水下運(yùn)行管道爬行器（畢業(yè)設(shè)計(jì)論文）

1、緒論引言目前國(guó)內(nèi)外研究管道機(jī)器人的成果已經(jīng)很多，特別是對(duì)其驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的研究也逐步深入。但在微小管徑及特殊管道環(huán)境下（如彎頭管，T型管，變徑管等）的管道機(jī)器人方面剛剛起步，究其原因主要是受到以下幾個(gè)因素制約：爬行器的負(fù)載能耗比大。即能源損失嚴(yán)重，機(jī)械效率低。爬行器的自適應(yīng)性差。即適應(yīng)不同管徑，及變管徑的能力差，自我姿態(tài)調(diào)整能力差。適應(yīng)管內(nèi)特殊環(huán)境的能力差。如在特定溫度和壓強(qiáng)下的防腐、密封、穩(wěn)定可靠性等方面還不成熟。爬行器自救能力不足。即在整個(gè)爬行器出現(xiàn)故障后，自我搶救策略不足。由于上述幾個(gè)因素的制約，用于管道探傷、維修等工作的管道機(jī)器人實(shí)用化推廣受到制約，而另一方面，隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，管

2、道運(yùn)輸方式成為主要的運(yùn)輸渠道，對(duì)管道的維修、探傷、維護(hù)，成為重中之中。因此國(guó)內(nèi)外針對(duì)爬行器進(jìn)行深入的研究和分析是有著市場(chǎng)來源和巨大的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)意義。課題背景及國(guó)內(nèi)外研究概況本項(xiàng)目屬于國(guó)家863項(xiàng)目“海底管道內(nèi)爬行器及其檢測(cè)技術(shù)”項(xiàng)目的子項(xiàng)目，開發(fā)一套用于海底管道內(nèi)實(shí)時(shí)探傷檢測(cè)的牽引裝置。該裝置運(yùn)行于海洋石油鉆井平臺(tái)之間，平臺(tái)與陸地之間。目前而言，管道輸油是其主要方式，一般海底管道長(zhǎng)度20Km，位于水下幾十米左右，且管道埋地深度約2米。不僅鋪設(shè)這樣的管線成本極高，而且檢測(cè)和維修也極其不便。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對(duì)管道進(jìn)行有效的檢測(cè)維護(hù)，管道機(jī)器人為滿足該需要而產(chǎn)生。高

3、效率、高度集成化的管道牽引裝置目前成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。所以對(duì)水下運(yùn)行管道爬行器的設(shè)計(jì)非常有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐利用價(jià)值。管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人屬特種機(jī)器人的一種。在特殊復(fù)雜的工況環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)、維修、加工等作業(yè)任務(wù)，其牽引裝置的性能是管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)安全運(yùn)行的動(dòng)力關(guān)鍵。牽引裝置的性能決定了管道機(jī)器人在特殊復(fù)雜的工況環(huán)境下運(yùn)行的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等。由此可見設(shè)計(jì) “體積小、驅(qū)動(dòng)大、效率高、機(jī)動(dòng)靈活”的牽引裝置是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人管內(nèi)可靠作業(yè)的先決條件之一。因此對(duì)水下運(yùn)行管道爬行器的設(shè)計(jì)是對(duì)特殊環(huán)境下牽引裝置或移動(dòng)載體的探索與實(shí)踐。目前微型管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源大致有以下幾種：微型電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金（SM

4、A）、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等。管道機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)方式大致可以分為以下三種（如圖1所示）：1）自驅(qū)動(dòng)（自帶動(dòng)力源）；2）利用流體推力；3）通過彈性桿外加推力。 （a） 輪式（自驅(qū)動(dòng)） （b） 爬行式（自驅(qū)動(dòng)） （c） 蠕動(dòng)式（自驅(qū)動(dòng)） （d） 腳式（自驅(qū)動(dòng)） （e） 利用管內(nèi)流體壓力 （f） 通過彈性桿外加推力圖1 管道機(jī)器人的幾種基本形式對(duì)以上驅(qū)動(dòng)形式而言,他們都具有各自獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)特性和不足，對(duì)其分析比較得出以下結(jié)論：(1) 輪式全驅(qū)動(dòng)直進(jìn)式管道機(jī)器人（參見圖1.2.2、）：由于輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，行走效率高等特點(diǎn)，對(duì)此類機(jī)器人的研究比較多。機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，

5、有直進(jìn)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng))，也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng)，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng));輪的布置有平面的，也有空間的。一般認(rèn)為，平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，但剛性、穩(wěn)定性較差，而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、剛性較好，但對(duì)彎管和支岔管的通過性不佳。輪式載體的主要缺點(diǎn)是牽引力的提高受到封閉力的限制。(2）履帶式管道機(jī)器人（參見圖）：履帶式載體附著性能好，越障能力強(qiáng)，并能輸出較大的牽引力。為使管內(nèi)機(jī)器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達(dá)到良好的行走狀態(tài)，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)人們研制了履帶式管內(nèi)機(jī)器人。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因，此類機(jī)器人應(yīng)用較少。(3）蠕

6、動(dòng)式管道機(jī)器人（參見圖1.2.5）：參考蚯蚓、毛蟲等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，人們研制了蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。其運(yùn)動(dòng)是通過身體的伸縮(蠕動(dòng))實(shí)現(xiàn)的：首先，尾部支承，身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)，然后，頭部支承，身體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。(4) 電磁力驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人（參見圖1.2.6）：該類機(jī)器人利用仿生學(xué)原理，采用電磁互感方式驅(qū)動(dòng)，這類機(jī)器人一般體積較小，牽引力小，適合與微型管道的探傷與維護(hù)。圖1.2.2 韓國(guó)管道檢測(cè)機(jī)器人輪式驅(qū)動(dòng)器單元圖1.2.3 東華大學(xué)研制成功的輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人（180-200mm） 圖1.2.4 履帶式水平管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人圖1.2.5 蠕動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器

7、人結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2.6 電磁力驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人課題關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)管道機(jī)器人爬行器的研究，本文將各種管道爬行器的優(yōu)點(diǎn)加以集成、整合，提出了一種基于多電機(jī)并聯(lián)輪式驅(qū)動(dòng)模式下，適應(yīng)大范圍變徑與小范圍自適應(yīng)變徑相結(jié)合以及雙解鎖自救功能為一體的高效率、大功率爬行器牽引裝置。受管內(nèi)空間的限制，爬行器攜帶的能源非常有限；爬行器應(yīng)輸出較大的拖動(dòng)力，且滿足一定的速度要求；能夠可靠預(yù)緊，并能靈活實(shí)現(xiàn)雙側(cè)解鎖，因此這一牽引裝置的核心技術(shù)問題有以下幾點(diǎn)：1） 結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單；2） 變徑機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)兩種規(guī)格管道內(nèi)徑（195、297）；3） 可實(shí)現(xiàn)雙側(cè)同步解鎖；4） 滿足管徑2.5%的微觀變徑；5） 盡量提高驅(qū)動(dòng)效率

