魏鑫, 趙軍友*, 閆成新, 劉中平, 孫嘉峰, 張亞寧, 趙路豪

(1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266580; 2.山推工程機(jī)械股份有限公司, 濟(jì)寧 272073; 3.杭州?？禉C(jī)器人技術(shù)有限公司, 杭州 310000)

目前大型油罐內(nèi)壁噴砂除銹方法分為人工除銹和機(jī)械作業(yè)。人工除銹效率低、時(shí)間長,且砂料不回收,造成原料的較大浪費(fèi)。更為嚴(yán)重的是噴砂現(xiàn)場粉塵彌漫,環(huán)境污染非常嚴(yán)重,對工人的身體健康造成極大威脅[1]。機(jī)械作業(yè)主要利用磁吸附機(jī)器人進(jìn)行工作,負(fù)載能力小,安全系數(shù)較低[2-4]。由于油罐內(nèi)壁存在焊縫、人孔和排污管道等結(jié)構(gòu),爬壁機(jī)器人的工作路徑受到限制,只能對油罐內(nèi)壁部分區(qū)域進(jìn)行作業(yè)[5]。隨著中國儲油罐的大量修建以及對環(huán)境保護(hù)問題的日益重視,對環(huán)保高效除銹設(shè)備的需求越來越迫切。

近年來,學(xué)者針對傳統(tǒng)立式油罐防腐施工中腳手架搭建成本高、拆裝時(shí)間長的問題,提出了多種油罐除銹方案。張軍梁等[6]研究了油罐內(nèi)爬壁除銹機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),使用單軸/多軸控制模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制,經(jīng)過多項(xiàng)測試,控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。楊占力等[7]將爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)為左右車體,增加機(jī)器人的自由度,使爬壁機(jī)器人能夠自適應(yīng)曲面曲率的變化,工作在不同尺寸的油罐內(nèi)。王偉方等[8]將索并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于大型立式儲罐外側(cè)的檢修領(lǐng)域,設(shè)計(jì)了索并聯(lián)牽引機(jī)器人。控制繩索的長度和拉力就可實(shí)現(xiàn)動平臺的運(yùn)動控制,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減少了支撐桿搭建、拆卸的次數(shù)。王亮等[9]提出了旋轉(zhuǎn)吊架立式儲罐內(nèi)防腐施工方案,將腳手架簡化為對稱框架,利用電葫蘆實(shí)現(xiàn)吊架的升降,利用絲杠實(shí)現(xiàn)吊架的旋轉(zhuǎn)和固定。Keng[10]提出的除銹系統(tǒng)由配備激光制導(dǎo)夾具的機(jī)器人和遠(yuǎn)程地面站組成,其開發(fā)的可互換除銹噴漆執(zhí)行器具有較高的創(chuàng)新性,該系統(tǒng)節(jié)省了支架準(zhǔn)備時(shí)間,在防腐領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)為解決人機(jī)協(xié)作噴砂過程中控制系統(tǒng)時(shí)間延遲和噴嘴定位問題,Jientrakul等[11]提出了一種帶有Kalman濾波器的多級變化模型來降低遠(yuǎn)程噴砂控制系統(tǒng)的誤差和信號波動,經(jīng)過試驗(yàn)該系統(tǒng)可平滑輸出響應(yīng)信號,對不可控因素具有較好的魯棒性。莊園等[12]針對油罐內(nèi)除銹機(jī)器人避障問題,提出基于降級模糊算法的避障方法,即使在傳感器失靈的情況下機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)避障,保證了除銹工作安全,為除銹機(jī)器人的避障控制提供了新的思路。國內(nèi)外學(xué)者的研究雖已取得一定進(jìn)展,并未注重油罐內(nèi)壁具體的障礙結(jié)構(gòu),無法在油罐內(nèi)進(jìn)行大面積除銹,機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

在深入分析國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,現(xiàn)通過實(shí)地考察,基于大型油罐內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)式智能噴砂除銹系統(tǒng),從而提高大型油罐內(nèi)壁噴砂除銹工作的自動化水平,并利用ADAMS軟件對虛擬樣機(jī)進(jìn)行動力學(xué)仿真研究。

