簡單,其次是螺旋式,履帶式結構較為復雜。對于需要在管道探測中重點考慮的越障和彎道通過性能,螺旋驅動式對比另外2種都有明顯不足。履帶式在越障性能上優于支撐輪式,但在彎道通過性上稍有不足。
綜合對比3種驅動機構的優缺點,結合設計要求中管徑以及行走距離較長和需要搭載檢測裝置的要求,選擇對輪式和履帶式進行改進以作為驅動方式。由于支撐輪式結構在越障性能上有所欠缺,所以,使用同步帶與同步帶輪來增強驅動結構的越障能力。同步帶傳動綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優點,具有傳動準確、工作時無滑動、傳動平穩的特性,而且具有緩沖和減振能力,噪聲低,傳動效率高,節能優勢顯著。轉動時,通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。同步帶傳動傳輸具有準確的傳動比,無滑差,可獲得恒定的速比,傳動平穩,能吸振,傳動比范圍大,一般可達1:10。
由于管道尺寸限制,拖拽電纜的驅動模塊所受阻力會大大增加,進而影響檢測性能,所以采用6V直流電源驅動電機來為機器人行進提供驅動力。為了盡可能地節約空間,將驅動電機集成在驅動模塊殼體內部,通過一對錐齒輪進行轉動方向的轉換。有源驅動電機采用低壓無刷直流伺服電機,該類驅動電機具有質量輕、體積小、牽引力大等優點。該電機還配備有編碼器等,既便于對其進行控制,又便于后續定位裝置的設計。為確保速度符合要求,電機前端使用180行星齒輪箱進行減速,減速比為370。電機具體參數為:額定電壓6V,額定轉速16r/min,額定力矩15N·cm,質量0.069kg,箱體長度29.9cm。驅動模塊結構如圖4所示。
驅動模塊的基本參數如表1所示。為了更好適應DN100和DN150這2種較小管徑輸油管道,驅動模塊設計為可拆卸裝置,所使用的同步帶輪半徑和驅動模塊密封箱截面面積可減小至通用尺寸
為防止整個裝置動力不足并解決支撐的問題,一共采用了3組驅動模塊。每1個驅動模塊包含2組同步帶與帶輪。為確保摩擦力足夠大,同步帶以鋼絲繩為強力層,外覆以聚氨酯橡膠的環形帶,通過活動支架配合變徑用滑塊滑軌將整個驅動模塊垂直壓在管壁上,使其可以與管壁完全相切。管道檢測機器人整體截面如圖5所示。
2.4 變徑模塊
針對需要保證機器人能夠適用于不同規格輸油管道的設計要求,能夠實現大幅度變徑的結構是必不可少的重要機構。設計變徑機構的目的是在管道內徑發生變化時,它能主動或者被動調節管道機器人驅動模塊的位置并使其能夠保持與管壁的接觸,從而保證機器人在管道中的正常行進。
一般來說,變徑機構主要分為主動變徑機構和被動變徑機構。被動變徑模塊可由彈簧等實現,主要功能是緩沖和微調等。主動變徑模塊有升降式、蝸輪蝸桿式以及絲杠螺母式變徑機構[2—9]。考慮到渦輪蝸桿式變徑機構剛度較低,傳動效率低,同時絲桿螺母式變徑機構可調范圍比較小,最終選用基于升降式變徑機構配合活動支架與滑塊滑軌來進行變徑。
變徑模塊結構如圖6所示。伺服電機會帶動絲桿旋轉,從而推動升降平臺向左運動。升降平臺與固定平臺通過活動支架與裝在驅動模塊上的滑軌固定端以及滑軌移動端相連。當活動平臺向左運動時,由于活動支架對力的傳遞,移動滑塊會向左移動,兩活動支架間夾角θ減小,滑塊固定端到絲桿的垂直距離d增大,從而實現周向尺寸的改變。同時,在驅動模塊上安裝有力傳感器,對伺服電機進行負反饋控制。設置最小壓力值N,當壓力值N≥N...時,力傳感器輸出高電平信號,即
式中:A1、A2、A3分別為3個驅動模塊上力傳感器輸出的電平信號。此時,伺服電機停止工作,變徑過程完成。