8、；6） 結(jié)構(gòu)可靠性盡量高；7） 滿足密封、防爆要求；8） 解鎖時(shí)有被動(dòng)支撐輪支撐本單元重量；9） 單元結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度限制在510mm以內(nèi)；10）總重量小于50Kg；11）通過R=900mm（3D）彎管時(shí)無運(yùn)動(dòng)干涉；12）對(duì)接、預(yù)緊方便可靠。本章小結(jié)綜上所述，本文依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外在管道爬行器方面已有的技術(shù)，并在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種新的牽引裝置。該牽引裝置集大功率、自適應(yīng)、自救等為一體，成功解決了目前管道爬行器在這些方面的不足。因此該牽引裝置的研發(fā)對(duì)管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)突破和創(chuàng)新，具有較大的實(shí)際意義和學(xué)術(shù)意義。在下面的章節(jié)中，本文將進(jìn)一步詳細(xì)介紹該牽引裝置水下運(yùn)行管道爬行器的設(shè)計(jì)。水下運(yùn)行管道

9、爬行器的方案設(shè)計(jì)引言水下運(yùn)行管道爬行器，即水下運(yùn)行管道機(jī)器人系統(tǒng)的牽引裝置。該裝置是管道機(jī)器人系統(tǒng)安全運(yùn)行、執(zhí)行作業(yè)的保證。由于其運(yùn)行管道本身環(huán)境而言有以下特點(diǎn)：1）運(yùn)行空間有限；2）運(yùn)行距離較長(zhǎng)；3）管道具有3D彎頭等。所以水下運(yùn)行管道爬行器的設(shè)計(jì)受到空間的限制，同時(shí)這些限制也為設(shè)計(jì)提供了約束條件，為方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其運(yùn)行環(huán)境參見圖。圖 爬行器運(yùn)行環(huán)境示意圖管內(nèi)牽引裝置爬行器的驅(qū)動(dòng)分析管內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及使用性直接依賴于其牽引裝置。因此牽引裝置是管道機(jī)器人系統(tǒng)中關(guān)鍵單元在之一。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)這一關(guān)鍵性單元爬行器牽引裝置進(jìn)行研究分析。就現(xiàn)有管道機(jī)器人系統(tǒng)所采用的牽引裝

10、置而言，歸納起來有三種：1）單電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置；2）雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置；3）三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置。這三種不同的驅(qū)動(dòng)形式都有自己的實(shí)用環(huán)境及性能優(yōu)缺點(diǎn)。下面本節(jié)將對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。單電機(jī)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)牽引裝置圖.1是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置的結(jié)構(gòu)圖。其適用于大管徑直管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。這是由于中間電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，并由蝸桿并聯(lián)驅(qū)動(dòng)三個(gè)蝸輪。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，圓周均勻分布的三組驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)管道出現(xiàn)彎頭時(shí)，該牽引裝置在進(jìn)入彎道環(huán)境下，三組驅(qū)動(dòng)輪走過的母線長(zhǎng)度不在相等，這種幾何約束條件要求三組驅(qū)動(dòng)輪按照一定合理的速度配比關(guān)系旋轉(zhuǎn)才能通過彎管，這樣由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)處于相同轉(zhuǎn)速的三組驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)合彎管這一環(huán)境幾何約束

11、條件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。結(jié)果將導(dǎo)致“內(nèi)耗”增大，牽引力減小，機(jī)械效率不高。但由于在大口管徑的環(huán)境下，管道內(nèi)部空間相對(duì)加大，電機(jī)的選擇余地就大，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的牽引力仍可以滿足實(shí)際工程要求。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)形式下，牽引裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此其在大管徑運(yùn)行環(huán)境下具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。除此之外，因?yàn)榉忾]力由三根彈簧分別與三個(gè)驅(qū)動(dòng)臂產(chǎn)生，因此該結(jié)構(gòu)自定心性能不好，在應(yīng)用時(shí)要保證機(jī)器人重心在中間處。圖.1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)牽引裝置圖.1是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置結(jié)構(gòu)圖。電機(jī)M1和M2分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)蝸桿，蝸桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相同，在此不在贅述。但封閉力由彈簧推動(dòng)的同一圓柱滑塊推動(dòng)三個(gè)支撐臂同時(shí)撐開，這樣牽引裝

12、置具備自定心性，滿足管內(nèi)行走的基本條件。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置多用于中小管道長(zhǎng)距離作業(yè)，由于管道空間受到限制，所以電機(jī)的選擇余地相對(duì)較小，為了提高驅(qū)動(dòng)力，可以采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)M1和M2及其傳動(dòng)系統(tǒng)固定在同一機(jī)架上，屬于剛性連接，因此在同一電源的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)牽引裝置的輸出轉(zhuǎn)矩是兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的疊加，即負(fù)載由兩臺(tái)電機(jī)共同承擔(dān)；驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與輸出力矩形成負(fù)反饋閉環(huán)，因此提高了牽引裝置的越障能力及拖動(dòng)負(fù)載的能力。圖2.2.2.1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置三電機(jī)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)牽引裝置圖.1是三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置結(jié)構(gòu)圖，它的兩端由三個(gè)支撐臂在彈簧的支撐下產(chǎn)生封閉力，因而具備管內(nèi)行走的基本條件。與前兩種牽引裝置不同的是

13、其驅(qū)動(dòng)電機(jī)并沒有固定在機(jī)器人本體上，而是三個(gè)電機(jī)M1、M2和M3分別固定在三個(gè)驅(qū)動(dòng)臂上，電機(jī)通過蝸桿蝸輪直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪。這樣的驅(qū)動(dòng)方式有很多優(yōu)點(diǎn)，首先三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，使之具有差動(dòng)功能，在管道有一定曲率或出現(xiàn)凸凹不平的 惡略環(huán)境時(shí)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪不會(huì)因轉(zhuǎn)度相同而產(chǎn)生 “內(nèi)耗“現(xiàn)象，而是三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪根據(jù)各自的路徑不同而調(diào)整自身轉(zhuǎn)速以適應(yīng)各種管內(nèi)幾何條件的約束，除此之外，三臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩具有疊加性，即由三臺(tái)電機(jī)共同承擔(dān)負(fù)載。上述兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使?fàn)恳b置行走平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)力大，平順性較好，適合在彎管和管內(nèi)壁惡略條件的環(huán)境下使用。由于三臺(tái)電機(jī)占用空間相對(duì)加大，因此這種驅(qū)動(dòng)形式適合于大管徑重載條件下使用。

14、由于該驅(qū)動(dòng)方式具有差動(dòng)特性，因此不會(huì)因?yàn)槠亩痱?qū)動(dòng)輪內(nèi)部的干涉。圖2.2.3.1 三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置多電機(jī)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)牽引裝置的構(gòu)想通過對(duì)單電機(jī)、雙電機(jī)和三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置的分析比較，可知單電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置適合于大管徑直管的應(yīng)用條件；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置適合于中小管徑長(zhǎng)距離的應(yīng)用條件；三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置適合于大管徑重載環(huán)境或管道直線狀況不良及管內(nèi)凸凹不平條件下使用。由三電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置的機(jī)械特性可以類推：多電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引裝置的驅(qū)動(dòng)力矩的疊加性有利的提高了牽引裝置的驅(qū)動(dòng)性能，從而會(huì)更好的提高機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)作可靠性。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中多電機(jī)驅(qū)動(dòng)是提高機(jī)器人越障能力和穩(wěn)定性的有效途徑。從多電機(jī)驅(qū)動(dòng)這一形式整體

