管道檢測(cè)機(jī)器人速度控制方案及數(shù)學(xué)模型研究

1、差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人速度變化分析及速度控制研究目 錄1 緒論. 11.1 研究意義. 11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 51.3現(xiàn)有差壓式管道機(jī)器人速度控制存在的問(wèn)題. 121.4 差壓式管道機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究. 141.5本文研究的方法及技術(shù)路線(xiàn). 171.6論文主要研究?jī)?nèi)容. 171.6本章小結(jié). 182 差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)研究基礎(chǔ)理論. 192.1 基本控制方程. 192.2數(shù)值離散方法. 212.3 湍流模型. 252.4速度、壓力耦合算法. 312.5近壁面邊界處理方法. 332.6小結(jié)：. 353水平直管內(nèi)差壓式管道機(jī)器人速度波動(dòng)過(guò)程研究. 363.1差壓式管道機(jī)器人基本模

2、型. 363.2水平直管內(nèi)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析. 373.3 水平直管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬仿真. 403.4模擬結(jié)果. 463.4 2不同直徑機(jī)器人對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)的影響. 483.4 2不同直徑機(jī)器人對(duì)其速度的影響. 493.5小結(jié). 534 “U”型管道內(nèi)機(jī)器人速度波動(dòng)過(guò)程研究. 544.1 長(zhǎng)距離管道特點(diǎn). 544.2 “U”型管道內(nèi)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 . . 544.3 U型管道內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬仿真 . . 614.4小結(jié). 745 差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人速度控制方案及數(shù)學(xué)模型研究. 755.1 管道機(jī)器人速度波動(dòng)產(chǎn)生的原因. 755.2 速度調(diào)節(jié)方案. 765.3 傳感器的選擇.

3、 784.4 速度控制數(shù)學(xué)模型. 856 差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人速度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 896.1控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì). 896.2模糊PID 控制基礎(chǔ)理論 . 936.3 模糊PID 控制器設(shè)計(jì) . 966.4 仿真實(shí)驗(yàn). 1041 緒論1.1 研究意義近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和能源需求的急劇增加，作為五大運(yùn)輸方式中最經(jīng)濟(jì)的管道運(yùn)輸，在電力、石油、化工、天然氣和市政工程中得到了廣泛應(yīng)用1。目前，我國(guó)管道里程9.3萬(wàn)公里，覆蓋全國(guó)的油氣管網(wǎng)初步形成。預(yù)計(jì)到2015年，我國(guó)油氣管道的建設(shè)里程將達(dá)到15萬(wàn)公里左右2。由于管線(xiàn)輸送量大、受道路和地形的限制小、不依賴(lài)道路，不受道路擁擠的影響、目標(biāo)

4、小，易偽裝、輸油比較安全等原因，管道和管線(xiàn)在我軍后勤油料保障中也占據(jù)中重要的位置。如格爾木拉薩輸油管線(xiàn)不光為駐藏部隊(duì)保障了邊防、訓(xùn)練和生活用油，還提供了西藏地區(qū)的絕大部分生產(chǎn)、生活用油，為支援西藏、建設(shè)西藏作出了巨大的貢獻(xiàn)；列裝的野戰(zhàn)管道，快速展開(kāi)后連接后方基地油庫(kù)和前線(xiàn)野戰(zhàn)油庫(kù)（站），成為為前線(xiàn)輸送油料的生命線(xiàn)，是戰(zhàn)時(shí)油料保障的殺手锏；各個(gè)基地油庫(kù)內(nèi)連接油罐、泵房和收發(fā)棧臺(tái)間的管道，擔(dān)負(fù)了我軍油料的儲(chǔ)備、中轉(zhuǎn)和補(bǔ)給任務(wù)，是平時(shí)油料保障的大動(dòng)脈。所有這些管線(xiàn)和管道和其他供油裝備一起構(gòu)成了我軍油料的保障力量，為“謀打贏”提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。管道在整個(gè)服役期間，其發(fā)生事故的概率都遵循“浴盆曲線(xiàn)”

5、。3如圖1：即事故多發(fā)的初始階段、穩(wěn)定的工作階段和管道老化的失效階段。在初始階段，由于制造缺陷、安裝缺陷、材料缺陷等在制造與安裝階段未能被及時(shí)充分發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致發(fā)生事故的概率高。在穩(wěn)定的工作階段，由于上述缺陷在初始階段被充分暴露并得到及時(shí)的處理，管道發(fā)生事故的概率相對(duì)較低，但一些腐蝕缺陷與損傷缺陷也在逐步積累。在失效階段，腐蝕損傷、材料老化以及疲勞等導(dǎo)致管道承載能力低，發(fā)生事故的概率又逐漸增大。圖1 管道理論失效速率曲線(xiàn)Fig. 1 Theoretical pipeline failure rate curve我國(guó)的油氣管道相當(dāng)一部分建于上世紀(jì)六、七十年代。隨著時(shí)間的推移，管道因受電化腐蝕、流體沖

6、刷、疲勞破壞、管材潛在缺陷、自然和人為因素的影響，可能發(fā)生管徑變化、腐蝕穿孔和機(jī)械裂紋等問(wèn)題，不同程度的影響到管道的正常運(yùn)行，導(dǎo)致輸送效率降低、堵塞泄露，甚至引起火災(zāi)爆炸等惡性事故的發(fā)生4。特別是長(zhǎng)輸石油管道多埋在地下1.5m 2m ，長(zhǎng)度由數(shù)百至數(shù)千公里，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，長(zhǎng)輸高壓管道一旦出現(xiàn)泄漏、爆管惡性事故發(fā)生，不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失影響社會(huì)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人們的生命安全構(gòu)成巨大威脅。近年來(lái)，國(guó)外有許多管道事故發(fā)生。1999年，華盛頓州的貝靈漢由奧林匹克管道運(yùn)輸公司管理的管道因?yàn)槠屏寻l(fā)生汽油管道爆炸，兩人喪生，燒毀大面積樹(shù)林；2000年，新墨西哥州卡爾斯巴德附近的天然氣管道

