管道机器人三轴差动式驱动单元设计与可靠性研究

论文摘要

为了保证管道机器人对管道环境具有良好的适应性,国内外学者研制了不同结构形式的管道机器人。其中以机械自适应型三轴差动式管道机器人最能解决各驱动轮与管道内壁接触情况的复杂性并能完全通过差速机构自主实现各驱动轮的差速,避免了建立复杂的机器人系统模型,解决了轮式管内移动机器人的关键技术问题。本文针对管道机器人在直管和弯管处的运动平顺性,分别建立了驱动单元在直管和弯管处的运动方程与平衡方程,分析了其在弯管处的差速特性与力学特性。理论分析表明,三轴差动式管道机器人驱动单元在直管和弯管处均能自主差速,无寄生功率产生,驱动轮能够提供足够的拖动力,具有良好的机械自适应特性。建立的驱动单元运动方程与平衡方程,对三轴差动式管道机器人的机械自适应理论奠定了理论基础,在此基础上设计并研制出基于三轴差速原理的管道机器人样机,在样机正式应用于实际工程检测之际,对其进行可靠性考核与研究,以保证样机可靠地工作并为类似产品的可靠性研究提供借鉴。在理论分析的基础上,改进设计了三轴差动式管道机器人驱动单元的样机,并在试验室内搭建了试验平台进行初步验证,然后在与实际工况完全一致的试验现场(山东东营胜利油田)的冲浪管道中进行运行,并将试验结果与理论分析进行了对比,结果表明本文的理论分析是正确的。同时试验还表明,基于三轴差动驱动的轮式行走管道机器人能够满足管道检测过程中的牵引功能。本文还对管道适应机构的结构、制造装配过程中的工艺优化等进行了理论分析和试验分析,取得了研究成果,为机器人的管道通过性和运行可靠性奠定了基础,对工程实际应用具有指导作用。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外管道作业机器人技术综述
• 1.2.1 介质压差驱动的管内作业装置—PIG
• 1.2.2 具有自主行走能力的管内移动机器人
• 1.2.3 管内轮式驱动机器人课题的研究背景与技术现状
• 1.3 课题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题
• 1.3.1 课题的研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 拟解决的关键问题
• 1.4 课题来源
• 1.5 本课题项目的特色与创新之处
• 第二章 管道机器人三轴差动式驱动单元的设计研究
• 2.1 引言
• 2.2 三轴差动式驱动单元的结构与机构原理
• 2.3 驱动单元的三轴差速机构及其差速特性
• 2.3.1 三轴差动式驱动单元的差速机构
• 2.3.2 三轴差动式驱动单元的差速特性
• 2.3.3 三轴差速器力矩特性分析
• 2.3.4 三轴差速器动力学仿真分析
• 2.4 三轴差动式驱动单元管径适应机构及其力学特性
• 2.4.1 三轴差动式驱动单元的管径适应机构
• 2.4.2 三轴差动式驱动单元管径适应机构的力学特性
• 2.5 三轴差动式驱动单元的行走力学特性
• 2.6 三轴差动式驱动单元行走特性的虚拟实验
• 2.7 本章小结
• 第三章 三轴差动式管道机器人驱动单元弯管通过性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 管道机器人驱动单元在弯管处的行走特性
• 3.2.1 运动轨迹方程
• 3.2.2 差速方程
• 3.2.3 机器人在弯管处的平衡方程
• 3.3 管道机器人驱动单元在弯管处行走的虚拟实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于传动精度的驱动单元工艺优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 驱动单元支撑板孔系加工中的工艺优化设计
• 4.2.1 公式推导
• 4.2.2 应用实例
• 4.3 驱动单元装配中的工艺优化设计
• 4.3.1 差速圆锥齿轮副调整间隙分析
• 4.3.2 差速圆锥齿轮副齿顶隙变化量分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 驱动单元的加速寿命实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 定量加速寿命试实验原理与方案设计
• 5.2.1 定量加速寿命试验原理
• 5.2.2 定量加速寿命试验方案设计
• 5.3 管道机器人定量加速寿命试验分析
• 5.3.1 定量加速寿命试验环境与条件
• 5.3.2 定量加速寿命试验
• 5.3.3 定量加速寿命试验分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 管内移动机器人三轴差动单元可靠性分析
• 6.1 引言
• 6.2 三轴差速器的结构与工作原理
• 6.3 故障分析
• 6.3.1 建立故障树
• 6.3.2 故障树分析
• 6.3.3 故障树基本事件结构重要度分析
• 6.4 管道机器人典型故障树定量分析
• 6.4.1 基本事件的发生概率
• 6.4.2 基本事件的概率重要度
• 6.4.3 基本事件的临界重要度
• 6.5 改进设计
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