适应大坡度的管道内重载移动平台研究

摘要

随着经济的快速发展，石油、天然气等管道如雨后春笋般出现。中国是个多山地、丘陵国家，管道铺设有大落差，给施工带来挑战。石油、天然气管道铺设时需要焊接，使用一定时间后管道内沉积各种杂质，都需要无损伤检测、除污;管道受到内外介质作用，发生腐蚀，出现裂纹、穿孔等导致管道失效，影响油气生产、输送正常进行。破损后需要维修，此时管道机器人发挥了重要作用，人们需要它来完成工作，特别是在穿越河道、铁路或重要地段的施工。因此，开展管道机器人研究具有重要的科学价值和经济价值。国内使用的管道机器人多为沿用以前的引进技术，承重能力不理想，爬坡能力不强，爬坡角度小(≤20°)等缺点;使用国外产品，价格高。
　　针对油气管道内环境下，深入研究了管道内运动方式、移动平台的方案和结构设计、动力系统。通过分析、设计，为研制实验样机、为解决大坡度油气管道环境下的重载移动平台研究所面临的一些关键问题提供了基础。本移动平台克服一般爬行机构的缺点，简单实用，具有大坡度爬坡能力，理论上爬坡角度接近90度，载重能力强。
　　本研究主要目的是对大坡度管道内的重载移动平台的实用化进程和商业化推广起到一定的推动作用。主要研究工作和成果如下:
　　1、掌握了大量国内外管道机器人、对口器相关文章和资料，深入研究了管道内机器人的机械结构、驱动原理、运动方式等，分析管道内环境特点，确定适应大坡度管道内重载移动平台的运动方式和结构。
　　2、针对设计关键问题、空间分布和支撑度进行了分析，提出适合大坡度重载的总体方案和驱动方式。
　　3、对管道内运动阻力、姿态调整、管径自适应和牵引力调节等运动力学方面深入研究。
　　4、针对大坡度重载关键问题，分析、设计了电机、升降机、行走轮结构等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究管道内移动平台的意义

1．2 管道机器人历史与现状

1．2．1 管道机器人

1．2．2 管道对口器

1．3 本文的主要内容及研究目标

1．4 小结

第2章 适应大坡度的管道内重载移动平台方案设计与结构分析

2．1 适应大坡度的管道内重载移动平台系统总体方案设计

2．2 适应大坡度的管道内机器人移动平台运动方式

2．2．1 大坡度管道内的工作环境特点

2．2．2 大坡度管道机器人的施工作业需求

2．2．3 适应大坡度管道的移动平台运动方式

2．3 适应大坡度的管道移动平台机构设计

2．3．1 移动平台设计的关键问题

2．3．2 支撑轮式移动平台总体方案

2．3．3 空间分布和支撑度

2．3．4 驱动方式

2．4 小结

第3章 管道内移动平台运动力学设计与分析

3．1 移动平台管道内运动阻力分析

3．1．1 滚动阻力

3．1．2 爬坡阻力

3．1．3 介质阻力

3．1．4 缆线阻力

3．2 移动平台运动姿态调整分析

3．3 管径自适应

3．4 牵引力调节

3．5 越障碍能力分析

3．6 弯道通过性分析

3．7 小结

第4章 移动平台动力系统、传动机构设计与分析

4．1 动力系统、传动机构设计

4．2 电机选型

4．3 传动机构设计

4．3．1 齿轮箱设计

4．3．2 蜗轮蜗杆减速器设计

4．3．3 链传动设计

4．3．4 轴承设计

4．4 行走轮传动结构方案确定

4．5 小结

第5章 移动平台运动控制

5．1 运动控制

5．1．1 速度控制

5．1．2 变径、大坡度环境中运动控制

5．1．3 输出功率控制

5．2 远程控制

5．3 小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 问题与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果