適徑油氣管道清潔機器人過彎關鍵參數研究及仿真

中圖分類號：TP242 DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.06.019

0 引言

隨著工業化的快速推進，各國對石油和天然氣資源的需求不斷上升1-2]。在長期運輸油氣的過中，管道內壁會逐漸形成污垢，能引發管道腐蝕等問題，進而導致管道泄漏、爆炸等事故的發生，嚴重威脅人們的安全和生命3-4。為此，需定期對油氣管道內部進行清潔處理。然而，傳統清洗方式，如高壓水沖洗、化學清洗等，既易損傷管道，又易造成環境的二次污染5。因此，具備清潔等多功能管道機器人的應用正在逐步增加。但目前的管道機器人存在變徑范圍小、適徑調整管道控制難度大，且在彎管處的通過性較差等問題。

針對上述問題，研究者對現有管道清洗機器人進行了多重改進。劉洪斌等提出了結構簡單、驅動力強的蠕動式管道機器人方案。王辰忠等提出了可穿越彎管并實現自主變徑的差動式自適應管道機器人。InuktunService公司研發了具備變徑功能的Ver-satrax系列履帶式管道機器人。甄久軍等設計了通過纜繩連接的集成式管道機器人。然而，正如ZHAO等所強調的，單一結構管道機器人無法同時解決管道機器人現存的蠕動式運行速率低、差動式控制難度大、履帶式結構復雜等問題。為此，樓飛等[12-15提出了具備多種本體結構的多節式管道機器人，并驗證了其在彎管運動中的可行性和穩定性。

本文針對油氣管道機器人的靈活性和穩定性問題，提出了一款以彈簧為支撐結構的多節式可適徑輪式管道機器人，以彌補單項管道機器人的局限性。為了驗證該管道機器人結構設計的合理性以及其在管道內靈活性和穩定性方面的優勢，進行了詳細的理論計算、運動學仿真以及試驗驗證，為自適應清潔油氣管道機器人的研究提供了新的思路。

1管道清潔機器人的機構設計

1.1多節式管道清潔機器人

為了提高管道機器人的過彎性能，提出的機器人本體結構（圖1）采用兩段式，通過縮短機身長度、減小機器人的過彎半徑，提高機器人的靈活性和互換性[1]。

1.2 可變徑清潔機構的設計

提出的管道清潔機器人搭載了一種可變徑的清潔機構，該機構能夠在機器人移動時圍繞刷盤軸進行旋轉，對油氣管道的管壁進行螺旋式清掃。清潔工作主要依賴于機構末端的4組清潔鏟和清潔刷。先由清潔鏟鏟除管壁的大塊污垢，再由清潔刷清潔剩余污垢。這種機構具有雙重清理作用，能大大提升清潔效果和效率。

圖2所示為可變徑清潔機構。為了應對不同管徑的管道，可變徑清潔機構通過前端配備的壓縮彈簧實現整體的擴展與收縮功能，從而增強了機器人的通用性。這一設計使得機器人能夠適應不同尺寸的管道，確保了清潔工作的順利進行。

1.3支撐與變徑機構的設計

在兩段式本體結構的基礎上，本文提出了一種以彈簧為支撐結構的輪式管道清潔機器人。機器人的輪式結構以弧柱形的方式實現與管道的無縫隙接觸。將每組輪子與管道截面垂直放置，在電動機的作用下，管道機器人將沿管道的軸線運動。機器人每段設計了3組輪，每兩組之間的夾角為 120^° ，與管道內壁構成了形封閉，使機器人在行進過程中更加穩定。

圖3所示為彈簧伸縮結構。機器人的管徑自適應功能由設計的彈簧支撐結構實現。該結構具有較高的柔性和可變形性，利用彈簧的伸縮能力提供動力，實現直線導軌的軸向移動；導軌的移動改變兩個伸縮式輪組的夾角，使得機器人可在管道內部進行自由伸縮，以適應不同直徑和曲率的管道。此外，彈簧支撐結構能夠吸收和分散運動過程中的振動和沖擊力，提供了一定程度的緩沖和減振效果，可減少對管道的損傷。

1.4主從動結合的輪式結構

圖4所示為主從動結合的輪式結構。電動機提供的動力通過同步帶驅動主動輪。在機器人的行進過程中，主動輪提供主動推進力，從動輪用于支撐機器人以及承載設備、傳感器等附加負載。主動輪和從動輪的配合運動可以增強機器人在管道內的穩定性，這使得機器人可以攜帶必要的設備并執行多種操作，如檢測、記錄、清潔等。

