煤矿排水管道除垢清洗机器人虚拟样机研究

摘要

在煤矿生产中保障煤矿排水管道正常工作是安全生产的重要环节，但由于矿井水中含有煤泥与难溶盐类等物质，经常致使管道结垢，引起管径与流通截面面积变小，造成能源浪费。鉴于上述背景，本文采用正交实验与仿真模拟相结合的方法确定煤矿排水管道内不同区域的安全性与结垢难易程度，据此设计了一种可很好地适应管道内径变化以及垢物厚度变化的MDCR虚拟样机，并测试其性能。本文的主要研究结论包括以下方面：
　　（1）采用流体动力学模拟煤矿排水管道内流体流动工况，设计了一组四因素三水平的正交实验（L9(34)），得出煤矿排水管道在已结垢区域更加容易产生附着的垢物，尤其是弯管处以及直管与弯管的交界区域最为明显。光滑的煤矿排水管道内壁的结垢区域主要分布在弯管内壁内外侧以及直弯管内壁上侧交界区域，结垢难易程度为：弯管内壁区域＞直管内壁区域，弯管内壁内外侧区域＞直弯管内壁交界区域，直管内壁上侧区域＞直管内壁下侧区域。粗糙的煤矿排水管道内壁的结垢区域主要在分布在弯管内壁内外侧凸起区域，结垢难易程度为：管道内壁凸起区域＞管道内壁凹陷区域，弯管内壁凸起区域＞直管内壁凸起区域，弯管内壁外侧凸起区域＞弯管内壁内侧凸起区域，弯管内壁外侧凹陷区域＞弯管内壁内侧凹陷区域。
　　（2）设计了一种可很好地适应管道内径变化以及垢物厚度变化的MDCR虚拟样机，驱动机构为电机驱动方式，移动机构为轮式移动方式，传动机构为齿轮传动方式，除垢方法为垢物切削与清洗机构，管径自适应机构为管径伸缩机构与轮组伸缩机构，箱体结构为一体化箱体，供电方式为外部线缆与蓄电池组供电相结合，监控机构为设置在壳体上的多个摄像机、不同机构上的传感器及设定在排水管道外侧的控制器，控制系统设置在管道外，远程控制样机完成对垢物的清除与清洗作业。
　　（3）通过仿真证明MDCR虚拟样机具有较好的管径适应性，管径伸缩机构对管径的调节范围为-50～+50mm，轮组伸缩机构对管径的调节范围为-7.7～+7.7mm；MDCR虚拟样机具有较强的弯管通过性，经过了进入阶段、通过阶段与离开阶段，实现了过渡阶段→旋转阶段→过渡阶段的转变，三组滚轮速度大小为vw＞vz＞vn；MDCR虚拟样机具有较大的拖动力，理论上所产生的总主拖动力F主大于仿真分析得到的最大拖动力Ft。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与方法

1.4 技术路线与研究意义

2 管道结垢机理与除垢技术概述

2.1 煤矿排水管道概况

2.2 管道结垢机理概述

2.3 管道除垢技术

2.4 管道机器人关键技术

2.5 本章小结

3 煤矿排水管道内结垢区域与难易程度分析

3.1 管道类型选择与模型构建

3. 2 正交实验

3.3 仿真结果分析

3.4 本章小结

4 MDCR虚拟样机设计方案

4.1 MDCR虚拟样机总体设计

4. 2 MDC R虚拟样机本体结构

4.3 MDCR虚拟样机控制系统

4.4 本章小结

5 MDCR虚拟样机性能测试

5.1 管径适应性研究

5.2 弯道通过性研究

5.3 拖动力研究

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果