一種支撐式管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)含6張CAD圖

一種支撐式管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)含6張CAD圖,一種,支撐,管道,檢測,機(jī)器人,結(jié)構(gòu),性能,優(yōu)化,設(shè)計(jì),CAD 設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述 【摘要】 管道內(nèi)檢測機(jī)器人是智能機(jī)器人的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤氣、輸水、油氣、通訊、化工以及其他用途管道急劇增加。由于腐蝕、壓力以及其它外力損傷等因素，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種破損。一般情況下，管道所處的環(huán)境往往是人們不易或不能直接接觸的。因此，對于管道的檢測和維護(hù)，成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。 設(shè)計(jì)了一種石油管道檢測機(jī)器人,分析了其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)和檢測原理及方法。機(jī)器人通過輪伸縮機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)管道直徑的變化,萬向節(jié)保證了機(jī)器人能夠順利通過一定曲率半徑的彎道,提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性和靈活性。介紹了超聲波檢測的工作原理和具體方法。 綜上所述,該管道機(jī)器人檢測系統(tǒng),經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)和完善后,可以在石油、化工、鋼鐵、有色金屬、塑料工業(yè)和兵器工業(yè)等許多部門中對各種金屬與非金屬管類產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)表面質(zhì)量檢測,有廣泛的應(yīng)用、推廣價(jià)值。 【前言】 管道檢測機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機(jī)電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如 CCD 攝像機(jī)位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測維修作業(yè)。一個(gè)完整的管道機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)由移動(dòng)載體(行走機(jī)構(gòu))、管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)(操作系統(tǒng))、信號傳遞和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。其中移動(dòng)載體和管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)是管道機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分。隨著油氣工業(yè)的發(fā)展,管道機(jī)器人技術(shù)將被更加廣泛地應(yīng)用在石油工業(yè)管道上。 【研究現(xiàn)狀】 從20 世紀(jì) 5 0 年代起，為滿足長距離管道運(yùn)輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道機(jī)器人的研究，其最初成果就是一種無動(dòng)力的管內(nèi)檢測設(shè)備，一般譯名稱“管道豬”。該設(shè)備依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓力為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)。它是一種被動(dòng)的無自主動(dòng)力的檢測設(shè)備，依靠外力的作用而實(shí)現(xiàn)在管道中移動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、控制理論及技術(shù)的發(fā)展，近些年來，人們開始研究采用具有自主動(dòng)力的機(jī)器人來進(jìn)行管道檢測。這種管道機(jī)器人能在管道中自主行走，可以準(zhǔn)確接近管道的故障截面,獲得故障狀況的可靠信息，精確到達(dá)操作位置。 我國管道機(jī)器人方面的研究開始于 20 世紀(jì) 80 年代末。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。國內(nèi)的管道在線檢測技術(shù)大部分也應(yīng)用了“管道豬”。近些年來,我國也開始對帶自主動(dòng)力的機(jī)器人進(jìn)行研究。 20世紀(jì) 70 年代，能夠一次檢查數(shù)百千米長輸管道,并能自動(dòng)記憶缺陷大小和位置的漏磁智能檢測機(jī)器人和超聲智能腐蝕檢測機(jī)器人(US-Pig)已成功應(yīng)用于歐美和中東等地。MFL-Pig 更適合石油管道高靈敏度腐蝕厚度檢測和軸向裂紋探傷。長輸油管超聲檢測機(jī)器人研究是在寬頻超聲自動(dòng)檢測系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。