管道封堵机器人控制特性响应分析与实验研究

为了提高管道封堵机器人在管道维抢修的效率与精度,设计了一种管道封堵机器人封堵液压控制系统,通过仿真分析,评估了该控制系统的响应特性.搭建了封堵液压控制实验装置,研究了封堵过程中橡胶筒轴向位移的变化,以及不同输出流量对封堵速度的影响.结果表明,所设计的液压控制系统能够确保机器人各个执行机构协调运作,避免相互干涉,液压缸的位移、流量及速度与理论设计值相符.当橡胶筒变形轴向位移达到61.55 mm时,控制系统能够实现10 MPa的油气压力封堵.液压系统流量对封堵速度影响显著,流量越大,封堵速度越快.

管道封堵机器人的大变形橡胶筒静态密封特性仿真与试验研究

在管道封堵机器人中大变形橡胶筒是实现密封的核心部件,其在使用中常出现密封失效和撕裂失效等问题.为了明晰上述原因和解决问题,本文中研究了不同橡胶材料以及不同橡胶筒轴向长度、径向长度和倾斜边角等结构参数对管道封堵机器人的静态密封特性影响.基于橡胶材料的高弹性和大变形特性,进行了橡胶筒的多阶段变形力学分析.对橡胶材料进行单轴拉伸压缩试验,得到橡胶材料的本构关系参数.建立管道封堵机器人橡胶筒密封特性分析的有限元计算模型,通过多因素分析方法,获得橡胶筒关键结构参数的最优方案.并设计了室内试验来进一步确定最优橡胶筒材料.研究结果表明集中在橡胶筒肩部的应力直接影响橡胶筒的形变损伤.经过橡胶筒的密封效果对比分析后得出最优的橡胶筒结构为轴向长度180 mm、径向厚度55 mm、倾斜边角28°,橡胶材料硬度为85 HA.

管道封堵机器人的卡瓦承压性能与管壁损伤特性仿真与试验研究

管道封堵机器人卡瓦在减速与坐封过程中易出现坐封失效和管壁损伤等问题。针对卡瓦在减速与坐封过程中出现的犁沟效应和硬接触现象,分析了卡瓦减速与坐封受力情况和管壁损伤因素;建立了卡瓦减速与坐封过程的有限元仿真模型,分析了卡瓦牙顶角、牙倾角、牙齿数等结构参数变化对其承压性能和管壁损伤特性的影响规律;采用多因素正交试验分析方法,获得了牙顶角、牙倾角、牙齿数关键结构参数组合最优的4种卡瓦;设计并搭建了卡瓦减速与坐封过程模拟实验,加工了4种最优组合结构参数卡瓦实物,完成了卡瓦减速坐封过程中与管壁摩擦的实验测试。通过仿真与实验所得卡瓦承压性能和管壁损伤程度结果对比分析,优选出卡瓦的最优结构参数组合为:牙顶角θ=65°,牙倾角γ=60°,牙齿数m=18。

油气管道封堵机器人封堵过程的振动预测

以管道封堵机器人(pipeline isolation plugging robot,PIPR)为载体的管道维抢修技术是保障管道安全运输的重要手段。针对封堵作业时PIPR的冲击振动现象,分别从运动过程和封堵操作两个方面对其进行振动分析,建立基于双向流固耦合的PIPR动力学模型,对运动过程中PIPR的轴向、径向和俯仰振动进行仿真分析;进行PIPR不同扰流模型的封堵试验,观察不同模型封堵过程流场变化,并以封堵过程的压力梯度衡量PIPR振动情况;提出改进海鸥算法(improved seagull optimization algorithm,ISOA)优化核极限学习机(kernel extreme learning machine,KELM)法,分别建立不同扰流模型的压力梯度代理模型,以实现PIPR的振动预测。结果表明,提出的代理模型可实现不同扰流模型封堵过程压力梯度的准确预测。这对于保障封堵作业的稳定性具有指导意义。