1 智能噴砂除銹系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對油罐內(nèi)復(fù)雜工況,除銹工作要求系統(tǒng)具有較高的除銹效率和良好的動態(tài)性能。旋轉(zhuǎn)式智能噴砂除銹系統(tǒng)以桁架軌道和特殊機(jī)械手為核心部件,配合罐外的噴砂回收裝置,實(shí)現(xiàn)在大型油罐內(nèi)進(jìn)行安全、環(huán)保、穩(wěn)定的除銹工作,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1為運(yùn)輸小車;2為桁架軌道;3為可伸縮支撐立柱;4為特殊機(jī)械手;5為爬壁小車;6為橫支桿

具體應(yīng)用時(shí)用吊車將旋轉(zhuǎn)式智能噴砂除銹系統(tǒng)各個部分送入油罐內(nèi)進(jìn)行組裝,然后連接罐外噴砂回收管道。爬壁小車使用伺服電機(jī)驅(qū)動,搭載特殊機(jī)械手按照設(shè)定動作通過鏈傳動沿桁架做噴砂運(yùn)動,自下而上開始局部噴砂除銹工作。當(dāng)特殊機(jī)械手在油罐頂部完成除銹工作后,運(yùn)輸小車順時(shí)針轉(zhuǎn)動一定角度,爬壁小車帶動特殊機(jī)械手運(yùn)動至桁架軌道底部,產(chǎn)生與之前并行的除銹帶,如此反復(fù)運(yùn)動,直到桁架軌道旋轉(zhuǎn)完120°時(shí),噴砂除銹工作結(jié)束,特殊機(jī)械手在爬壁小車的帶動下返回初始位置。

大型油罐智能噴砂除銹控制系統(tǒng)采用分層式主從控制體系,有自動控制模式和手動控制模式,通過一個工控機(jī)對多個下位機(jī)可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)進(jìn)行控制與監(jiān)測。特殊機(jī)械手可以基于機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,前端搭載了工業(yè)相機(jī),能夠采集除銹后的罐壁圖像并傳送到上位機(jī),如圖2所示,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法[13-14],采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對除銹后的罐壁表面質(zhì)量進(jìn)行自動判別,若判別除銹質(zhì)量較低,上位機(jī)自動控制特殊機(jī)械手對該區(qū)域再次進(jìn)行除銹工作,直至表面質(zhì)量符合要求。通過工業(yè)相機(jī)、特殊機(jī)械手、爬壁小車和運(yùn)輸小車的協(xié)同工作,完成噴砂過程的除銹質(zhì)量監(jiān)控及運(yùn)動決策控制,實(shí)現(xiàn)除銹作業(yè)的智能化,最終提高除銹的效率和質(zhì)量。

圖2 智能噴砂除銹系統(tǒng)工作界面

2 除銹系統(tǒng)剛體動力學(xué)仿真

為驗(yàn)證大型油罐智能噴砂除銹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足噴砂除銹工作的功能要求,采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛體動力學(xué)仿真分析,模擬旋轉(zhuǎn)式桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作過程,得到實(shí)際工況下系統(tǒng)構(gòu)件的特性曲線。

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)理論模型

采用歐拉-拉格朗日的方法對系統(tǒng)進(jìn)行建模,系統(tǒng)的每一個零件為一個單元,建立固接在單元上的坐標(biāo)系,單元的位形可通過一個公共參考系來進(jìn)行定義,采用6個笛卡爾廣義坐標(biāo)描述單元的位形,其中質(zhì)心的3個直角坐標(biāo)x、y、z確定單元的位置,連體基的3個歐拉角ψ、φ、θ確定單元的方位。

對系統(tǒng)單元建立廣義坐標(biāo)的拉格朗日運(yùn)動方程及其相應(yīng)的約束方程為

(1)

式(1)中:t為時(shí)間;K為系統(tǒng)的總動能;qj為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo);Φi為系統(tǒng)的約束方程;Fi為廣義坐標(biāo)上的廣義力;λi為拉格朗日乘子。

將式(1)轉(zhuǎn)化為矩陣形式可得

(2)

式(2)中:

