孫樂(lè)辰 萬(wàn)菁菁 杜天昊 楊 峰

(1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院 2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司東辛采油廠)

0 引 言

服役于石油運(yùn)輸?shù)墓艿篱L(zhǎng)期處于水、油及其混合物以及硫化氫等環(huán)境中，極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，隨著輸油管道服役年限的延長(zhǎng)，裂紋、錯(cuò)位等缺陷也會(huì)產(chǎn)生。為了避免管道事故的發(fā)生，必須對(duì)其定期進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)大型油田的例行檢測(cè)都采用外檢測(cè)法對(duì)管道接口處的焊縫進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)檩斢凸艿酪话懵裼诘叵?，檢測(cè)成本和維修成本均很高。相較于大型的油氣管道，小直徑的輸油管道檢測(cè)難度更大。為了對(duì)常用型號(hào)的輸油管道進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，設(shè)計(jì)一種能夠在管道中自主運(yùn)行、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、搭載檢測(cè)設(shè)備并適用于各型號(hào)輸油管道的檢測(cè)機(jī)器人具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬管道常用的檢測(cè)方法主要包括：超聲波檢測(cè)技術(shù)、漏磁檢測(cè)技術(shù)、X射線檢測(cè)技術(shù)及視頻圖像檢測(cè)技術(shù)等。超聲波檢測(cè)技術(shù)具有對(duì)管道性能無(wú)影響、受外干擾程度小、檢測(cè)準(zhǔn)確、設(shè)備輕便以及檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，將作為本設(shè)計(jì)的檢測(cè)方式?，F(xiàn)有石油管道機(jī)器人主要驅(qū)動(dòng)方式包括被動(dòng)式和主動(dòng)式，其中被動(dòng)式機(jī)器人依靠管道中石油的流動(dòng)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。北京航空航天大學(xué)的張逍[3]設(shè)計(jì)了一種由萬(wàn)向輪連接具有高自由度的管道檢測(cè)機(jī)器人，但這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)冗雜度高且被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式穩(wěn)定性較差。主動(dòng)式管道機(jī)器人有較多的結(jié)構(gòu)，其中包括輪式、履帶式及蠕動(dòng)式等。其中輪式的結(jié)構(gòu)靈活方便，但和管壁摩擦較小，在油氣管道中難以適應(yīng)環(huán)境。較為經(jīng)典的輪式結(jié)構(gòu)機(jī)器人有張永順等[4]研究的直進(jìn)輪式全主動(dòng)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。相對(duì)于輪式，蠕動(dòng)式機(jī)器人應(yīng)用更加廣泛，其通過(guò)交替重復(fù)的收縮和伸長(zhǎng)方式向前行進(jìn)，越障性能優(yōu)越，但能量損失大且牽引力小，例如德國(guó)的B.KLAASSEN等[5]研制的采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)6單元體的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人。履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人牽引力大、越障能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。筆者采用主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的同步輪帶式結(jié)構(gòu)，集成了履帶式和輪式的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且牽引力較強(qiáng)。同時(shí)基于超聲波檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種能夠自主獨(dú)立運(yùn)行,搭載檢測(cè)設(shè)備,保證較大范圍變徑及適應(yīng)較小直徑管道的內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人。