15、來看，機(jī)電系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)果使?fàn)恳b置具有恒速功能；對(duì)于其中任意一電機(jī)而言，由于管內(nèi)障礙約束該受阻驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩自身反饋調(diào)整作用使該驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力增加，提高了機(jī)器人的越障能力和可靠性。多電機(jī)牽引裝置的構(gòu)想是實(shí)現(xiàn)大功率牽引的理論基石。爬行器整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)爬行器運(yùn)行空間有限，又要克服較大負(fù)載的前提條件下，在小節(jié)中關(guān)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)管內(nèi)牽引裝置的構(gòu)想的基礎(chǔ)上，提出了一種新的驅(qū)動(dòng)組合模式輪式六電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，這種模式具有結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)功率、效率大、負(fù)載能力大等卓越的特點(diǎn)。根據(jù)其變徑要求及自救自解鎖功能的要求，將軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊、支撐連桿、驅(qū)動(dòng)臂、機(jī)體有機(jī)組合成一集驅(qū)動(dòng)、變徑、解鎖功能為一體的四桿機(jī)構(gòu)單元，將六組這

16、樣的四桿結(jié)構(gòu)單元交錯(cuò)并聯(lián)圓周空間布置，從而形成了爬行器的整體，滿足設(shè)計(jì)要求。其方案原理參見圖2.3.1。圖2.3.1 爬行器整體方案設(shè)計(jì)原理圖1、軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊；2、自救支撐輪；3、機(jī)體； 4、驅(qū)動(dòng)臂； 5、驅(qū)動(dòng)輪； 6、支撐連桿。雙解鎖預(yù)緊方案的設(shè)計(jì)由2.3節(jié)所述，可知其預(yù)緊形式的設(shè)計(jì)，即如何實(shí)現(xiàn)圖中所述的軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊的軸向移動(dòng)方式。根據(jù)爬行器的運(yùn)行環(huán)境，軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊在預(yù)緊時(shí)除了做軸向位移外，同時(shí)在預(yù)緊完成后具有自鎖功能。為實(shí)現(xiàn)這一功能，通過方案論證 絲桿絲母組合的螺旋傳動(dòng)方式較為合理。螺旋傳動(dòng)具有兩個(gè)自由度，其一是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其二是軸向位移運(yùn)動(dòng)。由于螺旋傳動(dòng)的這一特性。我們可以很容

17、易的將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)。除此之外，螺旋傳動(dòng)還具有自鎖特性。這一預(yù)緊形式將預(yù)緊所需的軸向位移與自鎖統(tǒng)一于一體，既滿足設(shè)計(jì)要求，又達(dá)到了機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的功能復(fù)合。其方案原理參見圖2.4.1。圖2.4.1 雙解鎖預(yù)緊方案原理圖1 12、 壓緊螺母；2 10、預(yù)緊彈簧；3 11、預(yù)緊螺母；4 13、預(yù)緊絲桿； 5 9、連接滑套； 6 8、預(yù)緊滑套； 7、雙輸出軸電機(jī)。變徑機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)中關(guān)于水下運(yùn)行管道爬行器雙解鎖預(yù)緊方案所述，其預(yù)緊機(jī)理在于通過螺旋傳動(dòng)達(dá)到軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊的軸向移動(dòng)，同時(shí)結(jié)合2.3節(jié)爬行器整體方案所述，軸向移動(dòng)預(yù)緊滑塊的軸向移動(dòng)使爬行器的四桿結(jié)構(gòu)單元中驅(qū)動(dòng)臂繞相關(guān)支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而

18、調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪與管道的接觸情況，并且這一機(jī)構(gòu)與雙解鎖預(yù)緊機(jī)理相關(guān)聯(lián)，從而使水下運(yùn)行管道爬行器在管道彎頭或管道微變徑的等情況下自適應(yīng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁的接觸狀況，實(shí)現(xiàn)爬行器的微變徑功能。爬行器作為一種管道內(nèi)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)載體，其適應(yīng)性決定了整個(gè)管道機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)合運(yùn)作性及復(fù)合經(jīng)濟(jì)價(jià)值性，根據(jù)調(diào)研，目前海底輸油管道管徑一般采用直徑195mm和直徑297mm兩種規(guī)格，本文針對(duì)這兩種規(guī)格的管徑，將驅(qū)動(dòng)，雙解鎖預(yù)緊等形成固態(tài)模式，結(jié)合四桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過改變四桿機(jī)構(gòu)中支撐連桿及與驅(qū)動(dòng)臂相固結(jié)的自救輪支撐架的長(zhǎng)度，從理論上實(shí)現(xiàn)各種所需適應(yīng)得管徑變化。本文針對(duì)上述所提規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)其相關(guān)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)兩種差別較

19、大管徑的變換功能。單元接口設(shè)計(jì)現(xiàn)代管道機(jī)器人系統(tǒng)中通常以節(jié)或單元來劃分各部分的功能，各單元與各節(jié)之間相互獨(dú)立、通過單元接口又相互聯(lián)系，既形成了單元模塊化，又形成了模塊集成化的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的水下運(yùn)行管道爬行器，只屬于管道機(jī)器人系統(tǒng)中眾多單元模塊中的動(dòng)力牽引模塊?？紤]到該單元塊在管道機(jī)器人系統(tǒng)中的模塊相對(duì)位置，本文設(shè)計(jì)了水下運(yùn)行管道爬行器與其他功能相互獨(dú)立的模塊間的單元接口。該單元接口根據(jù)功能分為兩種類型，其一，起連接作用的兩自由度雙萬向節(jié)端接口（見圖2.6.1）；其二，起收放、自救于一體的對(duì)接裝置（見圖2.6.2）。這兩種類型的單元接口分別裝于爬行器中心機(jī)體的兩端，與其他各獨(dú)立單元相互連接。采

20、用雙萬向節(jié)連接兩個(gè)獨(dú)立單元是為了實(shí)現(xiàn)全方位的轉(zhuǎn)向能力。雙萬向節(jié)是一種2個(gè)自由度的剛性機(jī)構(gòu)，可以滿足單元之間的柔順連接。圖2.6.1單元連接接口方案原理圖1、雙萬向節(jié)支架-1；2、雙萬向節(jié)中連桿；3、雙萬向節(jié)支架-2圖2.6.2 對(duì)接單元接口方案原理圖對(duì)接盤；2、對(duì)接頭；3、對(duì)接網(wǎng)；4、對(duì)接網(wǎng)安裝柱密封實(shí)驗(yàn)裝置的方案設(shè)計(jì)由于爬行器運(yùn)行的環(huán)境是水下，而且需要承載一定的壓力，為此確定爬行器的密封性是爬行器水下安全作業(yè)的前提。由此設(shè)計(jì)一套與爬行器相匹配的密封實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置是必不可少的。鑒于此，本節(jié)提出了一種切實(shí)可行的密封實(shí)驗(yàn)裝置方案（參見圖）。圖 密封實(shí)驗(yàn)裝置方案原理圖1、加壓手輪；2、固定絲目；3、加

