螺旋轮式水平井牵引机器人设计与分析

针对水平井作业工具输送困难的问题,设计了基于螺旋驱动原理的牵引机器人。提出了一种平行四边形支撑杆机构,采用丝杠螺母调节机构和弹簧柔性支撑来适应管径变化。对扶正机构轮与管壁的正压力进行分析,并建立了机器人的牵引力模型。应用Pro/E和ADAMS软件建立牵引机器人的虚拟样机,对驱动轮的正压力和牵引力进行仿真分析,搭建了管道试验环境进行机器人牵引力试验。试验结果表明:该机器人能够在内径125 mm的管道中平稳行进,最大牵引力能达到5 400 N。研究结果对于设计较大牵引力的水平井推进器具有重要的工程意义。     

埋地管道磁记忆检测机器人机械结构设计与运动学仿真

针对目前国内管道机器人在行进过程中极易卡堵、变径范围小且检测效率低下的问题,提出一种用于埋地管道的分体式可变径磁记忆检测机器人。设计了管道机器人的机械结构,通过SolidWorks建立三维模型,利用ADAMS对机器人在弯管与变径管道内的通过性进行了仿真分析。在此基础上,制造物理实体模型,进行管道内通过情况与磁记忆检测试验。试验结果表明,机器人结构设计合理,可以顺利通过曲率半径不小于1.5倍管径的弯管以及280~340 mm的变径管道,且磁记忆检测结果与X射线复验结果一致,为可变径、自适应、全寿命埋地管道检测机器人的设计提供了新的思路。     

Tripod机器人运动学模型仿真

以Tripod并联机器人为研究对象,通过对Tripod机器人结构的分析建立出运动位移方程,推导出Tripod机器人的逆运动学求解模型。对运动位移方程进行分析,推导出雅可比矩阵并得到速度及加速度正解模型。采用三维实体建模软件(UG)建立出Tripod机器人的实体装配模型,并将三维模型导入机械系统动力学自动分析软件(Adams)中进行运动学仿真,通过给定路径和主动臂旋转角速度两种仿真方案,验证了运动学模型的准确性。     

管道插接专用焊接机器人系统

针对管道插接焊缝的特殊焊接工艺要求,研制了一款专用的开放式焊接机器人系统。在对焊接任务和机器人运动分析的基础上,设计了管道插接专用的5轴焊接机器人,建立了焊缝位置模型、焊接速度模型。采用IPC+PMAC控制模式,建立机器人的开放式控制系统。系统中以在IPC机中开发的软件平台对焊接工艺参数进行管理,以多轴运动控制器PMAC作为焊接机器人各个关节的运动控制核心,实现了整个机器人系统的控制。焊接试验结果表明,该焊接机器人系统能够实现管道插接焊缝的焊接工艺。     

压力管道内壁打磨机器人的研制

针对工业压力管道内壁存在腐蚀、结垢等情况,会对压力管道内窥镜检测以及介质流动、热量传递等存在不利影响的问题,在国内外管道机器人研究的基础上,设计了一种全新的管道内壁自动打磨装置,对管道内壁打磨机器人进行结构设计,提出了预紧力机构、打磨机构、驱动机构的设计方案。试验结果显示,该打磨机器人具有良好的运行稳定性和弯管过弯性能,并能实现有效打磨,对保障压力管道安全运行具有重要意义。     

油气长输管道裂纹漏磁检测的瞬态仿真分析

为了提高油气管道漏磁检测的准确度,应充分考虑检测器行进速度对漏磁信号的影响。根据三维有限元分析原理,建立了漏磁检测系统的瞬态数学模型,并对油气长输管道裂纹检测过程进行了仿真研究。由麦克斯韦方程组推导出管道裂纹静态漏磁场的分布模型,对由漏磁检测器运动产生感应的管壁环向涡流进行了定量分析,计算其形成的"逆磁场"及其对外加磁场的影响,推导出动态磁化条件下的裂纹漏磁场有限元仿真模型。由实际物理实验得到与仿真分析相一致的漏磁信号,这表明所建瞬态仿真模型的有效性。利用该模型,获得了不同裂纹所产生的漏磁信号检测结果。根据检测结果,分析了裂纹几何特征,如深度、宽度等与漏磁信号峰谷值之间的对应关系,并给出了关系曲面图。为实际利用漏磁信号检测油气长输管道裂纹提供了重要的依据。     

模块化同步自主变径输气管道机器人的研究设计

为了对长时间服役的输气管道进行精准、快速的检测,设计了一种能够实现模块化、同步自主变径、便于搭载检测元件的内检测管道机器人。该机器人搭载CMOS图像传感器及红外反射传感器,可对管内破裂、腐蚀及错口等多种缺陷进行检测,并记录缺陷的具体位置。该管道机器人采用拖揽式的能源供给方式,驱动模块由电动机带动驱动轮转动,在输气管道内独立运行。通过SolidWorks三维建模,ANSYS分析以及MATLAB求解得到该机器人的各项参数：额定爬行速度16 cm/s,最小过弯半径660 mm,牵引力不小于400 N;变径预紧机构采用对称的同步变径式结构,变径范围可达到300～400 mm;机器人尾部设有万向节,可将相同结构串联以实现模块化,同时增加自重,增大牵引力。对管道机器人虚拟样机进行动力学仿真分析,其直管、弯管及竖直管道的速度仿真曲线误差均不超过10 mm/s,验证了该机器人在直管、弯管及竖直管道都具有良好的通过性。该设计可以为长输气管道的内部缺陷检测提供良好的硬件支持。     