1 輸油管道超聲波檢測(cè)原理

超聲波是一種頻率大于20 kHz的彈性機(jī)械波，其檢測(cè)方法有很多，應(yīng)用最廣泛的是A型脈沖反射法。A型顯示是用點(diǎn)掃描方法分析系列波信號(hào)的幅值與時(shí)間的關(guān)系，并顯示在直角坐標(biāo)系中。脈沖反射法中超聲波發(fā)射后，其經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)所形成的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射。本文的超聲檢測(cè)模塊利用了A型脈沖反射法[6]，圖1為超聲波檢測(cè)原理圖。其中T代表發(fā)射脈沖信號(hào)，F(xiàn)代表缺陷回波信號(hào)，B代表底面回波。當(dāng)探頭發(fā)射脈沖信號(hào)，超聲波經(jīng)過(guò)聲耦合介質(zhì)進(jìn)入管道中，若無(wú)內(nèi)部裂紋缺陷，超聲波會(huì)直接到達(dá)材料底面，并反射回到探頭接收器中(見(jiàn)圖1a)；若存在內(nèi)部裂紋，則有部分超聲波能量在缺陷處反射，提前回到探頭中(見(jiàn)圖1b)；若存在腐蝕缺陷，腐蝕將導(dǎo)致待測(cè)件的厚度減小，使超聲波在材料中的反射距離變短，從而導(dǎo)致T信號(hào)與B信號(hào)從發(fā)射至返回時(shí)間間隔變短(見(jiàn)圖1c)[7]。

1—探測(cè)儀；2—待測(cè)件；3—內(nèi)部裂紋；4—腐蝕缺陷。

2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

我國(guó)輸油管道常用規(guī)格(外徑×壁厚)為：DN100(114 mm×7 mm)、DN150(159 mm×9 mm)、DN200(219 mm×9 mm)、DN250(279 mm×9 mm)、DN300(325 mm×10 mm)。設(shè)計(jì)機(jī)器人可憑借自身動(dòng)力在管道中行進(jìn),同時(shí)利用超聲波探傷對(duì)管壁上的腐蝕、裂口、錯(cuò)位、障礙物等多種缺陷進(jìn)行探測(cè)并記錄缺陷位置。設(shè)計(jì)包含以下模塊：驅(qū)動(dòng)模塊、變徑模塊、超聲波檢測(cè)與定位模塊。設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)器人設(shè)計(jì)流程圖

2.2 整體結(jié)構(gòu)組成說(shuō)明

機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、變徑模塊、超聲波檢測(cè)模塊和定位模塊。其中驅(qū)動(dòng)模塊使用同步帶和同步帶輪提升了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和越障能力；變徑模塊使用了基于滾珠絲桿的升降式變徑機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于控制且調(diào)節(jié)范圍大，能使機(jī)器人適應(yīng)不同管徑的石油管道；超聲波探測(cè)模塊使用了一種原創(chuàng)的雙彈簧伸縮、噴探一體式的超聲波探頭，能一定程度上實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的管壁缺陷探測(cè)；定位模塊則采用計(jì)數(shù)齒輪和計(jì)時(shí)器2種方式同時(shí)計(jì)數(shù)，規(guī)避了GPS等坐標(biāo)系統(tǒng)定位方式可能會(huì)出現(xiàn)的信號(hào)和精度問(wèn)題。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—驅(qū)動(dòng)模塊；2—變徑模塊；3—超聲波檢測(cè)模塊。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

管道機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)方式包含蠕動(dòng)式、蛇形、多足式、輪式、履帶式及螺旋前進(jìn)式等[2-8]。其中輪式又包括支撐輪式與車型式。而蠕動(dòng)式、蛇形、多足式運(yùn)動(dòng)方式具有運(yùn)動(dòng)效率低、行走不連續(xù)、穩(wěn)定性較差且運(yùn)動(dòng)自由度較為冗雜等缺點(diǎn)，不適用于執(zhí)行輸油管道內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的檢測(cè)任務(wù)。因此，本文將重點(diǎn)對(duì)比輪式、履帶式以及螺旋前進(jìn)式在攜帶檢測(cè)儀器、結(jié)構(gòu)與越障方面的性能。

輪式、履帶式及螺旋前進(jìn)式3種類型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力并且都便于攜帶檢測(cè)儀器。但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)效率而言，螺旋式的性能與另外2種相比明顯不足。在結(jié)構(gòu)方面支撐輪式最為簡(jiǎn)單，其次是螺旋式，履帶式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。對(duì)于需要在管道探測(cè)中重點(diǎn)考慮的越障和彎道通過(guò)性能，螺旋驅(qū)動(dòng)式對(duì)比另外2種都有明顯不足。履帶式在越障性能上優(yōu)于支撐輪式，但在彎道通過(guò)性上稍有不足。