7、因?yàn)楦g發(fā)生爆炸，導(dǎo)致12人喪生。19852000年間，美國(guó)油氣管道共發(fā)生事故8814次，年平均發(fā)生事故294 次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：外部影響、腐蝕、焊接和材料缺陷是引發(fā)管道事故的主要原因，腐蝕原因占22%郎需慶，趙志勇，宮宏，等油氣管道事故統(tǒng)計(jì)分析與安全運(yùn)行對(duì)策J 安全技術(shù)，2006，6( 10: 15-17。俄羅斯（前蘇聯(lián)）在19811990這10年間，由于各種原因造成的輸氣管道事故總次數(shù)為752次，造成事故的主要原因?yàn)楦g，占39.9%；【倪曉陽(yáng)，周剛俄羅斯石油開(kāi)采和長(zhǎng)輸油氣管道的事故分析及對(duì)中國(guó)的啟示J 地質(zhì)科學(xué)情報(bào)，2005，24( B07 : 59-68】。2007年，歐洲輸氣管道事故

8、數(shù)據(jù)組織( EGIG ，對(duì)其管轄維護(hù)的19702007年運(yùn)行的輸氣管道進(jìn)行事故調(diào)查，該次調(diào)查管線(xiàn)總暴露為3.15×106km ·年，共發(fā)生事故1172次，平均事故發(fā)生率為0. 37次/1000 km·年。該調(diào)查顯示，腐蝕是管道發(fā)生事故的三大主要因素之一?！竞鸁裘鳎槙焽?guó)內(nèi)外天然氣管道事故分析J.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2009( 9 : 8-12】。我國(guó)的油氣管道事故也時(shí)有發(fā)生。2001年3月，東北某石油公司通過(guò)埋地管線(xiàn)輸送柴油，作業(yè)4小時(shí)，發(fā)現(xiàn)管線(xiàn) 事故概率焊接接頭處出現(xiàn)環(huán)形斷裂曾多禮，成品油管道的安全問(wèn)題及對(duì)策，油氣儲(chǔ)運(yùn)，V ol.23，No.9，45-47，200

9、4。眾所周知，距離最近的是2013年11月22日，青島黃島經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)中石化黃濰輸油管線(xiàn)泄露引發(fā)特別重大爆燃事故，造成62人遇難，166人不同程度受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元人民幣，對(duì)周邊海域造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。我軍的管線(xiàn)雖然沒(méi)有發(fā)生重大事故，但因腐蝕造成的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”問(wèn)題也比較突出。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，國(guó)內(nèi)六成油氣管道服役超過(guò)20年，已進(jìn)入事故多發(fā)期，并呈逐年上升勢(shì)頭。油氣管道事故率平均3次/1000公里·年，遠(yuǎn)高于美國(guó)的0.5次/1000公里·年、西歐的0.25次/1000公里·年以及俄羅斯的0.46次/1000公里·年。【王旭. 長(zhǎng)輸管

10、道事故案例統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)策研究J. 廣州化工.2013(7:233-235】。針對(duì)油氣管道日益突出的安全問(wèn)題，迫切需要加強(qiáng)對(duì)管道工作狀態(tài)的了解和掌握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理出現(xiàn)的各種缺陷隱患，減少甚至避免事故的發(fā)生。對(duì)于已出現(xiàn)的管道缺陷，處理方法一般有三種：修理、修復(fù)、更換。這三種管道處理方法的投資情況為1.26，50，100(萬(wàn)美元/km【周德敏，何仁洋，劉長(zhǎng)征等. 關(guān)于埋地管道檢驗(yàn)檢測(cè)的必要性及建議J.化工設(shè)備與管理.2010（12）51-53】。由此可見(jiàn)，成本最低的措施是管道修理，而且管道修理是事前主動(dòng)維修，與事后被動(dòng)維修相比，它很大程度上減少甚至阻止了油氣泄漏，安全性更高，造成的后果更小。文獻(xiàn)【

11、鄭賢斌，陳國(guó)明. 基于結(jié)構(gòu)可靠性的腐蝕管道檢測(cè)與維修優(yōu)化J.壓力容器.2006（11）:29-32】研究表明，在滿(mǎn)足管道結(jié)構(gòu)可靠性與工作壽命的前提下，選取合適的檢測(cè)維修方案，可以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。管道檢測(cè)是管道維修決策的前提，只有通過(guò)檢測(cè)得到了第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料后，對(duì)管道進(jìn)行安全評(píng)估的相關(guān)工作才能展開(kāi)，對(duì)管道的修理地點(diǎn)和時(shí)間才能確定。如果沒(méi)有檢測(cè)，會(huì)由于情況不明，使領(lǐng)導(dǎo)作出錯(cuò)誤決策，盲目報(bào)廢某些管道再建新管道，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的廣泛普及與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅猛，逐步形成了管道內(nèi)、外檢測(cè)技術(shù)兩個(gè)分支。管道外檢測(cè)主要通過(guò)挖坑達(dá)到檢測(cè)外防腐層的完整性、陰極

12、保護(hù)有效性、電流腐蝕等缺陷的目的。涂層破損檢測(cè)技術(shù)有很多種，但不管哪種都要在管道上施加電信號(hào)，對(duì)于管體未與大地接觸的部分露管涂層破損處，因信號(hào)不能經(jīng)大地回流而無(wú)法查找得到；因屏蔽作用，也不適用于加套管的穿越管線(xiàn)；對(duì)于人員無(wú)法接近的管段，不能進(jìn)行密間隙檢測(cè)和直接檢查；所有技術(shù)都不能判定涂層是否剝離。【陳敬和，何悟忠，郭莘. 埋地長(zhǎng)輸管道外檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.管道技術(shù)與設(shè)備.2011（4）:1-5】管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要用于檢測(cè)管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，也可簡(jiǎn)介判斷涂層的完整性，具有經(jīng)濟(jì)、便捷、快速的優(yōu)點(diǎn)，適用于公路、鐵路、海洋、城市等外檢測(cè)技術(shù)無(wú)法靠近的區(qū)域的管道，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的

13、全面檢測(cè)。【劉海峰，胡劍，楊俊. 國(guó)內(nèi)油氣長(zhǎng)輸管道檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)J.天然氣工業(yè).2004（11）:147-150】魏書(shū)義. 國(guó)內(nèi)油氣長(zhǎng)輸管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展探析J.硅谷.2013(5:56,99管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人是在管內(nèi)極限環(huán)境中順利運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行作業(yè)的機(jī)電一體化裝置，可以攜帶測(cè)徑儀器、CCD 攝像頭、超聲波傳感器、渦流傳感器、漏磁傳感器等設(shè)備同步前進(jìn)，完成管道缺陷檢測(cè)。差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人依靠流體壓能和動(dòng)能產(chǎn)生的推力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，不需要額外能源供應(yīng)，是一種比較理想的檢測(cè)裝置。與其他類(lèi)型機(jī)器人相比，依靠流體推動(dòng)的差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、能源供應(yīng)、作業(yè)效果、制造及維護(hù)成