21、壓施力螺桿；4、壓力表；5、加壓活塞；6、壓力容器蓋；7、介質(zhì)（水）8、被測(cè)對(duì)象；9、壓力容器；10、卸荷絲堵。本章小結(jié)本章對(duì)爬行器的各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的論述，通過對(duì)基本技術(shù)參數(shù)的計(jì)算，為爬行器整體方案的提出提供了理論依據(jù)，同時(shí)通過對(duì)整體方案的細(xì)化分解，形成了爬行器設(shè)計(jì)要求中各項(xiàng)指標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)形式的可行性方案。這些方案與整體方案密切相結(jié)合構(gòu)成爬行器的有機(jī)整體。這些方案的提出為水下運(yùn)行管道爬行這一課題的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了機(jī)構(gòu)原理依據(jù)和基礎(chǔ)。為結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步合理化設(shè)計(jì)給予了可行性指導(dǎo)意見。水下運(yùn)行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言承第二章水下運(yùn)行管道爬行器的方案所述，本章將在水下運(yùn)行管道爬行器的方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上

22、，對(duì)爬行器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。本章將在主驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用與校核的基礎(chǔ)上結(jié)合動(dòng)密封和靜密封的要求對(duì)驅(qū)動(dòng)臂進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在預(yù)緊力與解鎖力計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合動(dòng)密封和靜密封的要求對(duì)雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動(dòng)密封和靜密封性能測(cè)試對(duì)密封試驗(yàn)裝置進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。爬行器的基本技術(shù)參數(shù)爬行器的速度V正常爬行速度為： （1）檢測(cè)爬行速度為： （2）驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)尺寸R輪及轉(zhuǎn)速n輪根據(jù)實(shí)際情況，取驅(qū)動(dòng)輪的實(shí)際直徑為2R輪 =55mm，所以驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為： （3）爬行距離L按項(xiàng)目要求，一次爬行距離L不小于20Km。爬行器總拖動(dòng)負(fù)載F重因阻力FG：管內(nèi)爬行器的總重量約為284Kg。由于所有單元與管

23、壁間都是以支撐輪（驅(qū)動(dòng)輪）相接觸，所有輪為空間均布，可以將所有各單元抽象為一個(gè)剛性單元由三個(gè)支撐輪支撐于管壁上，受力原理如圖3.2.1所示。圖3.2.1 徑向支撐管內(nèi)爬行器受力原理圖圖中，-爬行器管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，-6060； G-爬行器本體重力；Ni (i=1,2,3)各支撐輪與管壁間的正壓力。三個(gè)因重力而引起的正壓力之和按下式計(jì)算： （4） （5） （6）可見： （7）所以，因重力而引起的管壁與支撐輪間的正壓力之和在284568Kgf之間，為安全起見，正壓力值取為=5680N。0.04之間，考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的軸承摩擦、滑動(dòng)摩擦、彈簧預(yù)緊等未知負(fù)載，最終取當(dāng)量滑動(dòng)摩擦系數(shù)：f=0.05，因此，

24、爬行器在管道中運(yùn)行所需牽引力FG值為： （8）磁因阻力FCI：漏磁檢測(cè)單元需要以較大磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁塊以較?。?mm以下）間隙貼近管壁，磁性吸附力很大，引起的行走阻力也比較大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：因此，爬行器的總拖動(dòng)力F為：。爬行器理論牽引功率P （9）假定系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際功率為：。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用及校核1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取選用六臺(tái)80W的MAXON 118890型直流無刷微型電機(jī)（驅(qū)動(dòng)特性如圖3.3.1圖所示），基本參數(shù)如下：電機(jī)功率：80W 額定電壓：48VDC空載轉(zhuǎn)速：11300rpm 最大電流：最大力距：53.1mNm 最大效率：76%外形尺寸：32*60mm 外加驅(qū)動(dòng)器：160

25、*240mm計(jì)算轉(zhuǎn)速：10000rpm 計(jì)算力距：45mNm圖3.3.1 MAXON EC32(貨號(hào)118890)電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性圖3.3.2 118890+114585驅(qū)動(dòng)特性圖2、驅(qū)動(dòng)減速器的選取在電機(jī)的另一端，選配MAXON行星齒輪減速器，減速器型號(hào)：114585，采用一體式安裝形式。減速器的主要技術(shù)參數(shù)如下：最大效率：70% 重量：194克外形尺寸：32*43.1 減速器輸出軸徑：6mm118890電機(jī)與114585減速器連接后，工作性能如上圖3.3.2所示。結(jié)論：?jiǎn)蝹€(gè)驅(qū)動(dòng)臂最終輸出力矩為：4Nm；輸出轉(zhuǎn)速：=90rpm。3、驅(qū)動(dòng)能力校核實(shí)際穩(wěn)定拖動(dòng)速度： （1）實(shí)際拖動(dòng)力： （2）結(jié)論：

26、拖動(dòng)能力及拖動(dòng)速度滿足設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過3.3節(jié)關(guān)于主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與校核，結(jié)合選擇電機(jī)及相配合使用減速器的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮電機(jī)引出線的靜密封安全性，和電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)動(dòng)密封安全性要求，以結(jié)構(gòu)最小化為設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)驅(qū)動(dòng)臂進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見圖3.4.1和3.4.2。圖3.4.1，管徑D=195和D=297環(huán)境下驅(qū)動(dòng)臂三維設(shè)計(jì)圖圖3.4.2 驅(qū)動(dòng)臂詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖預(yù)緊與解鎖力的計(jì)算爬行器預(yù)緊力的計(jì)算1、預(yù)緊機(jī)構(gòu)模型及預(yù)緊力計(jì)算公式爬行器需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證驅(qū)動(dòng)輪和管壁之間具有一定的正壓力，以便產(chǎn)生足夠的拖動(dòng)能力。單純依靠爬行器自身重量產(chǎn)生的正壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，必須依靠

27、適當(dāng)?shù)膹椈深A(yù)緊增加正壓力?；瑝K、壓簧、支撐桿、驅(qū)動(dòng)臂之間所形成的預(yù)緊機(jī)構(gòu)可以抽象為圖.1所示的力學(xué)模型：圖3.5.1.1 預(yù)緊機(jī)構(gòu)力學(xué)模型圖中，桿AB、BC均是二力桿，驅(qū)動(dòng)輪受到、三個(gè)力的作用處于平衡狀態(tài)。各參數(shù)的物理意義為：驅(qū)動(dòng)臂與爬行器本體軸心線夾角；支撐桿與爬行器本體軸心線夾角；彈簧預(yù)緊力；驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的正壓力；驅(qū)動(dòng)臂對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的支撐力；支撐桿對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的支撐力。BC桿為二力桿，所以： （3）以驅(qū)動(dòng)輪為研究對(duì)象： （4）聯(lián)解式（3）、（4）可以得到以下關(guān)系： 或者 （5）2、滿足驅(qū)動(dòng)能力條件下的彈簧預(yù)緊力當(dāng)接觸壓力足夠時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不打滑，并且電機(jī)工作在額定狀態(tài)下，此時(shí)的工作狀態(tài)是最理想的狀態(tài)