不斷深化研究超聲智能腐蝕檢測機(jī)器人多通道高集成度寬頻超聲系統(tǒng)、探頭環(huán)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)高速采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)圖像處理顯示技術(shù)，并分別在 2000 年 10 月和 2004 年 7月研制成旋轉(zhuǎn)探頭環(huán)和陣列探頭寬頻超聲管道腐蝕檢測功能樣機(jī)。 1.國外長輸管道智能檢測進(jìn)展和超聲內(nèi)檢測器特點(diǎn) 近50 年,德、美、英、加、俄、荷、日等國對長輸管道在役檢測技術(shù)進(jìn)行了大量研究、試制、實(shí)用、改進(jìn)工作。主要檢測評價(jià)工具類型為 MFL-Pig 和 US-Pig.在長期研究中，人們認(rèn)識到超聲和漏磁檢測技術(shù)的機(jī)器人各有優(yōu)點(diǎn)和局限性。MFL-Pig 主要特點(diǎn)是不需耦合介質(zhì)和易于裂紋探傷，更適合天然氣管道裂紋探傷；US-Pig 主要特點(diǎn)是高靈敏度檢測腐蝕厚度和易于軸向裂紋探傷,更適合石油管道腐蝕探傷。 近10 年,先進(jìn)工業(yè)國家開展的大量研究改進(jìn)工作主要集中在：提高 MFL-Pig 檢測腐蝕靈敏度及增加檢測軸向裂紋的能力；增加 US-Pig 裂紋檢測能研究不需耦合介質(zhì)的電磁超聲法 EMAT-Pig 檢測天然氣管道；研究專門評價(jià)管道截面尺寸和管道走向的機(jī)器人；研究海洋管道檢測(US-PIT)先進(jìn)技術(shù)。 由于超聲測厚精確度高、可檢測厚壁管(40-50 mm)、可檢測鋼管、S.S 管、工程塑料管及復(fù)合管；易于實(shí)現(xiàn)軸向裂紋和 SCC 裂紋探傷。近十幾年,德、美、俄、荷、日等大量開展 US-Pig 研究改進(jìn)工作，并在長輸油管道和海洋管道檢測中得到更廣泛應(yīng)用。目前最先進(jìn)的超聲管道檢測機(jī)器人(PIT)采用多達(dá) 896-1024個(gè)超聲探頭，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度腐蝕檢測和裂紋探傷，一次檢測長度可達(dá) 250-1000 km.1994 年以后，PIT 已是海洋管道主要檢測評價(jià)工具。 2.超聲旋轉(zhuǎn)探頭管道檢測機(jī)器人 旋轉(zhuǎn)探頭檢測機(jī)器人由旋轉(zhuǎn)超聲探頭環(huán)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、蓄電池和定位等單元組成。由多節(jié)儀器艙和皮碗組成的機(jī)器人，在管內(nèi)進(jìn)行全掃描,檢測腐蝕管壁厚度。旋轉(zhuǎn)探頭超聲檢測機(jī)器人特點(diǎn)是通道少、尺寸小、造價(jià)低。它適用于地下和海洋中較短管道腐蝕檢測。其缺點(diǎn)是檢測速度受限于探頭數(shù)目和探頭環(huán)旋轉(zhuǎn)速度。 2000年底完成功能樣機(jī)研制,通過了“863”項(xiàng)目專家組鑒定，達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)，機(jī)器人可通過 3D 彎頭管道；可檢測出 8 英寸油管內(nèi)外腐蝕，測量厚度精度優(yōu)于±0.5mm。 3.超聲內(nèi)穿過式陣列探頭環(huán)管道檢測機(jī)器人 根據(jù)大直徑長輸油管道腐蝕減薄、在線快速檢測的要求，長輸管道超聲檢測機(jī)器人要采用特別設(shè)計(jì)的穿過式探頭陣列，在油壓的推動(dòng)下以 0.2-2.50 m/min 的速度在管內(nèi)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn) 130-250 km 全掃描檢測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，出管后經(jīng)數(shù)據(jù)圖像處理打印出厚度變化 B 型、C 型數(shù)字彩色地形圖。 長輸管道超聲內(nèi)檢測器是一個(gè)由機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)集成的復(fù)雜系統(tǒng),它主要由穿過式陣列探頭環(huán)、多通道高集成度超聲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)存儲(chǔ)、缺陷定位、電源、多節(jié)機(jī)體結(jié)構(gòu)等子系統(tǒng)組成。 寬頻超聲具有脈沖窄、高分辨力和相位識別能力的優(yōu)點(diǎn)，因此采用了具有脈沖和相位幅度信息特點(diǎn)的寬頻超聲自動(dòng)檢測圖像化技術(shù)。進(jìn)行腐蝕檢測時(shí)，通過多通道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理得到一系列數(shù)字化油程、管壁方波，測出管壁厚度，可以計(jì)算出管道的內(nèi)徑、外徑。此外，采用寬頻脈沖超聲檢測技術(shù)也使超聲腐蝕檢測機(jī)器人內(nèi)缺陷誤判問題得到了克服。 US-Pig功能機(jī)采用了 20個(gè)寬頻超聲探頭局部陣列組成超聲子系統(tǒng)，其中 16個(gè)探頭組成陣列自動(dòng)掃描檢測油管壁厚和 4個(gè)探頭自動(dòng)掃描檢測截面尺寸變化。超聲系統(tǒng)采用多通道超聲板卡積木式組合；板卡設(shè)計(jì)與接插件需滿足抗震、結(jié)構(gòu)緊湊等要求。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由在線數(shù)據(jù)采集、處理、壓縮和離線數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)圖像再現(xiàn) 2 部分組成。