同時為了保證機器與管壁貼合的緊密性,在力傳感器中增加一個最大壓力值Nmm。當某一個壓力大于N...且仍有力傳感器未達到最小壓力值Nm時,表明此時變徑機構未能準確貼合管壁,需要人工調整角度再次進行變徑。
變徑模塊使用扭矩數字電機,額定電壓為4.8V,額定轉速0.14r/min,額定轉矩109N·cm,質量為0.0695kg。變徑模塊關鍵參數如表2所示。
2.5 超聲波檢測模塊
超聲波檢測分為靜態超聲波檢測和動態超聲波檢測。考慮到管道機器人負載的限制,對探頭數量要有所限制。為了保證管道檢測的全面性,采用動態超聲波檢測方法。管道機器人的超聲波檢測模塊共有3個超聲波探頭,沿機器人的周向均布。當機器人運動時,3個探頭在步進電機驅動下旋轉。
利用超聲波探頭檢測時,需要保證探頭能夠緊貼管壁,同時需要探頭與被測管壁之間沒有空隙[10],因此耦合劑噴頭與變徑裝置的設計十分關鍵。由于3個超聲波探頭須要同時實現變徑,所以設計了利用1個大直徑錐齒輪帶動3個小直徑錐齒輪運動的探頭伸縮裝置,如圖7所示。當下方步進電機驅動大直徑錐齒輪逆時針轉動時,與其嚙合的3個小錐齒輪都會沿順時針方向同步轉動,驅動絲桿旋轉,從而帶動2件升降桿向外頂出,保證探頭能夠與管壁貼合。
若探頭與管壁不能完全接觸(即存在空氣),則會大大影響檢測的精度。單個超聲探頭截面如圖8所示。從圖8可以看出,大彈簧連接耦合劑噴頭,大彈簧內部的小彈簧連接超聲波探頭。當滾珠絲桿轉動帶動升降桿伸長時,耦合劑噴頭先接觸管壁,此時大、小彈簧同時開始被壓縮,當壓縮量均為ΔL1時,大彈簧壓阻式力傳感器設置最小壓縮力,則有:
耦合劑噴頭開始噴出耦合劑。耦合劑噴孔均勻分布在耦合劑噴頭內壁上,從而保證探頭與管壁間不存在空氣并提升耦合劑的利用率。當壓縮量均為ΔL2時,大彈簧壓阻式力傳感器設置最大壓縮力:
式中:N為大彈簧壓阻式力傳感器設置最小壓縮力,N;K1為大彈簧勁度系數,N/mm;ΔL1為耦合劑噴頭啟動時所需的彈簧壓縮量,mm;NLn為大彈簧壓阻式力傳感器設置最大壓縮力,N;ΔL2為耦合劑噴頭停止時所需的彈簧壓縮量,mm。
耦合劑噴頭停止工作。當超聲波探頭能檢測并反饋數據后,導出此時壓阻式力傳感器上測出的壓縮力N,可以通過該數據獲得管道的精確內徑。
由于3個探頭檢測范圍有限,在底部殼體上添加步進電機能夠驅動探頭在rad的范圍內順、逆時針運動,從而擴大可檢測的范圍。
2.6 定位模塊設計
當探測出油管中缺陷時,需要進行定位。輸油管道一般埋于地下并且為金屬材質,利用GPS定位會出現信號不穩定、定位精度較差的問題[3]。為了能夠對缺陷位置進行準確定位,同時采用2種較為常見的定位方式。
第1種為里程輪計數法。假設檢測到缺陷m時計數齒輪轉動次數為n,則該機器人此時運動里程計算式為:
式中:X.為利用里程輪計數法測得缺陷m時的運動里程,cm;R為同步帶輪半徑,cm;n為檢測到缺陷m時計數齒輪轉動次數。
由于機器人在石油管道中可能發生打滑現象,實際運動里程X 可能小于測得缺陷m時里程XIm°
第2種方式通過時間進行定位。機器人配備速度傳感器,相關計算式為:
式中:v為機器人額定運動速度,cm/s;ω為同步帶輪轉動角速度,rad/s。
當機器人運動到達額定速度v并保持勻速運動時,計時器開始計時,當速度變化超過極限值(該數值應在樣機多次試驗基礎上分析數據給出)時,計時器停止計時直至速度恢復到允許區間。假設檢測到缺陷m所用時間為t,則可近似得到此時運動里程計算式為:
式中:X2m為利用時間定位法測得缺陷m時的運動里程,cm;t為檢測到缺陷m時所用時間,s。
由于加速階段與遇到障礙等時間不計,實際位置X.可能大于X2m。
根據2種定位測量方式,可采用加權平均的方式得出較為準確的數據,即
式中:參數a和b為通過試驗測量的權重常數,無量綱。
