【正文】 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 21 管道檢測作業(yè)機器人檢測控制系統(tǒng) 在役輸油管道檢測機器人的研制開發(fā)中，很重要的環(huán) 節(jié)就是機器人要能準(zhǔn)確檢測到管道缺陷，即通過傳感器的作用，在管道機器人的運動過程中測定管道的壁厚厚度，準(zhǔn)確處理測到的數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)體和支撐體的輪腿上裝有彈性機構(gòu)。若正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號 ；若 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號進行跟蹤。管道內(nèi)檢測器的定位方法由 2部分組成 :一是里程輪定位 ,二是地面標(biāo)記系統(tǒng)。 驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)體上面的 6 個驅(qū)動輪沿著管壁進行螺旋旋轉(zhuǎn)，前端和后端的驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)方向相反，在與管壁的摩擦作用下，使整體的前進方向一致。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實時感應(yīng)，機器人的外形尺寸為 150 61 46mm，重 2kg，最大步距 10 m? ，行程 40mm，運動精度 m? 。 （ 2）腳式管道檢測作業(yè)機器人 西門子公司 Werner Neubauer等人研制的管道機器人有 8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿 推壓管壁來支撐個體，多腿可以便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。由于采用超聲波檢測技術(shù)從內(nèi)部對管道進行檢測，因此本文考慮檢測探頭的固定，即要完成對檢測裝置的設(shè)計；其次要考慮機器人的推進動力和機械結(jié)構(gòu)，以保證機器人在管內(nèi)正常行走；再次要確定所檢測到缺陷的位 置，這就要設(shè)計一個里程機構(gòu)（管內(nèi)定位）；最后還要建立一個數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。而漏磁機器人檢測時不受蠟片的影響，但其檢測精度不如超聲機器人高，對管道上的軸向裂縫檢測還有一定的困難，而且由于漏磁技術(shù)是檢測管道壁厚的間接檢測方法，用其檢測的數(shù)據(jù)實現(xiàn)直觀顯示管壁的缺 陷也比較困難。 在不遠的將來，有望實現(xiàn)以管道為信號載體或利用其它手段將檢測信號傳至地面做到在役管道的實時檢測。國外最先將超聲波技術(shù)引入腐蝕檢測智能機器人的是日本的 NKK（日本鋼管株式會社）和德國 Pipetroix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲機器人。于是，探頭至內(nèi)壁的距離 A與壁厚 T，可以通過內(nèi)表面反射回波的時間，以及內(nèi)、外表面反射回波的時間差來確定。因此，使用漏磁法檢測管壁厚度時要求被測管壁較薄，它不適合于厚壁管道的無損檢測。而且，如果在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測量結(jié)果帶來難以避免的誤差。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 8 圖 17 蠕動式管道機器人 圖 18 步行式管內(nèi)機器人 圖 17所示為一種蠕 動式管內(nèi)機器人機構(gòu)，由美國斯坦福大學(xué)研制。所以 針對這個缺點， 產(chǎn)生了很多改善其特性的派生機構(gòu)。 （ 2）履帶式管道檢測作業(yè)機器人 履帶式移動機構(gòu)適合于未加工的天然路面行走，它是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。這種機構(gòu)不能很好的適應(yīng)管徑，而且不容易通過彎管。它結(jié)構(gòu)簡單，在相對平坦的路面上有相當(dāng)優(yōu)越的性能，可是在地形復(fù)雜的情況下就不適用，輪子很容易陷到坑洼里而不能前進。 2021 年的汶川地震給我們帶來了巨大的損失，很多城市的地下水管道內(nèi)腔被堵塞，影響人們的正常飲水。這一點在南方油田尤為突出。我相信，通過引進、消化、吸收、創(chuàng)新，國內(nèi)的油氣長輸管道檢測技術(shù)將會逐步接近或達到發(fā)達國家水平 ]5[ 。傳統(tǒng)的管道內(nèi)部清潔機器就是利用四輪小車驅(qū)動方式沿著水平管道內(nèi)部前進步。 隨著計算機技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用，國內(nèi)外檢測技 術(shù)都得到了迅猛發(fā)展，管道檢測技術(shù) ]1[ 逐漸形成管道內(nèi)、外檢測技術(shù)（涂層檢測、智能檢測）兩個分枝。 本文設(shè)計了一種新型石油管道檢測機器人，分析了其總體機械結(jié)構(gòu)、檢測原理及方法，討論了檢測機器人在管道中的定位問題和能源系統(tǒng)。 考慮問題比較全面。所設(shè)計的 管道檢測作業(yè)機器人總體 方案正確， 結(jié)構(gòu) 合理。 