系統(tǒng)中剛體的動能定義為

(3)

將式(3)代入式(2),合并為簡潔矩陣為

(4)

(5)

2.2 剛體動力學(xué)仿真分析

在ADAMS軟件中將模型導(dǎo)入,設(shè)置仿真環(huán)境,使用Table Editor功能批量為零件添加材料。然后對模型構(gòu)件添加約束、接觸力和驅(qū)動。采用沖擊函數(shù)法來定義接觸,它主要包括兩個部分,一個是兩構(gòu)件由于相互切入產(chǎn)生的彈性力,另一個是法向力方向上相對速度產(chǎn)生的阻尼力,其公式為

(6)

為避免系統(tǒng)出現(xiàn)過約束現(xiàn)象,橫支桿與軸承座之間采用基本副(點(diǎn)面副)來替代低副[15]。仿真過程中,在爬壁小車上施加單方向固定載荷以替代噴砂回收管線的質(zhì)量,噴砂除銹系統(tǒng)的主要約束及驅(qū)動如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要約束及驅(qū)動

通過ADAMS動力學(xué)求解器進(jìn)行運(yùn)動仿真,設(shè)置仿真時(shí)間為60 s,仿真步數(shù)1 000步,在仿真過程中忽略設(shè)備的安裝應(yīng)力以及溫度應(yīng)力對材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響,仿真過程如圖3所示。

圖3 虛擬樣機(jī)仿真過程

由仿真過程圖3可知,爬壁小車帶動特殊機(jī)械手依次沿直軌道、彎軌道和斜軌道進(jìn)行爬升運(yùn)動,3輛運(yùn)輸小車分別帶動3組桁架軌道繞立柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,運(yùn)動過程順暢,智能噴砂除銹系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)的功能要求。

通過剛體動力學(xué)仿真得到爬壁小車前、后承重輪Z軸方向(豎直方向)受力變化如圖4(a)所示,在直軌道運(yùn)行時(shí),爬壁小車前、后承重輪在Z軸方向受力很小,通過彎軌道時(shí),由于受到離心力作用,前、后承重輪的受力方向相同,均指向彎軌道圓心。隨著曲率變化,承重輪受力方向與負(fù)載方向逐漸趨于一條直線,輪組受力逐漸增大,直到運(yùn)行到斜軌道時(shí)受力趨于穩(wěn)定。由圖4(b)爬壁小車前、后承重輪X軸方向(油罐徑向方向)受力變化可知,爬壁小車工作在直軌道時(shí),由于爬壁小車底板受到特殊機(jī)械手、電機(jī)減速器等重力產(chǎn)生的彎矩,在前承重輪處產(chǎn)生X反向的力(拉力),后承重輪處產(chǎn)生X正方向的力(壓力),力的方向與驅(qū)動方向垂直。桁架軌道的不均勻彈性變形導(dǎo)致接觸處的摩擦力出現(xiàn)非線性變化,滾動摩擦力和滑動摩擦力交替發(fā)生[16-17],局部產(chǎn)生加速度,速度發(fā)生擾動。當(dāng)爬壁小車運(yùn)行在彎軌道及斜軌道時(shí),重力產(chǎn)生的彎矩減小,承重輪在X方向的力也隨之減小。通過以上分析,驗(yàn)證了爬壁小車與桁架軌道之間的相互作用力與理論受力情況基本一致,詳細(xì)分析小車承重輪受力情況,為后續(xù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖4 承重輪受力變化

為確定運(yùn)輸小車的運(yùn)動狀態(tài),查看轉(zhuǎn)彎過程,測量外側(cè)主動輪和內(nèi)側(cè)從動輪的速度變化。由圖5分析可知,運(yùn)輸小車的主動輪能夠保持平穩(wěn)勻速轉(zhuǎn)動,從動輪的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,存在上下波動,且速度變化頻率較高,這是因?yàn)閺膭虞喸谟凸薜酌孢\(yùn)動過程中不僅存在滾動,還存在滑動,兩種運(yùn)動的疊加使內(nèi)側(cè)從動輪的速度發(fā)生波動。主動輪與從動輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差使運(yùn)輸小車能夠繞可伸縮支撐立柱進(jìn)行圓周運(yùn)動。

