无源管道机器人推进系统的摩擦阻力计算.pdf

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1、现代制造技术与装备2010第1期总第194期30无源管道机器人推进系统的摩擦阻力计算李娜1綦耀光1刘保余1、2张立军1（1.中国石油大学（华东），东营257061；2.中国石化集团管道储运公司，徐州221008）摘要：皮碗式机器人在输气管道内运行需要克服与管壁间摩擦力的影响，研究摩擦力与皮碗结构的关系，从而控制机器人运动速度是当前输气管道检测的重要课题。文章建立了皮碗式无源管道机器人受力模型，根据力的叠加原理把皮碗与管壁间的压紧力分解成圆筒壁挤压力和悬臂梁的弯曲力，推导得出皮碗所受压紧力与皮碗各部分结构间的关系式。通过实例计

2、算得出压紧力与皮碗厚度等的关系曲线，从而为机器人在输气管道内运行的速度控制提供了理论依据。关键词：机器人受力模型皮碗悬臂梁VP随着石油、天然气工业的发展，西气东输输气管道的CFc铺设，对清管设备性能提出了更高的要求，有必要对管道A机器人在管路中运行规律进行认真的分析和研究。无源皮碗式管道机器人是一种利用流体压力差产生的能量驱动的机器人，机器人在运动过程中需要克服与管壁之间的摩擦阻力，因此对摩擦阻力的分析计算就显得尤为重P后P前要。现有的对于摩擦阻力的研究主要考虑了两个因素，一个是管道机器人自身重力所产生的压紧力的影响，直接用

3、重力与摩擦系数的乘积[1、2]；一个是克服皮碗过盈量所产生的压紧力的影响，主要采用皮碗唇边受压变形简化B成圆筒受压变形的模型进行计算[3-5]，后者虽然在一定程（a）Fc度更为准确。但由于现有的方法没有考虑皮碗唇部的弯VP曲变形、管道内焊缝等因素的影响，因此在使用范围上具图1皮碗受力分析有一定的局限性。本文在对皮碗式管道机器人在水平管使圆筒壁产生径向压缩的压强P2进行计算。道内运动状态进行受力分析的基础上，建立其受力模型，1.1过盈阻力推导出机器人皮碗的尺寸设计与摩擦阻力间的关系，为当圆筒壁受外压P2作用，受力分析如图2所示

4、。管道机器人的速度控制提供理论依据。P21力学模型[6、7]P2P2无源皮碗式管道机器人在管道内运行过程，依靠皮碗的密封作用产生压差推动前进，运动过程所受摩擦力主P2P2要由皮碗与管道间的压紧力产生的，其他部分对摩擦力δ不产生影响。摩擦力主要来自皮碗与管子过盈配合、管内焊缝、机器人自身重力等。机器人采用了支撑轮结构，不PP22必考虑重力的影响。由于输气管道的杂质量较少和堆积的杂质的不确定性，可通过实验结果设置修正系数。对皮P2P2碗进行受力分析，得出摩擦力由皮碗与管壁间压紧力。P2图1示挤压力使皮碗与管子变形，由于管子的强度

5、远图2圆筒受外压分析图大于皮碗，因此使皮碗沿径向方向产生δ的位移量。皮圆筒壁沿径向方向的位移量为：碗底部与机器人的其他刚性结构连在一起，受压紧力影δ=εD（1）响很小，假定皮碗底部为刚性。机器人在管道内运行时，根据弹性力学原理可得，圆筒壁克服半径方向的过盈皮碗与管壁间的压紧力作用在皮碗唇部，产生两个作用量所受的压强为：效果：一、圆筒壁（考虑皮碗厚度）受外压半径沿径向方向22（-Db+b）εDEP2=（2）减少；二、皮碗唇部受压产生弯曲变形。因此，根据力的叠D22■+（b-Db）（1+λ）■D加原理把压紧力分解为使皮碗产生弯曲

6、变形的压强P1和2设计与研究31皮碗底部是刚性的，假设唇部底端为固定端，自由端由于管道焊缝，皮碗产生的压紧力为：受P作用产生弯曲变形，取其中一小部分进行受力分析，-2（-Db+b2）δEδEb3111P障碍=++（8）2乙（L+a）3L3乙如图3所示。乙D+（b2-Db）（1+λ）乙D8a2P1综上述，机器人遇到焊缝时，皮碗与管道间压紧力的P1大小由皮碗的过盈量和焊缝的高度决定的，其大小为：P1εDEb3-2（-Db+b2）εDeP1P压紧力=+2+4a乙L+a乙3乙D（b2-Db）（1+λ）乙DP122-2（-Db+b2）

7、δEδEb311++（9）P2乙（L+a）3L3乙1乙D（b2-Db）（1+λ）乙D8a2P1式中：a为单个皮碗与管道接触长度，mm；b为皮碗的P1P厚度，mm；D为管道直径，mm；δ为管道内焊缝高度（取1P1最大值3mm）；ε为皮碗的过盈量；n为管道猪中皮碗个图3皮碗弯曲受力图数；λ为皮碗材料的泊松比；E为皮碗材料的弹性模量，把图中选取部分简化成末端受集中力F作用的悬臂Pa；L为皮碗唇部长度，mm。梁，图中悬臂梁还受内力F1作用，在弯曲后达到受力平2计算结果分析衡，如图4所示。文章中皮碗选取聚氨酯材料，从机械设计手册查得弹

8、D*dθ/2性模量和泊松比为：E=690×106pa，λ=0.4，研究的清管器的F运行环境温度变化不大，因此摩擦系数视为常量μ=0.12。La（1）皮碗唇部长度L=190mm时，皮碗厚度取固定值δ时，单个皮碗与管道接触长度与压紧力的关系图。F1P焊缝P平滑3.83.73.6ap63.5图4