管道机器人适应不同管径的三种调节机构的比较

为了使管道机器人能够适应管径为400～650mm的管道,介绍了3种适应不同管径的常用调节机构.分析了每种调节机构的力学特性,给出了计算结果,比较研究了各种调节机构的优缺点.针对工程需要,选用了滚珠丝杠螺母副调节机构,滚珠丝杠上的筒式压力传感器保证驱动轮和管道内壁间的压力始终处于稳定的范围,使管道机器人具有充裕并且稳定的牵引力,牵引力的实验表明该调节机构具有1404N的牵引力输出.该调节机构能很好地适应管径为400～650mm的管道.     

一种水管机器人的结构和弯道通过性分析

楼房自来水旧有金属管道的内衬涂覆可有效避免水在这种管道内输送时的二次污染,从而为直饮水推广提供必要条件,但在内表面处理后没有合适的技术来进行涂覆质量的检查,利用管道机器人可以实现这一目的.文中主要讨论了直径≤50 mm,曲率半径约75 mm管道机器人的机械结构的设计,并分析了机器人在弯道处的通过性.提出了一种新型的管外驱动的方式,极大地提高了机器人的行进速度和负载携带能力.通过采用SMA(shape memory alloy)作为主动导向驱动,在视觉系统的辅助下能够顺利地通过L型和T型管道.该机器人可望具有良好的越障、转弯能力和行进速度.     

柔性蠕动管道机器人结构设计和通过性分析

为提高对管道复杂环境的适应性,实现机器人平稳可靠行走,对柔性蠕动管道机器人进行了结构优化设计和管内通过性分析。该机器人采用柔性弹簧轴驱动和单向轮机构,靠自身的结构自适应性实现蠕动行走,并能在一定范围内自主适应管道内径和形状的变化。通过对蠕动机器人在直线管道的运动分析和受力分析,得到了机器人的蠕动行走条件。利用ADAMS仿真软件对机器人进行了运动仿真,验证了该机器人蠕动行走的可行性和行走条件的正确性。     

小型螺旋轮式管道机器人设计

针对管道内径为Ф100mm的微小型管道检测机器人研究,提出了基于螺旋推进原理的微小型管道机器人的解决方案。新型的旋转体和保持体结构的设计,使此管道机器人具有较大的牵引力和移动速度。机器人采用节段式设计,使得其在体积微小的同时,具有强大的功能扩展性。本文介绍了螺旋推进管道机器人的组成及工作原理,对机器人的机械结构进行了设计,并且分析了其在弯管内的几何与运动约束条件。     

燃气管道泄漏巡检系统研究

燃气管道安全性检测是保障燃气管道安全运营的重要环节.基于超声波检测、嗅觉传感器多源数据融合,以及信号预处理技术,设计并开发了一种适用于城市地下综合管网的燃气管道无损伤、无干扰的巡线检测和泄漏定位系统.该系统具有运行稳定、检测可靠性强和定位精度高的优点,具有较高的应用推广价值.     

Estimating the probability of the propagation of stress corrosion cracks in compressor station pipelines

The conditions for the nucleation of stress corrosion cracks in linear and compressor station gas pipeline sections were considered. The potential for the use of pipes with a smaller diameter and a thicker wall in compressor station pipelines to create favorable stressed state conditions that promote the arrest, etching, and stabilization of stress corrosion cracks was shown. The fractographic inspection of pipe fragments with stress corrosion cracks allowed us to reveal an overload that was unrelated to the increase in the internal pressure of the given gas pipeline section. This overload was a major cause of such events as the reinitiation and propagation of stress corrosion cracks to a depth of nearly 50% of the pipe wall thickness. The overload itself was presumably caused by a construction factor connected with the position of a pipe on a pipeline route and its possible deformation (pinching) owing to soil and thermal instabilities.     

具有柔性传动能力的气压驱动微型管道机器人

针对火力发电厂110 MW冷凝器蒸汽回流回路等微型管道的检测和维护问题,研制了一种具备柔性传动能力的气压驱动微型管道机器人,设计了柔性动力传输系统,实现了机器人的驱动源外置和动力的柔性长距离传输。建立了微型管道机器人在直线管道、弯曲管道的运动学分析和驱动力分析模型,为驱动力外置提供了控制依据。在管径为70 mm的复合管道的实验研究表明:该气压驱动微型管道机器人在柔性软轴的作用下,可以有效地获得来自外置动力源的驱动力,能够实现在具有任意曲率半径的微型管道内部行走。     

蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

基于主动式全景视觉的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显：腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明：该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。     

细小管道内爬行的微机器人

基于现代精密加工技术制造的微机械,有着广阔的应用前景。特别是直径Φ10～20mm(1英寸)的细小管道,要求研制新型微机器人用于无损检查管壁和维修。考虑到电磁驱动器,具有结构简单、单位行程长、动作灵敏、控制方便等优点,研制了一种电磁式微机器人,外形尺寸Φ15×30mm,自重25g,它可以在Φ20mm金属管内爬行,移动速度6～8mm/s,有垂直爬坡能力。所加电压16～20V,频率30～70Hz.     