圖5 內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速

3 除銹系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真

在上述虛擬樣機(jī)模型中,將桁架軌道作為剛體進(jìn)行動力學(xué)仿真,忽略了桁架軌道運(yùn)動時(shí)的變形,而在實(shí)際工作中由于桁架軌道較長而截面尺寸較小,且為鋁合金材質(zhì),這可能導(dǎo)致桁架軌道剛度較小,在啟、制動時(shí)存在晃動的情況,影響智能噴砂除銹系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[18]。同時(shí)將桁架軌道作為剛體進(jìn)行仿真,導(dǎo)致上軸承座與斜軌道搭接位置處受力情況不真實(shí),無法進(jìn)一步檢驗(yàn)軸承的疲勞壽命和強(qiáng)度。為研究智能噴砂除銹系統(tǒng)正常工作時(shí)桁架軌道的動態(tài)特性和上軸承座受力的真實(shí)情況,將桁架軌道進(jìn)行柔性化處理后再進(jìn)行動力學(xué)仿真。

為提高分析精度,采用有限元軟件HyperMesh生成柔性體的MNF文件[19]。智能噴砂除銹系統(tǒng)由3組桁架軌道組成,每兩組桁架軌道之間相隔120°,每組桁架軌道的受力、運(yùn)動相同。因?yàn)殍旒苘壍赖目臻g尺寸較大,生成的MNF文件中包含較多節(jié)點(diǎn)信息,為減少仿真時(shí)間,降低仿真復(fù)雜度,選取一組桁架軌道進(jìn)行動力學(xué)仿真,如圖6所示。對桁架軌道添加與剛性仿真相同的約束和載荷,為更好地模擬運(yùn)輸小車的啟、停對桁架軌道的影響,采用STEP函數(shù)編寫運(yùn)輸小車的驅(qū)動過程。

圖6 桁架軌道柔性體模型

3.1 桁架軌道動態(tài)性能分析

當(dāng)爬壁小車分別運(yùn)動到直軌道、彎軌道、斜軌道3個位置時(shí),對桁架軌道進(jìn)行動力學(xué)仿真。選擇直軌道上X、Y坐標(biāo)相同的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)作為參考點(diǎn),分別測量兩個參考點(diǎn)不同方向的位移曲線和速度曲線,研究在運(yùn)輸小車的啟、停階段,桁架軌道的長度是否引起晃動。

爬壁小車運(yùn)動到直軌道時(shí)得到兩參考點(diǎn)X方向的位移曲線和速度曲線如圖7所示。

圖7 位移、速度跟隨曲線

由圖7可知,運(yùn)輸小車在啟、停階段,桁架軌道上兩個參考點(diǎn)在X方向的位移和速度曲線幾乎重合,沒有明顯的晃動。運(yùn)動過程中,由于軌道是柔性體,直軌道最低點(diǎn)比最高點(diǎn)速度略大,測量兩參考點(diǎn)同一時(shí)間X方向的最大位移差為8 mm,最大速度差為12 mm/s。在運(yùn)動停止過程中,由于阻尼作用消耗系統(tǒng)能量,速度幅值逐漸衰減,兩參考點(diǎn)位移差逐漸減小,運(yùn)動停止后桁架軌道發(fā)生輕微變形。同理得出Y方向位移曲線和速度曲線圖,得到Y(jié)方向的最大位移差為9 mm,最大速度差為 14.5 mm/s。經(jīng)過分析,參考點(diǎn)之間較小的位移差和速度差不會影響旋轉(zhuǎn)式桁架結(jié)構(gòu)的正常工作,爬壁小車在直軌道運(yùn)動時(shí),桁架軌道整體跟隨性較好,沒有表現(xiàn)出明顯的慣性特征。

對運(yùn)輸小車設(shè)置同樣的驅(qū)動函數(shù),觀察爬壁小車運(yùn)動到斜軌道時(shí)桁架軌道的運(yùn)動狀態(tài)。根據(jù)仿真動畫和位移曲線,發(fā)現(xiàn)工況下桁架軌道在運(yùn)動過程中沒有明顯的晃動。但由于系統(tǒng)負(fù)載重心逐步上移,導(dǎo)致桁架軌道的穩(wěn)定性降低,上下兩端的同步性降低,所以兩參考點(diǎn)在Y方向上的位移差較大,最大值為16 mm。

