常生，劉玉良，王忠超

（浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316000）

0 引言

油氣管道在各國的能源傳輸方面起著重要的作用[1-2]，尤其是我國有著復(fù)雜的油氣管網(wǎng)，隨著油氣管道的使用時間變長，地底環(huán)境潮濕和地震等自然災(zāi)害會造成油氣管道的腐蝕、裂紋和斷裂[3]，經(jīng)常會出現(xiàn)油氣泄漏污染環(huán)境和安全的問題。為了防止發(fā)生油氣泄漏，造成安全事故，就需要定期地對油氣管道進行安全檢測。如果采用人工挖開進行檢測，不僅檢測效率低，而且成本高[4-5]。目前市面上存在的固定半徑的管道檢測機器人，只適應(yīng)同一管徑的管網(wǎng)檢測，對于不同管徑的管網(wǎng)卻無能為力。變徑油氣管道檢測機器人就可以自由過渡不同管徑，可以一次性檢測不同管徑管網(wǎng)，提高了操作的靈活性和檢測效率[6-7]。為了能夠使管道機器人適應(yīng)不同的管徑，國內(nèi)的管道機器人研究者設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的變徑管道機器人，例如：石家莊鐵道大學(xué)的張保真等[8]針對管道機器人對管道半徑的適應(yīng)性，基于升降機式與滾珠絲杠螺母副式變徑機構(gòu)，提出了一種滾珠絲杠螺母副三角升降式變徑機構(gòu)；上海交通大學(xué)的馬嘉翊[9]研發(fā)了一種運動機構(gòu)，采用周向三輪定位全驅(qū)機構(gòu)和雙絲桿曲柄滑塊叉式主動變徑機構(gòu)相結(jié)合，通過對稱式設(shè)計實現(xiàn)管道內(nèi)行走及變徑。

為了更好地實現(xiàn)油氣管道檢測機器人的變徑，本文設(shè)計了一種新型變徑機構(gòu)，可以靈活地實現(xiàn)機器人的變徑，以適應(yīng)不同工況下檢測作業(yè)。

1 機器人的整體設(shè)計

1.1 機器人的設(shè)計原則

1）根據(jù)現(xiàn)有的變徑管道檢測機器人，設(shè)計一種新型連桿結(jié)構(gòu)的管道機器人的變徑機構(gòu)；2）采用履帶式行走機構(gòu)，增大機器人的驅(qū)動性能和運動穩(wěn)定性，便于機器人在油氣管道內(nèi)穩(wěn)定地作業(yè)；3）采用傳統(tǒng)的同軸、不同向的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，帶動連桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變徑；4）節(jié)約成本，在實現(xiàn)管道機器人的各種功能的前提下，盡可能使機器人的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

1.2 機器人工作原理

機器人在水平管道中運行時，履帶行走機構(gòu)的橡膠履帶與管道內(nèi)壁接觸，管道內(nèi)壁與橡膠履帶的摩擦力為機器人提供動力。水平管中運行的機器人，兩側(cè)履帶行走裝置不需要張開太大角度，只需要履帶與管道內(nèi)壁接觸，就可以滿足機器人的正常行走。機器人在豎直管道內(nèi)運行時，可以控制變徑機構(gòu)收放以適應(yīng)管道內(nèi)不同管徑的變化，保持變徑管道機器人本體中心線與油氣管道的中心軸線保持平行。就需要機器人的履帶行走機構(gòu)張開180°以抵在油氣管道內(nèi)壁。機器人內(nèi)部的同軸、不同向的齒輪傳動結(jié)構(gòu)工作，電動機正轉(zhuǎn)，分布在機器人本體上的圓環(huán)隨著齒輪轉(zhuǎn)動，左右兩邊的圓環(huán)轉(zhuǎn)向相反，帶著履帶固定架向上和向外運動，一方面，抬高了履帶行走機構(gòu)，使其與管道直徑平行；另一方面，擴展了機器人的伸展寬度。使橡膠履帶緊緊地抵在管道內(nèi)壁，防止機器人滑落，為機器人向上運動提供足夠的摩擦力。

1.3 機器人的整體組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，通過三維制圖軟件SolidWorks建模零件和裝配變徑管道機器人的三維模型，主要包括機器人主體、圓環(huán)、連接架、履帶固定架、履帶行走機構(gòu)等。

圖1 變徑管道機器人的整體組成結(jié)構(gòu)

2 變徑管道機器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 履帶式行走機構(gòu)

與傳統(tǒng)的履帶式行走機構(gòu)不同，該履帶式行走機構(gòu)沒有直接與機器人本體相連接，而是通過履帶固定結(jié)構(gòu)與本體間接相連，一方面是機器人變徑結(jié)構(gòu)的一部分，另一方面是管道機器人的行走機構(gòu)。使得管道機器人在運動的過程中實現(xiàn)輕松變徑，讓機器人的變徑與行走變得更加靈活。

