针对联排管的管外爬行机器人设计与分析

《针对联排管的管外爬行机器人设计与分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、针对联排管的管外爬行机器人设计与分析基金项目:国家“十二五”科技支撑计划项目“石油装备制造业创新技术服务平台建设”(2012BAH28F03)张子华何富君（东北石油大学机械科学与工程学院，大庆163318）摘要：针对石化、炼化厂大量应用的加热炉内竖直联排管的检测，设计了一种管外爬行机构，此机构能够解决细长管小间隙单向排布检测难题；机器人的行走系统采用单驱动轮式行走方式，利用剪刀手抱紧结构能够适应50~90mm以内的管径变化。本文列出了该机器人动力学分析方程；并得出了最佳主驱动轮与主夹紧轮中心连线和水平线的夹角α范围；该爬行系统具有防偏、管径适应调节、结构简单等优点。关键

2、词：管道；机器人；爬管；管径适应MechanicalStructureDesignandAnalysisoftheOutsideNeedlePipeClimbingRobotZhangZihuaHeFujun（DepartmentofMechanicalScienceandEngineering，NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318）Abstract：Inordertodetectthelargeapplicationofheatingverticalneedlepipeusinginpetrochemical、refine

3、ryindustry,thearticledesignedakindofcrawlingmechanism,whichcansolvetheslenderandneedlepipesmeasurement.Therobot`swalkingsystemusesasingledrivenwheeltostickontheway,usingapairofscissorshandstructuretoadapttothechangeofdiameterbetween50~90mm.Inthispaper,thedynamicanalysisequationoftherobot

4、islisted;themainfactorofcrawlingtheangleαbetweenthecenterlineandthehorizontallineofthemaindrivingwheelandthemainwheelisobtained;thecrawlingsystemhastheadvantagesofantideviation、adjustingthedifferentpipediameterandthestructureissimple.Keywords:tube;robot;crawlingtube;diameteradaptation1前言

5、管道作为一种物料输送的重要手段，其应用范围越来越广[1]。目前石化、炼化厂中普遍采用加热炉加热炉管来传递热量。对于加热炉管的清洁和检测工作，基本上还是由人工完成，工人的工作环境恶劣，工作效率低[2]。研究并应用管外爬行机器人技术能够将人从恶劣的环境中解脱出来，必将大大改善工人工作环境，提高生产率。目前国内外关于管外机器人的研究还相对较少，针对管外壁的爬行机构已有的结构为：轮式、气动蠕动式、尺蠖式、多关节式结构[3-4]9。炉管爬壁机器人进行管壁检测，要求运行速度平稳，能够连续检测。针对联排炉管检测机器人的设计方案中，采用剪刀手式驱动轮式行走机构，该设计原理来源于人类爬树

6、或爬杆时所用脚扣，利用人体重力来实现稳定连续的爬行[5-7]。由于自身结构特点，其负载能力较小，但该机构具有结构简单，行走灵活，运行稳定等优势，因此适合对竖直联排加热炉管的检测。管外爬行机器人系统主要由轴向行走系统、扶正系统、传感器检测系统、控制系统四部分组成。管外爬行机器人系统原理示意图，如图1所示。检测机器人工作时，行走电机驱动轴向行走系统搭载传感器沿竖直管道作连续或间歇式直线行走运动，可以实现传感器对管道的连续或间歇式测量。图1管外爬行机器人系统原理示意图2管外爬行机器人系统组成及结构设计2.1轴向行走系统结构设计加热炉中的炉管直径一般在50~90mm，炉管竖直联

7、排分布，横排管间距约为63mm。设计针对图示炉管的检测爬行机构需要考虑三个问题：一，在63mm管间距内实现从动轮的伸入与夹紧；二，便于安装、拆卸；三，在50~90mm范围内适应管径变化。采用单电机驱动轮式行走系统，轴向行走系统由步进电机经过锥齿轮驱动主动轮沿管道轴线作连续或间歇式直线运动。爬行机器人的行走系统主要由两个部分构成：一，电机、锥齿轮与主动轮部分；二，从动轮与管径调节部分。将电机通过电机支撑板固定在底座上，电机轴通过轴承座与锥齿轮用键连接，通过锥齿轮90º啮合实现电机径向扭矩转为轴向主动轮的驱动力。从动轮机构的设计如图2所示，采