當每組伸縮式輪組機構只有單一主動輪時，由于機器人質量主要集中在下半部分的兩組伸縮式輪組機構上，下方兩組伸縮式輪組將承受較大的質量，與管壁接觸產生的摩擦力相應增大。在3組伸縮式輪組電動機接收到相同的速度命令時，下方兩組伸縮式輪組速度會小于上方伸縮式輪組速度。當這種速度差異較大時，3組伸縮式輪組與管壁接觸點所在平面將不會與管道橫截面處于平行關系，甚至形成較大的夾角，如圖5、圖6所示。由于下方兩組伸縮式輪組與下方管壁只存在兩個接觸點，勢必會造成管道機器人失去平衡，發生傾倒，損壞管道機器人，嚴重則會造成油氣管道堵塞，影響管道的正常工作。

為了解決上述問題，本文提出了一種主從動結合的伸縮式輪組結構。該結構中每組伸縮式輪組結構采用1個主動輪和1個從動輪配合的方式。當下方兩組伸縮式輪組由于較大的阻力造成速度降低、伸縮式輪組所在平面與管道橫截面不平行時，下方兩組伸縮式輪組同管壁接觸點的個數由2個增加到4個。不僅如此，由于主從動輪之間存在一定的跨度，3組伸縮式輪組中的主從動輪兩兩一組作為三棱柱棱邊，所形成的棱柱形支撐結構具有較強的平穩性，如圖7、圖8所示。該結構可以很好地解決單一主動輪可能帶來的傾倒問題，大大提高了管道機器人的安全性。

2管道機器人結構參數分析

2.1管道機器人彎管通過性分析

為了保證管道機器人安全地完成清潔任務，必須保證管道機器人安全通過管道。面對 90^° 彎管時，管道機器人通常會遇到兩種卡死情況[17-18]。第一種是管道機器人過長，在通過管道時，機器人的前端和末端處在直管內，而中間部分處在彎管內，導致管道機器人卡在管道中。第二種情況是管道機器人的前端和末端都處在管道內，但機器人過寬，導致機器人卡死。

為此，對管道機器人的過彎特性進行分析，將管道機器人近似成兩端圓柱。因為本文研究的管道機器人分前后兩段，第一段和第二段寬度相等，且第一段較長，所以，若第一段能夠順利通過管道，則第二段必然可以安全通過管道。對管道機器人第一段進行分析時，為方便計算，將管道機器人簡化為一個圓柱體，如圖9所示。設管道機器人的長為L ，寬為 d ，管道彎曲角度為 θ ，管道曲率半徑為 R 管道直徑為 D 。

由圖9可知，當管道機器人遇到第一種卡死情況時，機器人寬度和長度應滿足的方程組為

當管道機器人遇到第二種卡死情況時，機器人寬度和長度應滿足的方程組為

將機器人放置在直徑 D=600mm ，曲率半徑 R= 800mm 的直角管道中，機器人寬 d=511.43mm ，為第二種情況，由式（2）可得出機器人順利通過彎管的臨界條件。當滿足以上要求時，機器人可順利通過90^° 彎管。經過計算確定，管道機器人尺寸需滿足長度 L?423.45mm 。機器人第一節箱體長 400mm ，第二節箱體長 200mm ，可以順利通過管道。

2.2管道機器人變徑結構分析

為了保證機器人能夠適應不同的管道，提高機器人的通用性，對機器人的變徑范圍進行分析。如圖10、圖11所示，設管道機器人腿部輪架長為 L_? 伸縮式輪組頂部到直線軸承導軌距離為 H ，腿部輪槽口長為 s ，伸縮式輪組支座到槽口下邊界距離為X ，槽口導軌到直線軸承導軌距離為Y。

由圖10可得

由圖11可得

其中， X=64mm S=41mm . Y=52.8mm L₁=200mm_?

代入數據得 100.6mm?H?165mm 。 H 可變大小為 64.4mm ，機器人可適應最大管徑為 658mm ，故管道清潔機器人適應管道直徑范圍為 529～658mm ，變徑大小達 129mm 。

3機器人Adams仿真分析

本文使用Adams軟件對設計的機器人進行連續自適應變徑和過彎運動仿真分析。首先，使用Solid-Works軟件對機器人三維模型進行設計，再根據不同的運動情景對機器人模型進行簡化修改。將簡化后的模型導出為. x_-t 格式并導入到Adams軟件中進行運動學分析。仿真模型如圖12所示。

3.1管內連續變徑分析

根據機器人的實際運動情況定義構件之間的運動副，施加約束與驅動，并將機器人放在內徑529＼～658mm 的連續變徑管道中進行仿真，仿真時間為5.3s，步數為400。

