【正文】 1 摘 要 管道機(jī)器人的運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由減速器、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、傳動(dòng)軸和一些連接件組成。 運(yùn)行機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)有：運(yùn)行阻力的計(jì)算、電動(dòng)機(jī)的選擇、減速比的計(jì)算、齒輪強(qiáng)度的計(jì)算、軸強(qiáng)度的計(jì)算、四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用 SG27ZYJ 直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)輸出軸和減速器的高速軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，通過減速器輸出比較慢的轉(zhuǎn)速，輸出軸通過主動(dòng)輪帶動(dòng)履帶是機(jī)器人在管道中前進(jìn)或后退。 關(guān)鍵詞： 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；履帶；軸。 2 ABSTRACT The running mechanism of pipeline robot is mainly posed of a speed reducer, a driving wheel, a driven wheel, transmission shaft and a plurality of connecting pieces. The overall design of operation mechanism: the resistance operation, the choice of motor, reduction ratio, strength calculation, calculation of gear shaft strength calculation, four bar mechanism design. This design uses SG27ZYJ DC motor as the power source, the motor output shaft and gearbox highspeed shaft through the shaft coupling, reducer through the relatively slow speed output, the output shaft through the driving wheel drives the crawler robot forward or backward in the pipeline. Key words:Gear rotation mechanism。track。axle. 3 第 1 章 引言 隨著城市化和工業(yè)化步伐地不斷加快，管道作為一種運(yùn)輸工具在人們的生活和工作中出現(xiàn)的頻率越來越高。管道不僅能完成一些 特定物料地傳送，而且具有可靠性高、運(yùn)輸安全、方便。因此，在工業(yè)和生活領(lǐng)域，管道起到了舉足輕重的作用。管道在使用的過程中，由于環(huán)境條件的影響，必定會(huì)造成一定的腐蝕和損壞，如果不及時(shí)修理，必定會(huì)造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，人們?cè)絹碓蕉嗟匕呀裹c(diǎn)放到管道探傷機(jī)器人身上。 管道探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)背景及意義 隨著交通、石油、化工以及城市建設(shè)的飛速發(fā)展，管道作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的物料長距離運(yùn)輸手段而倍受人們的關(guān)注，被廣泛的鋪設(shè)于世界各地、陸地、海洋等環(huán)境中。我國從 20 世紀(jì) 70 年代開始油氣管道的大規(guī)模建設(shè)，截止到目前 ，國內(nèi)已建油氣管道的總長度約 6萬千米，逐漸形成了區(qū)域的油氣管網(wǎng)供應(yīng)格局，中國的管道工業(yè)得到了極大的發(fā)展。本課題中所研究的管道探傷機(jī)器人也是應(yīng)用在特殊作業(yè)環(huán)境下的一類特種機(jī)器人，其可以沿管道內(nèi)壁行走，通過攜帶的機(jī)電儀器，能夠完全自主或在人工協(xié)助下完成特定的管道作業(yè)，包括管道腐蝕程度、裂紋、焊接缺口的探傷檢測(cè)，以及對(duì)焊接縫防腐補(bǔ)口等處理。 既然管道在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有著如此廣泛的應(yīng)用，其安全運(yùn)行問題也越來越受到人們的重視。一旦管道破損，僅維護(hù)搶修的成本巨大，從中泄露的物質(zhì)會(huì)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境及人類生命安全造成威脅。如果 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點(diǎn)，就能有效地減輕泄漏事故造成的損失和危害。然而由于管道埋地較深，通過常規(guī)的巡線檢測(cè)方法很難步到泄漏點(diǎn)，另外長輸管道距離長，沿途多為荒漠、沼澤或河流，而檢測(cè)方法多為人工定期巡檢，這都限制了泄漏檢測(cè)與定位的實(shí)時(shí)性 ,準(zhǔn)確性。因此，管道的維護(hù)管理、泄漏的檢測(cè)、保障管道安全運(yùn)行已成為界上重要的研究課題并日益受到重視。 管道探傷機(jī)器人作為一類特種機(jī)器人，正是在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，管道探傷機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它不僅具有探傷質(zhì)量高、作業(yè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且使操作檢測(cè)人員免受大劑量射線的輻射之苦。因此管道 探傷機(jī)器人有著廣闊的應(yīng)用前景。 管道探傷機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 管道探傷機(jī)器人是目前智能機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。