綜合對(duì)比3種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求中管徑以及行走距離較長(zhǎng)和需要搭載檢測(cè)裝置的要求，選擇對(duì)輪式和履帶式進(jìn)行改進(jìn)以作為驅(qū)動(dòng)方式。由于支撐輪式結(jié)構(gòu)在越障性能上有所欠缺，所以，使用同步帶與同步帶輪來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的越障能力。同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)、傳動(dòng)平穩(wěn)的特性，而且具有緩沖和減振能力，噪聲低，傳動(dòng)效率高，節(jié)能優(yōu)勢(shì)顯著。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。同步帶傳動(dòng)傳輸具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1∶10。

由于管道尺寸限制，拖拽電纜的驅(qū)動(dòng)模塊所受阻力會(huì)大大增加，進(jìn)而影響檢測(cè)性能，所以采用6 V直流電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)為機(jī)器人行進(jìn)提供驅(qū)動(dòng)力。為了盡可能地節(jié)約空間，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成在驅(qū)動(dòng)模塊殼體內(nèi)部，通過(guò)一對(duì)錐齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換。有源驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用低壓無(wú)刷直流伺服電機(jī)，該類驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小、牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。該電機(jī)還配備有編碼器等，既便于對(duì)其進(jìn)行控制，又便于后續(xù)定位裝置的設(shè)計(jì)。為確保速度符合要求，電機(jī)前端使用180行星齒輪箱進(jìn)行減速，減速比為370。電機(jī)具體參數(shù)為：額定電壓6 V，額定轉(zhuǎn)速16 r/min，額定力矩15 N·cm，質(zhì)量0.069 kg，箱體長(zhǎng)度29.9 cm。驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—主動(dòng)錐齒輪;2—從動(dòng)錐齒輪;3—主動(dòng)輪輪轂;4—被動(dòng)輪輪轂;5—同步帶;6—驅(qū)動(dòng)電機(jī)及支撐座。

驅(qū)動(dòng)模塊的基本參數(shù)如表1所示。為了更好適應(yīng)DN100和DN150這2種較小管徑輸油管道，驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)為可拆卸裝置，所使用的同步帶輪半徑和驅(qū)動(dòng)模塊密封箱截面面積可減小至通用尺寸60%。結(jié)合所使用的180行星齒輪減速電機(jī)，可以設(shè)定該機(jī)器人的額定行進(jìn)速度為5 cm/s，單次檢測(cè)時(shí)間(1 km管道)為5 h。

表1 驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)鍵參數(shù) mm

為防止整個(gè)裝置動(dòng)力不足并解決支撐的問(wèn)題，一共采用了3組驅(qū)動(dòng)模塊。每1個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊包含2組同步帶與帶輪。為確保摩擦力足夠大，同步帶以鋼絲繩為強(qiáng)力層，外覆以聚氨酯橡膠的環(huán)形帶，通過(guò)活動(dòng)支架配合變徑用滑塊滑軌將整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊垂直壓在管壁上，使其可以與管壁完全相切。管道檢測(cè)機(jī)器人整體截面如圖5所示。

1—活動(dòng)支架;2—機(jī)器人主體;3—驅(qū)動(dòng)模塊;4—管道(?273 mm×9 mm)。

2.4 變徑模塊

針對(duì)需要保證機(jī)器人能夠適用于不同規(guī)格輸油管道的設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度變徑的結(jié)構(gòu)是必不可少的重要機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)變徑機(jī)構(gòu)的目的是在管道內(nèi)徑發(fā)生變化時(shí)，它能主動(dòng)或者被動(dòng)調(diào)節(jié)管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊的位置并使其能夠保持與管壁的接觸，從而保證機(jī)器人在管道中的正常行進(jìn)。