3 機器人關鍵參數計算
3.1 變徑模塊關鍵參數
圖9為單變徑模塊關鍵幾何參數示意圖。其中:l為活動支架連桿的長度;h,為升降平臺初始位置距固定平臺的距離;d表示升降平臺移動的距離,為絲桿中軸線和滑塊移動端的距離;α為單根活動支架與管道軸線的夾角,并隨著d的變化而變化。
通過幾何關系的分析,首先可以得到α和d的關系式:
因為滾珠絲桿連接的升降平臺進行勻速升降運動,故可以得到:
結合式(8)、式(9),得出活動支架的角速率和變徑速率分別為:
式中:ω為活動支架的角速率,rad/s;v為活動支架的變徑速率,mm/s;v為升降平臺運動的速度,mm/s;t為升降平臺運動的時間,s。
已知升降平臺的運動速度v和滾珠絲桿的導程S1,可以得到控制絲桿的伺服電機轉速n1;若伺服電機的功率恒定為P,則同時可得其扭矩T:
式中:n1為電機轉速,r/min;S,為滾珠絲桿導程,mm;P為伺服電機功率,W;T為電機扭矩,N·m。
3.2 超聲波檢測探頭模塊關鍵參數
圖10為超聲波檢測模塊中圓錐齒輪的結構示意圖。兩輪的傳動比和角速度與齒輪本體幾何尺寸參數的關系為:
式中:i12為傳動比;ω、ω2為控制大、小錐齒輪的伺服電機的角速度,rad/s;d1、d2為大、小錐齒輪分度圓直徑,mm;δ1、δ2為大、小錐齒輪分度圓錐角,(°)。
由式(14)可得:
已知小錐齒輪連接的絲桿的導程為S2,可以推導出超聲波探頭的運動速度v2計算式為:
3.3 機器人最小過彎半徑
通過機器人的總長度和寬度可以計算出其最小可通過彎道的曲率半徑。圖11為機器人通過彎道時的輪廓和幾何參數示意圖。其中:L為機器人的長度;h為機器人的直徑;R。和r。分別為管道外側和內側對應的曲率半徑。已知管道的直徑為D,可以得到下列關系式:
由圖11與式(18)可以得到以下方程:
式中:L為機器人的長度,mm。
最終求得最小可過彎的管道外側曲率半徑為:
式中:h為機器人的直徑,mm。
在Solidworks模型的設計參數中,機器人最大直徑hmm≈318mm,最小直徑h.≈110mm,L≈ 213mm,可適應的管道直徑D的范圍為114~325mm。分別將最大管道直徑和最小管道直徑代入式(20)可以得到:R0≈813mm和1891mm。
由此可知,在管道直徑最大時機器人的最小過彎半徑為813mm,在管道直徑最小時機器人的最小過彎半徑為1891mm。
3.4 機器人超聲波檢測探頭軌跡覆蓋率
超聲波探頭移動速度示意圖如圖12所示。從圖12可見,超聲波探頭的移動速度由2個方向的速度分量組成,一個是沿管道方向的v,另一個是與管壁相切方向的v,。若將整個管壁在平面上展開可以發現,探頭在2個相互垂直的方向分別做勻速直線運動和往復直線運動。假設探頭在往復運動部分的加、減速時間極短并滿足勻速運動時的速度大小均為v,則探頭的探測范圍是以探頭和壁面接觸點為圓心,直徑為d。的圓面。圖13為探頭在管壁平面展開圖上兩個運動周期的軌跡和探測范圍示意圖。
已知管道的直徑,檢測探頭移動線速度v,可以得到步進電機的轉速計算式:
式中:n.是步進電機轉速,r/min。
根據探頭的幾何設計方案,每個探頭最大的轉2π動角度為 -rad,則可得其轉動一個周期的時間計算式為:
單個探頭在一個周期內沿管道方向的運動距離L1計算式為:
根據幾何關系,半個周期內的未檢測區域的面積AL計算式為:
式中:do為以探頭和壁面接觸點為圓心的圓形探測范圍直徑,mm。
單個探頭一個周期的期望檢測面積A計算式為:
最終計算總的被檢測概率P1為:
為了提高單次檢測的覆蓋率,行進速度v,調節為5cm/s,n.約為0.2r/min,do=50mm,代入 式(26)可得缺陷總被檢測概率為84%。
4 基于COMSOL的超聲探測仿真