近幾十年來，核工 4 業(yè)、石油工業(yè)的迅猛發(fā)展為管道探傷機(jī)器人提供了廣闊的應(yīng)用前景。由于大量地下、海底管線的維護(hù)需要刺激了管道探傷機(jī)器人的研究。從 20世紀(jì) 70年代起，國內(nèi)外許多研究人員就針對(duì)管道探傷機(jī)器人提出了大量的設(shè)計(jì)方案并對(duì)其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能進(jìn)行不斷地補(bǔ)充和完善，這些研究成果對(duì)管道探傷機(jī)器人的技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用場(chǎng)合的擴(kuò)展起到巨大的推動(dòng)作用。目前，各國的研究學(xué)者已經(jīng)研制出了滿足不同需要的管道探傷機(jī)器。 從上世紀(jì) 50 年代起，為了滿足長距離管道的自動(dòng)清理及檢測(cè)的需求，英、美等國相繼開展了這方面的研究，其最初的成果是在 1965 年，美國 Tuboscope 公司采用漏磁檢測(cè)裝置 Linalog 首次進(jìn)行了管內(nèi)檢測(cè)，盡管當(dāng)時(shí)尚屬于定性檢測(cè)，但具有劃時(shí)代的意義。 我國從 20 世紀(jì) 90 年代初期，開始了管道探傷機(jī)器人的研發(fā)工作，國內(nèi)較 早進(jìn)入該研究領(lǐng)域的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、大慶油建公司、中國石油天然氣管道局等單位。相比較而言，我國的地下管道檢測(cè)技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分檢測(cè)管道腐蝕的技術(shù)都停留在管外 檢測(cè)，方法傳統(tǒng)落后。各種管道探傷機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來。盡管某些科研單位己經(jīng)研制出了幾種功能樣機(jī)，但它們只能對(duì)空管道進(jìn)行檢測(cè)，難以滿足工程上的要求。 本文研究的主要內(nèi)容 本文根據(jù)直線電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以直流電機(jī)為移動(dòng)動(dòng)力的管道探傷機(jī)器人。本課題 將在以下兩個(gè)方面開展研究工作 （ 1）管道探傷機(jī)人機(jī)架的研究 機(jī)架是主要有四桿機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)螺桿以及減速器組成，四桿機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可以在一定范圍不同直徑的管道內(nèi)均能使用，傳動(dòng)螺桿保證四桿機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到所需要的位置，減速器保起到緩沖和提 高精度的作用。 （ 2）管道探傷機(jī)人履帶移動(dòng)部分的研究 該部分主要是由減速器、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、履帶組成，驅(qū)動(dòng)輪主要是帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶和管道接觸產(chǎn)生移動(dòng)。 5 第 2章 管道探傷機(jī)器人的要求指標(biāo) 根據(jù)所要設(shè)計(jì)內(nèi)容管道探傷機(jī)器人的初步構(gòu)想如圖 21 所示。 圖 21 管道探傷機(jī)器人三維圖 管道探傷機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機(jī)器人技術(shù) ) 行走速度： minm 自重 : 6kg 凈載重： 11kg 機(jī)身尺寸： 351mm?155mm?155mm 自適應(yīng)管道半徑范圍： 200mm 300mm 越障能力： 2mm 5mm 爬坡能力 ： 150 工作電壓： 12V 一次性行走距離： 2500m 牽引力 : 300N 400N 密封性能： 履帶密封，機(jī)架半開放 管道探傷機(jī)器人的工作指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機(jī)器人技術(shù) ) 工作環(huán)境： 中性液體環(huán)境，液面高度不得高于 30mm 工作溫度 ： 00 500 6 第 3 章 元器件選用 電動(dòng)機(jī)的選用 本設(shè)計(jì)采用圓周三點(diǎn)限位支架，三個(gè)履帶行走構(gòu)件相互獨(dú)立，因而需要提供三個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)履帶。另外，管徑自適應(yīng)結(jié)構(gòu)由絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，也需要一個(gè)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，于是整個(gè)機(jī)器人需要 4 個(gè)電動(dòng)機(jī)。 考慮到整個(gè)機(jī)構(gòu)適用于 200~300mm 管徑的管道內(nèi)部探傷，因而整體尺寸受到嚴(yán)格限制，進(jìn)而 限定了電動(dòng)機(jī)的尺寸。以最小管徑 200mm 作為尺寸控制的參數(shù)，履帶行走機(jī)構(gòu)的高度 50mm，所用電動(dòng)機(jī)直徑大約 20mm。同時(shí)作為履帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，此電動(dòng)機(jī)亦應(yīng)當(dāng)達(dá)到足夠的功率輸出，否則將必然無法與設(shè)計(jì)要求匹配。 出于零件之間相互通用的設(shè)計(jì)理念， 4個(gè)電機(jī)都是統(tǒng)一規(guī)格、同種型號(hào)。最后由于設(shè)計(jì)要求中規(guī)定了每分鐘的行程，所以電動(dòng)機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)速適中，既與整個(gè)電機(jī)的功率和扭矩相匹配，又能滿足行進(jìn)速度的要求。 綜合以上幾點(diǎn)，經(jīng)過多方查閱資料。決定采用一下型號(hào)的電動(dòng)機(jī)：型號(hào)： SG27ZYJ；額定功率： 10W 12V DC；額定 轉(zhuǎn)速度： 400rpm；額定轉(zhuǎn)矩： 300Nmm。