水下管道清污機器人艙體及清理機構設計*

張祥祥 ， 倪 援 ， 檀 祎 ， 邢 為 ， 谷 芳

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 咸陽 712100）

0 引言

隨著科學技術的發展，水下管道被廣泛應用于能源開采、漁業養殖等各個方面。管道長期在水下浸泡，其表面極易附著浮游生物及其他垃圾，這使得管道被嚴重腐蝕。1998年到2012年，國內報道過的管道泄漏重大事故共19起[1]，造成了巨大的經濟損失。導致管道泄漏的因素很多，其中，被腐蝕是引起管道失效的重要原因之一[2-3]。

對管道進行清理是減緩管道腐蝕的有力措施，現階段的研究大多針對水下管道內壁的清理，而較少關注淺水區管道外壁的清理。最常用清理方式是潛水員下潛[4]完成清理，然而人工清理費時費力，成本較高。傳統無纜水下機器人大多利用水下推進器完成下潛[5]，此過程需要推進器持續高強度工作以保證其在水下穩定懸浮，消耗電能較多且續航時間較短。對管道外壁的清理方式較為簡單，如鐘思等[6]設計的水下管道清理機器人清理方式僅為機械爪夾持管道進行機械性撞擊，但是此種清理方式清理不全面，效果欠佳。課題組設計了一種適用于淺水區域的水下管道清污機器人。該機器人通過改變自身重力實現上浮下潛，通過機械爪清理管道外壁，具有結構簡單、可控性好、便于制造等優點，能夠在提高清理效果的同時，利用自身重力使機器人在水下穩定運行，減少對電能的消耗。

1 整機設計

課題組使用SolidWorks軟件設計了水下機器人的三維模型如圖1所示。該清污機器人主要由艙體、氣泵、水泵、機械爪、水下推進器等組成，搭載開發板、攝像頭、電池等必要控制器件及其他零件。

圖1 水下機器人三維圖

艙體由支架固定在支撐板中部，兩個水下推進器對稱分布在艙體兩側，水泵位于艙體一側尾部，安裝在支撐板上，開發板、攝像頭、電池等控制器件位于艙體內的中前部，氣泵位于艙體內的尾部，機械爪安裝在支撐板下方靠近艙體頭部的位置。

2 艙體設計與校核

2.1 艙體設計

2.1.1 艙體設計原理

目前大型潛航器大多通過改變自身重力實現上浮下潛，其能保證在水下穩定懸浮，利用推進器完成水底巡航、探測等任務。根據這一原理，課題組通過艙體設計，利用水泵和氣泵配合實現向艙體內注水和排水來改變機器人自身重力，保證機器人在水下穩定運行，避免使用較多水下推進器，實現機器人下潛并維持水下穩定運行，減少對有限電能的消耗。

2.1.2 艙體結構設計

艙體頭部為半球形殼體，中部為圓柱形殼體，尾部有凸緣，均布通孔用于與密封蓋連接。艙體內分為上下兩層，其內部結構如圖2所示。上層為蓄水艙，下層為控制艙。蓄水艙內部裝有氣囊，與控制艙的氣泵相通。外側頂部靠近艙體頭部和尾部位置分別留有圓柱孔，孔口由帶有密封片的圓形鐵片密封，鐵片通過鉸鏈裝在孔口上，鐵片密封側連接小彈簧，提供一定拉力，使其緊貼孔口。圓柱孔邊緣安裝錐帽，錐尖開設小孔，當蓄水艙壓力過大時用于排水或排氣。艙體尾部用兩個扇形密封板分別對控制艙、蓄水艙密封，密封蓄水艙的密封板開設進水口和進氣口，進水口與水泵相通，進氣口與氣囊相通。密封控制艙的密封板開設出氣口，氣泵通過出氣口與氣囊相通。

