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  2O11年5月机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN V01.28 No.5 Mav 20ll 环管道运动机器人行走机构轮轨接触分析+ 李西平,孙志娟 (中央广播电视大学工学院,北京100031) 摘要:由于油气输送管道工作环境的特殊性及其管道的对接环焊缝不可避免会存在着缺陷,设计了全自动超声检测 环管道运动机器人对其进行监测。扫查器的行走机构是环管道运动机器人的核心部分,行走机构的夹紧方式对从动轮 与导轨的接触配合提出了较高的要求。以行走机构原理验证试验的分析结果为依据,对从动轮与导轨的接触应力进行 了分析计算,并对导轨进行了有限元分析。根据分析结果确定了导轨厚度,并且验证了导轨结构满足使用要求。 关键词:油气管道;环焊缝;机器人;行走机构;接触 中图分类号:THl37.5l 文献标识码:A 文章编号:100l一2354(2011)05—0026一04 我国现有油气输送管道已达上万公里,它们多处 于特殊的工作环境中,其中管道腐蚀引起的油气输送 事故在所有可发生事故中占第2位。由于管道对接环 焊缝不可避免地存在着缺陷,由此会为其作业埋下安 全隐患,因此需要对输送管道的对接环焊缝进行检 测…。全自动超声检测(AUT)以其独特的优势成为 管道环焊缝缺陷检测领域应用为广泛的检测方 J。随着我国近年来新建管线数营的急剧增加,为保汪管道环焊缝缺陷检测的可靠性、提高检测效率,设 计了全自动超卢检测环管道运动机器人。 行走机构作为管道环焊缝超声检测设备的载体, 是实现管道对接焊缝自动超声检测的关键部分。行走 机构夹紧方式对从动轮与导轨的接触配合提出了较高 的要求。为了验证该行走机构的可靠性,以行走机构 原理验证样机试验测得的夹紧力数据为依据,采用弹 性力学中的赫兹公式计算得出从动轮与导轨的接触应 力,并对导轨进行了有限元分析。 1环管道运动机器人行走机构设计 基于超声检测的原理设计了环管道运动机器人, 以超声波探头和数字化超声波检测仪为基础,以工业 ooo-‘:Ho 李文杰,冯志勇,赵德新.基于本体的零件描述模型研究[J].计算机工程,2007,33(8):250—252 Akio_】f Y,Pierra G,Ait Ameur Y,et a1.PLIB ontology B2Belectm面c commerce[c]//Proceedings lo出ISPE Intem“鲫al Com咖ceConcurrent Engineering R鸭earch蛐d Applic撕叩,Enhanced Interoperable System. Rotterd删,T’le NetIIerlands:A.A. BaIkema Publishers, 2003:269—278. 鲍仲平.数据库中的事物特性[M].北京:中国标准出 版社,2002. Yipiflg Yu舶,WerIlei sun.Fen弘iong.Resource鸵kti hased QOS唧irements MGworknow[c]//11le 12 In ter枷on C0nferenceComputer SuppDrted G00pemtive Work ge眦r柚produdbased 蚰on“ogy YUAN Yi.ping,SUN Wen-Iei,HUANG Shllai,LIU haO,H岫ngShao-h岫 (Sch00l 0f MechaIlical E晒ne耐ng,Xang Univers时,Um- mqi 830008,CIIina) Ahst糟ct:T0 solve tIle shaIing蛐d reusing pmblems differentstages p阳ductlife cycle,tIIe concept fhnctionmodel intIDduced.Pan帅dcomponent model multidoIllains aI_e enca璐ulated af.unctionmodel witIl stand. a耐fbatu弛sem仰tic8.The fhnction modeltology described,tlle血bnIlly fo册behavior stnlcturefbature,tlle metll od functionmodel indexing mechanism柚d discdvery method designedb壬峙ed