28、。由公式（2）知，六電機(jī)空間交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)最終會(huì)產(chǎn)生873N的拖動(dòng)力。設(shè)驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的驅(qū)動(dòng)附著系數(shù)為=0.5，則正壓力的大小為： （6）根據(jù)式（5）可以得到此時(shí)的彈簧預(yù)緊力為： （7）定義為預(yù)緊機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)，與具體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。在本設(shè)計(jì)中可以保證以下關(guān)系：、，所以：，為保證可靠，預(yù)緊力可以儲(chǔ)備35%的余量，滿足以下關(guān)系式即可： （8）3、結(jié)論：1）由于爬行器有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)截面，所以單個(gè)壓簧的預(yù)緊力為 =1100/2=550N；2）預(yù)緊長(zhǎng)度取20mm爬行器預(yù)緊及解鎖力矩的計(jì)算1、已知：鋼-鋼的許用比壓Pp=10N/mm2；螺桿直徑d=16mm，中徑d2=15mm，梯形螺紋：=30，=1.5，軸向負(fù)載5

29、50N。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：螺母高度：導(dǎo)程角：（滿足自鎖條件）當(dāng)量摩擦角：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：=2、結(jié)論考慮到螺桿支撐摩擦、滑套摩擦等因素，預(yù)緊及解鎖所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩取為2Nm左右。預(yù)緊彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算由于爬行器受軸向尺寸的限制（小于510mm），因此，彈簧剛度不能太小，否則，過長(zhǎng)的預(yù)緊長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)尺寸的增加?，F(xiàn)設(shè)定預(yù)緊長(zhǎng)度為20mm時(shí)，產(chǎn)生預(yù)緊力550N，則彈簧剛度約為550/20=27.5N/mm。取彈簧材料為70Si3MnA，兩端圈磨平。由于不經(jīng)常使用，屬于III類負(fù)載，機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)為：許用彎曲應(yīng)力：；許用剪切應(yīng)力：；切變模量：；彈性模量：。試選：d=5mm、最大心軸直徑36mm、最小導(dǎo)筒直徑54mm彈簧的

30、有效圈數(shù)：，取標(biāo)準(zhǔn)值：n=2.5；彈簧總?cè)?shù)：；查表：節(jié)距=；彈簧自由長(zhǎng)度：；彈簧壓并長(zhǎng)度：。由此可見，滿足使用要求。設(shè)計(jì)結(jié)論：d=5mm 最大心軸直徑36mm 最小導(dǎo)筒直徑54mm有效圈數(shù)=2. 5 彈簧節(jié)距=彈簧自由長(zhǎng)度： 彈簧壓并長(zhǎng)度：20mm預(yù)緊與解鎖電機(jī)及減速器的選擇考慮到安裝調(diào)試、搶救對(duì)接及可靠驅(qū)動(dòng)的要求，驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的正向壓力必須是可以調(diào)整的。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)思想，驅(qū)動(dòng)輪正壓力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖所示：采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，帶動(dòng)左、右旋螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的同步預(yù)緊與解鎖。電機(jī)及減速器采用型號(hào)如下：解鎖電機(jī)：直流有刷（MAXON）訂貨號(hào)：110862 額定功率：15W空載轉(zhuǎn)速：38

31、00rpm 額定電壓：48V最大力矩：38.6mNm 最大電流：331mA最大效率：67%外形尺寸：32*60mm，兩側(cè)雙輸出軸，軸徑4解鎖減速器：行星減速器（MAXON）訂貨號(hào)：110378 減速比：531：1外形尺寸：32*，軸徑6mm圖3.7.1 解鎖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（110862+110378）驅(qū)動(dòng)特性結(jié)論：若螺距為2mm，每分鐘驅(qū)動(dòng)速度為59mm左右，運(yùn)動(dòng)速度較慢，則驅(qū)動(dòng)力矩可以達(dá)到12Nm（見上圖3.7.1），單側(cè)預(yù)緊及解鎖力矩為6 Nm，遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)載（2Nm的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩），故滿足實(shí)用要求。雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過3.5 節(jié)對(duì)預(yù)緊力和解鎖力的計(jì)算，為3.7節(jié)對(duì)預(yù)緊彈簧的設(shè)計(jì)和預(yù)緊解鎖電機(jī)及減

32、速器的選擇提供了理論設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)確定了雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)的設(shè)尺寸和預(yù)緊解鎖電機(jī)的安裝和密封措施的實(shí)施結(jié)構(gòu)。為本節(jié)雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見圖3.8.1，3.8.2。圖3.8.1 雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖圖3.8.2 雙解鎖預(yù)緊結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖爬行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過本章以上各節(jié)所述，特別是3.4節(jié)和3.8節(jié)針對(duì)爬行器中兩大結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)論述。這兩大結(jié)構(gòu)單元是爬行器設(shè)計(jì)的核心。這兩大結(jié)構(gòu)單元在空間上的有機(jī)結(jié)合構(gòu)成了水下運(yùn)行管道爬行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)參見圖3.9.1，3.9.2，3.9.3。圖3.9.1 管徑D=297mm環(huán)境下的爬行器三維

33、設(shè)計(jì)圖圖3.9.1 管徑D=195mm環(huán)境下的爬行器三維設(shè)計(jì)圖圖3.9.1 管徑D=195mm環(huán)境下的爬行器詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖爬行器密封件的選擇與多線密封措施及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這些關(guān)鍵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)水下這一運(yùn)行環(huán)境爬行必須進(jìn)行密封處理，本節(jié)在前幾節(jié)的基礎(chǔ)上，針對(duì)爬行器適應(yīng)水下這一環(huán)境的特殊要求集中論述與結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的密封處理措施。密封源的確定A、動(dòng)密封源：動(dòng)密封源，顧名思義就是零件間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要保證密封隔離，就整個(gè)爬行器而言，做相對(duì)運(yùn)動(dòng)還需要保證密封于外部隔離的主要有兩類需要采用動(dòng)密封的密封源。其一，驅(qū)動(dòng)臂上驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出部分輸出軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此處密封是為了保證放置電機(jī)的驅(qū)動(dòng)臂套筒內(nèi)保持干

34、燥，確保電機(jī)的安全水下工作(參見圖)。其二，預(yù)緊雙解鎖處的預(yù)緊解鎖電機(jī)的雙輸出軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此處密封是為了保證放置預(yù)緊解鎖電機(jī)的機(jī)體支撐套兩端與外部隔離，確保預(yù)緊解鎖電機(jī)的安全水下工作（參見圖3.8.2）。B、靜密封源：靜密封相對(duì)動(dòng)密封而言，只是為了使密封對(duì)象與外界相對(duì)隔離，而沒有運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。在整個(gè)爬行器中，有電機(jī)引線需要靜密封以及組裝電機(jī)安裝套需要靜。靜密封只是為了形成密封腔體與外界隔離，因此相對(duì)容易做。（參見圖和參見圖3.8.2）2、密封的解決措施及密封件的選擇A、動(dòng)密封既有運(yùn)動(dòng)又要密封隔離，這是一對(duì)相對(duì)矛盾的處理措施，因?yàn)槊芊夂镁蜁?huì)降低機(jī)械功率，產(chǎn)生因摩擦而生成的摩擦熱較多。但工作環(huán)境比較