4.1 待測件的幾何建模和參數設置
當物體某個部分受力時,該處會發生彈性變形,能量會以波的形式向周圍擴散,整個物體也會發生變形,這個傳播過程需要用固體力學中彈性動力學模型解釋[11—12]。基于COMSOL的有限元仿真可以利用固體力學模塊和壓力聲學模塊的耦合,可視化地模擬待測件在被探測過程中超聲波的傳播規律,以驗證超聲波檢測的可行性。
為了簡化仿真模型、提高有限元軟件的分析效率,可以將超聲波在石油管道材料中的傳播問題轉變為平面應力問題,因此可以將石油管道設計為二維截面模型。同時為了使超聲波傳播過程更加清晰,選取截面一小部分進行分析。管道截面二維仿真模型如圖14所示。將圓弧幾何結構簡化為矩形結構,內部缺陷是長寬比為3:1的矩形,表面腐蝕設計為部分厚度減小的幾何結構。
在軟件的參數設置中,待測件材料使用碳素結構鋼,置于空氣域中。對于超聲激勵信號的選擇,采用一個周期的5MHz正弦震蕩信號[13—14],并經過Hanning窗進行調制,最終得到表達式為:
式中:F為t時刻的信號值,無量綱;f為震蕩信號的頻率,MHz。
為了減少簡化模型對超聲波傳播的影響,需要將矩形的兩個側邊設置為低反射邊界,其余為自由邊界。
4.2 仿真結果分析
圖15為該管道機器人超聲波檢測仿真的流程。首先耦合劑噴頭伸長到設計長度時,噴頭緊貼住管壁開始噴出耦合劑。當超聲波探頭伸長到設計長度時,耦合劑噴頭停止工作,此時信號接收裝置收到反射回的聲波并進行判斷。若判斷為缺陷,則將讀取里程輪與計時器中數據,儲存在內置儲存卡中。圖16為仿真軟件中探頭與待測輸油管道管壁的接觸結構。
對于信號處理模塊單元,本文對3種不同情況下的信號接收裝置接收到的超聲波信號進行了物理場仿真。預處理后,建立物理場對待測件進行研究計算。圖17是超聲波在完好管道工件中的傳播圖。其中:圖17a為傳播初始階段;圖17b中,超聲波在1.7μs時到達底面;圖17c中,超聲波發生在接觸底面后反射;圖17d中,反射后的波在3.3μs時回到激勵處。
圖18是超聲波在有內部缺陷的管道工件中的傳播。在圖18b中,當波到達裂紋處時,直接接觸的部分由于空氣聲阻抗遠大于鋼材料,發生全反射;在1.6μs時提前回到頂面,如圖18c所示;剩余部分在3.3μs時回到激勵處,如圖18d所示。
圖19是超聲波在存在表面腐蝕的管道工件中的傳播示意圖。由于受腐蝕的管道部分厚度較完好管道小,超聲波傳播的距離變短,所以超聲波在1.3 μs便到達底面,如圖19b所示。超聲波會在2.3 μs回到激勵處,比正常情況下少1μs,如圖19d所示。
5 結論
(1)設計的管道機器人采用有源驅動模塊,可在輸油管道內獨立運行。額定運動速度為5cm/s,最大測試運動距離為1km,最小過彎半徑為813mm。
(2)驅動模塊創新使用了同步帶,大大增強了越障能力及運動的穩定性。
(3)在管道機器人變徑模塊的設計上改進了傳統的升降式變徑機構,使其變徑范圍可達到114~325mm。
(4)根據超聲波檢測理論,該管道機器人可以通過超聲波探頭與耦合噴頭相互配合的方式對輸油管道管壁進行檢測。通過仿真與計算,探頭理想探測范圍占管道內壁面積的84%。
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第一作者簡介:孫樂辰,生于2000年,現為在讀碩士研究生,研究方向為軟體仿生機器人。地址:(257096)山東省東營市。電話:(0546)8531071。E—mail:18222016@bjtu.edu.cn。
通信作者:楊 峰,E-mail:yangfeng900.slyt@sinopec. com。
收稿日期:2022—06—24
(本文編輯 楊曉峰)