某新型無人加油裝備的研究與設計

中圖分類號：U462 收稿日期：2025-03-15 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.009

Research and Design of a New Type of Unmanned Refueling Equipment

Fan Xuefeng Zhang Zhongcheng Dai Meng Shi Lei Tieling Luping Special Purpose Vehicle Co.，Ltd.，Tieling 1l20o1，China

Abstract：Inorder to improvethesustainable operationcapabilityof emergencysupport equipment in certain specific environments，anewtypeofunmannedrefueling equipmenthasbeen develoed.Thisequipmentcanbequicklydeployedinacertain workarea to automaticallidentifyandrefuelthesupportedvehicles，Tispaperelaboratesonthbasicstructureandfunctionsofthistyeofunmanned efueling equipment，and conducts design analysisandverificationof keytructures.Researchconclusions canprovide adesign principle and reference for the development ofunmanned refueling equipment of this type.

Key Words：Intelligent recognition; Unmanned operation;Autonomous movement;Explosion proof refueling robot

1前言

隨著國家應急保障裝備的有序更新迭代，以及裝備的無人化、智能化水平快速提升，人們對裝備的油料保障需求不斷提升。現(xiàn)有主要油料保障裝備均以有人保障模式為主，然而有人油料保障裝備在某些特定環(huán)境下的應用受到一定的制約，操作人員需始終保持高強度的作業(yè)狀態(tài)和超長的工作時長。為降低操作人員工作強度和工作時長，近些年，國內外陸續(xù)開展了無人加油裝備的研究。較為成熟的應用有美國的有人值守加油站的某型加油系統(tǒng)、中石油加油站的某型防爆加油機器人等。這些無人加油裝備均依托于現(xiàn)有的加油站設計使用，無法進行快速移動部署，從而難以應對突發(fā)事件的保障需求。

本文研究的某新型無人加油裝備是針對無人值守需求而研究制造的，可應對應急保障任務，提升可持續(xù)作業(yè)能力；同時降低后勤保障人員的勞動強度，提升值守能力。該無人加油裝備可攜帶一定數量的燃油，使用公路、鐵路、海運等運輸方式運輸；可快速布置在指定區(qū)域，開設臨時補給點，對被保障車輛進行智能識別和無人加油。

2裝備組成

本文研究的某新型無人加油裝備主要由運載平臺、油罐總成、泵油系統(tǒng)、設備艙、電控系統(tǒng)、防爆加油機器人、附件總成等總成模塊組成。裝備外形尺寸（長 × 寬×高）為 6 058mm×2348mm×2100mm ，與CAF60標準方艙1外形一致。裝備底部設計叉車插孔，四角設計標準集裝箱角件，可完成吊裝、叉裝等裝卸作業(yè)。油罐總成可充裝 4000L 燃油，并填裝新型非金屬阻隔防爆球，用于提高應急使用安全性。設備供電采用外接供電和自備電源兩種形式，既可在外接市電供電條件下做長期保障，也可采用自備電源做應急保障。結構組成如圖1所示。

運載平臺采用優(yōu)質碳素鋼Q355制造，外形尺寸與CAF60標準方艙1外形一致；整體結構設計采用已經列裝定型的整體自裝卸裝備成熟結構，擁有出色的運輸性、可靠性、互換性。油罐總成采用鋁合金5182材料制造，與輕質燃油相容性好，長期使用不污染油料。結構上借鑒現(xiàn)有成熟裝備結構，采用多支撐圓形罐體結構。

油罐及油罐附件的設計符合 GJB406B^[2] 的相關規(guī)定。泵油系統(tǒng)采用鋁合金管5052材料制造，泵、閥等執(zhí)行器件全部為經過防爆設計并取得證書的成熟產品；由電控系統(tǒng)控制通斷。電控系統(tǒng)和防爆加油機器人功能按項目需求開發(fā)研制，均采用防爆設計。泵油系統(tǒng)、防爆加油機器人、電控系統(tǒng)等安裝在設備艙內。附件總成包含電源箱、上罐體等附件，安裝在運載平臺合適位置。外接供電接口與備用電源均放入電源盒內。

3基本功能

該新型無人加油裝備主要作為開設臨時補給點，實施無人值守使用。使用時根據保障要求，將該新型無人加油裝備運達指定位置后展開，接入電源，啟動電控系統(tǒng)和防爆加油機器人；裝備進入無人值守狀態(tài)。被保障車輛需要加注燃油時，司乘人員無需下車，通過手機掃碼，輸入需加油燃油數量即可。整備在收到加油指令后，防爆加油機器人通過視覺模塊智能識別被保障車輛，自動出艙，自主規(guī)劃運動軌跡。該機器人前進至被保障車輛附近合適位置，精確識別到油箱口后，機械臂展開。機械臂通過視覺導引達到油箱口位置，使用機械臂末端工具打開油箱蓋，后將1寸自封加油槍嘴插入油箱內。完成上述動作后，電控系統(tǒng)啟動加油系統(tǒng)對被保障車輛實施加油作業(yè)。加油結束后，撤收加油槍，關閉油箱蓋，防爆加油機器人回艙待命。裝備的收攏與搬運如圖2、圖3所示。

