大型油罐智能噴砂除銹系統設計及動力學分析

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(華東)機電工程學院, 青島 266580; 2.山推工程機械股份有限公司, 濟寧 272073; 3.杭州海康機器人技術有限公司, 杭州 310000)

目前大型油罐內壁噴砂除銹方法分為人工除銹和機械作業。人工除銹效率低、時間長,且砂料不回收,造成原料的較大浪費。更為嚴重的是噴砂現場粉塵彌漫,環境污染非常嚴重,對工人的身體健康造成極大威脅[1]。機械作業主要利用磁吸附機器人進行工作,負載能力小,安全系數較低[2-4]。由于油罐內壁存在焊縫、人孔和排污管道等結構,爬壁機器人的工作路徑受到限制,只能對油罐內壁部分區域進行作業[5]。隨著中國儲油罐的大量修建以及對環境保護問題的日益重視,對環保高效除銹設備的需求越來越迫切。

近年來,學者針對傳統立式油罐防腐施工中腳手架搭建成本高、拆裝時間長的問題,提出了多種油罐除銹方案。張軍梁等[6]研究了油罐內爬壁除銹機器人的實時控制系統,使用單軸/多軸控制模塊實現人機交互控制,經過多項測試,控制系統穩定可靠。楊占力等[7]將爬壁機器人設計為左右車體,增加機器人的自由度,使爬壁機器人能夠自適應曲面曲率的變化,工作在不同尺寸的油罐內。王偉方等[8]將索并聯機構應用于大型立式儲罐外側的檢修領域,設計了索并聯牽引機器人。控制繩索的長度和拉力就可實現動平臺的運動控制,通過結構優化,減少了支撐桿搭建、拆卸的次數。王亮等[9]提出了旋轉吊架立式儲罐內防腐施工方案,將腳手架簡化為對稱框架,利用電葫蘆實現吊架的升降,利用絲杠實現吊架的旋轉和固定。Keng[10]提出的除銹系統由配備激光制導夾具的機器人和遠程地面站組成,其開發的可互換除銹噴漆執行器具有較高的創新性,該系統節省了支架準備時間,在防腐領域具有潛在的應用價值。同時為解決人機協作噴砂過程中控制系統時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程噴砂控制系統的誤差和信號波動,經過試驗該系統可平滑輸出響應信號,對不可控因素具有較好的魯棒性。莊園等[12]針對油罐內除銹機器人避障問題,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器人也能實現避障,保證了除銹工作安全,為除銹機器人的避障控制提供了新的思路。國內外學者的研究雖已取得一定進展,并未注重油罐內壁具體的障礙結構,無法在油罐內進行大面積除銹,機器人的實際應用還有一定距離。

在深入分析國內外現狀的基礎上,現通過實地考察,基于大型油罐內部實際結構,設計一種旋轉式智能噴砂除銹系統,從而提高大型油罐內壁噴砂除銹工作的自動化水平,并利用ADAMS軟件對虛擬樣機進行動力學仿真研究。

1 智能噴砂除銹系統方案設計

針對油罐內復雜工況,除銹工作要求系統具有較高的除銹效率和良好的動態性能。旋轉式智能噴砂除銹系統以桁架軌道和特殊機械手為核心部件,配合罐外的噴砂回收裝置,實現在大型油罐內進行安全、環保、穩定的除銹工作,其結構如圖1所示。

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

具體應用時用吊車將旋轉式智能噴砂除銹系統各個部分送入油罐內進行組裝,然后連接罐外噴砂回收管道。爬壁小車使用伺服電機驅動,搭載特殊機械手按照設定動作通過鏈傳動沿桁架做噴砂運動,自下而上開始局部噴砂除銹工作。當特殊機械手在油罐頂部完成除銹工作后,運輸小車順時針轉動一定角度,爬壁小車帶動特殊機械手運動至桁架軌道底部,產生與之前并行的除銹帶,如此反復運動,直到桁架軌道旋轉完120°時,噴砂除銹工作結束,特殊機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,通過一個工控機對多個下位機可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)進行控制與監測。特殊機械手可以基于機器人操作系統進行遠程控制,前端搭載了工業相機,能夠采集除銹后的罐壁圖像并傳送到上位機,如圖2所示,利用機器學習算法[13-14],采用深度卷積神經網絡對除銹后的罐壁表面質量進行自動判別,若判別除銹質量較低,上位機自動控制特殊機械手對該區域再次進行除銹工作,直至表面質量符合要求。通過工業相機、特殊機械手、爬壁小車和運輸小車的協同工作,完成噴砂過程的除銹質量監控及運動決策控制,實現除銹作業的智能化,最終提高除銹的效率和質量。

