【正文】 大約 20mm。另外，管徑自適應(yīng)結(jié)構(gòu)由絲杠螺母傳動，也需要一個電動機作為驅(qū)動，于是整個機器人需要 4個電動機。 5 第 2章 管道探傷機器人的要求指標(biāo) 根據(jù)所要設(shè)計內(nèi)容管道探傷機器人的初步構(gòu)想如圖 21所示。本課題 將在以下兩個方面開展研究工作 （ 1）管道探傷機人機架 的研究 機架是主要有四桿機構(gòu)和傳動螺桿以及減速器組成，四桿機構(gòu)保證機器人可以在一定范圍不同直徑的管道內(nèi)均能使用，傳動螺桿保證四桿機構(gòu)能夠達到所需要的位置，減速器保起到緩沖和提 高精度的作用。盡管某些科研單位己經(jīng)研制出了幾種功能樣機，但它們只能對空管道進行檢測，難以滿足工程上的要求。相比較而言，我國的地下管道檢測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分檢測管道腐蝕的技術(shù)都停留在管外 檢測，方法傳統(tǒng)落后。 從上世紀(jì) 50 年代起，為了滿足長距離管道的自動清理及檢測的需求，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 公司采用漏磁檢測裝置 Linalog 首次進行了管內(nèi)檢測，盡管當(dāng)時尚屬于定性檢測，但具有劃時代的意義。從 20 世紀(jì) 70 年代起，國內(nèi)外許多研究人員就針對管道探傷機器人提出了大量的設(shè)計方案并對其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能進行不斷地補充和完善，這些研究成果對管道探傷機器人的技術(shù)改進和應(yīng)用場合的擴展起到巨大的推動作用。近幾十年來，核工 4 業(yè)、石油工業(yè)的迅猛發(fā)展為管道探傷機器人提供了廣闊的應(yīng)用前景。因此管道 探傷機器人有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，管道的維護管理、泄漏的檢測、保障管道安全運行已成為界上重要的研究課題并日益受到重視。如果 能夠及時發(fā)現(xiàn)并確定泄漏點，就能有效地減輕泄漏事故造成的損失和危害。 既然管道在工業(yè)現(xiàn)場中有著如此廣泛的應(yīng)用，其安全運行問題也越來越受到人們的重視。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。因此，人們越來越多地把焦點放到管道探傷機器人身上。因此，在工業(yè)和生活領(lǐng)域，管道起到了舉足輕重的作用。axle. 3 第 1 章 引言 隨著城市化和工業(yè)化步伐地不斷加快，管道作為一種運輸工具在人們的生活和工作中出現(xiàn)的頻率越來越高。 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。本設(shè)計采用 SG27ZYJ 直流電動機為動力源，電動機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，輸出軸通過主動輪帶動履帶是機器人在管道中前進或后退。 1 摘 要 管道機器人的運行機構(gòu)主要由減速器、主動輪、從動輪、傳動軸和一些連接件組成。 運行機構(gòu)的總體設(shè)計有：運行阻力的計算、電動機的選擇、減速比的計算、齒輪強度的計算、軸強度的計算、四桿機構(gòu)的設(shè)計。 關(guān)鍵詞： 齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)； 履帶；軸。track。管道不僅能完成一些 特定物料地傳送，而且具有可靠性高、運輸安全、方便。管道在使用的過程中，由于環(huán)境條件的影響，必定會造成一定的腐蝕和損壞，如果不及時修理，必定會造成資源的浪費和環(huán)境污染。 管道探傷機器人設(shè)計背景及意義 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、高效的物料長距離運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。本課題中所研究的管道探傷機器人也是應(yīng)用在特殊作業(yè)環(huán)境下的一類特種機器人，其可以沿管道內(nèi)壁行走，通過攜帶的機電儀器，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，以及對焊接縫防腐補口等處理。一旦管道破損，僅維護搶修的成本巨大，從中泄露的物質(zhì)會對周圍的生態(tài)環(huán)境及人類生命安全造成威脅。然而由于管道埋地較深，通過常規(guī)的巡線檢測方法很難步到泄漏點，另外長輸管道距離長，沿途多為荒漠、沼澤或河流，而檢測方法多為人工定期巡檢，這都限制了泄漏檢測與定位的實時性 ,準(zhǔn)確性。 管道探傷機器人作為一類特種機器人，正是在這樣的環(huán)境下應(yīng)運而生，管道探傷機器人的優(yōu)點在于它不僅具有探傷質(zhì)量高、作業(yè)速度快等優(yōu)點，而且使操作檢測人員免受大劑量射線的輻射之苦。 管道探傷機器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 管道探傷機器人是目前智能機器人研究領(lǐng)域的熱點問題之一。由于大量地下、海底管線的維護需要刺激了管道探傷機器人的研究。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器。 我國從 20 世紀(jì) 90年代初期，開始了管道探傷機器人的研發(fā)工作，國內(nèi)較 早進入該研究領(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。各種管道探傷機器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來。 本文研究的主要內(nèi)容 本文根據(jù)直線電機的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了以 直流 電機為移動動力的管道探傷機器人。 （ 2）管道探傷機人履帶移動部分 的研究 該部分主要是由減速器、驅(qū)動輪、從動輪、履帶組成，驅(qū)動輪主要是帶動履帶轉(zhuǎn)動，履帶和管道接觸產(chǎn)生移動。 