14、本等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，很大程度上可以解決油氣管道的檢測(cè)問(wèn)題，在管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人研究中往往被優(yōu)先選用。【張培，李著信，等差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人啟動(dòng)過(guò)程模擬仿真J后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(1： 35-40】在已有的管道檢測(cè)機(jī)器人研究領(lǐng)域中，關(guān)注較多的是機(jī)器人本身的機(jī)械設(shè)計(jì)、外形優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)原理與實(shí)現(xiàn)以及信號(hào)獲取與處理等方向，對(duì)機(jī)器人在管道流場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與運(yùn)動(dòng)控制研究較少。然而機(jī)器人在管內(nèi)流場(chǎng)的作用下順利啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行是完成檢測(cè)任務(wù)的前提。一次完整而又良好的檢測(cè)結(jié)果，不僅僅需要機(jī)器人在流體提供的足夠驅(qū)動(dòng)力的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，通過(guò)各種坡度的管道以及管道內(nèi)的變形區(qū)域和附件，還要保證使得機(jī)器人運(yùn)行

15、穩(wěn)定、速度可控，減少流場(chǎng)對(duì)它的損害?，F(xiàn)行的介質(zhì)差壓式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人為了獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力，往往在兩端安置密封圈（碗），使壓力差達(dá)到極大。這樣的結(jié)構(gòu)雖然可以獲得大驅(qū)動(dòng)力，但是存在存在兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。其一，定心效果不好影響檢測(cè)精度。機(jī)器人在管道中行進(jìn)時(shí)，密封圈（皮碗）與管道壁之間是滑動(dòng)摩擦，磨損量比較大，而且由于機(jī)器人截?cái)嗔斯軆?nèi)流場(chǎng)，不能從流場(chǎng)中獲得平衡重力的外力，故機(jī)器人密封圈（皮碗）下方的磨損更為嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行磨損后難以保證機(jī)器人軸線(xiàn)與管道軸線(xiàn)重合，嚴(yán)重影響定心效果，如管道局對(duì)陜京線(xiàn)檢測(cè)運(yùn)行100.6km 后發(fā)現(xiàn)，皮碗上部唇邊厚15mm ，下部?jī)H剩9mm （新皮碗唇邊厚35mm ）23。如果

16、定心效果不好，不管是用漏磁還是超聲波檢測(cè)，都會(huì)影響檢測(cè)的精度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。其二，流場(chǎng)參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)器人速度波動(dòng)較大而失控。由于機(jī)器人截?cái)嗔斯軆?nèi)流場(chǎng)，管道內(nèi)壁存在各種缺陷，且管內(nèi)輸送流體具有高壓力、大流量等特性，流場(chǎng)中任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)全部作用在機(jī)器人上，使得機(jī)器人速度不十分穩(wěn)定，特別對(duì)于油料這類(lèi)不可壓縮介質(zhì)，受流場(chǎng)的影響更大，使其可控性大大降低。機(jī)器人的速度在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)處理困難、檢測(cè)設(shè)備損毀、機(jī)器人定位不準(zhǔn)等現(xiàn)象。檢測(cè)傳感器從發(fā)射到接受檢測(cè)信號(hào)需要一定的時(shí)間，因此管道內(nèi)壁的缺陷被傳感器檢測(cè)所產(chǎn)生的信號(hào)完整度，除了受檢測(cè)信號(hào)的采樣寬度與采樣頻率影響

17、外，機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)行速度對(duì)其影響也很大。在傳感器采樣頻率和采樣寬度不變的情況下，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳感器檢測(cè)覆蓋管道不完整的情況，造成漏檢、誤檢測(cè)等問(wèn)題，如圖所示；當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢時(shí)，則在檢測(cè)記錄的結(jié)果中會(huì)有較多的重疊部分，如圖所示，這樣不但耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，還會(huì)造成存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)，特別是會(huì)對(duì)后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)更大的困難。國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)速度都有明確的規(guī)定，如國(guó)外資料顯示一般的MFL 漏磁腐蝕檢測(cè)所允許的最大運(yùn)行速度為4.5 m/s(16.2 km/h，國(guó)內(nèi)石油行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)SY/T6383-1999中也提出機(jī)器人的運(yùn)行速度應(yīng)控制在1218 km/h23。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行

18、速度異常大時(shí)，容易造成機(jī)器人在通過(guò)起伏管道、變形管道以及管道附件時(shí)檢測(cè)設(shè)備與管道發(fā)生撞擊，出現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備損毀，甚至機(jī)器人卡堵等事故。此外，機(jī)器人運(yùn)行速度的忽快忽慢，容易使得測(cè)量機(jī)器人行走距離的里程計(jì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，造成里程計(jì)量的缺失，大大影響了機(jī)器人對(duì)管內(nèi)缺陷定位的準(zhǔn)確性。 圖 運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快 圖 運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢因此，控制機(jī)器人的運(yùn)行速度使其在合理穩(wěn)定的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，勢(shì)必成為油氣管道內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中提高管道檢測(cè)精度、降低安全事故、提高缺陷定位準(zhǔn)確性所面臨的問(wèn)題。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）理論方面研究狀況為了掌握輸氣管道內(nèi)檢測(cè)器的運(yùn)行規(guī)律，國(guó)外從20世紀(jì)60年代即開(kāi)始了相關(guān)研究，并提出運(yùn)行模型。1988

19、年，Kohda 等人提出了第一個(gè)完全以瞬態(tài)兩相流方程為基礎(chǔ)的內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行模型，該模型能夠預(yù)測(cè)內(nèi)檢測(cè)器的位置隨時(shí)間變化規(guī)律；但該模型應(yīng)用了固定坐標(biāo)系，并使用穩(wěn)態(tài)的壓降、持液率關(guān)系式描述相間滑脫，使得模型的實(shí)際應(yīng)用受到限制。Nieckde 等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)涵蓋了向周?chē)h(huán)境熱傳導(dǎo)的一維壓縮流體方程，并且給出了兩個(gè)不同的摩擦力策略決定內(nèi)檢測(cè)器處于停止或者移動(dòng)狀態(tài)。該模型也被稱(chēng)為“skip/slip”模型。韓國(guó)學(xué)者Nguyen 和Kim 等人建立了基于一維流體方程(只有質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程 完成了單一泄流孔的內(nèi)檢測(cè)器在管道流場(chǎng)中運(yùn)行狀態(tài)的模型, 并且成功的應(yīng)用了特征值方法在常規(guī)的矩形網(wǎng)格里求解了流場(chǎng)