一种自动翻转吊卡的研制

传统手动吊卡采用全手工操作,操作人员劳动强度大,安全性低。为此,研制了自动翻转吊卡,并对关键部件翻转机构进行了优化设计。首先根据几何空间要求确定了需要优化的参数,然后将设计的虚拟模型导入到Admas软件中进行运动学和动力学仿真。通过分析确定了最优点,并依据最优点加工了自动翻转吊卡。实验证明,翻转机构可以很好的实现吊卡翻转,仿真结果与实验结果误差较小。     

650修井机虚拟样机仿真分析研究

在建立650修井机主要部件的三维运动学方程和求解算法的基础上,利用虚拟样机技术建立了650修井机的三维动力学模型并进行虚拟装配。对修井机变矩器输出轴角速度和大钩速度变化规律做了仿真模拟,将仿真模拟结果与数值计算结果进行对比分析,分析结果表明,虚拟样机技术得到的仿真运动学规律与数值计算结果非常接近,从而验证了虚拟样机仿真分析是可靠的。     

伸缩式井下机器人电液控制系统研制与性能评价

针对水平井钻井、测井过程中管串下入困难的问题,研制了伸缩式井下机器人,而控制系统是影响伸缩式井下机器人可靠性、稳定性的关键技术。基于伸缩式井下机器人的工作原理,提出了一种新的伸缩式井下机器人电液控制系统,并综合考虑电、液系统和执行机构,建立了基于电液耦合控制的数值仿真模型。通过分析机器人系统排量、牵引力及井眼直径对其运动性能的影响,揭示了机器人在不同工作参数条件下的运动规律,并设计了一套电液控制系统试验方案,研究了系统排量对机器人运动周期的影响规律。试验结果表明,不同系统排量下机器人运动周期的仿真曲线和试验曲线趋势基本一致。研究结果为液压伸缩式井下机器人的设计和现场应用提供了理论依据。     

基于PLC的自动喷砂机伺服控制系统研究

针对自动喷砂除锈机伺服控制系统的设计要求,进行了机构的正逆运动学分析及非线性分析,在此基础上,提出了三闭环控制方案,并建立了控制系统的模型。利用MATLAB分析软件,对控制系统进行了仿真分析,并根据仿真分析结果进行了控制系统的应用试验。试验结果表明,自动喷砂除锈机伺服控制系统具有良好的运行特性,满足设备的各项要求。     

油气管道内退磁检测机器人结构设计

服役中的油气管道由于各种因素的影响会产生一定的剩磁。为了快速而高效地消除管道剩磁,根据永磁铁动态退磁理论,设计了油气管道内退磁检测机器人。该机器人在管道内自主移动过程中可以对管道进行退磁,并对退磁效果进行检测和记录。利用X80钢管道样品进行试验,并根据试验结果使用响应面法对机器人的退磁效果进行了优化分析。研究结果表明:管道机器人可以通过携带磁体环的方式对管道进行在线退磁;磁体环的退磁效果与磁铁的磁场强度和磁体环相对铁磁材料的运动速度有关,且磁场强度的影响大于运动速度的影响;对于X80钢管道,磁体环单次退磁率可以稳定在30%,当磁场强度为23.7 m T、磁体环运动速度为0.361 m/s时,退磁率可以达到34.5%。研究结果可以为X80钢管道的退磁装置结构设计提供参考和理论依据。     

直轮式管道泄漏检测机器人弯管通过性能研究

针对现有管道检测机器人转弯性能差的问题,研究了直轮式管道泄漏检测机器人。该机器人采用驱动轮直接驱动,结构简单,输出稳定。采用理想规划法对机器人建立过弯方程,计算可知当宽度小于146.29 mm时,机器人满足弯管爬行的弯道几何约束要求。采用Adams软件仿真分析机器人弯管通过性能以及转弯时驱动轮的速度变化情况。分析结果表明:机器人可以安全通过弯管,满足设计要求;过弯时机器人外轮运动速度v 2增大,内轮运动速度v 1减小,因此机器人可以平稳过弯;v 2与机器人质心位移的变化趋势很接近,当机器人到达弯管极限位置时,v 2达到最大;直轮式管道泄漏检测机器人可以通过直径170 mm、曲率半径450 mm弯度的管道。研究结果可为管道检测机器人的工程应用提供参考。     

液压驱动式井下机器人的研究与设计

文章介绍了几种常见管道机器人的技术特点,分析了管道机器人在油田开发过程中面对井下复杂作业环境的局限性。介绍了国外几种石油管道机器人在油田开发中的应用,提出了一种液压驱动式井下机器人的设计思路,着重描述了其动力总成和井下电控总成的设计过程。通过研究,能够满足海上油田开发对大牵引力、高爬行速度及具有超强越障能力的需求。     