35、惡略，不僅要在常態(tài)下密封好，還要在2Mpa的壓力壓密封好。以這個(gè)前提條件為約束經(jīng)過折中選擇，采用徐州車氏密封有限的骨架式直角組合密封TB1-1A，該密封由一個(gè)聚四氟乙烯（PTFE）材料的直角形滑環(huán)和一個(gè)GB3452.1-92 “O”橡膠圈組合而成。其結(jié)構(gòu)示意圖參見圖。a) 閉式溝槽結(jié)構(gòu)b) 開式溝槽結(jié)構(gòu)圖 動(dòng)密封圈結(jié)構(gòu)示意圖B、靜密封相對(duì)而言較為容易解決，在形成筒狀密封室時(shí)采用一般的“O”橡膠密封圈即可，“O”橡膠密封圈在此不再贅述。但爬行器的密封還存在一個(gè)這樣的問題，就是多根電機(jī)引出線的密封問題。這種靜密封不能用簡(jiǎn)單的密封圈處理。由于電機(jī)引出線多且分散。故在此應(yīng)用實(shí)踐證明密封性良好的壓縮密封

36、結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)針對(duì)電線而確定，既節(jié)省空間又起到非常好的密封效果。其結(jié)構(gòu)形式在圖中已有體現(xiàn)。密封實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)密封實(shí)驗(yàn)裝置相關(guān)參數(shù)的計(jì)算1、實(shí)驗(yàn)容器參數(shù)的確定由于爬行器的單元及其他相關(guān)獨(dú)立單元長(zhǎng)度在510mm左右，并考慮到水密試驗(yàn)的時(shí)效性，實(shí)驗(yàn)圓筒長(zhǎng)度L取1200mm，這個(gè)長(zhǎng)度豎立起來，人既可以方便操作，同時(shí)能夠以最大空間放置盡可能多得試驗(yàn)對(duì)象，提高實(shí)驗(yàn)時(shí)效性。由于爬行器最大適應(yīng)管徑D=297mm，所以選用的實(shí)驗(yàn)容器實(shí)驗(yàn)圓筒的公稱通經(jīng)DN=300mm，外部直徑D=325mm，壁厚14mm。由管子表號(hào)： (1)P實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力 2Mpa;45#鋼屈服極限與安全系數(shù)之比，安全系數(shù)取4由管子表號(hào)理論計(jì)算

37、值，加實(shí)踐修正后取60 即用G60。2、加壓活塞筒參數(shù)的確定及緊固螺栓的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的加壓要求，確定活塞筒長(zhǎng)L=185mm，外徑D=64，壁厚5.5，考慮材質(zhì)和加工余量諸因素，活塞筒內(nèi)徑d=52mm。由確定活塞筒參數(shù)得圓筒端面面積A： 由實(shí)驗(yàn)要求加壓的要求P=2Mpa，得端面受力F： 由實(shí)驗(yàn)容器相關(guān)參數(shù)得實(shí)驗(yàn)容器端面受力面積 a=9840mm2。則其端面承受應(yīng)力為：根據(jù)實(shí)驗(yàn)容器空間位置限制，在其端面采用螺栓12個(gè)螺栓緊固，則每個(gè)螺栓受拉力為：那么單個(gè)螺栓所受總拉力為：由螺栓材料45鋼的，假定安全系數(shù)取4，則：根據(jù)螺栓受載荷情況得理論螺栓直徑： 則直徑d1=24mm取螺栓拉應(yīng)力： 故 M24

38、 p=3螺母厚22，螺紋圈數(shù) u=22/3=74、加壓施力螺桿參數(shù)的確定由活塞參數(shù)得活塞端面積為S: S=2則活塞受力為： P實(shí)驗(yàn)環(huán)境壓力 2Mpa根據(jù)加壓施力螺桿的結(jié)構(gòu)和實(shí)際需求，本次設(shè)計(jì)選擇普通螺紋,牙形斜角，那么螺桿中徑為： P ：螺旋副材料的許用壓強(qiáng) 7.513查表取螺桿公稱直徑 d=32mm,中徑d2=，小徑d2=螺距p=2mm 。螺母高度： 驗(yàn)算自鎖螺紋升角 當(dāng)量摩擦角：5、加壓施力螺桿強(qiáng)度計(jì)算螺桿受扭矩為T ：材料選45鋼 ，許用應(yīng)力：當(dāng)量應(yīng)力 ： 結(jié)論：該設(shè)計(jì)其強(qiáng)度滿足使用要求，由加壓施力螺桿加力行程得螺桿長(zhǎng)L=336mm。密封實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)密封實(shí)驗(yàn)裝置的方案設(shè)計(jì)和理論

39、計(jì)算，本小節(jié)對(duì)密封實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，參見圖.1。圖.1密封實(shí)驗(yàn)裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖本章小結(jié)本章在前一章基礎(chǔ)上詳述了爬行器整體以及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其密封實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論校核。本章在考慮到爬行器在管道這一特殊環(huán)境下對(duì)其結(jié)構(gòu)從理論到實(shí)踐式的設(shè)計(jì)，既滿足課題任務(wù)的要求，同時(shí)也為對(duì)爬行性能的進(jìn)一步分析做好了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。水下運(yùn)行管道爬行器的仿真引言由于爬行器在管道內(nèi)運(yùn)行的環(huán)境比較復(fù)雜，在空間上爬行器的在管道內(nèi)的運(yùn)行情況相對(duì)分析困難。鑒于這個(gè)原因，本章根據(jù)第三章水下運(yùn)行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了爬行器的動(dòng)態(tài)仿真模型，通過ADAMS的虛擬樣機(jī)仿真主要實(shí)現(xiàn)以下目的：1）檢驗(yàn)爬行器的3D通過

40、性；2）分析在現(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)下的力學(xué)特性；3）分析爬行器的的負(fù)載特性。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元數(shù)字化模擬，其目的在于利用現(xiàn)代化輔助設(shè)計(jì)軟件更直觀方便的對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件數(shù)字化模擬，縮短設(shè)計(jì)周期。模型建立仿真模型與環(huán)境的建立根據(jù)第三章水下運(yùn)行管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件UG構(gòu)建爬行器在管道直徑D=297mm下的三維仿真模型，具體參見圖.1，4.2.。圖爬行器的仿真模型圖4.2.2爬行器在管徑為297mm管道內(nèi)的虛擬圖爬行器仿真初始條件的標(biāo)定依據(jù)仿真目的，確立仿真初始條件參見下列表格。表一管道參數(shù)參數(shù)管道外徑D（mm）管道內(nèi)徑d（mm）轉(zhuǎn)彎半徑R (mm)直管長(zhǎng)度L（mm

41、）數(shù)據(jù)320297900(3d)800表二輪子與管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)參數(shù)動(dòng)摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)表三預(yù)緊彈簧參數(shù)參數(shù)彈簧剛度系數(shù)K彈簧阻尼系數(shù)C預(yù)緊力F數(shù)據(jù)550N爬行器仿真約束的建立1、約束的添加根據(jù)爬行器多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性以及微變徑蓄能運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對(duì)爬行器進(jìn)行約束。如圖.1是爬行器約束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖.1爬行器約束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖得，對(duì)爬行器的約束如下（具體參見圖4.2.3.2）：1）在A、A、B、B、C 、C各低副處加鉸鏈形旋轉(zhuǎn)副；2）在六組6.5Nm之間）；3）六組驅(qū)動(dòng)輪分別與管道內(nèi)壁加體接觸（相關(guān)參數(shù)參見節(jié)中表二）；4）在Slider_A和Slider_B處加兩個(gè)軸向移動(dòng)副；5）在Slider_A和S