履帶式行走機構(gòu)中的履帶采用橡膠履帶，由于材質(zhì)的原因，在機器人行走過程中，橡膠履帶會產(chǎn)生比金屬履帶更大的摩擦力，特別是管道機器人運行在有一定傾角或者豎直管道內(nèi)時，橡膠材質(zhì)的履帶的摩擦效果會更顯著。履帶式行走機構(gòu)與油氣管道壁面的接觸面積大，可以為機器人的運動提供足夠的摩擦力，增加機器人的負載能力。但履帶的整體結(jié)構(gòu)比較笨重，需要的轉(zhuǎn)彎半徑大，故在制作過程中要采用輕質(zhì)材料組裝履帶式行走機構(gòu)。履帶式行走機構(gòu)如圖2所示。

圖2 履帶式行走機構(gòu)

2.2 管道機器人變徑系統(tǒng)

機器人的整個變徑系統(tǒng)如圖3所示，包括機器人的變徑結(jié)構(gòu)和變徑驅(qū)動結(jié)構(gòu)。機器人的變徑機構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機構(gòu)，機器人主體上有4個帶有齒輪的圓環(huán)，這4個圓環(huán)是實現(xiàn)變徑的主要零件，可將4個圓環(huán)理解為連桿機構(gòu)的一部分。通過銷將圓環(huán)、連接架和履帶行走機構(gòu)的固定架聯(lián)接起來。履帶式行走機構(gòu)與履帶行走機構(gòu)固定架類似于另一個連桿。前后各有2個這種連桿機構(gòu)，在同軸不同向的齒輪傳動結(jié)構(gòu)的帶動下實現(xiàn)變徑。前后2個連桿機構(gòu)分別與1個齒輪傳動結(jié)構(gòu)相連。在電動機的帶動下，齒輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同方向的轉(zhuǎn)動，帶動左右4個圓環(huán)同時向上或向下運動，上面2個圓環(huán)的上下擺動主要是用于調(diào)節(jié)履帶行走機構(gòu)的高度，下面2個圓環(huán)的上下擺動主要是用于調(diào)節(jié)履帶行走機構(gòu)的角度，便于增大履帶與油氣管道內(nèi)壁的接觸面積。

圖3 機器人的變徑系統(tǒng)

3 管道機器人的整體裝配

在對新型變徑管道機器人的設(shè)計過程中，采用的是以本體為中心向周圍擴散的裝配方法，首先要對變徑機器人的各種機械零件和裝配結(jié)構(gòu)進行分析。使用SolidWorks 三維建模軟件完成機器人全部零件的設(shè)計和建模，并通過對各個零件進行合理的配合，組裝成整體機器人的裝配體，如圖4所示。

圖4 變徑管道機器人的整體裝配

4 結(jié)論

油氣管道是我國主要的能源輸送方式之一，油氣管道的好壞直接決定了油氣運輸?shù)男?。油氣管道檢測變徑機器人的設(shè)計和研發(fā)決定了油氣管道的檢測質(zhì)量?，F(xiàn)在市面上少有用于管道內(nèi)變徑的機器人，因此設(shè)計一種能適應(yīng)不同管徑的管道機器人是一種必要的途徑。對于變徑管道機器人，主要有以下幾個方面的研究：1）主要針對能夠適應(yīng)油氣變徑管道復(fù)雜情況的變徑管道機器人進行研究，設(shè)計了一種新型變徑結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)直徑范圍為300～350 mm的油氣管道；2）一種新型的連桿結(jié)構(gòu)的機器人變徑結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)變徑靈活，能夠完成一定范圍的變徑，并保證機器人的履帶機構(gòu)能夠很好地接觸到油氣管道內(nèi)壁；3）傳統(tǒng)的機械齒輪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)同軸不同向的轉(zhuǎn)動，設(shè)計靈活，并在一定程度上節(jié)省了空間，減少了機器人的制造成本；4）改造的履帶式行走機構(gòu)，兼顧管道機器人的變徑和行走功能，橡膠式履帶可以增大與油氣管的接觸面積，增大摩擦力，提高驅(qū)動能力和負載能力；5）采用三維建模軟件SolidWorks對機器人的各個零件進行設(shè)計、建模和裝配，直觀地體現(xiàn)出變徑管道機器人的整體情況，為搭建實物提供了依據(jù)。雖然本文設(shè)計的是針對油氣管道的變徑機器人，但是經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M，該機器人在其他類似的工程管道中也具有很好的實用性。