3.1.1機器人連續變徑速度分析

機器人在直管道內做連續變徑運動時，管道機器人速度隨時間和管道直徑變化規律如圖13和表1所示。

由圖13和表1可得，機器人連續變徑運動速度變化規律如下：

1）機器人在做連續變徑運動時， z 方向速度基本為0。

2）在 y 方向上，受機器人自重的影響，在運動初期，機器人會下沉微小的距離；當箱體內部的壓縮彈簧受到擠壓后，產生的阻尼力會迅速與重力達到平衡，使機器人停止下沉，達到工作位置。

3）機器人開始運動時， x 方向速度在0.14s增加至 520mm/s 左右；在后續的連續變徑運動中，管徑逐漸縮小，由于驅動電動機轉矩不斷調整，機器人在進行連續變徑運動時能夠將速度穩定在 520mm/s 上下，以增加機器人行進過程中的穩定性，故 x 方向速度在 520mm/s 上下產生波動。

4）5.3s左右，管道直徑縮小為 529mm ，為機器人可工作的最小管徑，此時機器人速度仍然穩定在 520mm/s 左右。

仿真結果表明，油氣管道清潔機器人可順利在529～658mm 范圍的管道內進行自適應變徑，即機器人的變徑結構設計合理。

3.1.2機器人連續變徑力學分析

機器人在直管道內做連續變徑運動時，管道機器人主從動輪轉矩隨時間和管道直徑變化規律如圖14所示。

由圖14可知，機器人在油氣管道內進行連續變徑運動時，初期機器人輪子同油氣管道壁接觸壓力較小，機器人達到預計速度時驅動輪轉矩較小，在6.2N?m 左右；隨著管徑變小，管壁對輪子施加的壓力不斷增加，壓縮彈簧的力不斷增加，在二者共同作用下，機器人將速度維持在 520mm/s 左右，速度所需的轉矩不斷增加。

在管道直徑達到 529mm 時，主、從動輪轉矩達到峰值，分別為 42.5N?m 和 57.8N?m 。為保證機器人能夠在油氣管道內進行連續變徑運動，電動機輸出轉矩應大于等于 43N?m 。

由機器人在直管中進行連續變徑運動的運動學仿真結果可知，機器人在直徑為 529～658mm 的變徑管道內進行連續變徑運動時，可以通過調節驅動電動機輸出轉矩，使行進速度始終保持在 520mm/s 左右；為了適應不斷縮小的轉矩以及相對恒定的行進速度，驅動電動機輸出轉矩需要不斷增加，最大轉矩為 42.5N?m 。

3.2機器人過彎速度分析

將機器人模型放置在內徑 600mm 、曲率半徑800mm 的彎管模型中進行仿真，仿真時長 5s ，步數為100。本文機器人為兩段式機器人，兩段機身在過彎時的速度規律具有相似性，故機器人過彎整體速度由第一段機器人質心處速度代替。

機器人在彎管內做過彎運動時，管道機器人速度隨時間變化規律如圖15和表2所示。

由圖15和表2可得機器人在進行過彎運動時其速度有以下規律：

1）機器人在過彎前直管中速度維持在 500mm/s 在這個過程中，機器人除了 x 方向，其他方向速度都維持在0左右。

2）機器人1s時開始進入彎道，為了保證機器人的速度相對恒定，驅動電動機在過彎的瞬間會加大轉速，故機器人速度陡然上升至 1146.93mm/s ，隨后速度迅速下降至 470mm/s 左右，以 470mm/s 的速度進行過彎運動。

3）過彎時，機器人 x 方向速度開始下降，z方向速度增加， y 方向速度仍然為0。

4）3.4s時機器人結束過彎運動，開始進入第二段直管，為了防止機器人駛出彎管時外側速度過快、機器人發生側滑導致失衡，故在機器人出彎管時降速至 220mm/s ，待機器人在直管中行駛時，速度迅速提至 500mm/s 左右。

如圖16和圖17所示，在機器人過彎過程中，第一段機身在1s時進入彎管，3.4s駛出彎管。第一段機身內外側輪空間速度變化規律一致，數值上外側輪略大于內側輪。第二段機身在2s時進入彎管，4.4s駛出彎管，第二段機身內外側輪空間速度變化規律如圖18所示，其數值大小規律同第一段機身一樣，外側輪略大于內側輪。

如圖19和圖20所示，管道清潔機器人在進行過彎運動時，就同側前后兩組輪而言，二者速度變化只存在時間上的差異，在數值以及速度變化規律上相仿。機器人內外側的前后輪速度都在各自機身開始進入管道時發生突變，又都在各自機身駛出管道時恢復至過彎之前的水平，與圖15中機器人兩側驅動輪空間速度的變化規律相吻合。