整個加油作業(yè)過程全部由電控系統(tǒng)控制，并實時監(jiān)控油罐油量、油泵進出口壓力、過濾器進出口壓差，以及防爆加油機器人工作狀態(tài)；同時記錄每次加油量、加油時間、累計發(fā)油量等信息。當燃油加注至低位報警時電控系統(tǒng)自動停止對外加油作業(yè)，收回防爆加油機器人并向控制中心發(fā)出反饋信息，待油罐重新加注燃油后再重新工作。為保障應急通信需求，電控系統(tǒng)在設計時就預留了多種信息化數據接口（RS485、CAN、無線），可通過數據接口進行功能拓展。在不同保障需求下，可接駁其他通信設備，連接至應急保障指揮系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等。系統(tǒng)原理如圖4所示。

4關鍵結構設計校核

為校核該新型無人加油裝備在運輸裝卸過程中結構設計的可靠性，對罐體總成、運載平臺等關鍵結構進行設計分析驗證。主要內容是在叉裝、吊裝的載荷作用下進行靜強度分析和計算。

4.1建立模型

整備模型是采用SOLIDWORKS軟件而建立（圖5～圖8），在建模時使各部分的質量與實際基本一致。

4.2模型導人

將模型導人ANSYS有限元分析軟件，定義材料和界面屬性。優(yōu)質碳素鋼材料的彈性模量為 206GPa ，泊松比為0.3，密度為 7850kg/m³ ；鋁合金材料的彈性模量為68GPa ，泊松比為0.34，密度為 ；整備總質量為 8500kg ；安全系數取1.5。

叉裝工況的邊界條件設置為叉孔上平面節(jié)點的位移自由度；吊裝工況的邊界條件設置為吊索最上端節(jié)點的位移自由度。

模型的整體坐標系定義如下： X 軸平行于地面指向車輛后方， Y 軸垂直于地面指向上方。整個模型施加-Y方向（豎直向下）的重力場，重力加速度取 9.8m/s^2[3] 。

4.3劃分網格

網格類型采用殼體面網格單元，網格大小為15mm 。網格單元采用混合類型，四邊形單元與三角形單元數量之比大于10;罐體總成、運載平臺劃分完成的網格模型如圖9、圖10所示。

4.4計算結果

a.叉裝工況。

經分析，叉裝工況的最大應力點位于叉孔位置，最大應力值為 77.2MPa ；罐體的最大應力點在封頭圓弧位置，最大應力值為 35.8MPa ；支座的最大應力點位于墊板支撐處，最大應力值 35MPa ；上述參數值均小于材料的許用應力，剛強度均滿足使用要求。相應的應力云圖如圖11～圖14所示。

b.吊裝工況。吊裝工況的最大應力點位于橫梁與立柱連接位置，最大應力值為 127.3MPa 。罐體的最大應力點在封頭旋邊位置，最大應力值為 41.9MPa ；支座的最大應力點位于墊板支撐處，最大應力值 56.6MPa ；上述參數值均小于材料的許用應力，剛強度均滿足使用要求。具體的應力云圖如圖15＼～圖18所示。

5試驗驗證

該新型無人加油裝備制造完成后，模擬無人值守條件，對裝備各關鍵指標及性能進行了試驗驗證，如人機交互、智能識別與自主移動功能、自動加油、叉車搬運、系統(tǒng)可靠性等。經試驗驗證，裝備各關鍵指標及性能均滿足項自研制要求。部分試驗情況簡述如下。

a.智能識別與自主移動。

用于智能識別的視覺模組安裝在防爆加油機器人上，試驗時分別驗證不同光照強度對受油對象的智能識別的成功率。被測試樣件設置為無遮擋狀態(tài)和有遮擋狀態(tài)兩種工況：無遮擋狀態(tài)為晴好天氣設計，試驗時采用室外環(huán)境；有遮擋狀態(tài)為雨雪天氣設計，試驗時采用室內環(huán)境。測試時段分為早、中、晚（夜間輔助照明）等多個時段，氣溫條件不低于 -10^°C ，降雨量不大于0.042mm/min ，風速不大于 5m/s 。試驗過程同步測試防爆加油機器人自主移動功能，檢驗安全機制設計響應情況。經測試發(fā)現(xiàn)，智能識別成功率可達到 98% ，說明自主移動和安全機制設計均滿足項目研制要求。無遮擋試驗測試情況如圖19～圖21所示。

b.搬運性試驗。

該新型無人加油裝備搬運性能測試參照GJB2093A標準中方法405的規(guī)定4進行叉車搬運試驗。經試驗驗證，設計上有插孔滿足叉車搬運要求，防爆加油機器人固定措施無松動，說明滿足叉車搬運要求。試驗測試情況如圖22所示。

6結語

本文對某新型無人加油裝備基本結構、基本功能進行了分析，并對關鍵結構設計校核的理論進行了探索，同時對裝備關鍵指標及性能進行了試驗驗證。結果表明，該新型無人加油裝備基本可以滿足新一代裝備無人化、智能化的研制需求：既能夠實現(xiàn)應急保障需求下開設臨時補給點，開展有限條件下的無人值守任務，又能夠為類似裝備研發(fā)提供一種可靠的設計思路。人工智能和視覺技術的發(fā)展，能夠為類似裝備向全場域環(huán)境、全天候條件、 100% 國產化等方向的應用與研究提供支撐。本文研究的裝備可為應急保障工作中開設臨時補給點，提供具備可靠工作形態(tài)的無人智能保障的備選方案。

參考文獻：

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[4JGJB2093A—2012軍用方艙通用試驗方法[S].