一般來(lái)說(shuō)，變徑機(jī)構(gòu)主要分為主動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)和被動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)。被動(dòng)變徑模塊可由彈簧等實(shí)現(xiàn)，主要功能是緩沖和微調(diào)等。主動(dòng)變徑模塊有升降式、蝸輪蝸桿式以及絲杠螺母式變徑機(jī)構(gòu)[2-9]?？紤]到渦輪蝸桿式變徑機(jī)構(gòu)剛度較低，傳動(dòng)效率低，同時(shí)絲桿螺母式變徑機(jī)構(gòu)可調(diào)范圍比較小，最終選用基于升降式變徑機(jī)構(gòu)配合活動(dòng)支架與滑塊滑軌來(lái)進(jìn)行變徑。

變徑模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。伺服電機(jī)會(huì)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)升降平臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)。升降平臺(tái)與固定平臺(tái)通過(guò)活動(dòng)支架與裝在驅(qū)動(dòng)模塊上的滑軌固定端以及滑軌移動(dòng)端相連。當(dāng)活動(dòng)平臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于活動(dòng)支架對(duì)力的傳遞，移動(dòng)滑塊會(huì)向左移動(dòng)，兩活動(dòng)支架間夾角θ減小，滑塊固定端到絲桿的垂直距離d增大，從而實(shí)現(xiàn)周向尺寸的改變。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)模塊上安裝有力傳感器，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行負(fù)反饋控制。設(shè)置最小壓力值Nmin，當(dāng)壓力值N≥Nmin時(shí)，力傳感器輸出高電平信號(hào)，即

1—伺服電機(jī);2—活動(dòng)支架;3—滑塊移動(dòng)端;4—滑塊固定端;5—絲桿;6—固定平臺(tái);7—升降平臺(tái)。

A1&A2&A3=1

(1)

式中：A1、A2、A3分別為3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊上力傳感器輸出的電平信號(hào)。此時(shí)，伺服電機(jī)停止工作，變徑過(guò)程完成。

同時(shí)為了保證機(jī)器與管壁貼合的緊密性，在力傳感器中增加一個(gè)最大壓力值Nmax。當(dāng)某一個(gè)壓力大于Nmax且仍有力傳感器未達(dá)到最小壓力值Nmin時(shí)，表明此時(shí)變徑機(jī)構(gòu)未能準(zhǔn)確貼合管壁，需要人工調(diào)整角度再次進(jìn)行變徑。

變徑模塊使用扭矩?cái)?shù)字電機(jī)，額定電壓為4.8 V，額定轉(zhuǎn)速0.14 r/min，額定轉(zhuǎn)矩109 N·cm，質(zhì)量為0.069 5 kg。變徑模塊關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 變徑模塊關(guān)鍵參數(shù) mm

2.5 超聲波檢測(cè)模塊

超聲波檢測(cè)分為靜態(tài)超聲波檢測(cè)和動(dòng)態(tài)超聲波檢測(cè)?？紤]到管道機(jī)器人負(fù)載的限制，對(duì)探頭數(shù)量要有所限制。為了保證管道檢測(cè)的全面性，采用動(dòng)態(tài)超聲波檢測(cè)方法。管道機(jī)器人的超聲波檢測(cè)模塊共有3個(gè)超聲波探頭，沿機(jī)器人的周向均布。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)探頭在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。

利用超聲波探頭檢測(cè)時(shí)，需要保證探頭能夠緊貼管壁，同時(shí)需要探頭與被測(cè)管壁之間沒(méi)有空隙[10]，因此耦合劑噴頭與變徑裝置的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。由于3個(gè)超聲波探頭須要同時(shí)實(shí)現(xiàn)變徑，所以設(shè)計(jì)了利用1個(gè)大直徑錐齒輪帶動(dòng)3個(gè)小直徑錐齒輪運(yùn)動(dòng)的探頭伸縮裝置，如圖7所示。當(dāng)下方步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大直徑錐齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與其嚙合的3個(gè)小錐齒輪都會(huì)沿順時(shí)針?lè)较蛲睫D(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)2件升降桿向外頂出，保證探頭能夠與管壁貼合。