on鸵m蚰tics. Finally,tlle fbasibility pmc6ca-bility tIIismetllod w鹊e】【plained usingasystem pmtotype bIlseda fhnction dectIDrnech蛐ical pans libmry. Key words:f曲ctional model;tology;beha“or f宅ature;se- men6c Fig 5‰O Ref7 “Ji】【ie sh旷054I 牧稿日期:20lO—ol一30;修订日期:20lO—ll一22基金项目:国家863计划资助项目(863一07一F—Oll—05) 作者简介:李西平(1952一)。男,河北定州人,副教授,专业方向:电气工程,发表论文30余篇。 1J 1J、.1J Hb哺口 万方数据 2011年5月 李西平,等:环管道运动机器人行走机构轮轨接触分析 27 计算机为核心,以行走机构为机械载体和支撑平台,实 现管道环焊缝缺陷的自动检测。该机器人主要由导 轨、行走机构、超声波探头及其调整机构、数字化超声 波检测仪、扫查器运动控制系统、工控机、显示器、滑触线打印 机和应用软件系统组成。 行走机构主要为超声波探头调整机构、电气控制 箱及超声检测设备的附件提供支撑平台和运行平台, 负载超声检测设备沿环形导轨圆周运动对管道环焊缝 进行检测,由于超声检测要求对缺陷进行定位,因 此行走机构在运动过程中必须保持匀速平稳。 行走机构与导轨问的夹持设计方案是扫查器设计 的核心,其夹紧及自锁原理如图1所示。当扳动锁紧 把手使两个连杆和锁紧把手3个构件的铰接点位于一 条直线上时,锁紧把手可以实现自锁(3】,使从动轮夹紧 导轨后不会松脱,从而扫查器可以平稳地沿导轨运动 对环焊缝进行检测。 炙图l行走机构与导轨的夹持原理图 行走机构与导轨问的夹持设计方案直接决定了行 走机构沿环形导轨行走的速度和平稳性,进而影响到 焊缝缺陷检测的精度和效率等。滑触线轮轨接触处不仅要受 到主动轮和从动轮的夹紧力,还需承载扫查器的重力 及扫奁器运动过程中产生的振动冲击,行走机构夹紧 方式对主动轮的驱动及从动轮与导轨的接触配合也提 出了较高的要求一J。 2导轨夹持行走机构原理验证试验 为了验证行走机构的可靠性,测试夹紧力对驱动 的影向,以及确定导轨、主动轮和从动轮所用材料的特 性,并为管道环焊缝超声扫杏器工程样机的设计工作 提供町靠依据,设计并完成了与其原理完全一致的行 走机构原理验证样机,并且进行了模拟扫查器沿环形 导轨行走试验。 攀于扫杏器行走机构沿环形导轨做圆周运动,试 验中将商线导轨与菇轴正向(假设水平面为算轴方向) 分别成O。,45 o,900,一45 o,一900夹角放霞,即模拟出 扫查器沿环形导轨上半周由A点运行至E点各位置时 刻的状态,如图2所示。 平面) 图2环形导轨示意图 初始条件下,行走机构的质量m=20 kg,导轨与茹 轴正向夹角p=0。。通过给行走机构施加载荷,并改变 导轨与茗轴正向夹角来改变试验条件,终模拟出不 同位置时刻行走机构处于运动临界点时所需的从动轮 夹紧力F,试验中夹紧力测试数据如表l所示。 00450 90。 一90。 一450 2030 180 250 200 180 22 加200 300 260 200 24 50 250 600 300 200 26 60 350 350 250 28 70 500 枷350 由表1可知,若要保证扫查器沿环形导轨行走且 不脱轨,则从动轮对导轨的夹紧力随着扫查器自身重 力的增加而增大;当扫查器位于环形导轨上垂直于水 平面的位置且沿环形导轨上升时,此时扫查器所需夹 紧力;自身质量24 kg并对其施加600 N夹紧力 时,扫查器能够可靠地沿环形导轨圆周运动,此数据可 为后续扫查器工程样机的设计工作提供可靠依据。 3导轨接触应力分析 为便于轮轨接触受力分析,导轨夹持行走机构的 从动轮与导轨的啮合可以等效为直齿圆柱齿轮啮合。 由于直齿轮在节点附近往往是单对齿啮合,其轮齿受 力较大,故点蚀首先出现在节点附近,因此,直齿圆柱 齿轮的接触受力分析通常计算其节点处的接触疲劳强 度。图3所示为一对渐开线直齿圆柱齿轮在节点处的 接触情况。 由弹性力学两任意弹性体之间接触的相关理论呵 知,当一对轴线平行的圆柱体相接触并受压力作用时。 将由线接触变为面接触,滑触线其接触面为一狭长矩形,在接 万方数据 触面上产生接触应力,并且接触应力发牛在接触面的rp心,采用赫兹公式计算的表达式为”1: 式中:r接触应力,MP“;月.