高压水喷射装置对自来水管道清洗机器人运动性能影响研究

发布时间：2019-09-30 10:00

【摘要】：水是生命的源泉,是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。城市居民日常生活也离不开自来水,自来水供给绝大多数采用管道运输技术。然而,供水管道因长久运行,会出现腐蚀、外泄、沉积物等,严重影响居民用水安全。因此,这也一定程度上促进着管道清洗技术的发展。本文针对城市大口径自来水管道沉积物清洗问题,提出了一种新型自来水管道清洗机器人,采用高压水射流清洗技术。在设计完成机器人基础上,采用理论分析与仿真分析结合的方法,完成了高压水喷射装置对自来水管道清洗机器人运动性能影响研究。具体研究工作如下:首先,给出了管道清洗机器人系统总体设计方案,并借助三维设计软件SolidWorks,完成了管道清洗机器人整体结构装配设计。其次,通过分析机器人载体牵引力输出及越障原理,建立了压紧机构力学模型和机器人载体典型障碍的力学模型,完成了管道清洗机器人运动性能研究。然后,研究了高压水射流清洗作用机理,找到影响高压水喷射装置的关键相关参数,完成了这些参数设计及优化。基于多刚体动力学、机械振动学理论,研究了高压水喷射装置对机器人整体运动性能的影响,建立了管道清洗机器人系统的多刚体力学模型及简化二自由度有阻尼振动模型。最后,基于多体动力学软件ADAMS,建立了管道清洗机器人仿真实验平台。基于仿真实验平台,验证了所设计机器人载体的可行性,验证了高压水喷嘴装置相关参数设计的可靠性。并得知机器人的振动,质量分布及高压水喷射装置的高速旋转,对机器人运动性能都有很大程度影响。合理布置机器人整体结构布局,使得机器人尽可能满足质量分布系数ε=1,取管内姿态角φ=0°,是提高运动性能的有效措施;要实现机器人载体和高压水喷射装置协同稳定工作,必须在机器人载体运行到稳定设定速度后,再低速启动高压水喷射旋转臂,同时必须保证足够的张紧弹簧预紧力。
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管道机器人

目前，国内很多大学及科研单位从事于管道机器人的研究，主要是针对通风管道、中央空调管道等清扫作业方面，且有多年研究基础[29]。其中有中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、国防科技大学、上海交通大学、中国石油天然气管道局、天津大学、上海大学、哈尔滨工业大学和太原理工大学等[30-60]1.2.1 国外研究现状上世纪 70 年代末，由法国人 J.Vertut 成功开发一种管内轮腿式行走机构，首次实现机器人管内自主作业行走，能够较好适应管径的变化[16]。它的出色之处在于，两个行走轮配合四个腿式结构，增加了机构本体的灵活度。但此机构也仅能实现在管道内行走，无法携带其他工具进一步完成管内作业。由德国慕尼黑工业大学应用力学研究所的Dipl.-Ing. AndreasZagler研制的管道机器人，长度为 0.75m，宽度为 0.6m，高度为 0.6m，最大作业速度 0.1m/s。机器人空气中重量为 20kg，利用八个足爬行驱动，额外负载能力 15kg[17]。

管道检测机器人

图 1.2 MAKRO 管道检测机器人Fig1.2 MAKRO in-pipe inspection robot2002 年，美国弗罗里达大学智能机械设计实验室成功研制一款管道清理机 OPCR-OH’S。OPCR-OH’S 主要有三大模块：头部模块、稳定控制模块及模块，适用管径范围较大，机器人本体采用一对微电机驱动，能够快速高效转弯动作[19]。但它的不足之处在于牵引力不足，且仅能有效检测到管道内需洗污渍的位置，无法携带清洗作业工具完成管道清洗工作。2005 年，由日本两位学者 Tomoyasu Oya 和 Tokuji Okada 共同研制了一款新道机器人，此款机器人整体为伸缩式的，能够较好地适应管道内径变化。机可根据管道工况变化整体结构，具有一定程度上的越障能力，管径适应范围40mm 到 210mm，并且自身采用 maxon 伺服电机来实现实时驱动，，整体采用合架，所以主动轮动力十足[20]。
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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