20、方程。Runge-Kutta 方法也被應(yīng)用于內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行方程Rahe 和Weingarten 等人研究了有、無(wú)泄流孔狀態(tài)下內(nèi)檢測(cè)器在氣體管道中半穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行特點(diǎn)。PipelineResearch 發(fā)了多個(gè)計(jì)算模型, 這些模型不僅可以處理內(nèi)檢測(cè)器動(dòng)態(tài)行為并且也可以檢測(cè)管線(xiàn)上的組件, 例如水平直管道上的徑向偏差、彎曲度、密封件等。Esmaeilzadeh 等人開(kāi)發(fā)了氣體管道和液體管道兩個(gè)不同的模型。首先假設(shè)內(nèi)檢測(cè)器的速度與流場(chǎng)的前行速度一致，因而忽略了泄流現(xiàn)象的發(fā)生。使用逆特征線(xiàn)法解決了一維流場(chǎng)方程，同時(shí)使用了標(biāo)注的Runge-Kutta 方法求解了內(nèi)檢測(cè)器移動(dòng)方程。Azevedo 等人研究了簡(jiǎn)化外

21、形的內(nèi)檢測(cè)器非壓縮、半流動(dòng)狀態(tài)流體通過(guò)外形簡(jiǎn)化的內(nèi)檢測(cè)器泄流孔的課題。使用了動(dòng)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算軟件和有限元仿真軟件來(lái)計(jì)算出內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。Kruyer 等人使用分析方法求解了管線(xiàn)中無(wú)限長(zhǎng)柱狀液體傳播的問(wèn)題。Compo 和Rachid 等人為不可壓縮瞬態(tài)流體開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單模型。Lima 等人用一維模型分析了天然氣管道內(nèi)清管器的運(yùn)行情況。Tolmasquim 等人根據(jù)氣體內(nèi)檢測(cè)器在管道內(nèi)的兩流體瞬態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了仿真得到了相應(yīng)的模型, 在仿真過(guò)程中假設(shè)兩種流體符合牛頓定律且為理想氣體的等溫過(guò)程。（2）實(shí)際應(yīng)用方面20世紀(jì)50年代，美、英、法、德、日等國(guó)家相繼投入巨資開(kāi)展了以長(zhǎng)距離管

22、道的清理及檢測(cè)為目的的自動(dòng)機(jī)械的研究，并取得了舉世矚目的成果。20世紀(jì)80年代初，隨著自動(dòng)化技術(shù)、微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外管道檢測(cè)機(jī)器人發(fā)展迅速，其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和速度控制技術(shù)的自動(dòng)化、智能化和多樣化水平能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的檢測(cè)需求，并得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Weatherford 公司開(kāi)發(fā)了一種用于檢測(cè)管道幾何缺陷的多通道管徑檢測(cè)機(jī)器人。在流體的驅(qū)動(dòng)下，該機(jī)器人速度可以達(dá)到4 m/s，最大行走距離720km ，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間200h 。機(jī)器人安裝了36個(gè)彈性支撐臂，每個(gè)支撐臂上都有高性能傳感器，可以精確檢測(cè)管道內(nèi)壁幾何缺陷的位置、大小、輪廓以及缺陷程度等信息。這樣，不但提高了檢測(cè)的信息含

23、量，36個(gè)彈性臂的周向均勻布置也提高了機(jī)器人的速度穩(wěn)定性。機(jī)器人安裝了兩組里程輪，每個(gè)里程輪單獨(dú)記錄數(shù)據(jù)，在較大程度上提高了缺陷的定位精度，缺陷的定位誤差小于2%8。 圖2-1 多通道管徑檢測(cè)機(jī)器人Fig.2-1 Multichannel diameter inspection robot英國(guó)HAPP 公司Stoltze B 研制了一款差壓式管道清理機(jī)器人，利用機(jī)器人兩端的流體壓力差為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力并為管道進(jìn)行清洗9。該機(jī)器人包括制動(dòng)、密封和清洗三個(gè)單元。實(shí)踐證明，機(jī)器人不但清洗效果好，還能較好的通過(guò)管道三通、彎頭、焊縫等。但其制動(dòng)單元是通過(guò)剎車(chē)元件與管壁的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的，摩擦力較大且不能調(diào)節(jié)

24、，因此機(jī)器人的行走速度較低（流體速度的1/60），速度的大小也不能調(diào)節(jié)。此外，該機(jī)器人不具備壓力調(diào)節(jié)功能。 圖2-2 管道機(jī)器人制動(dòng)單元Fig.2-2 Brake unit of pipeline robot英國(guó)第二管道有限公司與美國(guó)管內(nèi)服務(wù)公司合作開(kāi)發(fā)了在高流速條件下能實(shí)現(xiàn)速度控制的管道機(jī)器人。機(jī)器人允許流體從機(jī)器人內(nèi)部流過(guò)，通過(guò)智能化的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)內(nèi)部節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的速度調(diào)節(jié)。該機(jī)器人于2011年12月在路易斯安那進(jìn)行了場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，整個(gè)天然氣管道直徑為42”，長(zhǎng)度71.1英里（114.4千米）。在運(yùn)行過(guò)程中，天然氣的平均流速為22km/h，機(jī)器人的行駛平均速度為7.3 km/h（

25、約2m/s），調(diào)速盤(pán)閥門(mén)開(kāi)度為77%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)，機(jī)器人速度穩(wěn)定性較好，具有較好的調(diào)節(jié)能力10。 圖2-3 高流速速度自控管道機(jī)器人Fig.2-3 High-velocity speed self-control pipeline robot德國(guó)ROSEN 公司開(kāi)發(fā)了多種智能化、集成化流體驅(qū)動(dòng)式管道檢測(cè)機(jī)器人，聯(lián)合管內(nèi)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，合理搭配使用幾個(gè)功能模塊，構(gòu)成多種產(chǎn)品，以滿(mǎn)足不同檢測(cè)需求11-13。機(jī)器人的功能模塊主要包括:（1）速度控制模塊。多數(shù)管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人理想行走速度為1m/s5m/s。然而高壓高速管道內(nèi)，流體流速可達(dá)15m/s，機(jī)器人速度很不穩(wěn)定。速度控制模塊含有一個(gè)旁通

