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长距离输油管线电动爬行器的研究

Research on Electric Crawler Used for Long Oil-transporting Pipeline

作者: 专业:化工机械 导师:李惠荣 年度:2007 学位:硕士  院校: 大连理工大学

Keywords

Submarine Pipeline Inspection, Crawler, Independent Wheel Drive

        随着海洋石油勘探开发迅速发展,海底管道作为一种高效、经济的油气输送的方式也得到了快速发展,由于这些油气输送管线长期承受地质变化、介质腐蚀、海流冲击等因素的影响,易产生腐蚀、裂纹等缺陷。如不及时修复,发生油气泄漏,将造成巨大的经济损失和严重的海洋环境污染。因此,海底管道的维修与维护对油气输送的安全运行具有重要意义。本文结合国家“863”计划渤海大油田勘探开发关键技术重大专项“海底管道内爬行器及其检测技术”项目(编号:2001AA602021),对海底管内爬行器技术进行了深入系统的研究,并成功研制出六轮式驱动管内移动爬行器样机。爬行器采用一种新型的行走机构——内置电机及减速系统的六只模块化驱动臂结构,六只驱动臂采用轴向交错、周向60°等间距首尾交替布置的方式,构成两个前后平行的驱动截面,使牵引力分散、独立产生。同时,该爬行器采用一种完全对称式的电驱动主动可控力封闭机构,能够在线调整轮壁接触力及主动解锁,有利于检测系统的故障救援。通过对爬行器行走机构的力学特性、变径特性及越障能力等的系统研究,详细分析了封闭力与姿态的变化关系特性及移动机构的越障能力。建立了ADAMS仿真测量平台,构建了爬行器的虚拟样机模型,对爬行器的动力学特性、负载特性进行了仿真分析,验证了爬行器的弯管通过性,证明爬行器能够胜任检测系统的牵引任务,为工程样机的设计及制造提供了充足的依据。提出了与爬行器结构相适应的动密封和静密封处理措施,并设计了实验装置对密封性能进行了验证,为样机的工程实用化奠定了基础。对爬行器的驱动控制系统进行了合理的器件选型,介绍了爬行器驱动控制系统的技术实施方案,对控制器件的布置进行了合理的优化。
    Submarine pipeline has fleetly developed with grow apace of submarine exploratory development technology. Owing to the effect of geological variation, medium erosion, ocean current strike on oil/gas pipeline, there is prone to defect such as rust and crack. It brings about enormous economic losses and grievous ocean environment pollution without timely repair resulting in oil/gas leakage. So the maintenance of submarine pipeline is vital to the reliability of oil/gas transportation. The engineering prototype-6 independent wheels crawler, has been developed for in-pipe moving, after the systemic research on submarine in-pipe crawler technology aimed at the 863 Program of Submarine In-pipe Crawler and Inspection Technology (Code:2001AA602021). The crawler adopts novel moving mechanism-6 modularized drive-arms, which lay out with axial interleaving and tangential isometry and which compose two parallel drive-section to produce dispersive and independent traction. Furthermore the crawler adopts a symmetric controllable force close mechanism that on-line adjusts contact force with wheels and pipe-wall and unlocks for fault rescue of inspection system.The systemic research on the crawler has been fulfilled including the mechanics property, meta-diameter capability, cross-obstacle capability and relation of close force to its position. Dynamic property of the crawler is simulated by ADAMS after establishing its virtual prototype model. The simulation result verifies that the crawler can smoothly travel in elbow and it presents sufficient evidence for engineering prototype of the crawler in design and manufacture. The crawler adopts proper dynamic seal and static seal and is performed seal property test, which provide theoretical foundation for engineering prototype application of the crawler. The control system of the crawler is designed and optimized establishing its hardware system and software system.
        

长距离输油管线电动爬行器的研究

摘要4-5
Abstract5
1 绪论8-19
    1.1 长距离输油管线爬行器研究的目的及意义8
    1.2 国内外管道爬行器的发展现状8-13
        1.2.1 国外的发展现状9
        1.2.2 国内的发展现状9-13
    1.3 管道内爬行器的驱动技术及机构特点13-17
        1.3.1 介质压差驱动式管内爬行器13-14
        1.3.2 轮式移动管内爬行器14-15
        1.3.3 履带式管内移动爬行器15-16
        1.3.4 蠕动式管内移动爬行器16-17
    1.4 课题来源及本文主要研究内容17-19
2 电动爬行器的方案分析19-27
    2.1 系统的总体要求19-20
    2.2 轮式管内爬行器的驱动分析20-22
        2.2.1 单电机驱动管内爬行器20-21
        2.2.2 双电机驱动管内爬行器21-22
        2.2.3 三电机驱动管内爬行器22
    2.3 独立轮电驱动爬行器整体方案确定22-23
    2.4 解锁预紧方案的设计23-24
    2.5 单元接口设计24-25
    2.6 密封实验装置的方案设计25-26
    2.7 本章小结26-27
3 电动爬行器的力学分析及结构化设计27-46
    3.1 爬行器的基本技术参数的确定27-29
    3.2 主驱动电机的选型及校核29-31
    3.3 驱动臂的结构设计31-32
    3.4 预紧与解锁力的分析及结构化设计32-39
        3.4.1 爬行器预紧力的分析计算32-34
        3.4.2 爬行器预紧解锁滑动螺旋传动的设计计算34-35
        3.4.3 预紧弹簧的设计35-37
        3.4.4 预紧与解锁电机及减速器的选择37-38
        3.4.5 双解锁预紧机构的结构化设计38-39
    3.5 爬行器的整体总体构成39
    3.6 对接机构的研制39-41
    3.7 爬行器的密封设计41-42
    3.8 密封实验装置的设计42-45
        3.8.1 密封实验装置相关参数的分析及计算42-45
        3.8.2 密封实验装置的结构化设计45
    3.9 本章小结45-46
4 电动爬行器作业过程中的动力学分析46-53
    4.1 仿真模型的建立46-49
        4.1.1 仿真模型与环境的建立46-47
        4.1.2 爬行器仿真初始条件的标定47
        4.1.3 爬行器仿真约束条件的确定47-49
    4.2 仿真结果与分析49-52
        4.2.1 负载特性的结果与分析49-51
        4.2.2 爬行器3D弯管通过性的验证51-52
    4.3 本章小结52-53
5 电动爬行器控制系统的技术实现53-61
    5.1 爬行器控制系统方案53-56
        5.1.1 爬行器控制系统结构图53-54
        5.1.2 控制系统流程54-56
    5.2 行走与预紧电机的驱动测试56-58
    5.3 控制系统的在控制箱体内的安装58-60
    5.4 本章小结60-61
结论61-63
参考文献63-66
致谢66-68
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