Causal analysis of natural gas station pipelines vibration and reduction measures

The existing studies on the strong vibration problem of the outbound process pipeline of a natural gas transfer station focus on the pipeline process with a compressor. This work proposes a structural innovation to eliminate the pipeline vibration without compressor by experiment and numerical simulation. A simulation model was established based on the physical dimensions. Hammer test and finite element method validated the proposed model for natural gas stations pipelines. It was found that in branch 1 and 2 occur the first two coupled modes. In addition, three kinds of vibration reduction schemes, such as increasing sleeve and increasing pipe diameter, are proposed to increase the pipe rigidity and reduce the excitation force to control the vibration. It is revealed that adding sleeves to the branch pipes 1 and 2 can better suppress pipe vibration by referring to related evaluation standards. This case shows that performing variable-condition vibration testing and spectrum characteristics analysis of pipelines can easily reveal the main vibration sources and provide solutions for pipeline vibration reduction treatment.

     

基于ASODVS的全景相机运动估计及管网3D重构技术

针对地下管网的空间三维测量、三维形貌重构难等问题,提出了一种基于主动式全方位视觉传感器(ASODVS)的相机运动估计及管网3D重构解决方案。通过携带有ASODVS的管道机器人进入管道内部,实时获取管道内壁纹理全景图像和全景激光扫描图像;首先对全景激光扫描图像处理解析出投射在管道内壁上的激光中心点,通过计算得到管道横截面的点云数据;另一方面,对全景纹理图像进行处理,首先利用快速鲁棒性特征(SURF)算法快速提取特征点并进行匹配,然后采用随机抽样一致性(RANSAC)算法去除误匹配点,接着利用全景相机的极几何原理估计相机运动位姿,并利用光束法平差(BA)进行优化,最后利用相机运动位姿将相机坐标系下的点云坐标实时转换到世界坐标系下,完成对地下管网的三维重构。实验结果表明,所提出的方案能够精确估计相机运动位姿,实时对管道内部进行三维重构,实现了管道检测机器人边行走、边采集数据、边检测分析处理、边三维建模的设计目标。     

新型无缆管道机器人关键技术的研究

油气管道健康监测中管道机器人的研发是特种机器人领域中的热点,提出了管道机器人工程实用化中几个关键技术壁垒及这几个关键问题的解决措施。机器人移动牵引机构采用电机驱动丝杠旋转,丝杠上滑架(丝杠螺母)前移,两组支撑腿臂蠕动前行方式;整个机器人系统能量供给方面采用流体推动桨叶发电,对承载的锂电池组充电以实现机器人自推进;机器人通信方面采用管道内光纤传输视频图像和数据,管道外以无线方式与上位机监控设备双向无缆通信;整个机器人系统方案的可行性在模拟环境中得到了验证。     

螺旋轮驱动的细小管内移动机器人研究

螺旋轮驱动的管内机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人形式。它由动力内置式螺旋运动机构和CCD摄像头/监视装置组成。本文分析了这种移动机构的运动和力学性能。经过对原理样机的试验测试,得到移动性能的实验数据,为开发适应φ20mm管径的螺旋运动机构提供设计依据。     

一种核管道机器人结构设计与驱动力分析

针对人工方式进行核电管道检测与维护存在效率低的问题,将管道机器人技术应用到核电站管道维护中,代替人工进行现场故障监测、异物探测和清理。设计了直径为300 mm的管道机器人的机械结构,分析了机器人在管道中的受力情况以及驱动特性。同时设计了一种全新的单电机全驱动机构,这种设计使机器人整体结构更为紧凑,提高了机器人行进速度以及驱动负载能力。并利用ADAMS动力学仿真软件对机器人驱动特性进行了研究和分析。结果表明,机器人的驱动能力能够满足实际作业需求,并且其驱动能力与摩擦系数、斜坡度有关;其中驱动力与摩擦系数成正比,即摩擦系数越大机器人的驱动力越大;驱动力与斜坡度成反比,即斜坡度越大驱动力越小。该研究结果可为后续机器人优化设计提供理论依据。     