深水多功能管道维修机具夹紧装置的研制

为了解决深水海域多功能管道维修机具作业时稳定夹紧管道以及刀盘与管道保持同心的技术难题,提出了"双臂"抱紧式自定心管道夹紧装置的设计方案。该方案由两组对称的平行四边形双摇杆机构和摇块机构组成;以运动和传动为约束条件,对夹紧装置几何参数的求解进行了研究,建立了夹持点摩擦力矩与驱动力关联力学模型;以管径介于304.8~457.2 mm的管道为实例,设计制造了夹紧装置及机具,并进行了水下作业ADMAS仿真及陆上切割与坡口试验。结果表明:①油气管道管径越小,夹紧装置摇块机构的传动角越小,液压缸行程和双摇杆机构的传动角越大;②夹紧装置驱动力随油气管道管径的增加而增加,当管径达到457.2 mm时,夹紧装置液压缸驱动力应大于10 219 N;③初始切割管道时,机具将产生微小晃动,使刀具进给量突然增大,此时应采用小进给方式;④陆上试验结果与理论设计和仿真结果的吻合度较高,验证了该方案的合理性。该项成果为相关工程样机的研制奠定了技术基础。     

矿用液压支架四连杆机构运动过程的分析

矿用液压支架是煤矿开采的必要设备。井下工况复杂,液压支架的结构是否合理,关系着矿井的生产安全。通过对液压支架的四连杆进行运动学分析,建立设计变量、目标函数、约束条件的方式建立了运动学仿真模型;实现四连杆结构的结构参数化设计计算。该方法对于后续的液压支架受载分析和其他类似杆件系统的参数设计计算具有重要的指导、借鉴意义。     

爆破片装置流阻系数数值仿真研究

在实际应用中,很多安装了爆破片装置的工况无法满足泄放系数法所规定的条件,而采用流体阻力系数法对爆破片装置的泄放能力进行计算,大尺寸、高压力的爆破片装置往往不具备试验条件,无法采用流阻系数测试装置获得相应的数据。为了解决此问题,建立爆破片装置泄放过程的数值模型,研究管道内的压力、速度和温度分布。结果表明,在泄放过程中,在爆破片装置所在处,管道内流体速度大、温度低、管壁温度较高。安装爆破片装置的管道内形成阻力的原因主要是由于爆破片位置的管道横截面发生了变化,流速增加,进而改变了流动状态。利用数值仿真计算结果可对试验范围进行扩充,计算不同规格爆破片装置的流阻系数值,为爆破片装置泄放能力的判定提供有效依据。     

基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究

埋地管道通过高震区和活动断裂带时将受到较大变形,影响管道的安全性。通过对基于应变设计方法、X80钢管力学性能和焊接工艺的研究,建立了有内压和无内压断层位移作用下管道的应变计算模型。综合考虑材料变形能力、环焊缝变形能力、焊缝缺陷影响、低周疲劳性能、管道内压等诸多因素确定管道极限应变和容许应变,提出了管道基于应变设计流程及相关要求。对西气东输二线通过强震区和活动断层区段的埋地管道进行了应变计算及校核,确立了管道工程抗震设计方法,制定了有效降低管道应变的优化敷设方案。     

长庆至呼和浩特原油管道维修工艺

根据长庆至呼和浩特(长呼)原油管道内检测报告,分析了管道缺陷类型和管道缺陷形成的原因,介绍了常用管体缺陷修复方式。针对长呼原油管道的特点,当腐蚀处的打磨深度小于12.5%,且无应力集中或金相异常现象时,不进行额外处理,当管道腐蚀处的打磨深度不小于12.5%,或腐蚀损失位于焊缝处时,需采用B型套筒进行修复。对比分析了常用的防腐补口、保温层和外防护层修复方式。长呼原油管道防腐补口采用防水型高温型粘弹体防腐胶带+双层聚乙烯冷缠带的修复方式,保温层采用现场聚氨酯发泡的修复方式,外护层采用防水型高温型粘弹体防腐胶带+压敏胶型热收缩带的修复方式。另外,还提出了管体缺陷修复工艺、防腐保温层修复工艺和外防护层修复工艺的技术要求和施工注意要点。     

基于磁记忆效应的新型管道机器人

目前国内管道内检测技术水平低,无法满足日益增长的油气管道检测需求,为此,研制了一种基于磁记忆效应的新型管道机器人。该装置由机械行走机构、信号采集与处理系统、姿态控制与定位系统、辅助系统4部分组成。机械部分提供支撑与动力,信号部分采集并处理管道漏磁场信号,姿态部分确定缺陷的位置,辅助系统提供电力,并可进行应急定位。试验情况表明,该装置可有效识别各种管道缺陷,具有检测精度高、定位准确、通过性能好、结构简单和稳定可靠等优点,达到了设计要求,这对于保障我国油气管道安全运行,推进管道完整性管理具有重大意义。