管内高压智能封堵机器人

为满足国内管道快速维修的需要,开展了管道智能封堵技术研究。在介绍管内智能封堵机器人的封堵作业流程后,描述了封堵机器人的结构组成,包括双向清管式封堵单元、远程控制系统和地面控制中心,给出了主要技术参数。随后简要介绍和分析了封堵机器人的性能试验情况,包括通过性能试验、双向通信和压力试验以及解封试验。试验证明封堵机器人可在一段管道内实现多次封堵和解堵作业,大大缩短管道停输时间,且操作简单,封堵性能良好,能够封堵20MPa的高压,无渗漏。该智能封堵机器人的研制成功为国内管道维抢修技术提供了补充。

埋地管道泄漏自适应封堵机器人设计及研究

为解决管道在长期使用中出现的破损、杂质增多及因介质腐蚀和冲蚀产生不规则障碍物等一系列问题,采用模块化设计方法,提出1种驱动性能好、可靠性强的多体分布式自适应管道封堵修复机器人。通过建立机器人越障模型,研究驱动轮和支撑轮运行时的越障方程;在ADAMS软件中建立驱动单元模型,对其运行速度、驱动力、越障高度进行仿真分析;建立模型样机并进行实验验证,驱动轮偏转角设置在20°~35°时,各项性能指标均达到设计要求。结果表明:减小驱动轮偏转角度或降低电机主轴转速可以提高越障能力;在驱动轮偏转角为20°时,可以穿越最大6 mm的障碍。该埋地管道泄漏自适应封堵机器人的设计能为管道泄漏应急防控领域装备的研发提供参考。

长输管道智能封堵机器人可调速运动规律研究

长输管道智能封堵机器人通过清管器的发球端进入管内,在管道介质推动下向前运动,到达指定封堵管段时减速、刹车并封堵。为了避免其运动中碰撞、冲击,保障作业安全性,需实现封堵机器人管内运动规律可调可控。因此,文中基于节流压降原理,设计了封堵机器人可调速模块,建立整机运动分析模型,分析其驱动皮碗个数、泄流装置开度、管道的摩擦因数和适用管道尺寸等因素对速度调节规律的影响。结果表明:摩擦因数在0.58~0.68范围内对发挥调速性能的最小开度值影响较小;随着开度的增大,机器人前后的压差值逐渐减小,当开度超过0.25,管道智能封堵机器人将减速运动;随着开度的增大所需要的启动压力将相应增大;在不同管径的长输管中,运行驱动力及阻力随管径增大近似于正比增加。文中研究可为可调速长输管道智能封堵机器人设计、工程样机研制及应用提供理论及数据支撑。

管内智能封堵机器人封堵及调速装置设计与研究

提出一种适用于小管径、中低压力油气运输管道维抢修作业的封堵及调速装置。该装置借助管道内介质压差驱动行进,利用电机控制环形缝隙及节流口,实现行进速度的控制及管道内输送介质的封堵。阐述封堵、驱动及调速装置的设计;采用有限元仿真分析方法,研究封堵橡胶的密封特性、环形缝隙及节流口对机器人行进速度的影响;并利用所研制的机器人样机在实验测试平台上开展了封堵可靠性及调速性能实验研究。结果表明:所设计的封堵及调速装置能够在介质压差的驱动下行进,通过控制环形缝隙及节流口可实现速度调控,同时在1 MPa介质压力条件下,可实现快速、可靠封堵。研究结论为管道内智能封堵机器人在速度调控及封堵可靠性方面的研究提供了参考。

管道封堵机器人锚定装置设计与分析

设计了一种电机驱动斜块式锚定装置,研究管道封堵机器人在小管径、低压力油气运输管道维抢修作业时的管道内卡紧能力.理论分析锚定齿模型,研究推力角与锚定深度及驱动力的关系;仿真分析锚定齿与管道内壁接触应力关系,验证理论研究的正确性;分析锚定齿齿尖钝化圆角对锚定深度的影响,得出径向载荷与锚定齿压入管道内壁深度的关系;搭建锚定深度测试装置与锚定装置实物样机,进行锚定深度对比试验及锚定性能测试.结果表明:设计的锚定装置实测压入深度与仿真结果基本相符,锚定安全可靠,安全系数可以达到额定压强的1.4倍.