實(shí)物圖如圖 31所示。 圖 31 上圖為電動(dòng)機(jī)實(shí)物參考圖 配件選用 根據(jù)探傷機(jī)器人的要求以及目前市場(chǎng)所有的相關(guān)配件種類本裝置應(yīng)選擇配件為： 蓄電池 : 12V, 9000mAh。 攝象頭： CCD 探頭，具體尺寸可選。 1200 范圍內(nèi)可以探視。雙頭白光二級(jí)管探照光源。 7 第 4章 機(jī)架部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)圖 21的設(shè)想知機(jī)架部分的初步構(gòu)想圖如圖 41所示。 圖 41 機(jī)架部分三維圖 機(jī)架 部分的功能和結(jié)構(gòu) 機(jī)架部分的主要功能為支撐在管道內(nèi)行走的管道機(jī)器人，使履帶行走系能緊密的貼在管道壁面，產(chǎn)生足夠的附著力，帶動(dòng)管道機(jī)器人往前行走。 為了適應(yīng)不同直徑管道的檢測(cè)，管道檢測(cè)機(jī)器人通常需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整的機(jī)架機(jī)構(gòu)，即主要有兩個(gè)作用：① 在不同直徑的管道中能張開或收縮，改變機(jī)器人的外徑尺寸，使機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；② 可以提供附加正壓力增加機(jī)器人的履帶與管道內(nèi)壁間的壓力，改善機(jī)器人的牽引性能，提高管內(nèi)移動(dòng)檢測(cè)距離。 為了滿足管徑自適應(yīng)的功能，本次設(shè)計(jì)采用了基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，在由 0120 空間對(duì)稱分布的 3組平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，采用滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)方式，每組平行四邊形機(jī)構(gòu)帶有履帶的驅(qū)動(dòng)裝置示意圖如 42所示。 機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，滾珠絲杠直接安裝在調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上，絲杠螺母和筒狀壓力傳感器以及軸套之間用螺栓固定在一起，連桿 CD 的一端 C和履帶架鉸接在一起，另一端 D 鉸接在固定支點(diǎn)上，推桿 MN與連桿 CD 鉸接在 M點(diǎn)，另一端鉸接 8 在軸套上的Ⅳ 點(diǎn)，連桿 AB、 BC和 CD 構(gòu)成了平行四邊形機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪子安 裝在輪軸 B、 C上，軸套在圓周方向相對(duì)固定．其工作原理為：調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，由于絲杠螺母在圓周方向上相對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿 MN運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 CD繞支點(diǎn) D轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿 CD 的轉(zhuǎn)動(dòng)又帶動(dòng)了平行四邊形機(jī)構(gòu) ABCD平動(dòng)，從而使管道檢測(cè)機(jī)器人的平行四邊形輪腿機(jī)構(gòu)張開或者收縮，并且使履帶部分始終撐緊在不同管徑的管道內(nèi)壁上，達(dá)到適應(yīng)不同管徑的的．調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也同時(shí)推動(dòng)其余對(duì)稱的 2組同步工作．筒狀壓力傳感器可以間接地檢測(cè)各組驅(qū)動(dòng)輪和管道內(nèi)壁之間 的壓力和，保證管道檢測(cè)機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使管道檢測(cè)機(jī)器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。 在 42中，當(dāng) 00[15 ,80 ]?? 時(shí)，機(jī)架適應(yīng)管道半徑的范圍在 ?? mm323,196 。參考常見的管道運(yùn)輸直徑范圍 (Ref2),設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可滿足成品油管的管道直徑的要求 機(jī)架部分的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 42所示 Raduis履帶?R1=200mmR2=325mm 圖 42 絲杠螺母自適應(yīng)機(jī)構(gòu)圖 機(jī)架部分的力學(xué)特性分析 對(duì)于履帶式驅(qū)動(dòng)方式的管道機(jī)器人，牽引力由運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力以及履帶與管壁附著力決定。當(dāng)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力足夠大時(shí)，機(jī)器人所能提供的最大牽引力等于附著力。附著力主要與履帶對(duì)管壁的正壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)。摩擦系數(shù)由材料和接觸條件決定，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整。履帶對(duì)管壁的正壓力與機(jī)器人重量有關(guān)，但通過管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以在不同管徑下提供附加正壓力，改變附著力，從而在一定 9 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)牽引力的動(dòng)態(tài)調(diào)整。 管道機(jī)器人正常行走時(shí)，其對(duì)稱中心和管道中心軸線基本重合，重力 G在對(duì)稱的中心線上面。因此，管道機(jī)器人在行走過程中，最多只有兩個(gè)履帶承受壓力，即其頂部的壓力為零 (如圖 42所示 )。 12N N G?? （