一種襯里復合管修形機器人的設計與研究

成旭堂，練章華，谷天平

(西南石油大學油氣藏地質及開發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，常采用雙金屬復合管來有效控制腐蝕，大幅度節約了油氣集輸的建設和維護成本，得到了廣泛應用。但雙金屬襯里復合管襯管壁厚很薄、襯管剛度很小，在外界載荷作用下襯管很容易出現薄壁結構剛度失穩產生鼓包的現象。復合管襯管鼓包會降低襯管的疲勞壽命、阻礙管道通球作業以及使得管道預防性內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，甚至會導致雙金屬襯里復合管整體管段失效。

因雙金屬襯里復合管的工作環境及自身管體長的特點，襯管一旦產生鼓包依靠人工修復非常困難，所以需要一種管道機器人攜帶必要的作業工具到達鼓包部位，展開修復作業。管道機器人具有體積小、運動靈巧、工作能力強等優勢，可以攜帶不同的傳感工具、定位系統及必要的工作工具，通過計算機、手機等設備遠程操控，可輕松實現復合管襯管鼓包檢測、修復以及后續清理等工作，并實時傳輸數據，以方便工程師后期處理分析。因此，設計一種雙金屬襯里復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 修形機器人整體結構設計

1.1 設計要求

要求修形機器人可以依靠自身所帶電池動力，在襯里復合管內自由移動工作。機器人可依靠支撐機構平穩支撐在管壁，在移動過程中可以利用檢測模塊對復合管襯管鼓包部位進行實時檢測；然后，將數據經控制系統傳輸到計算機終端進行處理；最后，返回控制數據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處理。因此，機器人至少需要有導向、修形、控制和行走四大基本模塊。圖1所示為修形機器人設計流程。

圖1 機器人設計流程

1.2 修形機器人總體設計

(1)總體框架

基于目前管道機器人的結構特征，考慮襯管鼓包位置不確定性及襯管內復雜的環境因素，在滿足整體設計要求情況下，將各個模塊合理化設計連接。圖2所示為修形機器人總體結構框圖。

圖2 機器人總體結構框圖

(2)工作原理

為同時保證復合管修形機器人在復合管內修復鼓包和行走的功能，設計了兩條傳動鏈:一條是主要修形動力傳遞，完成對襯管鼓包的修復；另一條是驅動行走機構擴徑及使整個機器人在管道內的行走。整個機器人通過前導向機構中彈簧自適應機構和后三角履帶行走機構穩定地爬附在管壁，在行走機構驅動下在復合管內連續行走，前端CMOS圖像傳感器實時檢測襯管內壁情況;當檢測到鼓包位置時，主修形電機開始旋轉，使修形機構后座發生軸向運動的同時帶動可變形支架發生徑向擴張;當修形滾子與鼓包部位接觸后，修形機構后座與絲杠軸段“鎖死”，處于動態擴徑平衡狀態，進而帶動整個修形機構進行旋轉滾壓修復襯管鼓包部位，直至修形機構后座到上極限位置，達到將襯管鼓包修復的目的。同時，當襯管鼓包修復后，襯管鼓包大小及修復數據自動記錄到襯管鼓包修復信息數據庫，隨后修形裝置解鎖發生軸向收縮，修形機器人則繼續在襯管內移動檢測完成既定任務。圖3所示為修形機器人總體結構示意。

圖3 機器人總體結構示意

2 各部件模塊設計

2.1 前導向機構模塊

(1)自適應管壁支撐機構

機器人前導向機構要求能適應不同管徑的襯里復合管、跨越一定管內障礙并支撐機器人行走和導向的功能，因此采用彈簧自適應機構進行設計。在實際復合管管道內修形機器人行走過程中，應盡量降低底盤的高度，保證機器人質心下降，以增加機器人工作的穩定性。考慮管道尺寸以及結構最簡，使用低副連桿機構。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所示支撐機構運動簡圖，當點處滾子受到的襯管內壁豎直方向反作用力發生變化時，將導致連桿與水平方向的夾角發生變化，進而改變的大小，最終使得彈簧產生軸向伸縮運動，以達到自動調節變徑的目的。圖5所示為支撐機構模型。