圖2 智能噴砂除銹系統工作界面

2 除銹系統剛體動力學仿真

為驗證大型油罐智能噴砂除銹系統的設計是否滿足噴砂除銹工作的功能要求,采用虛擬樣機技術對系統的機械結構進行剛體動力學仿真分析,模擬旋轉式桁架結構的實際工作過程,得到實際工況下系統構件的特性曲線。

2.1 系統動力學理論模型

采用歐拉-拉格朗日的方法對系統進行建模,系統的每一個零件為一個單元,建立固接在單元上的坐標系,單元的位形可通過一個公共參考系來進行定義,采用6個笛卡爾廣義坐標描述單元的位形,其中質心的3個直角坐標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。

對系統單元建立廣義坐標的拉格朗日運動方程及其相應的約束方程為

(1)

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

將式(1)轉化為矩陣形式可得

(2)

式(2)中:

系統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 剛體動力學仿真分析

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

(6)

為避免系統出現過約束現象,橫支桿與軸承座之間采用基本副(點面副)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量,噴砂除銹系統的主要約束及驅動如表1所示。

表1 系統主要約束及驅動

通過ADAMS動力學求解器進行運動仿真,設置仿真時間為60 s,仿真步數1 000步,在仿真過程中忽略設備的安裝應力以及溫度應力對材料結構強度和剛度的影響,仿真過程如圖3所示。

圖3 虛擬樣機仿真過程

由仿真過程圖3可知,爬壁小車帶動特殊機械手依次沿直軌道、彎軌道和斜軌道進行爬升運動,3輛運輸小車分別帶動3組桁架軌道繞立柱進行旋轉運動,運動過程順暢,智能噴砂除銹系統符合設計的功能要求。

通過剛體動力學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,在直軌道運行時,爬壁小車前、后承重輪在Z軸方向受力很小,通過彎軌道時,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載方向逐漸趨于一條直線,輪組受力逐漸增大,直到運行到斜軌道時受力趨于穩定。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,由于爬壁小車底板受到特殊機械手、電機減速器等重力產生的彎矩,在前承重輪處產生X反向的力(拉力),后承重輪處產生X正方向的力(壓力),力的方向與驅動方向垂直。桁架軌道的不均勻彈性變形導致接觸處的摩擦力出現非線性變化,滾動摩擦力和滑動摩擦力交替發生[16-17],局部產生加速度,速度發生擾動。當爬壁小車運行在彎軌道及斜軌道時,重力產生的彎矩減小,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,詳細分析小車承重輪受力情況,為后續強度設計提供理論依據。

圖4 承重輪受力變化

為確定運輸小車的運動狀態,查看轉彎過程,測量外側主動輪和內側從動輪的速度變化。由圖5分析可知,運輸小車的主動輪能夠保持平穩勻速轉動,從動輪的轉速不穩定,存在上下波動,且速度變化頻率較高,這是因為從動輪在油罐底面運動過程中不僅存在滾動,還存在滑動,兩種運動的疊加使內側從動輪的速度發生波動。主動輪與從動輪產生的轉速差使運輸小車能夠繞可伸縮支撐立柱進行圓周運動。

圖5 內外側車輪轉速

3 除銹系統剛柔耦合動力學仿真

在上述虛擬樣機模型中,將桁架軌道作為剛體進行動力學仿真,忽略了桁架軌道運動時的變形,而在實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,這可能導致桁架軌道剛度較小,在啟、制動時存在晃動的情況,影響智能噴砂除銹系統工作的穩定性[18]。同時將桁架軌道作為剛體進行仿真,導致上軸承座與斜軌道搭接位置處受力情況不真實,無法進一步檢驗軸承的疲勞壽命和強度。為研究智能噴砂除銹系統正常工作時桁架軌道的動態特性和上軸承座受力的真實情況,將桁架軌道進行柔性化處理后再進行動力學仿真。