压力管道漏损探测系统设计与应用

地下压力管道敷设在地下具有隐蔽性,由于管网材料、施工、使用、运行、外部环境、管理等因素,造成管网漏损现象非常普遍。查找压力管道漏点位置主要采用听漏判别法,通过对不同漏点的声音进行判别,从而确定漏点的位置。该文通过设计一套压力管道漏损探测系统,在管道组不同子管路上模拟漏水点,且在子管路上迅速切换,以分辨和掌握不同管材、管径、流速的漏点声音特质;通过各种阀门的开闭来模拟漏水点;最后通过对压力管道漏损量计算,检验系统的可行性。     

页岩气井下开采管路气固耦合振动特性分析

页岩气开采过程中,井下管路内气体与管路的耦合作用,会引起管路振动,这是此类管路振动失效的主要原因。管路振动响应特性与井下管路长度、气体流速及压力等参数有直接关系,因此,研究这些参数的影响对揭示页岩气管路振动规律,提高井下管路安全性及寿命有重要意义。针对页岩气井下管路,在ADINA软件平台中建立有限元分析模型,进行振动模态分析,研究管路长度、气体流速及压力对管路气固耦合振动特性的作用规律。研究结果为页岩气井下管路振动实验研究提供理论指导,同时为气固耦合振动特性研究奠定基础。     

螺旋推进管道机器人的驱动头与保持架调节机构设计

为了使基于螺旋推进的管道机器人能在微小的管径中获得较大的牵引力,介绍了不同的螺旋驱动头与保持架调节机构.分析了每种调节压紧机构的力学特性,并给出了计算结果,比较了各种调节机构的优缺点.应用机械系统动力学仿真软件ADAMs,建立了管道机器人的虚拟样机,通过计算机仿真得到机器人输出牵引力的仿真数据,为研制微小型螺旋式管道机器人提供,设计依据.     

Detection of gas pipe wall thickness based on electromagnetic flux leakage

Based on electromagnetic flux leakage (EMFL), a nondestructive testing (NDT) technique for the detection of gas pipe wall thickness is presented, and its principle and feasibility is evaluated by means of equivalent magnetic circuit analysis and finite element analysis. An online NDT device adopting this technique is developed, and its structure and working principle are introduced in detail. This device is composed of a detector array with 32 pipe wall thickness sensors that employ a Hall element as the element for sensing the magnetic flux density, and it can be adapted to pipe diameters from Ø400mm to Ø650 mm. On the basis of the experimental investigation for this device, the influences of some factors on thickness measurement, namely the excitation current, excitation coil turns, gap distance, concentrator of the magnetic field, magnetization time, and number of sensors in the detector array, are revealed and the optimal excitation voltage for the sensors of the detector array is selected. The measuring calibration is given to establish the relationship between the pipe wall thickness and the output voltage of the sensors. The results show that the proposed EMFL for measuring the wall thickness of ferromagnetic pipe is feasible, the technical parameters of the sensor are important for improvement of measurement precision and resolution, and the developed device has precision, resolution, and a linear output curve. Carried by the developed gas pipeline inspection robot through a universal joint, this NDT device can move inside the gas pipeline and monitor the state of the pipe wall.     

考虑流固耦合的管道机器人冲击环焊缝过程动力学建模与分析

以管道机器人（Pipeline inspection gauge，PIG）为载体的内检测技术是保障油气管道安全运输的重要手段。针对管内高压流体作用下，管道机器人在冲击管内环焊缝过程中产生的动力学行为突变问题。建立了管道周向受限空间中基于Kelvin弹簧阻尼的管道机器人密封盘等效动力学模型，结合管道机器人本体建立了多体系管道机器人动力学模型；详细推导了管道机器人轴向振动微分方程，以及管内流体的流动方程；并使用Matlab/Simulink与Adams进行流固耦合仿真，作为重要的工艺参数之一，研究了管道机器人速度改变时，其在冲击环焊缝过程中的动力学响应情况。结果表明：所建立的密封盘及管道机器人动力学模型能够很好地表征密封盘在管道轴向、径向以及周向的力学特性；运行速度越快，管道机器人通过环焊缝引起的轴向振动越剧烈，冲击振动越明显；而垂向和俯仰振动现象随运动速度增大而显著减弱。