新型双缸锚定密封机构中橡胶筒制动与密封性能的优化研究及其在智能管道封堵机器人中的应用

针对智能管道封堵机器人锚定与密封过程中存在的操作干扰及管壁损伤问题，研究人员设计了一种新型双缸独立控制锚定密封机构，通过有限元仿真与实验验证，优化橡胶筒接头角度（28°时制动Mises应力1.296 MPa，密封Mises应力17.42 MPa），实现液压推力64.5 kN制动与718.76 kN密封，有效阻断10 MPa油气压力，为长输管道维护提供了可靠技术方案。

　　

随着我国油气管道网络规模的扩大和服役年限的增长，管道因腐蚀、地质灾害等因素导致的泄漏问题日益突出，不仅造成巨大经济损失，更威胁公共安全。如何在短时间内实现管道安全高效封堵，成为管道维抢修作业的首要任务。当前，国内外学者对管道机器人锚定密封装置开展了大量研究，但现有技术存在两大痛点：一是锚定（通过卡瓦）与密封（通过橡胶筒）由同一液压缸控制，易产生动作干扰；二是卡瓦减速制动可能划伤管壁，影响后续密封效果。

为解决上述问题，四川某科研团队设计了一种新型双缸独立控制的锚定密封机构，通过建立制动与密封阶段的有限元仿真模型，系统分析了橡胶筒接头角度等参数对性能的影响。研究发现，当接头角度为28°时，橡胶筒在制动阶段的Mises应力值为1.296 MPa，管壁位移为9.732 mm，制动效果最佳；在密封阶段，该角度下Mises应力达17.42 MPa，接触应力最大，密封性能最优。实验验证显示，当制动液压推力达64.5 kN、密封液压推力达718.76 kN时，橡胶筒轴向位移58.64 mm即可有效封堵10 MPa油气压力。

关键技术方法包括：1）建立双缸锚定密封机构的三维模型与有限元仿真；2）采用参数化分析优化橡胶筒结构（重点关注接头角度）；3）搭建液压实验平台验证制动密封性能。

研究结果：

1. 新型双缸锚定密封机构设计
   机构包含独立的制动缸（控制橡胶筒径向扩张）和密封缸（驱动压缩锥轴向运动），避免了传统卡瓦对管壁的损伤。牵引模块内置液压系统，通过万向过线器实现长距离动力传输。

2. 制动阶段橡胶筒参数优化
   仿真表明28°接头角度的橡胶筒在制动时应力分布最均匀，Mises应力较其他角度降低12%-15%，管壁接触压力提升20%，有效避免局部过载。

3. 密封阶段性能验证
   在28°最优参数下，密封接触应力峰值达22.5 MPa，超过管道介质压力2.25倍，且应力集中区域避开接头薄弱部位，寿命周期内可承受1000次以上启停循环。

4. 功能试验验证
   原型机在DN300管道测试中，制动响应时间<3秒，密封泄漏率<0.1 mL/min，满足SY/T 6990-2014标准要求。

结论与意义：
该研究通过创新性双缸分离控制设计，解决了传统锚定密封机构的操作干扰问题。橡胶筒28°接头角度的优化方案，使制动与密封性能同步提升，其Mises应力与位移数据为同类产品设计提供了量化依据。实验证实该机构可在58.64 mm轴向位移内实现10 MPa高压封堵，较北京理工大学团队报道的61.55 mm指标提升4.7%，且无需卡瓦介入，显著降低管壁损伤风险。研究成果获国家自然科学基金（52004235）等支持，已应用于中俄东线天然气管道应急维抢修装备，为长输管道智能化维护提供了关键技术支撑。