圖2 艙體二維圖

艙體工作原理如下：通過控制蓄水艙內水的體積來改變機器人自重，實現機器人的上浮下潛。控制系統通過控制水泵向蓄水艙注水，當蓄水艙內的壓力略高于外界壓力時，在內外壓力差的作用下，艙體頂部密封片打開，艙內氣體排出。蓄水艙蓄水后機器人重量增加，實現下沉。錐形小孔能夠抑制或減緩外界的液體進入蓄水艙，當蓄水艙內壓力與外界相等時，密封片在彈簧拉力下閉合。控制系統通過控制氣泵將控制艙內的氣體抽到蓄水艙的氣囊內，當蓄水艙內的壓力略高于外界壓力時，艙體頂部密封片打開，蓄水艙內的水通過艙體頂部的排氣孔排出艙外，機器人重量減輕，實現上浮。

2.2 艙體結構校核

水下機器人的艙體是核心部件，是保障機器人在水下正常運行的關鍵，艙體需要考慮其在水下的壓力、透光性及密封性能。課題組設計的艙體選用PMMA材料，其抗壓強度為90 MPa～130 MPa，取安全系數為1.5，取許用應力為60 MPa。根據模擬水下機器人工作深度為5 m的條件，設計艙體尺寸參數如表1所示。

表1 艙體尺寸參數

根據液體壓強公式：

得出5 m水壓約為0.05 MPa。假定大氣壓為0.1 MPa，則水下5 m壓力約為0.15 MPa。由基爾霍夫-樂甫假設可知，球殼應力公式：

圓柱殼體應力公式：

球殼應力小于圓柱殼體應力，將參數代入公式可知圓柱殼體應為1.95 MPa，遠小于材料許用應力，能夠保證裝置安全工作。

2.3 艙體仿真分析

在ANSYS Workbench中，設定PMMA密度為1.19 kg/m3，楊氏模量為3.16×109Pa，泊松比為0.32。在Mash中進行網格劃分，選擇靜水壓力分析[7]，設置自由液面高度為5 m，密封蓋側面為固定支撐面。形變量計算結果如圖3所示，等效應力計算結果如圖4所示。

圖3 艙體形變量

圖4 艙體等效應力

根據圖3艙體形變量計算結果，艙體最大變形為0.094 mm，相對于整體設計尺寸可忽略不計。根據圖4艙體等效應力計算結果，艙體最大等效應力為1.956 MPa，遠小于材料抗壓強度90 MPa～130 MPa，能夠保證裝置安全工作。

3 機械爪設計與校核

3.1 機械爪設計

機械爪由半圓形卡槽、半圓形毛刷[8]、舵機等組成。兩個半圓形卡槽分別固定在兩個防水舵機上，兩防水舵機并列相向安裝在支座內，支座安裝在支撐板下方。在兩機械爪中間一側安裝舵機，該舵機的舵盤安裝外伸軸。毛刷安裝在卡槽內，毛刷一端由彈簧連接在卡槽末端，另一端系繩纏繞在外伸軸上，同時保證兩條連接毛刷的繩子在外伸軸上纏繞方向相反。毛刷面與卡槽內表面存在1 mm～2 mm的距離，使機械爪夾持管道時，保證毛刷能夠在卡槽內往復滑動。機械爪結構如圖5所示。

圖5 機械爪結構

機械爪工作原理如下：機械爪的半圓形卡槽可根據管道外徑進行更換。控制裝置控制舵機帶動機械爪開合，實現對管道的夾持與釋放。當機械爪夾持管道時，中間舵機往復轉動，實現對繩子的收緊與釋放，配合卡槽末端彈簧的拉伸與復原，帶動毛刷在卡槽內往復滑動，實現對管道外壁的清理。機器人在水下推進器的作用下沿管道前進，卡槽外緣能將較大淤泥等附著物撞掉，毛刷對剩余附著物進行進一步清理。

3.2 機械爪仿真分析

給定模擬管道直徑為60 mm，設計卡槽內徑比管道直徑略大，在保證毛刷有效清理管道的同時，有利于污垢清理后的脫落，同時能夠避免卡槽與管道的剛性接觸，從而降低管道對卡槽的反作用力。這對選擇合適扭矩的舵機、降低成本、保護管道有重要意義。機械爪卡槽設計參數如圖6所示。

