管道机器人在工作过程中,受到线缆长度或蓄电池容量的影响,工作时间会受到限制。为了使机器人在管道内能够持续地工作,设计了一款能在管道内部将流体动能转化为电能的取能模块。叶轮在取能模块中起到将流体动能转化为机械能的作用,是整个模块的核心部分。针对不同参数的叶轮进行建模,并对叶轮进行CFD仿真分析。进而能分析叶轮在管道内部的受力情况以及叶轮形状等参数对于管道内部流场的影响。根据受力情况可校核叶轮的强度,并根据管道内部流场的变化进行叶轮的选型。

为提高石油炼化厂管道检修的自动化程度,降低劳动强度和成本,设计了一种工作于内径为(500~600)mm油气管道的检测机器人。提出了利用电动顶杆与压缩弹簧实现主、被动结合的新型变径方式,制作了实验样机,利用WiFi、MEMS陀螺仪及码盘实现管内无线通讯和定位。利用SolidWorks软件完成样机结构三维建模,并在ADAMS环境下分析了机器人在弯管中的行走过程;通过实验验证了设计方案的合理性,测试了机构在水平、竖直管道中的移动特性,评估了定位方案的精度。

小口径管道在船舶、石油化工等工业领域具有广泛应用,其内部状态对设备的安全运行具有重要影响,管道自适应内检测机器人是对管道内部状态检测的有效方法。通过Solidworks建立轮式管道内检机器人仿真模型,对其适应管径变化及转弯的能力进行分析。通过ADAMS方法对内检机器人进行模拟计算,依据实际工况进行条件约束,对机器人的爬行运动学及动力学进行仿真分析。结果表明,所设计小口径管道内检测机器人具有一定范围的管道变径及转弯自适应能力,可适应95mm到105mm之间的管道直径变化,可顺利通过的管道最小转弯半径为200mm;在给定速度与预紧力的情况下,轮子与管壁间的力随着管径变小而增加。

为研究管道机器人清淤装置在旋转条件下的工作稳定性,对其自适应系统进行冲击与振动的研究。将简化的清淤装置导入到ADAMS中,分别在最低转速20r/min和最高转速100r/min时,选取不同刚度系数的弹簧,在有弹簧预压缩量和弹簧预压力的条件下进行振动动力学仿真,提取不同条件下滑块与螺塞的冲击曲线、滑块对弹簧的冲击曲线,验证了刚性冲击系数远大于柔性冲击系数;对自适应系统添加柔性元件,得到自适应系统的冲击和振动曲线,并对结果进行对比分析。结果表明低转速时选择较大弹簧刚度,高转速时选择较低弹簧刚度;比较系统冲击力和冲击系数,应在高速和弹簧预压力为(35~100)N条件下工作更稳定;系统需添加柔性缓冲元件,可极大减小冲击力和系统振动。

针对LNG管道在使用过程中由于环境条件的改变及自身性能的降低,极易产生腐蚀、磨损变薄和裂缝等安全问题,设计了一款多功能管道机器人,通过对国内外学者的研究成果进行探讨,提出了该设计应该具有的功能,该机器人能实现根据LNG管道的直径大小自行调节扩展体积以适应管径的变化,实现在LNG管道内自由行走,同时还能实时记录LNG管道内部画面,检测管道是否存在安全隐患,通过对检测信息的分析反馈,对LNG管道内存在的污渍进行清扫,对存在的裂缝进行喷胶覆盖,该机器人各部分之间通过柔性连接,方便其在管道内工作,通过对其进行结构设计和运动控制等方面的研究分析,为其实际化应用奠定基础。

我国分布着密集的输油气管网,一些老旧管网存在着腐蚀、裂纹、断裂等危险情况。对管网进行安全检测成了必要工作。现在市面上有很多管道机器人,但几乎都是固定管径的,只能为特定直径的输油管道服务。为了解决机器人适应不同直径管道问题,同时提高管道机器人对输油管道的检测效率,设计了一种履带式的变径管道机器人。采用连杆机构实现机器人的变径,机器人的变径范围为300~350 mm。基于管道机器人的变径和机械原理要求,对变径管道机器人的履带式行走机构、变径连杆机构、变径传动机构进行设计,最后基于三维建模软件SolidWorks对管道机器人的各个零件进行建模和整体装配,建立机器人的三维模型。该变径管道机器人变径灵活,能适应不同直径的输油管道。

为提高管道机器人在管道内行走的安全性及可靠性,本文针对管径为457 mm的天然气运输管道,设计一款液压驱动蠕动式爬行管道检测机器人,用以对管道内壁的损伤及管体腐蚀开裂情况进行离线检测。根据管道内工况需求,利用蠕动爬行原理对管道机器人整体结构设计。计算管道机器人的驱动能力和越障能力,并采用多体动力学仿真技术对其进行分析,得出管道机器人运行过程中所能达到的最大驱动力及能够通过的最大障碍高度,并制作了物理样机并对其各项性能进行测试。结果表明:管道机器人的运动特性与理论分析结果一致,机器人运行过程平稳可靠,能够保证足够的管道通过性能及驱动能力,可实现复杂工况下的运行和检测。

针对人工检测地下排水管道存在入井尺寸限制及易燃、易爆等问题,设计研制了一款能适应直径600~1050 mm管道的全气动管道检测机器人。机器人通过气缸撑壁以及连杆变幅,实现了在不同直径管道的撑壁行走。采用大减速比气动马达低速旋转实现摄像头沿壁面慢速移动,从而进行对管道壁面的图像采集。设计了执行机构的全气动控制系统,根据气动逻辑原理图,通过FluidSIM软件对气动控制回路进行仿真。完成了管道检测机器人的样机制作与管道实验,验证了机器人在污水中检测的可行性。

鉴于流体管道裂纹检测的不易，对一种利用管道内流体介质来驱动的新型管道机器人进行研究。该机器人可根据管道传输介质的流速、压力及摩擦负载的变化，实时对管道机器人的行进速度进行调控；构建了一套电机驱动锥阀的新型管道机器人泄流调速装置，并对其调速机理进行了分析，推导出影响机器人行进速度稳定性的负载和通流面积之间的关系。介绍了以压差和速度为反馈环节的双闭环速度调控机理，为流体压差驱动管道机器人速度调节和控制提供了一套新的解决方案。

管道机器人是在铺设好的管道内能够行走的一种机械装置；重点阐述了管道机器人行走装置的液压传动系统。