1—小直徑錐齒輪;2—升降桿;3—絲桿;4—大直徑錐齒輪。

若探頭與管壁不能完全接觸(即存在空氣)，則會(huì)大大影響檢測(cè)的精度。單個(gè)超聲探頭截面如圖8所示。從圖8可以看出，大彈簧連接耦合劑噴頭，大彈簧內(nèi)部的小彈簧連接超聲波探頭。當(dāng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)升降桿伸長(zhǎng)時(shí)，耦合劑噴頭先接觸管壁，此時(shí)大、小彈簧同時(shí)開始被壓縮，當(dāng)壓縮量均為ΔL1時(shí)，大彈簧壓阻式力傳感器設(shè)置最小壓縮力，則有：

1—小彈簧(連接超聲波探頭與升降桿);2—大彈簧(連接耦合劑噴頭與升降桿);3—耦合劑噴頭;4—超聲波探頭。

(2)

耦合劑噴頭開始噴出耦合劑。耦合劑噴孔均勻分布在耦合劑噴頭內(nèi)壁上，從而保證探頭與管壁間不存在空氣并提升耦合劑的利用率。當(dāng)壓縮量均為ΔL2時(shí)，大彈簧壓阻式力傳感器設(shè)置最大壓縮力：

(3)

耦合劑噴頭停止工作。當(dāng)超聲波探頭能檢測(cè)并反饋數(shù)據(jù)后，導(dǎo)出此時(shí)壓阻式力傳感器上測(cè)出的壓縮力Nc，可以通過(guò)該數(shù)據(jù)獲得管道的精確內(nèi)徑。

2.6 定位模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)探測(cè)出油管中缺陷時(shí)，需要進(jìn)行定位。輸油管道一般埋于地下并且為金屬材質(zhì)，利用GPS定位會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定、定位精度較差的問(wèn)題[3]。為了能夠?qū)θ毕菸恢眠M(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)采用2種較為常見(jiàn)的定位方式。

第1種為里程輪計(jì)數(shù)法。假設(shè)檢測(cè)到缺陷m時(shí)計(jì)數(shù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為n，則該機(jī)器人此時(shí)運(yùn)動(dòng)里程計(jì)算式為：

X1m=2πRn

(4)

式中：X1m為利用里程輪計(jì)數(shù)法測(cè)得缺陷m時(shí)的運(yùn)動(dòng)里程，cm；R為同步帶輪半徑，cm；n為檢測(cè)到缺陷m時(shí)計(jì)數(shù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。

由于機(jī)器人在石油管道中可能發(fā)生打滑現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)動(dòng)里程Xm可能小于測(cè)得缺陷m時(shí)里程X1m。

第2種方式通過(guò)時(shí)間進(jìn)行定位。機(jī)器人配備速度傳感器，相關(guān)計(jì)算式為：

ve=2πRω

(5)

式中：ve為機(jī)器人額定運(yùn)動(dòng)速度，cm/s；ω為同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到達(dá)額定速度ve并保持勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)速度變化超過(guò)極限值(該數(shù)值應(yīng)在樣機(jī)多次試驗(yàn)基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)給出)時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)直至速度恢復(fù)到允許區(qū)間。假設(shè)檢測(cè)到缺陷m所用時(shí)間為t，則可近似得到此時(shí)運(yùn)動(dòng)里程計(jì)算式為：

X2m=2πωRt

(6)

式中：X2m為利用時(shí)間定位法測(cè)得缺陷m時(shí)的運(yùn)動(dòng)里程，cm；t為檢測(cè)到缺陷m時(shí)所用時(shí)間，s。

由于加速階段與遇到障礙等時(shí)間不計(jì)，實(shí)際位置Xm可能大于X2m。

根據(jù)2種定位測(cè)量方式，可采用加權(quán)平均的方式得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，即