圖6 卡槽設計參數

毛刷在卡槽內滑動時受到舵機和彈簧的兩側拉力，當毛刷被舵機外伸軸拉到極限位置時，彈簧變形量最大，其最大值應小于等于安裝外伸軸的舵機最大扭矩所提供的拉力。假定選用KM1850MD型防水舵機，該型號防水舵機在6 V電壓下可提供0.2 N·m的扭矩。取外伸軸直徑為15 mm，此時舵機能夠提供27 N的拉力，則彈簧拉力最大為27 N。根據牛頓第三定律可知，卡槽末端受到彈簧最大拉力為27 N，同時受到來自毛刷沿內表面的漸變壓力。

在ANSYS Workbench中選擇靜態結構分析模塊[9]，設置316不銹鋼的楊氏模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，導入模型后劃分網格，選定爪柄槽口表面為固定支撐，在卡槽末端施加27 N的力，沿卡槽內側與毛刷接觸表面施加沿徑向均布54 N載荷。經計算得到的等效應力計算結果如圖7所示，形變量計算結果如圖8所示。

316不銹鋼材料屈服強度大于170 MPa，根據圖7等效應計算結果，機械爪所受最大應力為14.07 MPa，遠小于材料屈服強度，滿足設計要求。由圖8可知，機械爪在載荷作用下產生最大位移變形為0.01 mm，變形非常小，說明結構合理。

圖7 機械爪等效應力

圖8 機械爪總變形

4 可靠性分析

由艙體設計參數計算的各部分體積如表2所示，其中艙外零件體積主要包括水下推進器、機械爪、水泵及其他連接件的總體積。主要器件參數如表3所示。

表2 各部分體積

表3 主要器件參數

4.1 蓄水艙實現排水可靠性分析

以淡水水下5 m為例，按照設計的具體參數驗證蓄水艙實現排水的可靠性。

控制艙空氣所占體積約為2.2×106mm3，選用的氣泵負壓為-75 kPa，能夠將容器內氣體抽出的體積約為1.65×106mm3。根據前述水下5 m壓力約為0.15 MPa，當蓄水艙壓力略大于外界壓力時，密封片打開，錐形孔與外界相通，使氣囊內氣體壓強近似外界壓強。

由克拉貝龍方程：

可得，從控制艙抽出的空氣在氣囊中所占體積約為1.1×106mm3，近似蓄水艙體積，能夠將蓄水艙內的水排出。

4.2 艙體實現上浮下潛可行性分析

裝置完全浸入水中的排水體積為5.3×106mm3，由浮力公式：

得出裝置整體所受浮力約為52 N，蓄水艙蓄滿水能夠使裝置增重10.7 N。當需要上浮時，通過氣泵向氣囊充氣，使蓄水艙的水通過錐形孔排出，使裝置減重10.7 N。

由以上設計數據計算可知，將機器人總重量控制在42 N～52 N，可實現通過改變重力控制機器人上浮下潛。根據選擇各器件的質量，能夠容易實現上浮下潛功能。

4.3 機械爪工作可靠性分析

將機械爪卡槽簡化為半圓形器件，忽略爪柄部位的影響，估算機械爪自身重力對舵機扭矩的需求。根據機械爪卡槽設計參數，簡化后機械爪圓心到舵機旋轉中心距離為55 mm。機械爪質心在對稱軸上[10]，到圓心距離為L1，由巴普斯定理可知：

根據勾股定理得出質心到舵機旋轉中心距離為L2，假定毛刷質量為m2，則機械爪質心對舵機產生最大扭矩記為M。各參數計算結果如表4所示。

表4 參數計算結果

選用KM1850MD型防水舵機在6 V電壓下可提供0.2 N·m的扭矩，能滿足使用要求，能夠保證機械爪在夾持管道時穩定工作。

5 結語

課題組通過SolidWorks軟件對水下管道清污機器人的艙體及清理機構進行了設計，通過ANSYS Workbench軟件進行計算仿真，驗證了結構的合理性。通過對艙體實現上浮下潛和機械爪工作的可靠性分析，得出機器人能在5 m左右的淺水區域通過改變自身重力實現上浮下潛，利用機械爪卡槽及毛刷對管道外壁進行清理。課題組設計的水下管道清污機器人的艙體及清理機構便于制造，具有較強的實用性，同時為水下機器人密封艙設計及管道外壁的清理提供了一種設計思路，對推動水下資源的利用具有重要意義。