【摘 要】
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随着管道运行时间的增加使得管道内壁大量沉积、吸附了许多杂质,导致管道难以实现正常的运输作业功能,给人民生活、生命、财产安全都造成来了巨大的隐患。本文主要采用管道机器人的方式来进行管内清理,并针对螺旋驱动式管道巡检清理机器人的管内运动过程以及射流清理过程进行分析,以得到装置的管内最佳运动状态以及最佳清理参数,并通过实验进行验证分析。主要的研究内容如下:针对管道的巡检清理问题,本文提出了一种螺旋驱动式
【基金项目】
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山西省科技合作交流专项项目“危险源管内缺陷检测与应急防控智能装备技术”（项目编号:202104041101001）； 山西省自然科学基金（面上项目）“管道多点分散区段泄漏封堵修复驱动机构运动特性研究”（项目编号:20210302123038）”； 山西省回国留学人员科研资助项目（项目编号:2020-110）；
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随着管道运行时间的增加使得管道内壁大量沉积、吸附了许多杂质,导致管道难以实现正常的运输作业功能,给人民生活、生命、财产安全都造成来了巨大的隐患。本文主要采用管道机器人的方式来进行管内清理,并针对螺旋驱动式管道巡检清理机器人的管内运动过程以及射流清理过程进行分析,以得到装置的管内最佳运动状态以及最佳清理参数,并通过实验进行验证分析。主要的研究内容如下:针对管道的巡检清理问题,本文提出了一种螺旋驱动式的管道巡检清理机器人,通过螺旋驱动的方式保证装置在管道内部的稳定运行;以机械清理、水射流清理相结合的方式保证在不对管道造成较大破坏的前提下,实现对管内杂质的可靠清理;通过摆动铲除、滚刷清扫、负压抽吸相互结合的方式来实现装置对管内杂质的收集、存储和运输功能;以气囊隔离定位保证装置在实现管道清理的过程中不会对机器人驱动装置造成影响;同时采用气囊膨胀的方式来实现装置的隔离定位,可通过气囊膨胀来缓冲装置在清理顽固污垢过程中的反作用力并为清理收集装置的运行提供稳定的工作环境。建立螺旋驱动式管道巡检清理机器人管内运动模型。通过建立管内的受力模型,研究装置在运行过程中所受到的驱动力以及阻力状态;牵引力的大小仅取决于传动轮的转动角度,而牵引力的大小则与驱动轮偏转角正弦值成负相关。运用坐标转化法研究驱动机器人在管内的运动特性,建立运动方程,研究机器人在直管内的运动特性,得到了机器人在直管内的速度方程以及直管内的运行轨迹方程。建立管内清理的水射流清理模型,通过数值模拟的方式对水射流清理过程进行模拟,研究在不同影响因素下,射流清理的靶面打击力以及射流靶面剪切力的变化。清理过程中的射流压力越大,到达靶面的压力越大,靶面剪切力也越大;适当的增大射流压力可在一定程度上增加清理效率。喷嘴与靶面距离越大,射流到达靶面时的射流打击力越小,对污垢的破坏能力越弱、清理效率越低;当采用较小的靶面距离进行管道清理作业时,虽然可以增大到达靶面的打击力,但一定程度上也会减少靶面的清理面积、同时增加对壁面的损伤,由分析结果可得靶面距离为喷嘴出口直径的12-13倍即25mm左右时,清理效果较好。当喷嘴以某一角度射向靶面时,达到靶面的靶面打击力降低,射流剪切变大,入射角度过小,壁面所受剪切力较小清理效率低,入射角度过大,靶面打击力降低,有效清理效率降低。因此,当入射角度为15°时,装置的清理效果较好,此时靶面所受的最大剪切力约为0.11MPa。合理的调整射流清理的靶距、入射角度等参数,能够极大的提高射流清理的清理效果。建立管道机器人清理装置实验平台进行管内运动状态以及射流清理效果的管内验证实验验证。该机器人驱动单元的的实际巡检速度可达到0.075 m/s,满足设计指标条件下的牵引力最小值可达到39 N。通过建立管内清理实验平台,通过管道清理作业过程验证装置的清理能力,得到了机器人在管内的射流最佳清理状态约为靶距为25mm,射流入射角度为15°。该螺旋驱动式管道巡检清理机器人的研究可对管内的清理、检测与维护提供一定的理论基础。
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