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、運動相同。因為桁架軌道的空間尺寸較大,生成的MNF文件中包含較多節點信息,為減少仿真時間,降低仿真復雜度,選取一組桁架軌道進行動力學仿真,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,為更好地模擬運輸小車的啟、停對桁架軌道的影響,采用STEP函數編寫運輸小車的驅動過程。

圖6 桁架軌道柔性體模型

3.1 桁架軌道動態性能分析

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

爬壁小車運動到直軌道時得到兩參考點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,運輸小車在啟、停階段,桁架軌道上兩個參考點在X方向的位移和速度曲線幾乎重合,沒有明顯的晃動。運動過程中,由于軌道是柔性體,直軌道最低點比最高點速度略大,測量兩參考點同一時間X方向的最大位移差為8 mm,最大速度差為12 mm/s。在運動停止過程中,由于阻尼作用消耗系統能量,速度幅值逐漸衰減,兩參考點位移差逐漸減小,運動停止后桁架軌道發生輕微變形。同理得出Y方向位移曲線和速度曲線圖,得到Y方向的最大位移差為9 mm,最大速度差為 14.5 mm/s。經過分析,參考點之間較小的位移差和速度差不會影響旋轉式桁架結構的正常工作,爬壁小車在直軌道運動時,桁架軌道整體跟隨性較好,沒有表現出明顯的慣性特征。

對運輸小車設置同樣的驅動函數,觀察爬壁小車運動到斜軌道時桁架軌道的運動狀態。根據仿真動畫和位移曲線,發現工況下桁架軌道在運動過程中沒有明顯的晃動。但由于系統負載重心逐步上移,導致桁架軌道的穩定性降低,上下兩端的同步性降低,所以兩參考點在Y方向上的位移差較大,最大值為16 mm。

爬壁小車分別運動到直軌道、彎軌道、斜軌道3個位置時,兩參考點在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動,兩參考點在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動軌跡和自身尺寸較小,故可判斷智能噴砂除銹系統的慣性特征不明顯,動態性能良好,可以穩定可靠地進行噴砂除銹工作。

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,進而對上軸承的疲勞壽命和強度進行校核,在斜軌道和上軸承座之間添加剛柔接觸,對爬壁小車在斜軌道的工作過程進行仿真,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

當爬壁小車工作在直軌道和彎軌道時,自身重量大部分通過桁架軌道傳遞到運輸小車上,上軸承座豎直方向受力較小,當爬壁小車運動到斜軌道時,對軌道的作用力由運輸小車和上軸承座共同承擔,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,且與時間呈線性關系,其受力情況符合實際工作情況,測量上軸承座豎直方向的最大受力值為3 952 N,為后續對上軸承的校核工作提供了基礎。

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動時,跨中位置受到載荷作用先向下移動發生彈性變形,當爬壁小車經過后,跨中位置向上移動,軌道彈性變形恢復,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生影響。

4 結論

根據油田對大型油罐環保高效除銹設備的需求,設計了一套智能噴砂除銹系統,能夠自動實現對大型油罐內壁進行安全、環保、高效的噴砂除銹作業。

(1)通過剛體動力學仿真,分析爬壁小車承重輪的受力狀態,驗證了所設計智能噴砂除銹系統的可行性與合理性。

(2)通過對系統進行剛柔耦合仿真,得到參考點最大跟隨位移差為16 mm,相對于桁架軌道的運動軌跡和空間尺寸較小,桁架軌道正常工作時跟隨性較好,慣性特征不明顯,不會產生晃動。

(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;斜軌道最大懸垂位移為2.25 mm,不會影響噴砂除銹工作。

經過對系統進行多體動力學分析,驗證了系統結構設計滿足噴砂除銹工作的功能要求和動態性能要求,為大型油罐內壁的除銹工作提供了一種切實可行的方案。