26、閥，通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)速度。旁通閥的開(kāi)度由該模塊根據(jù)傳感器檢測(cè)速度信號(hào)和壓力信號(hào)，通過(guò)一定的控制算法來(lái)調(diào)節(jié)。（2）幾何檢測(cè)模塊。通過(guò)非接觸方式安裝位置傳感器和距離傳感器，其檢測(cè)精度比傳統(tǒng)接觸式傳感器更高，可有效檢測(cè)管道彎曲、凹凸、腐蝕等幾何缺陷。（3）漏磁檢測(cè)模塊。在該模塊周向均勻布置多塊永磁鐵，為了避免管道內(nèi)雜質(zhì)和碎片損毀檢測(cè)傳感器，用橡膠刷覆蓋永磁鐵，漏磁檢測(cè)模塊主要用于應(yīng)力腐蝕檢測(cè)。（4）電磁超聲換能器檢測(cè)模塊。利用電磁超聲換能器探測(cè)管壁裂紋和涂層脫落情況。 圖2-4 德國(guó)ROSEN 流體驅(qū)動(dòng)式管道檢測(cè)機(jī)器人Fig. 2-4 Germany ROSEN fluid-driven

27、type pipeline inspection robot挪威石油公司，管道清理技術(shù)公司，F(xiàn)TL 密封技術(shù)公司和管道研究有限公司聯(lián)合研制了一款能夠適應(yīng)多管徑，可雙向運(yùn)行的差壓式管道機(jī)器人。該管道機(jī)器人主要用于清理管線(xiàn)試運(yùn)行或排空時(shí)殘留的流體14?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2-5所示，機(jī)器人上對(duì)稱(chēng)安裝了兩組支撐輪結(jié)構(gòu)，用于防止機(jī)器人出現(xiàn)偏心現(xiàn)象造成流體泄露。機(jī)器人兩端的對(duì)稱(chēng)過(guò)盈裝配了一個(gè)密封圈，可以實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行。為了防止轉(zhuǎn)彎時(shí)兩端密封圈出現(xiàn)間隙而造成流體泄漏，在中間位置的安裝了一個(gè)密封圈。2009年3月，該機(jī)器人在挪威的Alve 輸氣管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，管線(xiàn)全長(zhǎng)15.7km ，管道內(nèi)徑變化范圍為257mm 3

28、20mm 。機(jī)器人行走速度為0.03 m/s 0.08m/s。在機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)之后，施加反向壓力，機(jī)器人最終回到了起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人具有一定管徑適應(yīng)能力，雙向運(yùn)行能力，密封能力都較好。然而，該機(jī)器人行走速度較低，且不具備速度控制能力，彎管通過(guò)性不穩(wěn)定，曾發(fā)生卡滯現(xiàn)象。 圖2-5 多管徑雙向運(yùn)行管道機(jī)器人Fig.2-5 Multi-diameter,BI-Directional pipeline robot俄羅斯學(xué)者Podgorbunskikh A M和Loskutov V E等人完成了裝備有速度自控模塊的管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人對(duì)管內(nèi)缺陷檢出率的實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人的研究起步較晚，在國(guó)家863計(jì)劃

29、和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助下，許多院校和研究所開(kāi)展了卓有成效的工作、取得了一系列的成果，達(dá)到了一定的應(yīng)用水平。（1）理論方面研究狀況國(guó)內(nèi)的一些高校和科研機(jī)構(gòu)管道在油氣管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行速度對(duì)檢測(cè)效果以及機(jī)器人速度控制方面開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。清華大學(xué)黃松嶺，趙偉等人研發(fā)了天然氣管道缺陷檢測(cè)器泄流裝置。遼寧石油化工大學(xué)的呂平等人建立了清管器前端塞流動(dòng)的特征參數(shù)計(jì)算模型、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出清管過(guò)程中管線(xiàn)的壓力分布和清管器在管內(nèi)的運(yùn)行規(guī)律，從而為跟蹤清管球在管內(nèi)的運(yùn)行和混輸管路的管理提供了理論依據(jù)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）綦耀升、張立軍等人研究了皮碗式油氣管道內(nèi)檢測(cè)物理模型，推導(dǎo)出在水

30、平管道平穩(wěn)運(yùn)移條件下皮碗的結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)壓差間的關(guān)系【。后勤工程學(xué)院孟浩龍、李著信等人運(yùn)用牛頓力學(xué)與CFD 軟件結(jié)合的方法，進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了所應(yīng)注意的方面。中國(guó)石油大學(xué)（北京）耿等人提出了清管器速度控制方案，進(jìn)行了速度可控清管器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】。分析了該清管器的工作過(guò)程, 認(rèn)為其在管道內(nèi)的速度可以控制在預(yù)定范圍內(nèi)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旁通孔計(jì)算以及清管器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)可壓縮流體的數(shù)值模擬等技術(shù)問(wèn)題仍需深入探索。李漢勇，宮敬等人利用數(shù)值仿真手段完成了水試壓后輸氣管道的清管過(guò)程瞬態(tài)分析。（2）實(shí)際應(yīng)用方面研究現(xiàn)狀廣州工業(yè)大學(xué)李鍛能、楊宜民等研究了一種利用流體能量驅(qū)動(dòng)和發(fā)電的管道機(jī)

31、器人，根據(jù)機(jī)器人的速度和它自身的重量、管道流體的速度、機(jī)器人與管道間的間隙、制動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑靴與管壁之間的摩擦因數(shù)等的關(guān)系，設(shè)計(jì)出該機(jī)器人的速度控制機(jī)構(gòu)，并建立了一個(gè)速度智能控制的基本模型15。機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，傘狀的牽引機(jī)構(gòu)（圖3-2）通過(guò)調(diào)節(jié)變速翼與管壁的間隙對(duì)流體進(jìn)行節(jié)流，起到牽引與調(diào)速的作用，制動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖3-3）通過(guò)改變滑靴與管壁之間的摩擦力達(dá)到調(diào)節(jié)控制機(jī)器人速度的目的。此外，采用葉輪發(fā)電原理，將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為蓄電池的動(dòng)能，為機(jī)器人各部件的工作提供能源。但是，這種機(jī)器人只適用于大口徑、高流速的管道，對(duì)于小口徑、低流速的管道不適用。 圖3-1 流體驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)圖F

