水下機(jī)器人坐管作業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

王榮耀，高宇清，廖逍釗

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島市 266580)

0 引 言

深海采礦揚(yáng)礦管和海底油氣輸運(yùn)管道在其服役過程中需要長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受管內(nèi)流體沖蝕、海水腐蝕以及海底洋流的作用，隨著作業(yè)時(shí)間的累積其作業(yè)的安全性必將不斷下降。基于海底環(huán)境的特殊性，海底管道維護(hù)的條件也極其苛刻，對(duì)其檢測(cè)、維修的難度大。一旦發(fā)生事故，將引起作業(yè)設(shè)備和作業(yè)工時(shí)的重大損失，并對(duì)周圍海洋環(huán)境造成污染[1-4]。隨著我國(guó)海底管道保有量和使用年限的增加，其在役檢測(cè)和修復(fù)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)課題[5]。

近年來，水下機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展，在深海礦產(chǎn)資源探采領(lǐng)域亦逐步應(yīng)用[6]。通過水下機(jī)器人進(jìn)行管外作業(yè)是海底管道檢修的重要方法，目前國(guó)內(nèi)已有的水下作業(yè)機(jī)器人由于缺乏可以貼合管道外壁進(jìn)行沿管道檢修作業(yè)的專用工具，無法直接用于海底管道的檢修作業(yè)。設(shè)計(jì)、開發(fā)一種用于水下作業(yè)機(jī)器人的沿管道檢修作業(yè)專用工具，對(duì)于降低海底管道檢測(cè)和修復(fù)作業(yè)成本、保障海底管道的長(zhǎng)時(shí)間安全服役意義重大。

1 坐管機(jī)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)

1.1 坐管機(jī)構(gòu)選型

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于沿管行走裝置的研究中，坐管行走機(jī)構(gòu)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式主要分為如下4種[7]：

(1) 氣動(dòng)蠕動(dòng)式行走裝置。該裝置采用蠕動(dòng)方式完成前進(jìn)和后退，行走的動(dòng)力來自于氣缸。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，但行走速度受到限制。考慮到步進(jìn)行走方式不便于海底管道的連續(xù)探測(cè)檢查作業(yè)，另外由于海底管道在水下環(huán)境工作，海水的壓力會(huì)使空氣壓縮嚴(yán)重，因此該方式不適用海底管道的檢修。

(2) 關(guān)節(jié)式管道行走裝置。該裝置通過其兩端的手爪交替抓緊管道實(shí)現(xiàn)沿管道的行走，通過各關(guān)節(jié)處的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)還可以實(shí)現(xiàn)沿管道的翻轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)行走。能順利通過彎管和T型管等特殊管段，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，因此不適用于對(duì)作業(yè)效率和可靠度具有較高要求的海底管道作業(yè)。

(3) 并聯(lián)式管道行走裝置。該裝置包括若干組腿，通過給每組腿輸入相應(yīng)的指令，可以實(shí)現(xiàn)其沿著管道行走。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制較為復(fù)雜，同時(shí)步進(jìn)行走方式不便于海底管道的連續(xù)探測(cè)檢查作業(yè)。

(4) 輪式管道行走裝置。該裝置通過輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿管道前進(jìn)，類似汽車的行進(jìn)方式。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制方便，適宜在平滑的管道上行走，但在彎管和不規(guī)則管道上行走時(shí)容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。由于海底管道一般很少出現(xiàn)變外徑以及大角度轉(zhuǎn)彎，且海底管道平鋪在海底，基本沒有需要攀爬的管段。因此選擇輪式行走方式作為坐管和沿管道行走的機(jī)構(gòu)形式。

1.2 坐管機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的坐管機(jī)構(gòu)主要包括用于連接水下機(jī)器人本體的卡箍、用于搭載作業(yè)工具的框架以及用于貼管壁行走的支撐輪，如圖1所示。其材料采用耐海水腐蝕能力比較強(qiáng)同時(shí)重量輕的高強(qiáng)度樹脂材料。

圖1 坐管機(jī)構(gòu)

坐管機(jī)構(gòu)與水下機(jī)器人本體的連接效果如圖2所示。系統(tǒng)浮心在上，重心在下，在海流等外力干擾下發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，通過重力和浮力產(chǎn)生的力矩作用可以自動(dòng)恢復(fù)豎直狀態(tài)，保證行進(jìn)過程中不發(fā)生傾倒。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)重量略大于浮力，沿管行進(jìn)過程中通過富余重力的作用提供坐管的附著力，使坐管機(jī)構(gòu)緊貼管壁。

圖2 坐管機(jī)構(gòu)與水下機(jī)器人本體的連接效果

2 坐管機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

對(duì)設(shè)計(jì)的坐管機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。在Solidworks軟件的Simulation模塊中建立分析模型，將坐管處視為固定約束，建立的模型見圖3。

圖3 坐管框架強(qiáng)度分析有限元模型

考慮10 kg的搭載重量，動(dòng)載荷按照靜載荷的2倍考慮，假定此載荷均勻分布在搭載框架上，計(jì)算得出的應(yīng)力情況如圖4所示。從圖4中可以看出，坐管框架的最大等效應(yīng)力為27.2 MPa，發(fā)生在上層框架兩端的連接處，小于材料的拉伸強(qiáng)度35 MPa和彎曲強(qiáng)度67 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

計(jì)算得出的變形情況如圖5所示。從圖5中可以看出，坐管框架的最大變形為1.35 mm，發(fā)生在上層框架的中間位置，變形量不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的干涉。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果

圖5 變形分析結(jié)

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)管道外機(jī)器人沿管行走裝置的主要類型進(jìn)行了對(duì)比和分析，最終選用了輪式行走方式作為水下機(jī)器人坐管機(jī)構(gòu)的行走方式，在此基礎(chǔ)上對(duì)坐管機(jī)構(gòu)的連接、搭載和行走支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2) 采用有限元方法對(duì)坐管機(jī)構(gòu)在工作載荷下的應(yīng)力與變形情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明坐管框架的最大等效應(yīng)力發(fā)生在上層框架兩端的連接處，其大小在許可范圍內(nèi)，最大變形發(fā)生在上層框架的中間位置，變形量不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的干涉。

(3) 本文研究的坐管作業(yè)機(jī)構(gòu)可為海底管道的檢修提供一種作業(yè)工具的參考方案，對(duì)于降低海底管道檢測(cè)作業(yè)成本、保障海底管道的長(zhǎng)時(shí)間安全服役具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張劍波,袁超紅.海底管道檢測(cè)與維修技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2005,34(5):6-10.

[2]王忠巍,曹其新,欒 楠,等.海底管道檢測(cè)機(jī)器人智能控制器的研制[J].高技術(shù)通訊,2008,18(2):142-146.

[3]葛 彤,虞蘇芳,連 璉,等.淺海管線檢測(cè)維修潛水器控制系統(tǒng)自航模試驗(yàn)[J].海洋工程,2005,23(2):49-55.

[4]陳 軍.海底管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2005.

[5]江 錦.幾種典型海底管道修復(fù)技術(shù)[A].中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì).第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集(上)[C]//中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì):2011.

[6]王榮耀,高宇清,臧 龍,等.深海探礦機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].采礦技術(shù),2017,17(5):69-72.

[7]羅 潔.管道攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及行走動(dòng)力特性分析[D].武漢：武漢科技大學(xué),2015.