流体驱动式管道机器人驱动特性研究

论文摘要

流体驱动式管道机器人依靠首尾两端流体介质的压力差实现自驱动,很好地解决了能源供给问题,尤其适合长距离在役油气管线的检测作业。然而,此类管道机器人多无自主行走能力,运行过程中经常出现时走时停或时快时慢的速度波动现象。速度波动不仅会造成机器人本体的损伤,还会严重影响检测数据的精度,甚至导致检测数据不可用。本文在分析机器人速度波动机理的基础上,设计了一种具有速度控制功能的新型管道机器人驱动单元,并对其驱动特性进行了理论分析和实验验证。本文分析了管道机器人速度波动机理,确定了产生和维持速度波动的主要原因。对机器人进行动力学分析,建立了机器人速度波动的数学模型。通过数值仿真得到了机器人速度波动特性曲线,确定了各参数对速度波动的影响。在理论分析的基础上,提出了多种驱动方案,包括振动减摩方案,调节法向压力方案和调节流体压力差方案。引入了振动减摩宏观力学模型,建立了基于流体力学的节流调速理论模型。通过方案比较和优选,将凸轮振动减摩方案和双盘节流调速方案综合在一起,使驱动单元具备双重速度调节功能。完成了流体驱动式管道机器人驱动单元的设计和分析,利用三维设计软件建立了驱动单元整体装配模型。分析了驱动单元各系统的功能及工作原理,建立了振动执行机构的动力学模型,推导了流体驱动力与节流盘开口夹角的关系表达式,对辅助支撑系统进行管径适应能力分析和整体受力分析。搭建了流体驱动式管道机器人驱动特性实验平台,完成了两种简易原理样机的设计和制作。通过振动减摩性能实验和节流调速性能实验,验证了本文理论分析的正确性和驱动单元设计的合理性,为流体驱动式管道机器人技术的进一步研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 流体驱动式管道机器人发展状况
• 1.3.1 流体驱动式管道机器人的发展历程
• 1.3.2 国外流体驱动式管道机器人研究现状
• 1.3.3 国内流体驱动式管道机器人研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 流体驱动式管道机器人速度波动机理研究
• 2.1 管道机器人速度波动现象分析
• 2.1.1 管道机器人速度波动的外部影响因素
• 2.1.2 管道机器人速度波动产生的原因
• 2.1.3 管道机器人速度波动过程描述
• 2.1.4 管道机器人速度波动的几种情况
• 2.2 管道机器人速度波动的数学模型
• 2.2.1 力学模型的简化
• 2.2.2 管道机器人受力分析
• 2.2.3 速度波动现象的动力学分析
• 2.3 管道机器人速度波动的数值仿真分析
• 2.3.1 运动时摩擦阻力突然增大的情况
• 2.3.2 运动时摩擦阻力突然减小的情况
• 2.3.3 静止时摩擦阻力突然减小的情况
• 2.3.4 三种情况的比较
• 2.3.5 数值仿真结果讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 流体驱动式管道机器人驱动方案研究
• 3.1 管道机器人驱动方案设计原则
• 3.1.1 降低摩擦阻力突变值ΔF
• 3.1.2 降低速度影响系数α
• 3.1.3 调节流体压力差
• 3.2 振动减摩方案
• 3.2.1 振动减摩的理论依据
• 3.2.2 振动减摩方案设计
• 3.3 调节法向压力方案
• 3.3.1 调节法向压力的理论依据
• 3.3.2 调节法向压力方案设计
• 3.4 调节流体压力差方案
• 3.4.1 调节流体压力差的理论依据
• 3.4.2 调节流体压力差方案设计
• 3.5 合理选用密封圈材料
• 3.5.1 选用密封圈材料的理论依据
• 3.5.2 密封圈材料的选择
• 3.6 本章小结
• 第4章 流体驱动式管道机器人驱动单元设计与分析
• 4.1 管道机器人驱动单元整体设计
• 4.2 振动减摩系统设计与分析
• 4.2.1 振动减摩系统的工作原理
• 4.2.2 驱动机构设计
• 4.2.3 凸轮机构设计
• 4.2.4 执行机构设计
• 4.2.5 振动减摩系统理论分析
• 4.3 节流调速系统设计与分析
• 4.3.1 节流调速系统的工作原理
• 4.3.2 转盘机构设计
• 4.3.3 密封圈组件设计
• 4.3.4 节流调速系统理论分析
• 4.4 辅助支撑系统设计与分析
• 4.4.1 辅助支撑系统的结构和功能
• 4.4.2 辅助支撑系统理论分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 流体驱动式管道机器人驱动特性实验研究
• 5.1 管道机器人驱动特性实验平台
• 5.2 振动减摩性能实验
• 5.2.1 驱动单元原理样机
• 5.2.2 振动减摩实验方案
• 5.2.3 实验结果分析
• 5.3 节流调速性能实验
• 5.3.1 驱动单元原理样机
• 5.3.2 节流调速实验方案
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