32、ig.3-1 Fluid-driven pipeline robot's basic structure 北華大學(xué)張玉峰設(shè)計(jì)的流體驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人采用皮碗作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置16。調(diào)速裝置（圖3-4）采用盤(pán)式節(jié)流調(diào)速機(jī)構(gòu)，安放在驅(qū)動(dòng)皮腕中部，由定圖3- 流體驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人制動(dòng)機(jī)構(gòu) Fig.3-2 Fluid-driven pipeline robot's brake structure 圖3-2 流體驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)Fig.3-2 Fluid-driven pipeline robot'stracte structure盤(pán)和動(dòng)盤(pán)組成，盤(pán)上分別開(kāi)有節(jié)流孔，通過(guò)動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)

33、動(dòng)來(lái)改變孔的大小。根據(jù)機(jī)器人兩端的壓差自動(dòng)控制節(jié)流孔的開(kāi)度來(lái)達(dá)到控制機(jī)器人速度的目的，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人不因環(huán)境的變化而產(chǎn)生較大的速度波動(dòng)。但是，由于調(diào)速盤(pán)的執(zhí)行響應(yīng)的延時(shí)性及機(jī)器人的速度慣性，當(dāng)管壁摩擦力發(fā)生較大變化時(shí)，容易產(chǎn)生速度波動(dòng)。 圖3-4 驅(qū)動(dòng)及節(jié)流調(diào)速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3-4 Driven and throttle speed control structure diagram哈爾濱工業(yè)大學(xué)王文飛、唐德威設(shè)計(jì)了一種具有速度控制功能的新型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元17。驅(qū)動(dòng)單元實(shí)物模型如圖3-5所示。研究了其速度波動(dòng)機(jī)理，引用振動(dòng)減摩原理，建立了節(jié)流調(diào)速理論模型，并完成了調(diào)速裝置實(shí)物模型的設(shè)計(jì)與制作，

34、通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)單元調(diào)速的準(zhǔn)確性與合理性，為差壓式管道機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。 圖3-5 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元實(shí)物模型Fig.3-5 Physical model of robot driven units2011年我國(guó)重要的輸氣管道干線(xiàn)西氣東輸二線(xiàn)自主研制的大口徑管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備，在西氣東輸二線(xiàn)烏拉泊至煙墩段管徑為1219mm 輸氣管道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得成功，填補(bǔ)了我國(guó)大口徑、高壓力輸氣管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備研制的空白。綜上所述，現(xiàn)有的差壓式管道檢測(cè)機(jī)器人速度控制方法主要有三種，一種是調(diào)節(jié)介質(zhì)輸送量來(lái)滿(mǎn)足機(jī)器人速度控制的要求。【站壓調(diào)節(jié)】這種方法是針對(duì)輸氣管道，通過(guò)改變加壓站兩端的運(yùn)行壓力

35、參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不但影響流體輸送效率，還對(duì)起伏管道和密封圈（皮碗）磨損的情況，由于作用在機(jī)器人上驅(qū)動(dòng)力變化，其運(yùn)行速度就難以預(yù)測(cè)，因此還要采取其他措施來(lái)控制。另一種是通過(guò)設(shè)置節(jié)流機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)器人兩端壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的速度控制。這種方法使機(jī)器人的速度可控性大大增加，但在高壓力、大流量輸送條件下，對(duì)下坡管道，特別是垂直下坡管道，可能出現(xiàn)開(kāi)啟最大節(jié)流孔時(shí)，機(jī)器人的速度依然過(guò)大，此時(shí)，這種方法就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人速度的有效控制。第三種方法是設(shè)置制動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)器人與管壁之間的摩擦力來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的速度。這種方法對(duì)下坡管道內(nèi)機(jī)器人速度控制很有效，但當(dāng)機(jī)器人速度過(guò)慢時(shí)，其調(diào)速有效性也將消失。據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)

36、水平管道內(nèi)機(jī)器人速度分析與控制研究較多，且主要集中于機(jī)器人在流體驅(qū)動(dòng)下的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，很少有系統(tǒng)性的完成機(jī)器人在水平管道、傾斜管道內(nèi)的啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及速度波動(dòng)規(guī)律研究。在速度控制方面，控制方法較為單一、速度控制算法智能化水平還不夠高，機(jī)器人速度可控性還有大幅提升的空間?？傮w上，國(guó)內(nèi)管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人研究起步較晚，發(fā)展迅速，但離商品化、系列化、規(guī)?；囊筮€較遠(yuǎn)，亟待解決的問(wèn)題較多。而且由于國(guó)內(nèi)部分老管線(xiàn)在設(shè)計(jì)、施工時(shí)不規(guī)范，有些地方不適合現(xiàn)行的管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行，需要國(guó)內(nèi)研究人員來(lái)解決。1.3現(xiàn)有差壓式管道機(jī)器人速度控制存在的問(wèn)題經(jīng)過(guò)多年的研究，隨著控制理論的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在管道機(jī)器人速

37、度控制領(lǐng)域取得了大量的研究成果，其速度控制技術(shù)應(yīng)用水平大幅提升，但是對(duì)于差壓式管道機(jī)器人的速度控制的大規(guī)模實(shí)用化還有一定的差距，主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：差壓式管道機(jī)器人是利用流體能量推動(dòng)機(jī)器人前行，其內(nèi)部各部件工作需要的能源目前有兩種來(lái)源：一是攜帶蓄電池，二是利用流體能量發(fā)電。這兩種方案除了增加機(jī)器人的體積與質(zhì)量的共同缺點(diǎn)外，各自還有相應(yīng)的弱點(diǎn)：蓄電池能量?jī)?chǔ)存有限，并受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響，因此機(jī)器人的一次作業(yè)行走距離仍然受限制，否則機(jī)器人就面臨著有去無(wú)回的危險(xiǎn)。而利用流體能量發(fā)電方案的問(wèn)題是，對(duì)于自身耗電量較大的機(jī)器人，利用流體能量發(fā)電獲得的電量可能難以滿(mǎn)足機(jī)器人各部件工作的需

