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(1.山东科瑞机械制造有限公司 山东省海洋石油装备重点实验室，山东 东营 257000；2.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 266580)①

随着海洋油气资源勘探开发的不断深入，越来越多的水下遥操作机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)应用于油气勘探、管道铺设以及事故处理作业中，为水下油气作业提供直接或间接的支持[1]。ROV以其经济安全、机动灵活、能够长时间在水下工作等优点，成为海底油气管线检测、海洋工程装备的布放、装配、观测等领域不可或缺的重要工具[2-4]。

一般悬浮式ROV承载能力有限，由于受中继器和推进器工作条件的限制，不适宜在浅海水域工作。我国渤海海域平均水深约20 m，油气平台数目占国内90 %以上，水下生产系统及设施数量众多。目前，水下生产系统的安装运维作业无法使用传统ROV，仍以潜水员作业为主，存在工作效率低、安全性差、费用高等问题。轮式ROV既可悬浮也可坐底，操作方便、稳定性好，且不受水深限制，特别适用于渤海浅水区水下生产系统的巡检和运维作业。

轮式ROV采用四轮驱动，在渤海粉砂淤泥质海床上运移时将产生较大的滚动阻力，因此对ROV在软地基上的通过能力提出了更高要求。本文在对浅海作业型轮式ROV结构设计和通过性分析的基础上，提出了一种具有高浅海软地基通过能力的轮式ROV系统，为浅海海域水下设施的高效巡检和运维提供了新型运载平台。

1 轮式ROV本体结构设计

ROV本体通常采用开架式结构，以减少自身质量，方便设备的安装维护。根据作业要求，轮式ROV主体结构可分为浮力模块、载体框架、密封舱、推进系统、作业工具以及辅助配件等6部分[5-8]。轮式ROV结构参数如表1所示。

表1 轮式ROV结构参数

1.1 浮力单元结构

ROV顶部设计有浮力单元，为系统提供微小正浮力，并通过形成的顶部浮心和下部重心形成稳定力矩，以保证紧急情况抛载后可以自行上浮和常态下的姿态稳定。

浮力单元材料特殊，抗拉强度小，所以采用了简单的结构形式以降低加工难度和成本。浮力单元通过螺栓、螺柱和钣金构件与框架联接，并将吊耳设计在框架上。如图1所示。

1.2 载体框架结构

开架式载体框架结构具有质量轻、阻力小、驱动功耗低等优点，且便于设备的安装、布置和维护，通过采用模块化专用作业单元可以方便地进行功能扩展，故该轮式ROV采用开架式主体框架结构。框架材料的性能决定了ROV本体结构的强度和可靠性，在保证强度和刚度要求的前提下，选用了强度高、韧性好、可焊性能优异的980钢。

轮式ROV本体结构及辅助设备模型如图2所示。

1—照明模块；2—浮力单元；3—载体框架；4—推进系统；5—动力系统控制单元；6—作业机械臂。

2 悬架系统设计

2.1 悬架形式

浅海区域海床地貌复杂，现有的轮式车辆悬架容易引发顶起、触头等失效，越障性能较差。为了提高浅海轮式ROV复杂地形下的通过能力，采用了一种具有良好地形适应能力的摇臂式悬架结构，如图3所示。

图3 轮式ROV悬架结构形式

2.2 悬架系统力学性能计算

为确保悬架结构的力学强度，需要对悬架的受力进行分析计算。由于悬架系统在作业过程中杆件之间会发生较大的位移，且悬架结构形式均为杆件，因此采用力学方法进行强度计算较为便捷。轮式ROV在静止或运动状态下的单侧悬架力学模型如图4所示。

图4 悬架系统力学模型

建立的悬架系统力学平衡方程组为

∑Fx=0Ffx+Fmx+Frx=0

(1)

(2)