42、lider_B處與機(jī)體間分別加蓄能預(yù)緊彈簧（相關(guān)參數(shù)參見節(jié)中表三）。2、運(yùn)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)述由圖.1可知，爬行器在彈簧預(yù)緊力作用下，使預(yù)緊支撐桿AB逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使后端三組驅(qū)動(dòng)輪抬起預(yù)管道內(nèi)壁充分接觸，并產(chǎn)生正壓力，使預(yù)緊支撐桿AB順時(shí)針旋轉(zhuǎn)使前端三組驅(qū)動(dòng)輪抬起預(yù)管道內(nèi)壁充分接觸，并產(chǎn)生正壓力，于此同時(shí)自救輪一端與支撐桿一端轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反使自救輪落下遠(yuǎn)離管道內(nèi)壁。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁充分接觸并使預(yù)緊彈簧有一定儲(chǔ)存能量時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在驅(qū)動(dòng)力矩作用下靠輪子與管道內(nèi)壁的摩擦力的反作用下向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)爬行器行走到3D轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后兩端驅(qū)動(dòng)輪分別在儲(chǔ)元件作用下與管道內(nèi)壁充分接觸并以各自路徑各自轉(zhuǎn)速通過彎管部分。在彎管時(shí)由于儲(chǔ)能元

43、件的作用，使爬行器運(yùn)行穩(wěn)定，使驅(qū)動(dòng)輪充分與管道內(nèi)壁接觸有足夠的正壓力保證爬行器拖動(dòng)力的穩(wěn)定和降低彎道內(nèi)耗，提高驅(qū)動(dòng)效率。圖.1 爬行器約束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖.2 爬行器在ADAMS環(huán)境下的約束情況仿真結(jié)果與分析負(fù)載特性的結(jié)果與分析1、動(dòng)態(tài)負(fù)載模型的建立為了更為逼真的在ADAMS環(huán)境下對(duì)爬行器的負(fù)載特性進(jìn)行仿真，考慮機(jī)器人系統(tǒng)得構(gòu)成特征，在對(duì)爬行器仿真的同時(shí)，在爬行的單元接口上連接機(jī)器人系統(tǒng)得其他獨(dú)立單元模型，并在該單元上集中整個(gè)爬行器的負(fù)載情況。在基本參數(shù)計(jì)算中可以得知機(jī)器人系統(tǒng)負(fù)重在300Kg左右，根據(jù)機(jī)器人相關(guān)獨(dú)立單元與管道內(nèi)壁屬滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)f=0.05,則爬行器的拖動(dòng)力只要克服機(jī)器人系統(tǒng)整

44、體負(fù)重產(chǎn)生的摩擦力阻力即可。由因?yàn)榕佬衅髌渌嚓P(guān)單元和爬行器一樣也有六個(gè)支撐輪（分別前三后三圓周分布）所以其摩擦阻力經(jīng)計(jì)算大概80Kg。于是將80Kgf的阻力集中在仿真機(jī)器人系統(tǒng)獨(dú)立單元模型上，便形成了動(dòng)態(tài)負(fù)載單元載體。其詳細(xì)情況參見圖.1。圖4.3.1.1爬行器在管道內(nèi)模擬單元連接的動(dòng)態(tài)負(fù)載仿真2、結(jié)果與分析通過ADAMS的運(yùn)動(dòng)方針，得出了爬行器預(yù)緊力變化和爬行器的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性曲線，參見圖.2。圖.2 爬行器動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線由圖.2是在仿真時(shí)間0.5S的情況下，爬行器由直管進(jìn)入彎管并在彎管內(nèi)行走時(shí)的負(fù)載特性曲線?？芍佬衅鞯呢?fù)載在管道內(nèi)并不是一成不變的。在直管時(shí)其負(fù)載與動(dòng)態(tài)負(fù)載單元載體上添加負(fù)載

45、相同，此時(shí)爬行器儲(chǔ)能彈簧基本沒有變化。這一點(diǎn)說明爬行器在直管內(nèi)行走是完全可以帶動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的，并且穩(wěn)定性較好。在爬行器進(jìn)入彎管的情況下，爬行器儲(chǔ)能彈簧為了使爬行器的各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁充分接觸而被壓縮，同時(shí)爬行器后面連接的動(dòng)態(tài)負(fù)載單元載體產(chǎn)生的負(fù)載則在100Kgf為中間值80Kgf以上變化。這一點(diǎn)說明了機(jī)器人系統(tǒng)的負(fù)載在彎道內(nèi)由于曲率半徑的變化而使負(fù)載增大，同時(shí)也說明了爬行器驅(qū)動(dòng)輪在力矩3.5N.m的情況下可以承載因彎道曲率半徑變化而帶來負(fù)載的額外增加?？偠灾?，爬行器具有穩(wěn)定可靠的負(fù)載特性。爬行器的3D通過性為了驗(yàn)證爬行器的3D通過性，還需在原有約束的基礎(chǔ)上，增添驅(qū)動(dòng)臂與管道內(nèi)壁，自救輪與管

46、道內(nèi)臂的接觸力，因?yàn)檫@兩個(gè)結(jié)構(gòu)件與管道內(nèi)壁接觸最近，在爬行氣通過彎管時(shí)可能發(fā)生干涉，在ADAMS仿真過程中，只要這兩部分與管道內(nèi)壁接觸就會(huì)產(chǎn)生接觸力，通過對(duì)這兩部分的接觸力進(jìn)行考察就可以很容易判別爬行器是否在運(yùn)行過程中特別是通過彎管時(shí)發(fā)生干涉。同時(shí)這也是考察爬行器3D通過性的一種檢驗(yàn)途徑。除此之外，還可對(duì)爬行器尾部單元接口處進(jìn)行軌跡追蹤，以追蹤曲線與管道中心線相比較，就可以很清楚的觀察出爬行器尾部的3D通過性。根據(jù)上述辦法，通過仿真，爬行器順利通過3D管，并沒有發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)臂與管道內(nèi)壁以及自救輪與管道內(nèi)壁產(chǎn)生的接觸力，這說明爬行器具備3D通過性。通過對(duì)爬行器尾部單元接口處中心點(diǎn)的追蹤得到其運(yùn)動(dòng)軌跡

47、（參見圖.1），從其軌跡曲線來看，與管道中心線偏差并不很大，這說明爬行器通過3D管時(shí)運(yùn)動(dòng)平順性較好。圖4.1 追蹤爬行器尾部中心點(diǎn)的軌跡曲線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零件的CAE有限元分析與校核本章小結(jié)三維設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介引言目前全球已進(jìn)入信息技術(shù)為代表的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，世界經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出信息傳遞高速化、商品競(jìng)爭(zhēng)全球化、科技發(fā)展高新化趨勢(shì)。國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和企業(yè)的進(jìn)步比任何時(shí)候都依賴于科技的應(yīng)用和創(chuàng)新。CAD/CAM即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，是現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)成功技術(shù)滲入各傳統(tǒng)制造業(yè)的結(jié)果。它引發(fā)了工業(yè)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，正被各種制造業(yè)越來越廣泛的應(yīng)用。就機(jī)械這一大行業(yè)來說，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造以及工程專家