38、要，可能造成工作部件的失靈。因此，給機(jī)器人提供持續(xù)、穩(wěn)定、有效的能源是其得以廣泛應(yīng)用一個(gè)非常重要的前提。檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)的實(shí)際速度的采集是對(duì)其速度實(shí)施準(zhǔn)確有效的控制的基本保證。目前，在機(jī)器人無(wú)法取得與地面的通訊聯(lián)系的條件下，針對(duì)無(wú)纜長(zhǎng)距離油氣輸送管道，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有有效的方法獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度。大多數(shù)管道機(jī)器人是通過(guò)安裝一個(gè)或多個(gè)里程輪進(jìn)行速度測(cè)量，并將測(cè)量值反饋給控制系統(tǒng)。但經(jīng)驗(yàn)表明，管道在運(yùn)行一段時(shí)間后，管道內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)“結(jié)蠟現(xiàn)象”，以及因流體流速的不斷變化，會(huì)造成機(jī)器人的速度變得忽快忽慢等。這些因素往往會(huì)使里程輪出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，導(dǎo)致速度測(cè)量值的不準(zhǔn)確性。速度測(cè)量值與機(jī)器人實(shí)際速度值之間

39、的誤差大小，可以通過(guò)對(duì)里程輪信號(hào)進(jìn)行算法優(yōu)選，或者與其他速度傳感器（如加速度傳感器）測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)減小，但是無(wú)法從根本上消除。對(duì)于管道內(nèi)部復(fù)雜多變的環(huán)境，現(xiàn)有的速度控制系統(tǒng)智能化水平還不夠全面，主要包括：（1）延時(shí)問(wèn)題當(dāng)速度傳感器檢測(cè)到機(jī)器人速度偏離設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)需要一定時(shí)間，包括信號(hào)的傳輸、計(jì)算、處理以及執(zhí)行元件的響應(yīng)。此外，機(jī)器人速度的慣性，也使得速度的控制出現(xiàn)滯后。（2）多干擾問(wèn)題在實(shí)際的工作過(guò)程中，影響管道機(jī)器人速度的干擾因素多而復(fù)雜。包括，摩擦阻力的變化、管內(nèi)流體流速的變化以及管道傾斜角度的變化等，這些干擾因素有時(shí)單一出現(xiàn)，有時(shí)疊加出現(xiàn)。因此，需要控制系統(tǒng)針對(duì)這些干擾

40、因素產(chǎn)生的速度變化進(jìn)行準(zhǔn)確的響應(yīng)。水平管道內(nèi)機(jī)器人的速度控制較為簡(jiǎn)單，在傾斜或豎直上下坡管道內(nèi)對(duì)速度的控制就變得十分的復(fù)雜。例如，在豎直下坡管道，在節(jié)流降速后，機(jī)器人的速度還是可能高于機(jī)器人設(shè)定的安全速度，這就需要控制系統(tǒng)同時(shí)對(duì)機(jī)器人實(shí)施剎車(chē)降速。因此，采用先進(jìn)的控制算法并與多傳感器的硬件相結(jié)合，形成高智能化控制系統(tǒng)，才能為提高管道機(jī)器人的速度控制水平打下良好的基礎(chǔ)。（3）非線(xiàn)性和時(shí)變性問(wèn)題。實(shí)踐表明，上述干擾因素在管道機(jī)器人運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)的幅值與時(shí)間都是隨機(jī)的，沒(méi)有特定的大小和時(shí)變規(guī)律，具備非線(xiàn)性和時(shí)變性。因此，需要速度控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)使得執(zhí)行元件有適量適時(shí)的響應(yīng)。1.4 差壓式管道機(jī)器

41、人動(dòng)力學(xué)的研究介質(zhì)差壓式管道機(jī)器人沒(méi)有自主的驅(qū)動(dòng)力，主要靠機(jī)器人前后端流場(chǎng)的壓力差來(lái)推動(dòng)其運(yùn)行，因此受流場(chǎng)影響較大，其一切動(dòng)力學(xué)特性均取決于管內(nèi)流場(chǎng)；而且機(jī)器人的存在也會(huì)改變流場(chǎng)，引起流場(chǎng)不可預(yù)見(jiàn)的變化，此點(diǎn)最應(yīng)關(guān)注的是機(jī)器人周?chē)鲌?chǎng)會(huì)否發(fā)生空化。如前所述，因?yàn)闄C(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往使密封圈（皮碗）有過(guò)盈量，能全封閉管道截面，截?cái)嘟橘|(zhì)流動(dòng)或者只有很小的泄漏量，又控制輸送量可使機(jī)器人勻速或準(zhǔn)勻速向前運(yùn)行，忽略機(jī)器人的慣性力，因此就可以用比較簡(jiǎn)單的公式來(lái)推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。目前分析機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，預(yù)測(cè)出機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度主要有以下三類(lèi)方法，其中第一類(lèi)是針對(duì)管道機(jī)器人的，后兩類(lèi)是針對(duì)清管器的，

42、由于清管器和管道機(jī)器人在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理上都與管道機(jī)器人是很相似的的，因此清管器的動(dòng)力學(xué)分析模型也可用于管道機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能分析。此法是最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，由于機(jī)器人截面與管道截面有過(guò)盈量，于是可假設(shè)機(jī)器人前方的壓力為0，則機(jī)器人所受的推力為：PS f F =式中：F 為驅(qū)動(dòng)力；f 為摩擦力；P 是管內(nèi)壓力；S 為機(jī)器人的截面積3。速度由管道的輸送量來(lái)控制，只要提供足夠的管內(nèi)壓力來(lái)平衡機(jī)器人的摩擦力，即可以推動(dòng)機(jī)器人前行。文獻(xiàn)用此方法對(duì)660管道運(yùn)行的速度進(jìn)行了分析，計(jì)算了不考慮氣體泄漏和考慮氣體泄漏時(shí)的機(jī)器人速度公式。 不考慮氣體泄漏：864Q v S P= 式中：Q 為管內(nèi)流量；v 是機(jī)器人的