——爵廓l在节点处的曲率半径 月,——齿廓2在节点处的曲率半径 F——压山载荷,N: “——齿轮l泊松比; £,——齿轮l弹性模蛩,MPa;E,——齿轮2弹性模量,MP丑。 直齿轮节点接触等效模型近似认为导轨与主动轮的弹性模量和?f』松比均卞H ,n导轨为标准直齿条.因此其齿廓曲率半径尺:= 将月,=10 mm.,滑触线=600 N.F.=”,=0 3.EI= F,=2l x10。MPa代^式(1)中得接触应山‰= 46 9MPa.齿向接触成力远小于许用接触应力 =550MPa:才能满足工程实际使用要求。 4导轨接触应力的有限元计算 为r增大接触摩擦力,从动轮与导轨边缘表两均 做r类斯形处理。当扫查器沿导轨行走时,若导轨承受 外戟茼后的应力和应变较大,则对扫查器的_F常运行 眦使焊缝榆涸的精度都会造成不利影响。利州有限兀 分析软件ANsYs埘导轨进行静力学分析,校核=}l;强度 和刚度是否满足实际使用要求。 4I响限元模型的建立 Hf导轨的结构特性町知,导轨钢板的厚度对其力 学性能的影响较大。若导轨厚度较大,则其力学性能较 好,然而弹性较差,小宜折弯成圆弧形状;若导轨厚度 较小,则其弹性较好,易折弯成圆弧形状,然而力学性 能较差.承受外载荷后易失稳引起塑性变彤,嘲此文巾 针对导轨的此种特性按』{f{导轨外往为300 mm,厚度分 别为l mm.2 mm.3mm的外喇K、j建立订限元分析模 型。建立r 80。圆心角时墟的一段圆弧导轨的小I司J毕 度的毒数化有限儿横唰,计H在满足一定求解精度的 前提下选择适当的网格密度对导轨模刑进行同格划 分,如图4所小。。滑触线 参数化有限元分析模型42有限兀科‘算结果 与十J矗器册导轨圆周运动垒与。轴Il’向成()。炙角 时,导轨受到央紧力和{J舟器自身币,]的作川,此IiJ导 轨承受的外载荷蛀大,旧此选取}1舟嚣处】。滑触线政仉Ff_Ij{ 剡时导轨进{r十I融几分析l}i导轨史持行止机构川l邪 此试验数据nf作为埘廿轨施~lI技倚的依士I_}mL动轮 和从动轮肖,‘i处施加火紧JJ 经过ANsYs软什训斡1Jj ,导轨应力。o脚变忙耍集中北从动轮1o婶轨接触点 附近,某点成/J或膻变的人小随泼^剑接触^埘,离的 增大晰减小。 巾表2分析-,.“j导轨厚度为1 185mn、,村hj’导轨厚度的20%^^,廿轨“ 导轨应力与应变值数据表导轨横喇 万方数据李州平.等:环管Jn运动机器人}j走机构轮轨接触分析 沃目纬,上元淳弹性力学[M】:交通大学出5结论 版社,1998:291—300 1二程分析进阶实铡[M]北京:咀行走机构娘理验证试验的分析结果为依据对央 中国水利水电出版社 2006 持型的从动轮与导轨的接触应力进行了分析计算t计 het咖删蚰I姐f蚵orh.费:结粜表叫齿根竹一“处的接触应力远小于许用接触应 。LI嘴mech。。bh o嘣I.hddi唱砷烈lne忑t 力;并对导轨进行r有限元分析,根据分析结果确定了 LI.p1日g,suN 导轨厚度,并且验汪r导轨结构满足使用要求。(E。目。眦n雌伽。ge.chm ce。lral R丑djo舯d Tv 爽持型行走结构是对管道机器人行走机构的一种”.BeijiIlz lo31.cK呻) 探索,其原删验证样机模拟环管道运动机器A扫卷器 B聃ptpelne.th…m i—Eabledd扰u试m ib bun 情况下,行走机构沿1j水平面成不问爽角的直线嘶mc tm小hoIdlllg Pipel …bm {f止顺畅.因此壮本可以确定导轨夹持行走机构设计 w*d岫印ed t…nor 6e bun矛曲wdds Bedonthe【e日t,“g蚴n峥s啪mbd讹vellI-Emh…mf—de 参考文献 pn帅Ipl…nc&“…酬d me tra忱unE mcch啦IBm,lh…删 st咄s n”斟lderml hB。耐鲫£l。’t储运.19吣,14(6):48 51 …IIldvsneIhIek肿dthe舭lde rall w鹊dlned bv f2】 {‘flqJ尢拟榆测综台蚓淑【M1北京:机械r:业H{版 Ih…1v唧~ll,蛐dtho用_如mi】stmclum a刚camr。q……IB K2ywo曲。1l alld静5 p1畔l眦;91nh weId;mb01;【mvel.“s 版扎1996:一87 m“l…:ntH(I 【41 种fll越障巡榆机器人 Fm 6hb 2R“6 sh州-1051 fr止止特Hl栅【J Hl械泄.2006.23(8):11一14

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