管內(nèi)里程輪在一定機(jī)械壓力下緊貼管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn);超低頻發(fā)射接收器實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)外的通信。功能機(jī)機(jī)體由 3 節(jié)圓筒密封機(jī)艙和 1個(gè)探頭環(huán)組成，其間用萬向節(jié)聯(lián)接。利用功能機(jī)、缺陷樣管段、掃描實(shí)驗(yàn)裝置對Φ426 樣管段和模擬管道腐蝕缺陷和截面變形進(jìn)行了檢測。通過實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)采集處理和 B 型、C 型和三維顯示。實(shí)驗(yàn)證明： (1)探頭環(huán)、多通道超聲板卡、在線數(shù)據(jù)采集處理、厚度和腐蝕情況顯示軟件設(shè) 計(jì)合理； (2)實(shí)現(xiàn)了超聲掃描數(shù)字化直觀 B 型、C 型和三維顯示； (3)掃描檢測速度達(dá)到 0.2-2.5 m/s 時(shí)，可檢測出 10 mm×10 mm 腐蝕缺陷，測厚精度優(yōu)于±0.5 mm；檢測直徑精度優(yōu)于±1 mm； (4)采用寬頻超聲相位分析技術(shù)，解決了長輸管道超聲內(nèi)檢測器的誤判、漏判問題。 4.管道檢測機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機(jī)械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如 CCD 攝像機(jī)、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、簡單的操作機(jī)械手等。在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測維修作業(yè)。 國內(nèi)外管道機(jī)器人發(fā)展進(jìn)程管道機(jī)器人技術(shù)始于 20 世紀(jì) 50 年代，天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵(lì)人們研究一種管內(nèi)檢測設(shè)備，這就是通常所說的一種無動(dòng)力的管內(nèi)清理檢測設(shè)備 PIG，它主要靠首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓力差作為驅(qū)動(dòng)力向前運(yùn)動(dòng)。由于 PIG 類設(shè)備無自行行走能力,移動(dòng)速度及檢測區(qū)域均不易控制，到了 80 年代初，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，它才進(jìn)入快速發(fā)展期。 日本東京油氣有限公司曾開發(fā)出世界上第一臺無纜管道爬行機(jī)器人;TOKYO-Toshiba 公司開發(fā)了世界上第一臺微型管道檢測機(jī)器人。此外，韓國的 ASIA PROTECH 公司所研制的管道清潔機(jī)器人在世界上有很成功的應(yīng)用。在最近幾年內(nèi)，國外各類管道機(jī)器人研究發(fā)展很快，管道機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多類型。 在國內(nèi),隨著我國對管道機(jī)器人的重視，國內(nèi)一些科研院所已開始著手研制各種各樣的管道機(jī)器人，對蠕動(dòng)類管道機(jī)器人的研究，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、石油大學(xué)等院校都已有樣品,但國內(nèi)自己研制的管道機(jī)器人距離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。 5.應(yīng)用前景 油氣管道輸送(管輸)在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。管輸?shù)幕疽笫前踩?、高效。管輸一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視油氣管道檢測技術(shù)的研究和開發(fā)，重視對在役油氣管道實(shí)行法制性的檢測。我國在役長距離油氣輸送管道總長 20 000 千米左右，目前多數(shù)油氣管道已進(jìn)入中老年期。由于歷史原因,這些始建于 20 世紀(jì)六七十年代的油氣管道，從設(shè)計(jì)到施工都存在著許多缺陷，經(jīng)過多年的運(yùn)行大都已進(jìn)入事故多發(fā)階段。為防止管道發(fā)生腐蝕穿孔、爆管等惡性事故的發(fā)生，我國每年用于油氣管道的維修費(fèi)用達(dá)數(shù)億元，且有逐漸增加的趨勢。受檢測手段的制約,管道損傷狀況多數(shù)不明，維修手段不科學(xué)，往往造成盲目開挖、盲目報(bào)廢，從而造成人力物力的巨大浪費(fèi)。因此，對于管道檢測技術(shù)設(shè)備的需求非常迫切。 從60 年代開始,國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家已投入數(shù)十億美元用于開展管道檢測技術(shù)的研究,目前已研制出漏滋法、超聲法、渦流法、電磁超聲法等不同原理的管道檢測器達(dá) 30多種。借鑒國外管道檢測技術(shù)，研究開發(fā)或選用適合我國管道實(shí)際狀況的油氣管道檢測技術(shù)或設(shè)備，將管道的安全狀況置于運(yùn)行管理之中，使我國油氣管道從現(xiàn)行的“過剩維護(hù)”、“不足維護(hù)”進(jìn)入到科學(xué)的“視情維護(hù)”方式，防止惡性事故的發(fā)生，大幅降低管道維護(hù)費(fèi)用，是非常有必要的。 我國油氣管道大多是在 60-70 年代建設(shè)的，迄今僅在役時(shí)間近 30 年、處于中老齡期和事故多發(fā)性階段的長輸管線已逾 1.7萬千米，正面臨著管道進(jìn)入中老齡期，處于事故多發(fā)階段，油氣管道的檢測和評價(jià)的需求已日趨迫切。 