43、平均運(yùn)行速度；S 為管道內(nèi)徑橫截面積；P 為平均工作壓力。 考慮氣體泄漏：(11v vA v A A =-式中：v 為泄流后的流速；v 為氣體流速；A 為管道內(nèi)徑截面積；1A 為泄流孔面積；1v為氣體速度，其表達(dá)式為：v =，其中P 為機(jī)器 人前的壓力，0p 為機(jī)器人后的壓力，取1.4，a = 文獻(xiàn)以一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)描述了機(jī)器人在天然氣管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，給出了清管器在確定位置時(shí)流體的狀態(tài)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，共提出了7個(gè)控制方程：機(jī)器人上下游、機(jī)器人中空段的連續(xù)方程和動(dòng)量方程，以及作用在機(jī)器人上的力平衡方程：(2210i i h PM P d M d x +-+-=(2210e e h P M P d M

44、 d x -+-=0h h P M P M -+-=(2211142ln 0i p i M f x l M M M +-= (2211142ln 0p e e M f L x M M M - -= 22411111ln ln 02h h h h h h h f l M x M x d x M x M x x M x xM +-+-+-= - (22/4f h mx P P D d F F +-=-+式中：P 為管內(nèi)壓力；m 為機(jī)器人質(zhì)量；x 為機(jī)器人在管內(nèi)的位置；M 為氣體的馬赫數(shù)；為氣體的比熱；D 為管道內(nèi)徑；d 為機(jī)器人中孔直徑；L 為管道長(zhǎng)度；l 為機(jī)器人長(zhǎng)度；上標(biāo)+、分別表示機(jī)器人上游

45、和下游；下標(biāo), , i e h 分別表示管道入口、出口和機(jī)器人中孔；f 是摩擦系數(shù)；F 是摩擦力；用后向差分離散機(jī)器人坐標(biāo)x 來(lái)將微分方程組轉(zhuǎn)換為非線(xiàn)性代數(shù)方程，求解這一方程組即可得出機(jī)器人在管內(nèi)的連續(xù)的位置。文獻(xiàn)分析了帶有溢流閥機(jī)器人運(yùn)行速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，它從單相絕熱氣體的非穩(wěn)態(tài)流體動(dòng)力學(xué)出發(fā)，建立了管內(nèi)流體應(yīng)滿(mǎn)足的四個(gè)準(zhǔn)一維基本方程：連續(xù)方程、動(dòng)量方程、狀態(tài)方程和能量方程，再將四個(gè)雙曲型偏微分方程用特征線(xiàn)法轉(zhuǎn)化成常微分方程：1du c dp dx E u c dt p dtxt +=+沿 2-du c dp dx E u c dt p dtxt =沿 23-du dp dx c E u

46、 dt dt xt =沿 式中：c =為波速，p 為流體壓力，為流體密度，為流體的比熱；A m S=，為管道的平均水力直徑，A 為管道截面積，S 為管道周長(zhǎng)；(c e x tq C T T =-，為每單位面積管壁上的熱流，c C 是對(duì)流熱傳導(dǎo)系數(shù)，, ext T T 分別為海底和流體的溫度； (,Re f f F F k =，為單位管道長(zhǎng)度上的摩擦力，是管壁粗糙度k 和流體雷諾數(shù)的函數(shù)；u 是流體速度；(1111f F u q E c m A c -=+-；(2111f F u q E c m A c -=-+；(31f F u q E m A =-+ 。 以穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)為初始條件，用有限差分法離

47、散后，得到任意時(shí)間t 和所對(duì)應(yīng)位置x 上的離散方程，并求得結(jié)果。此后，再建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程：(22p fp b d x t dx t M C Kx t F t F t F t dt dt+=- 式中：M 為機(jī)器人的質(zhì)量；C 是線(xiàn)性阻尼系數(shù)；K 為機(jī)器人的剛度系數(shù)；驅(qū)動(dòng)力(p F t 由流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來(lái)求得；(, fp b F t F t 是機(jī)器人受到的摩擦力和制動(dòng)力。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程可以用龍格庫(kù)塔法來(lái)求解，求解后得到機(jī)器人的位置和速度。以上三類(lèi)計(jì)算方法都是基于一維或準(zhǔn)一維流場(chǎng)的，而且只分析了機(jī)器人（清管器）在流體推力的驅(qū)動(dòng)下向前運(yùn)行的過(guò)程，沒(méi)有對(duì)機(jī)器人的存在對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的影響。從機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)

48、行的機(jī)理來(lái)看，機(jī)器人在流場(chǎng)的推動(dòng)下運(yùn)行，但是機(jī)器人的存在也改變了流場(chǎng)的分布，流場(chǎng)通過(guò)機(jī)器人周?chē)鷷r(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的三維擾動(dòng)，這些文獻(xiàn)中都沒(méi)有分析。而且機(jī)器人周?chē)鲌?chǎng)的分布情況是機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，特別對(duì)于液體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)壓力低于介質(zhì)的汽化壓強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)就會(huì)造成空化現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓、聲、光、電和化學(xué)作用都會(huì)引起對(duì)機(jī)器人和管壁的破壞，因此在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)很有必要考慮會(huì)否發(fā)生空化及空化條件，而要弄清這些因素需要詳細(xì)分析機(jī)器人周?chē)鲌?chǎng)分布。1.5本文研究的方法及技術(shù)路線(xiàn)實(shí)驗(yàn)是解決一切問(wèn)題的最基本且有效的方法，介質(zhì)差壓式管道機(jī)器人在介質(zhì)推動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)流固耦合問(wèn)題，更需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)探索機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)行的規(guī)律。從上世紀(jì)60年代起，流體實(shí)驗(yàn)技術(shù)已有很大的發(fā)展，象各種流動(dòng)顯示技術(shù)、激光測(cè)速和熱線(xiàn)技術(shù)的智能化，為研究機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)手段。盡管實(shí)驗(yàn)是研究的最基本且有效的方法，但是實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)、可重復(fù)性較差。對(duì)于管道機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由于其在受限空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)信息和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量更加困難。而且取得的結(jié)果只能說(shuō)明某種機(jī)器人結(jié)構(gòu)的結(jié)果，一旦結(jié)構(gòu)改變，就必須重新實(shí)驗(yàn)，通用性較差。相比之下，基于流體力學(xué)的數(shù)值仿真具有耗費(fèi)少、時(shí)間短、省人力、重復(fù)性好、條件易控等優(yōu)點(diǎn)，比實(shí)驗(yàn)研究更自由、更靈活、結(jié)果更詳細(xì)，并且還能模擬高溫、易爆、有毒等