爬壁小車分別運(yùn)動到直軌道、彎軌道、斜軌道3個位置時(shí),兩參考點(diǎn)在X、Y方向的最大跟隨位移差如表2所示。

表2 最大跟隨位移差

由表2分析可知,隨著爬壁小車沿桁架軌道向上運(yùn)動,兩參考點(diǎn)在X、Y方向上的最大跟隨位移差逐漸增大。但位移差相較于桁架軌道的運(yùn)動軌跡和自身尺寸較小,故可判斷智能噴砂除銹系統(tǒng)的慣性特征不明顯,動態(tài)性能良好,可以穩(wěn)定可靠地進(jìn)行噴砂除銹工作。

3.2 軸承受力分析

為確定上軸承工作過程中的最大受力值,進(jìn)而對上軸承的疲勞壽命和強(qiáng)度進(jìn)行校核,在斜軌道和上軸承座之間添加剛?cè)峤佑|,對爬壁小車在斜軌道的工作過程進(jìn)行仿真,測量上軸承座搭接處的接觸力,得到上軸承座的受力曲線如圖8所示。

圖8 上軸承座受力過程

當(dāng)爬壁小車工作在直軌道和彎軌道時(shí),自身重量大部分通過桁架軌道傳遞到運(yùn)輸小車上,上軸承座豎直方向受力較小,當(dāng)爬壁小車運(yùn)動到斜軌道時(shí),對軌道的作用力由運(yùn)輸小車和上軸承座共同承擔(dān),上軸承座豎直方向受力逐漸變大。由圖8可知,隨著爬壁小車沿斜軌道向上軸承座靠近,上軸承座受力越來越大,且與時(shí)間呈線性關(guān)系,其受力情況符合實(shí)際工作情況,測量上軸承座豎直方向的最大受力值為3 952 N,為后續(xù)對上軸承的校核工作提供了基礎(chǔ)。

3.3 斜軌道懸垂位移分析

為了解動載情況下,斜軌道的最大懸垂位移,測量斜軌道跨中位置在豎直方向的位移變化,以確定斜軌道的變形量,得到如圖9所示的位移變化圖。

圖9 斜軌道懸垂位移變化

由圖9分析可知,爬壁小車在斜軌道上運(yùn)動時(shí),跨中位置受到載荷作用先向下移動發(fā)生彈性變形,當(dāng)爬壁小車經(jīng)過后,跨中位置向上移動,軌道彈性變形恢復(fù),測得最大變形量為2.25 mm,變形量較小,不會對噴砂除銹工作產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

根據(jù)油田對大型油罐環(huán)保高效除銹設(shè)備的需求,設(shè)計(jì)了一套智能噴砂除銹系統(tǒng),能夠自動實(shí)現(xiàn)對大型油罐內(nèi)壁進(jìn)行安全、環(huán)保、高效的噴砂除銹作業(yè)。

(1)通過剛體動力學(xué)仿真,分析爬壁小車承重輪的受力狀態(tài),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)智能噴砂除銹系統(tǒng)的可行性與合理性。

(2)通過對系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡?得到參考點(diǎn)最大跟隨位移差為16 mm,相對于桁架軌道的運(yùn)動軌跡和空間尺寸較小,桁架軌道正常工作時(shí)跟隨性較好,慣性特征不明顯,不會產(chǎn)生晃動。

(3)研究了上軸承座的受力和斜軌道的懸垂位移變化情況,得到上軸承座最大受力載荷為 3 952 N,為下一步軸承的校核提供了基礎(chǔ);斜軌道最大懸垂位移為2.25 mm,不會影響噴砂除銹工作。

經(jīng)過對系統(tǒng)進(jìn)行多體動力學(xué)分析,驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足噴砂除銹工作的功能要求和動態(tài)性能要求,為大型油罐內(nèi)壁的除銹工作提供了一種切實(shí)可行的方案。