仿真結果表明，管道清潔機器人能夠順利通過直徑為 600mm 、曲率半徑為 800mm 的 90^° 彎管。

4管道清潔機器人試驗測試

4.1試驗環境條件

為了模擬油氣管道內部環境，并便于觀察管道試驗，管道選用透明亞克力材質。本次試驗管道主要由兩部分組成，一部分為長 2000mm 、直徑 530～660mm 的連續變徑直管道；另一部分為長 3000mm （含兩段90^° 彎管）、管道直徑 600mm 、曲率半徑 800mm 的彎管道。兩種管道分別對應本文研究的機器人的連續自適應變徑性能和過彎性能。試驗場景如圖21所示。

4.2機器人在管道內通過性試驗

將管道機器人放人上述試驗管道進行試驗測試，機器人從左側進入，依次通過直管1、 90^° 彎管1、直管2、 90^° 彎管2和連續變徑直管。機器人的各個主從動輪始終與管道內壁保持穩定接觸，徑向截面始終與管道內壁保持垂直，運動狀態穩定且能夠完成529＼～658mm 范圍內的連續變徑運動以及過彎運動，驗證了機器人機構設計與電動機選型的合理性。

通過多次試驗，收集各個電動機轉速，換算其速度并計算平均值（由于兩處過彎數據具有較高相似性，故彎管處數據只取彎管1），將機器人的連續變徑速度和實際轉彎速度與Adams仿真速度進行對比，結果如表3和表4所示。

試驗數據變化規律同仿真數據變化規律相同，即

1）機器人在連續變徑直管道中速度維持在520mm/s 左右。

2）在進行過彎運動時，機器人會在駛入和駛出彎管處速度發生突變，這種規律在前后機身會出現時間上的延遲，在內外側輪上表現為外側輪速度大于內側輪速度。

這驗證了Adams仿真結果的準確性。

5 結論

針對現有油氣管道清潔機器人所面臨的過彎和管徑自適應問題，提出了一種多節式自適應輪式管道清潔機器人。該機器人采用兩段式結構設計，通過直線導軌和伸縮式輪組相結合的方式，形成了可伸縮式的行走機構。為了驗證本文對機器人機構優化設計的合理性，對在不同管道內的管道清潔機器人進行了Adams運動學仿真。仿真結果表明，機器人本體結構寬度不得大于 511.43mm ，每節機身長度不大于 423.45mm 。機器人能在 529～658mm 的變徑直管道中實現連續自適應變徑運動，其速度在520mm/s 左右，主動輪轉矩不得小于 43N?m ；在直徑 600mm 、曲率半徑 800mm 的 90^° 彎管中，機器人行進速度為 450mm/s 。試驗結果表明，本文構建的機器人均能正常通過變徑直管和彎管，驗證了Adams動力學仿真的準確性，為油氣管道清潔機器人后續優化迭代奠定了基礎。

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Research and simulation of key bending parameters of suitable diameter oil and gas pipeline cleaning robots

DAI Yaonan HE Xinhu LIUKe YANG Peiyan ZHANG Jiakang ZHENG Xiaotao GONG Cheng （HubeiProvincialEngineeringTechnologyResearchCenterofGreenChemicalEquipment，SchoolofMechanicalamp; Electrical Engineering，Wuhan Institute ofTechnology，Wuhan ，China）

Abstract：[Objective]Toimprovetheinternal （variablediameter，bending）passageabilityofoilandgaspipelinecleaning robots，amulti-segmentadaptive whel-type pipeline cleaning robot was proposed.[Methods]Therobot was designed witha two-segment structuralconfiguration toreduceits turningradius.Anextendableandretractable walkingmechanism，formedby integratingalinearguiderail withatelescopicwheelassembly，wasemployedtoenableadaptivemovementwithinacertain rangeof pipediameters.Toensuretheoperationalstabilityofthecleaningrobotinsidepipelines，themotionprocesof the pipelinecleaningrobot wassimulatedusingAdamssoftware，anditsmotionparameters wereanalyzed.Thevariationpaternsof therobot’sspeedandwheltorque whenpassingthrough elbowpipesand pipeswithvaryingdiameters weretherebyobtained. [Results]The speed of the robotwill briefly increase to 1146.9mm/s when entering a 90^° bend，and then decrease rapidly to 220mms when exiting.In the continuous Variable diameter pipe，the speed of the robot is maintained at about 520mm/s ，and the driving motor torque increases to 42.5N?m with the decrease of the pipe diameter. The simulation data shows the correctness of thetheoreticalanalysisandtherationalityofthestructuraldesign.Thetetsresultsareconsistentwiththesimulationresults， further verifying the rationality ofthe pipeline cleaning robot design.

Key words：Oil and gas pipeline cleaning robot; Multisection;Adaptive motion; Adams software