圖 21 管道探傷機器人三維圖 管道探傷機器人的技術(shù)指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機器人技術(shù) ) 行走速度： minm 自重 : 6kg 凈載重： 11kg 機身尺寸： 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，機架半開放 管道探傷機器人的工作指標(biāo) (依據(jù)現(xiàn)代管道機器人技術(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 電動機的選用 本設(shè)計采用圓周三點限位支架，三個履帶行走構(gòu)件相互獨立，因而需要提供三個相同的電動機分別驅(qū)動各個履帶。 考慮到整個機構(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，進而 限定了電動機的尺寸。同時作為履帶機構(gòu)的動力來源，此電動機亦應(yīng)當(dāng)達到足夠的功率輸出，否則將必然無法與設(shè)計要求匹配。最后由于設(shè)計要求中規(guī)定了每分鐘的行程，所以電動機應(yīng)該轉(zhuǎn)速適中，既與整個電機的功率和扭矩相匹配，又能滿足行進速度的要求。決定采用一下型號的電動機 ： 型號 ： SG27ZYJ；額定功率 ： 10W 12V DC； 額定 轉(zhuǎn)速度： 400rpm； 額定轉(zhuǎn)矩： 300Nmm。 圖 31 上圖為電動機實物參考 圖 配件選用 根據(jù)探傷機器人的要求以及目前市場所有的相關(guān)配件種類本裝置應(yīng)選擇配件為： 蓄 電池 : 12V, 9000mAh。 1200 范圍內(nèi)可以探視。 7 第 4章 機架部分的設(shè)計計算 根據(jù)圖 21的設(shè)想知機架部分的初步構(gòu)想圖如圖 41所示。 為了適應(yīng)不同直徑管道的檢測，管道檢測機器人通常需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整的機架機構(gòu)，即主要有兩個作用：① 在不同直徑的管道中能張開或收縮，改變機器人的外徑尺寸，使機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器人的履帶與管道內(nèi)壁間的壓力，改善機器人的牽引性能，提高管內(nèi)移動檢測距離。 機構(gòu)調(diào)節(jié)電動機為步進電動機，滾珠絲杠直接安裝在調(diào)節(jié)電動機的輸出軸上，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 鉸接在固定支點上，推桿 MN與連桿 CD 鉸接在 M點，另一端鉸接 8 在軸套上的Ⅳ 點，連桿 AB、 BC和 CD 構(gòu)成了平行四邊形機構(gòu)，機器人的驅(qū)動輪子安 裝在輪軸 B、 C上，軸套在圓周方向相對固定．其工作原理為：調(diào)節(jié)電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，由于絲杠螺母在圓周方向上相對固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿 MN運動，進而推動連桿 CD繞支點 D轉(zhuǎn)動，連桿 CD 的轉(zhuǎn)動又帶動了平行四邊形機構(gòu) ABCD平動，從而使管道檢測機器人的平行四邊形輪腿機構(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，達到適應(yīng)不同管徑的的．調(diào)節(jié)電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動時，也同時推動其余對稱的 2組同步工作．筒狀壓力傳感器可以間接地檢測各組驅(qū)動輪和管道內(nèi)壁之間 的壓力和，保證管道檢測機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使管道檢測機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。參考常見的管道運輸直徑范圍 (Ref2),設(shè)計的管道機器人可滿足成品油管的管道直徑的要 求 機架部分的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 42所示 Raduis履帶?R1=200mmR2=325mm 圖 42 絲杠螺母自適應(yīng)機構(gòu)圖 機架部分的力學(xué)特性分析 對于履帶式驅(qū)動方式的管道機器人，牽引力由運動驅(qū)動電動機驅(qū)動力以及履帶與管壁附著力決定 。 附著力主要與履帶對管壁的正壓力和摩擦系數(shù)有關(guān) 。 履帶對管壁的正壓力與機器人重量有關(guān)，但通過管徑適應(yīng)調(diào)整機構(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)實現(xiàn)牽引力的動態(tài)調(diào)整。因此，管道機器人在行走過程中，最多只有兩個履帶承受壓力，即其頂部的壓力為零 (如圖 42所示 )。利用管道機器人自適應(yīng)管徑的平行四邊形絲杠螺母機構(gòu)，可提供附加的正壓力以增加管道機器人的附著力。 將各個履帶由于重力而產(chǎn)生的作用反力定義為 N? ,由附加正壓力所產(chǎn)生的作用反力定義為 P? ，絲杠螺母桿的推力為 F ，由力平衡原理可得： （ ? ?? PN ） cot? =F1 （ 42） 由 Lsin? +h1 +h=R得 cot? =1212 )(hhR hhRL ?? ??? （ 43） 絲杠螺母需施加的推力 F1 為 ： F1 =（ ? ?? PN ）1212 )(hhR hhRL ?? ??? （ 44） 式中 L、 R、 h、 h1 如圖 42所示 。 （ 45） 其中 ? =arctan dpn? ； ?? arctanu1 。 電機需要輸出的扭矩為 T=F2 ? 22d /? 。 查表知： u1 =； ? =80%。 (48) 式中 ? 2 為履帶的附著系數(shù)，近似于摩擦系數(shù)，因管道內(nèi)部環(huán)境條件，故按油