【結(jié)論】 工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域。工業(yè)管道的工作環(huán)境非常惡劣,容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在的缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等，因此管道的監(jiān)測、診斷、清理和維護(hù)就成為保障管道系統(tǒng)安全、暢通和高效運(yùn)營的關(guān)鍵,管道的在役和在線探查也就成了管道無損檢測技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展的重要方向之一 。然而管道所處的環(huán)境往往受人力或人手不及所限，檢修難度很大，故通常對重要和不允許泄漏的管道采用定期或提前報(bào)廢的辦法，從而造成了巨大人力和物力損失。目前關(guān)于地下管道的質(zhì)檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽檢方法，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效益低，而且由于隨機(jī)抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，因而準(zhǔn)確率低、效果并不理想，并且往往會(huì)妨礙道路交通。因此開發(fā)適應(yīng)在管道這一特殊環(huán)境下工作的特種管道機(jī)器人，使人脫離危險(xiǎn)作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少不必要的損失是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)必然方向。 【本設(shè)計(jì)的研究思路和方法】 1．通過查閱和掌握大量有關(guān)文獻(xiàn)和資料，熟悉和了解管道機(jī)器人的發(fā)展技術(shù)以及國內(nèi)外對此的研究現(xiàn)狀。 2. 通過查閱文獻(xiàn)及相關(guān)資料，結(jié)合本課題任務(wù)書要求，初步確定管道檢測機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，初步設(shè)想整個(gè)檢測系統(tǒng)由管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人、圖像采集系統(tǒng)和控制器主機(jī)組成。 3.根據(jù)本課題任務(wù)書實(shí)情，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候一定要保證機(jī)器人有較大的承載能力，均勻的移動(dòng)速度，較好的彎管通過性，同時(shí)保證有較好的柔性。在查找文獻(xiàn)分析各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合本課題實(shí)際情況后最終確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4. 在確定了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，下一步將考慮機(jī)器人的基本機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過查找現(xiàn)有文獻(xiàn)以及現(xiàn)存的各種機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)，分析其機(jī)體機(jī)構(gòu)，并根據(jù)本課題實(shí)情完成機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 5.在確定了管道機(jī)器人的機(jī)體結(jié)構(gòu)以后，進(jìn)一步討論機(jī)器人的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，最終完成管道機(jī)器人的機(jī)體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。 6.在確定機(jī)器人的機(jī)體構(gòu)建后，通過SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件繪制出實(shí)際尺寸大小的零部件三維圖，并完成整個(gè)管道機(jī)器人的機(jī)體三維模型構(gòu)建。最后根據(jù)課題要求，使用CAD繪制出機(jī)器人的總裝配圖、關(guān)鍵部件圖、零件圖等圖紙，完成課題設(shè)計(jì)要求。 7.對管道機(jī)器人進(jìn)行受力分析以及穩(wěn)定性分析，分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)合對這種機(jī)器人的越障能力和過彎能力進(jìn)行分析，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。 8.對本次課題設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，分析本次設(shè)計(jì)取得的主要成果，思考本次設(shè)計(jì)存在的一些問題，提出一些相應(yīng)的進(jìn)一步研究方向及意見等。 【參考文獻(xiàn)】 [1] 陳瀟.管道內(nèi)支撐式檢測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與檢測研究.武漢大學(xué)，2018. 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