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管道机器人三轴差动式驱动单元设计与可靠性研究

张学文  
【摘要】: 为了保证管道机器人对管道环境具有良好的适应性,国内外学者研制了不同结构形式的管道机器人。其中以机械自适应型三轴差动式管道机器人最能解决各驱动轮与管道内壁接触情况的复杂性并能完全通过差速机构自主实现各驱动轮的差速,避免了建立复杂的机器人系统模型,解决了轮式管内移动机器人的关键技术问题。 本文针对管道机器人在直管和弯管处的运动平顺性,分别建立了驱动单元在直管和弯管处的运动方程与平衡方程,分析了其在弯管处的差速特性与力学特性。理论分析表明,三轴差动式管道机器人驱动单元在直管和弯管处均能自主差速,无寄生功率产生,驱动轮能够提供足够的拖动力,具有良好的机械自适应特性。建立的驱动单元运动方程与平衡方程,对三轴差动式管道机器人的机械自适应理论奠定了理论基础,在此基础上设计并研制出基于三轴差速原理的管道机器人样机,在样机正式应用于实际工程检测之际,对其进行可靠性考核与研究,以保证样机可靠地工作并为类似产品的可靠性研究提供借鉴。 在理论分析的基础上,改进设计了三轴差动式管道机器人驱动单元的样机,并在试验室内搭建了试验平台进行初步验证,然后在与实际工况完全一致的试验现场(山东东营胜利油田)的冲浪管道中进行运行,并将试验结果与理论分析进行了对比,结果表明本文的理论分析是正确的。同时试验还表明,基于三轴差动驱动的轮式行走管道机器人能够满足管道检测过程中的牵引功能。本文还对管道适应机构的结构、制造装配过程中的工艺优化等进行了理论分析和试验分析,取得了研究成果,为机器人的管道通过性和运行可靠性奠定了基础,对工程实际应用具有指导作用。


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