Xm=0.5(aX1m+bX2m)

(7)

式中：參數(shù)a和b為通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的權(quán)重常數(shù)，無(wú)量綱。

3 機(jī)器人關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

3.1 變徑模塊關(guān)鍵參數(shù)

圖9為單變徑模塊關(guān)鍵幾何參數(shù)示意圖。其中：l為活動(dòng)支架連桿的長(zhǎng)度；h1為升降平臺(tái)初始位置距固定平臺(tái)的距離；d表示升降平臺(tái)移動(dòng)的距離，h2為絲桿中軸線和滑塊移動(dòng)端的距離；α為單根活動(dòng)支架與管道軸線的夾角，并隨著d的變化而變化。

1—活動(dòng)支架連桿；2—升降平臺(tái)；3—固定平臺(tái)；4—滑塊移動(dòng)端。

通過(guò)幾何關(guān)系的分析，首先可以得到α和d的關(guān)系式：

(8)

因?yàn)闈L珠絲桿連接的升降平臺(tái)進(jìn)行勻速升降運(yùn)動(dòng)，故可以得到：

d=vt

(9)

結(jié)合式(8)、式(9)，得出活動(dòng)支架的角速率和變徑速率分別為：

(11)

式中：ω為活動(dòng)支架的角速率，rad/s；v0為活動(dòng)支架的變徑速率，mm/s;v為升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度，mm/s;t為升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

已知升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度v和滾珠絲桿的導(dǎo)程S1，可以得到控制絲桿的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n1；若伺服電機(jī)的功率恒定為P，則同時(shí)可得其扭矩T：

(12)

(13)

式中：n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；S1為滾珠絲桿導(dǎo)程，mm；P為伺服電機(jī)功率，W；T為電機(jī)扭矩，N·m。

3.2 超聲波檢測(cè)探頭模塊關(guān)鍵參數(shù)

圖10為超聲波檢測(cè)模塊中圓錐齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖。兩輪的傳動(dòng)比和角速度與齒輪本體幾何尺寸參數(shù)的關(guān)系為：

圖10 超聲波檢測(cè)模塊直齒圓錐齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

(14)

式中：i12為傳動(dòng)比；ω1、ω2為控制大、小錐齒輪的伺服電機(jī)的角速度，rad/s;d1、d2為大、小錐齒輪分度圓直徑，mm;δ1、δ2為大、小錐齒輪分度圓錐角，(°)。

由式(14)可得：

(15)

(16)

已知小錐齒輪連接的絲桿的導(dǎo)程為S2，可以推導(dǎo)出超聲波探頭的運(yùn)動(dòng)速度v2計(jì)算式為：

(17)

3.3 機(jī)器人最小過(guò)彎半徑

通過(guò)機(jī)器人的總長(zhǎng)度和寬度可以計(jì)算出其最小可通過(guò)彎道的曲率半徑。圖11為機(jī)器人通過(guò)彎道時(shí)的輪廓和幾何參數(shù)示意圖。其中：L為機(jī)器人的長(zhǎng)度；h為機(jī)器人的直徑；R0和r0分別為管道外側(cè)和內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的曲率半徑。已知管道的直徑為D，可以得到下列關(guān)系式：

圖11 機(jī)器人通過(guò)彎道示意圖

D=R0-r0

(18)

由圖11與式(18)可以得到以下方程：

(19)

式中：L為機(jī)器人的長(zhǎng)度，mm。

最終求得最小可過(guò)彎的管道外側(cè)曲率半徑為：

(20)

式中：h為機(jī)器人的直徑,mm。

在Solidworks模型的設(shè)計(jì)參數(shù)中，機(jī)器人最大直徑hmax≈318 mm,最小直徑hmin≈110 mm,L≈213 mm，可適應(yīng)的管道直徑D的范圍為114～325 mm。分別將最大管道直徑和最小管道直徑代入式(20)可以得到：R0≈813 mm和1 891 mm。