機電工程學(xué)院 中南大學(xué) 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 管道檢測作業(yè)機器人 總體設(shè)計 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 學(xué) 院 機 電 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級 機電 XXX 班 完成時間 2021 年 6 月 8 日 中 南 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目 管道檢測作業(yè)機器人總體設(shè)計 題目類型 ]1[ 工程設(shè)計 題目來源 [1] ___教師科研題 畢業(yè)論文（設(shè)計）時間從 2021 年 3 月 1 日 至 2021 年 6 月 8 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容要求 ： （ 1） 技術(shù)指標(biāo) ：（ a）自適應(yīng)管道直徑為 270300mm，驅(qū)動力＞ 800N；（ b）在管道內(nèi)的移動速度大于 10cm/s；（ c）能通過曲率半徑 600mm，總長為 10m的倒 U型管道；（ 4）能夠搭載微型 CCD和無 損檢測傳感器對管道內(nèi)的裂紋和腐蝕缺陷等進行檢測與修補作業(yè) 。主要完成了管道檢測作業(yè)機器人的總體設(shè)計，包括機器人行走機構(gòu)、管道內(nèi)部行走驅(qū)動控制與里程 輪 定位、管道裂紋超聲波檢測等方案的確定，對管道機器人機械本體 、里程輪自適應(yīng)機構(gòu)、行走機構(gòu)球鉸式萬向聯(lián)軸器等進行了具體設(shè)計，建立了管道機器人 系統(tǒng) 動力學(xué) 建模 ，并進行了虛擬樣機 仿真 。 設(shè)計的 管道檢測機器人總體設(shè)計 方案合理，所設(shè)計的 管道機器人里程輪自適應(yīng)機構(gòu)、行走機構(gòu)球鉸式萬向聯(lián)軸器 等機械本體結(jié)構(gòu)正確，布局合理，通過 管道機器人 系統(tǒng) 動 力學(xué) 建模與 虛擬樣機 仿真分析，驗證了總體設(shè)計方案的合理性。我國大量的油氣輸送管道分布在人口較稠密的地 區(qū)，一旦發(fā)生腐蝕泄漏事故，其后果不堪設(shè)想。隨著中國城市化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展推進，中國西氣東輸工程的全面啟動，特別是大型化工廠、大型天然氣廠、大型地下管道處理系統(tǒng)的建成，大型管道（或類似管道裝置）組合處理系統(tǒng)設(shè)施以其高質(zhì)量的工作效率、圓形管道結(jié)構(gòu)，占地少、有效工作空間大、美化生活環(huán)境等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的管道內(nèi)部清潔機器只能進行水平方向工作，無法進行豎直方向工作，管道內(nèi)部彎道爬行更是望塵莫及。目前中國石油新疆油田分公司與長輸管道檢測評價中心聯(lián)合開發(fā)了 φ 377mm漏磁通智能檢測儀，現(xiàn)已生產(chǎn)出樣機并分別在烏魯木齊架構(gòu)— 706泵站、中國石油西南油氣田分公司輸氣管理出臥兩線等管道上進行了應(yīng)用，雖然在解釋某些測試數(shù)據(jù)方面還不夠完善，但畢竟填補了管道內(nèi)檢測技術(shù)的 空白，為管道內(nèi)檢測技術(shù)國中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 3 產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。由于建成投入使用的年限長，大部分達到或接近 20年的使用年限，且由于原設(shè)計、施工標(biāo)準(zhǔn)不高，管道年久腐蝕，又缺乏正常的檢測維修，己進入事故多發(fā)期，或接近事故多發(fā)期。現(xiàn)在我國的大部分油田都沒有引進這種沒備，而只是 采用傳統(tǒng)的管道外檢測方法，這就無法對埋地管道腐蝕受損情況進行及時準(zhǔn)確的檢測，從而造成了一些重大損失。 幾種主要類型的管道檢測機器人 （ 1）車輪式管道檢測作業(yè)機器人 輪式移動機構(gòu)是一個古老而至今仍得到廣泛應(yīng)用的移動機構(gòu)。這是最開始研究圓管管道機器人時常用的機構(gòu)。機器人采用可調(diào)整的三輪驅(qū)動機構(gòu)，解決了機器人垂直爬升、轉(zhuǎn)彎等行走方面的問題，可視為基本三輪式管道機器人的派生機構(gòu)。圖 14為一種采用普通履帶式移動機構(gòu)的管內(nèi)移動機器人 圖 14 普通履帶式管內(nèi)移動機器人 雙履帶移動機構(gòu)雖然較一般的輪式機構(gòu)更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，但其不適應(yīng)圓形管道是不爭的缺點。 （ 3）其他類型管道檢測作業(yè)機器人 管道機器人常采用輪式和履帶式的移動機構(gòu)，但也有其他類型的移動機構(gòu)，如蠕動式機構(gòu)、步行機構(gòu)等。其中激光檢測法和電視測量法需和其他方法配合才能得出有效準(zhǔn)確的腐蝕數(shù)據(jù)，而渦流檢測法雖然可適用于多種黑色和有色金屬，探測蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但是渦流對于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。 