48、系統(tǒng)在信息化高速發(fā)展的全球形勢(shì)下高速發(fā)展。例如如果將1960年McAuto公司（McDonnell Douglas Automation Company，該公司為Unigraphics Solution的前身）的成立當(dāng)作CAD軟件產(chǎn)業(yè)的早期標(biāo)志之一，那么，CAD應(yīng)有45年的歷史了。40多年來，CAD發(fā)生了翻天覆地的變化。三維CAD模型不僅能真實(shí)的表達(dá)產(chǎn)品的外觀形狀和結(jié)構(gòu)特征，而且也為產(chǎn)品出工程圖、裝配、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析、性能分析、有限元分析以及數(shù)控加工等奠定了基礎(chǔ)，引起了一場(chǎng)真正的設(shè)計(jì)革命。在全面推進(jìn)創(chuàng)新教育和素質(zhì)的今天，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段來輔助完成本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)，以全面提高自身的科

49、研和創(chuàng)新能力。本章利用三維CAD軟件在設(shè)計(jì)課題中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，并結(jié)合本人以前做實(shí)際工程設(shè)計(jì)的體會(huì)，以 Unigrphics三維設(shè)計(jì)軟件和adams機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件以及ANASY有限元分析軟件為例簡(jiǎn)述他們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并介紹上述幾個(gè)軟件之間在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)交換。三維設(shè)計(jì)技術(shù)的簡(jiǎn)介Unigraphic軟件簡(jiǎn)稱UG，這一三維模型設(shè)計(jì)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)市場(chǎng)。它是美國(guó)EDS公司開發(fā)展研制的集三維造型設(shè)計(jì)、有限元分析、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真及計(jì)算機(jī)輔助制造于一體的大型高級(jí)軟件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、模具等機(jī)械制造業(yè)。UG軟件的功能非常強(qiáng)大，它是集CAD、CAM和CAE于一體的工程軟

50、件。UG軟件最常用的模塊有Modeling造型模塊、Drafting制圖模塊、Assembly裝配模塊、GFEM有限元分析模塊、Mechanism機(jī)構(gòu)模塊、以及Manufacture加工制造模塊。上述模塊在工程領(lǐng)域已得到較廣范的應(yīng)用，在此不再一一贅述，下面僅針對(duì)UG的一個(gè)插件GEARWIZARD齒輪設(shè)計(jì)加以介紹。從中體驗(yàn)計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。GEARWIZARD齒輪設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)：功能：布置模塊實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)布置?？蓪?shí)現(xiàn)行星輪系的布置，齒輪傳動(dòng)系的布置，包括軸、軸承、齒輪。設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)一對(duì)嚙合齒輪的設(shè)計(jì)。包括幾何尺寸的設(shè)計(jì)、表面疲勞和齒根強(qiáng)度的校核、膠合承載能力的校核，并能各自輸出結(jié)

51、果參數(shù)。能夠?qū)υO(shè)計(jì)完成的參數(shù)加以修改，快速實(shí)現(xiàn)修改。根據(jù)界面所提供的設(shè)計(jì)向?qū)?，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)不是非常豐富的設(shè)計(jì)員也能夠快速的完成傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)。并得到完善的設(shè)計(jì)參數(shù)。建模模塊完成單個(gè)或嚙合齒輪的三維精確建模。輸出數(shù)模的參數(shù)。能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)齒輪的自動(dòng)嚙合。（程序自動(dòng)判斷嚙合條件）在UG的基本功能下能實(shí)現(xiàn)嚙合齒輪模擬運(yùn)行，齒面修形。特點(diǎn)：可以完成圓柱直齒、斜齒、錐齒輪、格利森螺旋線錐齒輪、格利森準(zhǔn)雙曲面錐齒輪、奧林康螺旋線錐齒輪、奧林康準(zhǔn)雙曲面錐齒輪的設(shè)計(jì)和建模。格利森和奧林康齒輪可以根據(jù)具體的機(jī)床輸出工藝參數(shù)。三維精確建模是有限元分析的基礎(chǔ)。具有實(shí)用的模糊設(shè)計(jì)模塊。已開發(fā)完成圓柱齒輪的模糊設(shè)計(jì)模塊，用于實(shí)

52、際的測(cè)繪計(jì)算。在測(cè)得齒輪的一些基本參數(shù)或者特征參數(shù)，輸入程序界面之后，程序自動(dòng)根據(jù)內(nèi)置的算法，得到全部的齒輪參數(shù)。通過DRAFTING模塊，在UG的基礎(chǔ)上輸出齒輪的二維圖紙。除此之外還可以根據(jù)企業(yè)的具體要求進(jìn)行客戶化的開發(fā)。虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司研制開發(fā)的一種虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，它是目前世界上最流行也最具有權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件。它是以多體動(dòng)力學(xué)為核心建立起來的一種新的描述機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)特性為目標(biāo)的仿真軟件。工程技術(shù)人員利用ADAMS交互式圖形環(huán)境和零件、約束、力

53、庫(kù)可以方便的建立機(jī)械系統(tǒng)的三維參數(shù)化模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能高度逼真的仿真分析和比較，從而得到“虛擬樣機(jī)” 可供選擇的多種設(shè)計(jì)方案。ADAMS能夠自動(dòng)輸出位移、速度、加速度和反作用力，其仿真結(jié)果可以顯示為逼真的動(dòng)畫或XY曲線圖形。ADAMS仿真可以用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢查、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等， ADAMS和大多數(shù)CAD、Flexe及控制設(shè)計(jì)軟件包之間具有雙向通迅功能。ADAMS的核心配置方案是核心仿真軟件包，它包括交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和核心仿真求解器ADAMS/Solver。ADAMS/View是機(jī)械系統(tǒng)仿真工具（全部ADAMS系列產(chǎn)品）的交互式

54、圖形環(huán)境。它將簡(jiǎn)單的圖標(biāo)菜單、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真、動(dòng)畫顯示、XY曲線圖繪制等功能特性完美地綜合在一起。ADAMS/View采用分層方式完成建模工作。物理系統(tǒng)由一組構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連結(jié)在一起，彈簧或運(yùn)動(dòng)激勵(lì)可作用于運(yùn)動(dòng)副。任意類型的力均可以作用于構(gòu)件之間或單個(gè)構(gòu)件上，由此組成機(jī)械系統(tǒng)。仿真結(jié)果以形象直觀的方式描述虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能，并將分析結(jié)果進(jìn)行形象化輸出。CAD幾何造型可以通過IGES接口輸入ADAMS/View，ADAMS/View的輸出選項(xiàng)則有用戶化的曲線圖、著色的或線框式的動(dòng)畫顯示以及輸出到Exchange接口、視頻顯示器或Wavefrot接口。ADAMS/Solver

55、是位于ADAMS產(chǎn)品系列核心地位的仿真“發(fā)動(dòng)機(jī)”。該軟件自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，并提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver可以對(duì)剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除了要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可以要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運(yùn)動(dòng)副、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、高副接觸、用戶定義的程序等添加不同的約束。用戶可以同時(shí)求解運(yùn)動(dòng)副之間的作用力和反作用力或施加單點(diǎn)外力。這些在解決工程環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分析、力學(xué)性能分析比傳統(tǒng)工程抽象話分析結(jié)果更真實(shí)可靠，同時(shí)運(yùn)算效率大大提高。軟件交互協(xié)作接口在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師可選用各種三維軟件來完成整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如UG、Pro/E、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS等三維CAD軟件。在結(jié)構(gòu)工程師對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真及分析時(shí)，根據(jù)所使用的分析軟件不同，對(duì)產(chǎn)品CAD