由此可知，在管道直徑最大時(shí)機(jī)器人的最小過(guò)彎半徑為813 mm，在管道直徑最小時(shí)機(jī)器人的最小過(guò)彎半徑為1 891 mm。

3.4 機(jī)器人超聲波檢測(cè)探頭軌跡覆蓋率

超聲波探頭移動(dòng)速度示意圖如圖12所示。從圖12可見(jiàn)，超聲波探頭的移動(dòng)速度由2個(gè)方向的速度分量組成，一個(gè)是沿管道方向的vh，另一個(gè)是與管壁相切方向的vt。若將整個(gè)管壁在平面上展開可以發(fā)現(xiàn)，探頭在2個(gè)相互垂直的方向分別做勻速直線運(yùn)動(dòng)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。假設(shè)探頭在往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分的加、減速時(shí)間極短并滿足勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度大小均為vt，則探頭的探測(cè)范圍是以探頭和壁面接觸點(diǎn)為圓心，直徑為d0的圓面。圖13為探頭在管壁平面展開圖上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的軌跡和探測(cè)范圍示意圖。

圖12 超聲波探頭移動(dòng)速度示意圖

圖13 軌跡和探測(cè)范圍示意圖

已知管道的直徑，檢測(cè)探頭移動(dòng)線速度vt，可以得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算式:

(21)

式中：nm是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

(22)

單個(gè)探頭在一個(gè)周期內(nèi)沿管道方向的運(yùn)動(dòng)距離L1計(jì)算式為：

(23)

根據(jù)幾何關(guān)系，半個(gè)周期內(nèi)的未檢測(cè)區(qū)域的面積Au計(jì)算式為：

(24)

式中：d0為以探頭和壁面接觸點(diǎn)為圓心的圓形探測(cè)范圍直徑，mm。

單個(gè)探頭一個(gè)周期的期望檢測(cè)面積A計(jì)算式為：

(25)

最終計(jì)算總的被檢測(cè)概率Pj為：

100%

(26)

為了提高單次檢測(cè)的覆蓋率，行進(jìn)速度vh調(diào)節(jié)為5 cm/s,nm約為0.2 r/min，d0=50 mm，代入式(26)可得缺陷總被檢測(cè)概率為84%。

4 基于COMSOL的超聲探測(cè)仿真

4.1 待測(cè)件的幾何建模和參數(shù)設(shè)置

當(dāng)物體某個(gè)部分受力時(shí)，該處會(huì)發(fā)生彈性變形，能量會(huì)以波的形式向周圍擴(kuò)散，整個(gè)物體也會(huì)發(fā)生變形，這個(gè)傳播過(guò)程需要用固體力學(xué)中彈性動(dòng)力學(xué)模型解釋[11-12]?；贑OMSOL的有限元仿真可以利用固體力學(xué)模塊和壓力聲學(xué)模塊的耦合，可視化地模擬待測(cè)件在被探測(cè)過(guò)程中超聲波的傳播規(guī)律，以驗(yàn)證超聲波檢測(cè)的可行性。

為了簡(jiǎn)化仿真模型、提高有限元軟件的分析效率，可以將超聲波在石油管道材料中的傳播問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力問(wèn)題，因此可以將石油管道設(shè)計(jì)為二維截面模型。同時(shí)為了使超聲波傳播過(guò)程更加清晰，選取截面一小部分進(jìn)行分析。管道截面二維仿真模型如圖14所示。將圓弧幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為矩形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部缺陷是長(zhǎng)寬比為3∶1的矩形，表面腐蝕設(shè)計(jì)為部分厚度減小的幾何結(jié)構(gòu)。

圖14 仿真二維幾何模型

在軟件的參數(shù)設(shè)置中，待測(cè)件材料使用碳素結(jié)構(gòu)鋼，置于空氣域中。對(duì)于超聲激勵(lì)信號(hào)的選擇，采用一個(gè)周期的5 MHz正弦震蕩信號(hào)[13-14]，并經(jīng)過(guò)Hanning窗進(jìn)行調(diào)制，最終得到表達(dá)式為：