圖 19 管內(nèi)漏磁檢測原理 由于漏磁法不是直接測定管壁厚度，且漏磁信號和缺陷之間為非線性關(guān)系，檢測信號易受到管壁腐蝕缺陷的長度、深度和缺陷形狀等因素的影響。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 10 圖 110 超聲波檢測原理圖 超聲波檢測 ]8[ 法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度，其檢測原理如圖 110所示，檢測時垂直于管道 壁的超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁內(nèi)表面反射的回波，隨后接收到由管壁外表面反射的回波。 管道檢測機器人的 發(fā)展趨勢 （ 1）國外管道腐蝕檢測機器人的發(fā)展趨勢 國外漏磁檢測機器人（ Magic Flux Leakage Intelligent Pig簡稱 MFL Pig）的研制始于 70中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 11 年代中期，至今已發(fā)展到第二代，而超聲波技術(shù)是 80年代末才引入機器人的。這會減少機器人的體積、降低機器人的造價、提高機器人的續(xù)航能力。但檢測時在管壁上和液體介質(zhì)中仍會有少量的蠟片存在，這些蠟片往往嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致檢測精度的降低 。本章將對機器人的總體結(jié)構(gòu)、檢測系統(tǒng)的設(shè)計以及機器人動力系統(tǒng)和機器人在管道中的定位系統(tǒng)進行設(shè)計。每個行走單元由電機、減速傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成；減速傳動系統(tǒng)由一對蝸輪蝸桿副組成，能夠輸出較大的扭矩；支撐系統(tǒng)采用剪刀式結(jié)構(gòu)，依靠拉伸彈簧將行走單元緊壓在管道內(nèi)壁上，依靠車輪與內(nèi)壁的摩擦力前進或后退；每個單元的行走系統(tǒng)由一個主動輪和一個被動輪組成。 圖 23 蠕動式管道檢測作業(yè)機器人 清華大學(xué)研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構(gòu)如圖 23，由 1 蠕動體和 4電致伸縮微位移器組成。 1 旋 轉(zhuǎn) 體 1 2 支 撐 體 1 3 驅(qū) 動 電 機 1M 4 萬向節(jié) 1 5 探測倉 6 里程輪 7 旋 轉(zhuǎn) 電 機 8 超 聲 波 探 頭 9 萬向節(jié) 2 10驅(qū)動電機 2M 11支撐體 2 12旋轉(zhuǎn)體 2 圖 26 管道檢測作業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)圖 圖 26 所示的管道檢測作業(yè)機器人主要包含三個部分：驅(qū)動行走部分、里程輪定位部分和超聲波探測缺陷部分。因此對于判中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 19 斷管道腐蝕位置 ,選擇開挖地點 ,要依據(jù)管道內(nèi)檢測器在管道中運行時對自身位置的測量。在實際運行過程中所跟蹤信號可能出現(xiàn)故障 ,比如打滑、停轉(zhuǎn) ,因此 ,要通過實時比較幾路信號的方法來確定當(dāng)前跟蹤的信號是否正常。驅(qū) 動電機采用內(nèi)嵌方式安裝在支撐體上。 39。(2)超聲的波長一般在幾個毫米級別，比一般室內(nèi)環(huán)境表面的粗糙度要大很多，因此容易發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象。在役石油管道的受蝕缺中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 22 陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測技術(shù)來探測輸油管道壁厚的厚度最為簡便和直接，其檢測原理如圖 27。 機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 彎道是管道機器人工作時常遇到的障礙，管道機器人若想順利完成任務(wù)， 就必須能夠順利通過彎管，所以機器人的設(shè)計必須滿足彎道的幾何約束 ]16[ 。管道內(nèi)檢測器的定位方法由 兩 部分組成 ： 一是里程輪定位 ??17 ,二是地面標(biāo)記系統(tǒng)。 霍爾傳感器 是根據(jù) 霍爾效應(yīng) 制作的一種 磁場傳感器 。稀土磁鋼的磁場無須補償就能夠穿過 A芯片并能作用觸發(fā) B芯片，當(dāng) S極接近傳感器時， A芯片輸出， N極接近傳感器時， B芯片輸出。 在本管道檢測作業(yè)機器人的里程輪系統(tǒng)設(shè)計中，由于機械本體設(shè)計已將里程輪箱體設(shè)計為 ? 250mm，同時最大的機器人本體（彈簧在最初始的壓縮狀態(tài)）在開始時為 ? 300mm，因此設(shè)計測彈簧可以自由伸縮的范圍為 mmmmdDx 252 2503002 ?????? （ 33） 考慮到彈簧的伸縮量不能使里程輪的最外邊緣超出箱體的最外邊緣，因此取彈簧的自由伸縮量為 mmx 15?? 。 m 0..32kg 根據(jù)設(shè)計要求，在根據(jù)所選電機型號。 里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 35所示。 圖 34