圖4 支撐機構運動簡圖

圖5 支撐機構模型

根據圖4對彈簧自適應機構進行動力學分析，可計算出支撐桿滾輪對復合管襯管內壁正壓力。

滾動產生摩擦力：

=

(1)

在直角坐標系下，自適應機構閉環矢量方程為

++=

(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；為正壓力，N；為支撐桿的起始角度；為自適應機構適應管徑變化過程中支撐角的變化量;、、分別為各桿的長度，mm。

運動機構適應管徑變化是一個非常緩慢的運動過程，自適應機構的力平衡方程為

(4)

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

=·(tancos+sin)

(5)

通過分析式(5),可為支撐機構彈簧的優化選型提供理論依據。

(2)鼓包檢測系統結構設計

鼓包檢測系統結構主要由照明模塊、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。襯里復合管修形機器人在管道內行走時，實時采集機器人前方及襯管內壁的圖像，經圖像處理芯片轉換為數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。圖7所示為鼓包檢測裝置模型。

圖6 檢測系統結構框圖

圖7 檢測裝置模型

(3)導向機構整體設計

根據管道機器人在復合管道內行走和工作要求，前導向機構主要包括6組彈簧自適應支撐機構和前置鼓包檢測裝置。如圖8所示的導向機構三維模型，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動副連接，實現被動自適應管徑變化；同時，6組支撐機構均勻支撐在管壁，以保證整個機器裝置以正確穩定的姿態撐附在管道內，無論機器人行走還是停靠都可以使它與管壁保持相對穩定，進而為后續修形工作單元的鼓包修復提供必要的穩定條件。

圖8 前導向機構三維模型

2.2 修形機構模塊

(1)結構分析

為保證修形滾子部分的平行以及受力均勻最佳，設計平行四邊形結構，無論在伸縮還是在旋轉過程，修形滾子能保持正確的姿態接觸鼓包位置。同時，為減少修形滾子在修形過程中對襯管內壁的磨損，在滾子內部設計了一組軸承，使修形滾子能繞滾子軸轉動；為使前軸和后軸相對轉動而不直接從后軸輸入動力帶動修形機構旋轉，在軸中間利用軸承組合設置相對轉動；此外，在絲杠段通過雙螺母結構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。

如圖9所示，根據平行四邊形與角度關系，可推導出修形半徑的變化范圍以及水平方向修形機構后座移動的極限位置A和B的關系。在取值上,為防止受力桿鎖死情況的發生，在30°～75°之間取值。因此，針對不同管徑設置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合管襯管修形機器人對襯管鼓包等問題的修復，該機器人修形機構特別設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前后座相連接。圖10所示為修形機構三維模型。修形機構主要由修形機構前軸、修形機構后絲杠軸、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，通過萬向節聯軸器與前置導向機構相連接。圖11所示為修形機構局部剖視圖。

圖10 修形機構三維模型

圖11 修形機構局部剖視圖

2.3 控制系統模塊

為保證雙金屬襯里復合管襯管修形機器人在襯管內移動及鼓包修復時有足夠的動力，將機器人動力裝置設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提供動力。電源分別為前導向機構系統、中央控制系統以及后行走系統提供能源；計算機終端通過無線控制單元實現對修形機器人運動狀態控制；通過整個控制系統將復合管道內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值，經初步處理后傳送至計算機端，進行數據后處理。圖12所示為修形機器人控制系統框圖。

圖12 機器人控制系統框圖

2.4 行走機構模塊

雙金屬襯里復合管修形機器人行走機構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的效率、爬管能力和穩定性，采用三角履帶式行走方式，并依靠前端導向機構彈性自適應支撐，將整個機器人穩定地支撐在管壁，通過后端履帶式行走機構調節機器人行走速度。此外，該履帶式行走機構采用可伸縮的絲杠結構，可由一部步進電機結合齒輪組合，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模型。

圖13 履帶式行走機構模型

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

圖14 機器人整體模型

3 結論

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