∑M0=0Ffy×[(L1+L2)×cosα1+L3×
cos(180°-α1-α2)+L7×cosα1+L8)]+Fmy×
[(L6+L7)×cosα1+L8-L14×cos(180°-α1-α2)]-
Fry×(L11×cosα3+L12)-Ffx×
[(L1×sinα1-L5×sin(180°-α1-α2)+
(L6+L7)×sinα1+L13)]-Fmx×
[(L14×sin(180°-α1-α2)+(L6+L7)×sinα1
+L13)]-Frx×(L11×sinα3+L13)=0

(3)

式中：∑Fx、∑Fy为悬架系统在x、y方向上受到的合力；∑M0为悬架系统在质心O点处的合力矩；Ffy、Fmy、Fry分别为前、中、后轮受到地面支持力；G为系统重力，单侧悬架受到重力为G/2。

计算得到的悬架杆件受力弯矩图如图5所示。最大弯矩处节点受力Fd<0.26G，在动载系数K=2的情况下，满足强度要求。

2.3 悬架系统越障能力分析

为分析轮式ROV行驶机构的越障能力，建立了悬架与障碍物之间的简化数学模型，越障时悬架几何参数定义如图6所示。

图5 悬架系统弯矩图

图6 越障过程悬架几何参数示意

根据运动过程中杆件之间的几何关系，可得到位移方程为

(4)

(5)

杆12与杆10间的角位移γ12_10为

(6)

仿真过程中轮式ROV的越障高度与各轮与地面夹角关系方程为

(7)

式中：αf为前轮摇臂与水平面的角位移；αm为中轮摇臂与水平面的角位移；αr为后轮摇臂与水平面的角位移。

将式(4)～(7)整理得到摇臂悬架的非齐次线性方程组，根据边界条件并给定前后轮距运动过程中的范围Z(850～1 350 mm)，取滚动半径R=200 mm，计算得到前、中、后轮角位移与越障高度间的位移曲线，如图7所示。

由于轮式车辆可以越障的极限高度由前、中、后轮的越障能力决定，即：hmax=min{h1max,h2max,h3max}。

由图7可知，本文设计的轮式ROV的最大越障高度为427 mm。

图7 越障高度与轮地夹角关系曲线

3 轮式ROV通过性仿真分析

为了提高轮式ROV复杂地形下的通过能力，利用多体动力学软件ADAMS建立了轮式ROV的动力学模型，并将悬架以上载荷用等效质量加以替代，以提高分析效率，对2种典型工况下的越障性能进行了仿真分析。

3.1 抗倾覆能力

滩浅海床地形复杂，轮式ROV轴载分配不均容易发生倾覆。在单边抗倾覆性能动力学仿真中，水下障碍物几何参数设为：下坡坡度50°，上坡坡度35°。抗倾覆性动力学仿真结果和参数曲线如图8所示。

图8 凹坑通过性仿真重心侧倾角曲线

从图8仿真分析结果可以看出，轮式ROV在通过较大坡度的凹坑时载体框架的最大侧倾角小于0.5°，侧翻事故发生概率小。

3.2 地形适应性

轮式ROV的上部载体框架和下部悬架行驶机构通过差速机构连接，悬架结构和差速机构可使轮式ROV在不平路况行驶时，不断调整垂向载荷在各轮的分配，保证各驱动轮均有良好的接地性能，以提供最大的地面附着力，同时避免了单轮过载而发生的打滑失效。仿真过程及结果如图9所示。

图9中分别是越障、爬坡过程中轮式ROV前、中、后轮地面附着力的变化曲线。从图9可以看出，在垂直越障过程中，前、中、后轮地面附着力未发生急剧变化；爬坡时由于载荷后移，各轮垂直载荷增幅较大。各轮附着力均值保持在85 N以上，未出现悬空打滑驱动力不足的工况。

图9 越障过程前、中、后轮地面附着力曲线

4 结论

1) 设计了一种摇臂悬架式轮式ROV，对ROV本体和悬架结构的力学特性进行了分析和计算，并对通过性能进行了运动和动力学仿真。

2) 数学模型计算和动力学仿真的结果表明，新型轮式ROV在浅海复杂地形工况下具有较好的抗倾覆能力和抓地性能，摇臂式悬架结构能够有效提高地形适应能力。

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