(27)

式中：F為t時(shí)刻的信號(hào)值，無(wú)量綱；f為震蕩信號(hào)的頻率，MHz。

為了減少簡(jiǎn)化模型對(duì)超聲波傳播的影響，需要將矩形的兩個(gè)側(cè)邊設(shè)置為低反射邊界，其余為自由邊界。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖15為該管道機(jī)器人超聲波檢測(cè)仿真的流程。首先耦合劑噴頭伸長(zhǎng)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)，噴頭緊貼住管壁開始噴出耦合劑。當(dāng)超聲波探頭伸長(zhǎng)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí),耦合劑噴頭停止工作，此時(shí)信號(hào)接收裝置收到反射回的聲波并進(jìn)行判斷。若判斷為缺陷，則將讀取里程輪與計(jì)時(shí)器中數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存在內(nèi)置儲(chǔ)存卡中。圖16為仿真軟件中探頭與待測(cè)輸油管道管壁的接觸結(jié)構(gòu)。

圖15 超聲波檢測(cè)的流程

圖16 管道機(jī)器人超聲波探頭與管道接觸仿真結(jié)構(gòu)

對(duì)于信號(hào)處理模塊單元，本文對(duì)3種不同情況下的信號(hào)接收裝置接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行了物理場(chǎng)仿真。預(yù)處理后，建立物理場(chǎng)對(duì)待測(cè)件進(jìn)行研究計(jì)算。圖17是超聲波在完好管道工件中的傳播圖。其中：圖17a為傳播初始階段；圖17b中，超聲波在1.7 μs時(shí)到達(dá)底面；圖17c中，超聲波發(fā)生在接觸底面后反射；圖17d中，反射后的波在3.3 μs時(shí)回到激勵(lì)處。

圖17 超聲波在完好管道工件中的傳播示意圖

圖18是超聲波在有內(nèi)部缺陷的管道工件中的傳播。在圖18b中，當(dāng)波到達(dá)裂紋處時(shí)，直接接觸的部分由于空氣聲阻抗遠(yuǎn)大于鋼材料，發(fā)生全反射；在1.6 μs時(shí)提前回到頂面，如圖18c所示；剩余部分在3.3 μs時(shí)回到激勵(lì)處，如圖18d所示。

圖18 超聲波在存在內(nèi)部缺陷的管道工件中的傳播示意圖

圖19是超聲波在存在表面腐蝕的管道工件中的傳播示意圖。由于受腐蝕的管道部分厚度較完好管道小，超聲波傳播的距離變短，所以超聲波在1.3 μs便到達(dá)底面，如圖19b所示。超聲波會(huì)在2.3 μs回到激勵(lì)處，比正常情況下少1 μs，如圖19d所示。

圖19 超聲波在存在表面腐蝕的管道工件中的傳播示意圖

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人采用有源驅(qū)動(dòng)模塊，可在輸油管道內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行。額定運(yùn)動(dòng)速度為5 cm/s,最大測(cè)試運(yùn)動(dòng)距離為1 km，最小過(guò)彎半徑為813 mm。

(2)驅(qū)動(dòng)模塊創(chuàng)新使用了同步帶，大大增強(qiáng)了越障能力及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

(3)在管道機(jī)器人變徑模塊的設(shè)計(jì)上改進(jìn)了傳統(tǒng)的升降式變徑機(jī)構(gòu)，使其變徑范圍可達(dá)到114～325 mm。

(4)根據(jù)超聲波檢測(cè)理論，該管道機(jī)器人可以通過(guò)超聲波探頭與耦合噴頭相互配合的方式對(duì)輸油管道管壁進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)仿真與計(jì)算，探頭理想探測(cè)范圍占管道內(nèi)壁面積的84%。