液壓驅動伸縮式管道機器人設計

宋海強　王述博（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110168）

液壓驅動伸縮式管道機器人設計

宋海強王述博
（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110168）

管道是物質和能源輸送的重要工具之一，被廣泛應用于核電、煤氣、石油、醫療等多個領域。管道機器人作為一個運輸工具廣泛應用于管道的檢測、維護等工作中。管道的檢測對于提高產量和效率具有重要的作用，研制液壓驅動伸縮式管道機器人裝置對提高測井技術有著重要意義。文章介紹了一種液壓驅動伸縮式的管道機器人的方案設計，相比其它的驅動方式具有更大的牽引力和牽引速度，希望能給從事本行業的同仁們一點參考依據。

液壓驅動 伸縮式 管道機器人

在航空航天、國防、石油天然氣、化工業、市政等領域中，管道機器人因具有可控性強、作業范圍廣等特點被廣泛應用于各種管道內的機能動作實現、檢測和維護等。目前國內外對管道機器人的研究較為廣泛。大多數已實用的管道機器人多以電力驅動電機直接作為機器人的動力。在管道內徑的限制條件下，特別是動作較多的機器人，必然需要每個動作都需要至少一個電機驅動，這往往導致機器人傳動機構較為復雜，給設計、加工、裝配等帶來困難，從而帶來成本的高昂和可靠性降低。國外現已有部分領域開始探索使用液壓動力驅動機器人，不同的動作之間只需要簡單的管線連接即可實現動力的傳遞，具有結構簡單、可靠性高、便于控制等優點。

1　液壓驅動伸縮式管道機器人技術現狀

液壓驅動伸縮式管道機器人的主要特征是設備本體攜帶微型液壓站，為機器人的各個動作提供動力，實現前端抓靠—收縮—后端抓靠—前端放松—伸出的循環前進過程。目前國外幾家公司已針對石油領域開發了幾款液壓驅動伸縮式管道機器人，并投入了實際使用，國內目前沒有此類的研究應用。

Schlumberger公司伸縮式爬行管道牽引器系統外徑為54mm，長度9.8m，速度為671m/h，牽引力大小為445kg。

Smartract公司伸縮式牽引器先后在加拿大和墨兩哥灣進行了測井作業，不借助其他設備，其牽引距離接近12192m。其外徑為54 mm，長9144mm.可用于雙向操作，牽引力為454kg，牽引速度545m /h。

2　管道機器人設計

2.1管道機器人的組成和動作過程

管道機器人的組成如圖1所示。

主要動作機構包括兩個支撐三爪架和伸縮機構，其結構特點：（1）采用三爪臂，能自動定心，撐緊內壁：（2）采用獨特的抓靠臂結構，三點離散與管壁結合。另外還包括提供動力的液壓泵及其驅動電機、油箱、控制閥、結構本體等。

動作過程：前爪撐起與管壁接觸固定——伸縮筒收縮，后半部分被拉向前面——后抓撐起，抵住管壁固定——前爪收回——伸縮筒伸出，前半部分被推出。依次循環，實現推進。

該機器人具有輕巧、牽引力大，對動力源功率需求小、地面設備緊湊、易于運輸等優點。抓緊式的爬行方法有選擇的與管擘間距接觸，管內越障能力強；雙方向（推/拉）驅動方式對接卡和長水平段起收電纜更具優勢，代表了最先進的管道機器人的類型之一。

2.2主要設備的結構和工作原理

圖1　管道機器人組成

圖2　3爪支撐架

圖3　液壓原理圖

支撐架是伸縮式機器人的主要動作部件，本設計采用三爪連桿機構，具有自動定心、強度高、剛度好的特點。在支撐液壓缸的推桿的軸向運動驅使下，連桿機構的支撐梁做徑向張開運動，并撐住管道內壁，在摩擦力的作用下為機器人前進提供支撐作用。支撐梁結構如圖2所示。

如圖3所示，液壓泵從油箱中抽取液壓油，經過單向閥，流經3個方向控制閥。3個方向控制閥分別控制前支撐液壓缸、伸縮缸、后支撐液壓缸。根據設定好的程序，三個油缸按照順序動作，實現機器人的伸縮爬行。

圖4　支撐架油缸力分析

2.3設計計算

伸縮式管道機器人的主要參數體現在牽引力和爬行速度兩方面。牽引力主要體現在伸縮油缸的拉力和支撐架的支撐力兩方面。爬行速度則由伸縮油缸速度和實現支撐的時間決定。

2.3.1牽引力相關（油缸內徑）計算

根據油缸推力公式，可以計算出伸縮油缸內徑。

F拉：伸縮油缸拉力

R：油缸內徑半徑

P：液壓壓力

根據支撐架結構（圖4），計算出支撐油缸推力，進而計算出支撐油缸內徑。

將力按XY軸分解，得出力平衡方式如下：

另根據虛功原理，可得平衡方程：

F推：支撐油缸推力

F支1：支撐點1作用力

F支2：支撐點2作用力

F壓：管壁壓力，可根據要求的支撐力和管壁摩擦系數計算得出l：F推虛功位移

t：F壓虛功位移

其中，根據固定的支撐架幾何關系，在式4中，可最終把虛功位移相互抵消，最終由式2、式3、式4聯合解出支撐油缸推力F推，再根據油缸推力公式得出油缸內徑。

2.3.2爬行速度計算

機器人爬行周期包含伸縮油缸的伸縮動作和上/下支撐架的支撐動作，因為3個動作為順序動作，所以一個運動周期的時間為三個動作時間的和。

T：1個運動周期的時間

t1：=伸縮油缸時間

t2：支撐架撐起時間

t3：支撐架收回時間

2.3.3伸縮油缸時間

L：液壓泵額定流量

R：伸縮油缸內徑

X：設定伸縮油缸行程

t2和t3的計算同伸縮油缸時間。

2.3.4機器人運行速度計算

V：機器人運行速度

4　結語

液壓驅動伸縮式管道機器人由于其本身具有的大行程和牽引力的優點具有廣闊的應用前景，開發出相應微型的大功率電機、高壓大排量液壓泵、控制閥塊等元器件并實現標準化，是實現其及早國產化的主要方向。

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