Введение. Трубопроводный транспорт Российской Федерации является важной стратегической частью энергетического комплекса, так на трубопроводах тепловых сетей более 90 % аварий приходится на коррозионные повреждения. За 2020 г. число аварий, приходящихся на одну тысячу километров трубопроводов тепловых сетей, составило 25 случаев, а суммарное количество аварий за весь период составило более 4400 случаев, при этом из них более 200 аварий поспособствовали отключению подачи теплоносителя около 1800 тыс. человек, серьезно пострадало 11 человек, погибло 7 человек [1]. На нефтегазоперерабатывающих предприятиях, а также нефте-газохранилищах проявляется высокая опасность возникновения аварийных ситуаций, с возможными выбросами нефти и нефтепродуктов в окружающую среду [2], так наиболее крупные аварии происходят в результате порывов трубопроводов, где 32 % от общего числа инцидентов и аварий нефтегазоперерабатывающей отрасли приходится на технологические трубопроводы.  Основными факторами, которые способствуют разгерметизации технологических трубопроводов является коррозионные повреждения, трещины коррозионного растрескивания под напряжением, которые были вызваны накопительным эффектом в процессе изготовления или монтажных работ трубопровода, потеря геометрии трубопровода, температурные деформации, некачественное выполнение сварных швов, включая наличие дефектов. Для контроля трубопроводов неразрушающим методом используют проталкиваемые или автоматизированные системы, первые ограничены дальностью действия до 50 м. Автоматизированные робототехнические системы для внутритрубной диагностики позволяют выявлять дефекты на ранних стадиях их развития, предотвращая большое количество аварий и вредных выбросов в окружающую среду, а также уменьшение вреда здоровью жизни людей. В настоящее время используются различные автоматизированные робототехнические системы, которые перемещаются внутри трубопровода с наличием транспортируемой среды или за счёт собственных приводных механизмов. Однако существенным недостатком первых является необходимость наличия специальных устройств для монтажа и демонтажа из внутритрубной поверхности, что обосновывается высокими технико-финансовыми затратами на вновь строящихся или действующих трубопроводах. Автоматизированные робототехнические системы, осуществляемые движение за счёт собственных движителей, имеют различные конструкции: ползающие, шагающие, по типу 4-х колёсной тележки, опорно-нажимные, которые могут перемещаться по участкам различной геометрии трубопроводов. При этом внутритрубный робототехнический комплекс (ВРК), разработанный авторами в работе [3], позволяет осуществлять контроль как прямолинейных, так и участков с наличием сложной геометрии, к ним относятся наклонные, вертикальные участки, участки с наличием отводов.  В настоящее время важной проблемой таких устройств является отсутствие методов и методик создания автоматизированных робототехнических устройств, которые позволили бы выстроить корректную последовательность этапов проектирования робототехнического устройство для диагностики трубопроводов с последующими опытно-экспериментальными результатами, подтверждающими применимость разработанной методики. Так в работе [4] представлена структурная схема сканера-дефектоскопа, состоящая из множества блоков, в [5] приводится конструкция шагающего робота, но отсутствуют методики её построения, в работах [6–9] предлагаются структуры конструкций робототехнических устройств для движения по некоторым участкам сложной геометрии, однако отсутствуют методы их построения и экспериментальные результаты исследований, подтверждающие их работоспособность. В зарубежных исследованиях [10–13] рассматриваются конструкции для движения в трубопроводах различной пространственной геометрии с использованием CAD, CAE систем, в работах [14–17] приводятся результаты механического расчёта и управления робототехническими устройствами. В представленных работах отсутствуют описание методов их построения, а также разработанные конструкции не позволяют сделать вывод об эффективности их использования. Следовательно, целью исследования является разработка методики построения ВРК с подтверждением её применимости, для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: разработать основные этапы построения конструкции ВРК, определить основные геометрические параметры конструкции, создать модель конструкции ВРК с использованием автоматизированных систем проектирования, разработать опытно-экспериментальный образец конструкции и провести его испытания на участках сложной геометрии; объектом исследования: разработанная конструкция ВРК; предметом исследования: методы, алгоритмы, трёхмерные модели построения ВРК для диагностики трубопроводов сложной геометрии.Материалы и методы. При проведении исследований использовался стандартизованный участок сложной геометрии – отвод 180-219х5-09Г2С ГОСТ 17375-2001, вертикальный участок с УПДТ 300 мм согласно ГОСТ 10704-91. Эти трубопроводы представляют наиболее опасные участки, что невозможно продиагностировать существующими робототехническими устройствами. Сложность диагностирования отвода обеспечена наличием нескольких поворотов в 90°, вертикального участка – углом подъёма.Исследование осуществлялось поэтапно. На первом этапе разрабатывалась функциональная модель методики построения ВРК с использованием методов системного анализа и управления, на втором этапе производилось определение основных геометрических параметров разрабатываемой конструкции с использованием методов теоретической механики, на третьем этапе выполнялось моделирование конструкции ВРК и её движение на участке сложной геометрии с использованием автоматизированных систем CAD и CAE, четвёртый этап предусматривал экспериментальное исследование движения конструкции на участках сложной геометрии. Основная часть. Робототехнические устройства для внутритрубной диагностики являются сложными техническими системами, которые представляют результат синергетического объединения элементов механики, электротехники, компьютерных и электронных компонентов. Технические параметры внутритрубного робототехнического устройства для диагностики трубопроводов сложной геометрии ограничены размерами трубопроводов, в которых он будет осуществлять свою деятельность, параметрами транспортируемой среды, окружающими условиями эксплуатации, а также техническими возможностями самого устройства, например, глубиной диагностирования или возможностью движения по вертикальным участкам или участкам с наличием отводов. Поэтому важно соблюдать строгую последовательность этапов построения внутритрубного робототехнического комплекса ввиду того, что приводные или электронные компоненты могут геометрически не совпадать с возможными параметрами устройства. Зачастую методы построения машин и механизмов включают в себя следующие этапы: появление необходимости общества в создании машины, создание технического задания, анализ существующих изделий, разработку структурных схем и эскизного проекта с последующим выполнением механических расчётов, разработкой чертежей устройства, изготовление опытного образца и выполнение испытаний, оценка корректности работы устройства и доработка для выхода в серийное производство. К основным этапам построения внутритрубного робототехнического комплекса следует отнести:Разработку технического задания, которое включает в себя все необходимые параметры условий работы устройства, такие как рабочий диапазон условных проходных диаметров, радиус отводов, угол отводов, угол наклонных участков, наименование транспортируемой среды.Создание проекта механической конструкции ВРК, где наиболее важным этапом является выявление геометрических параметров, которые позволяют оценить рабочий объём для монтажа приводных и электронных компонентов. На данном этапе определяется тип приводных элементов, их мощность, крутящий момент и максимальная скорость, а также разрабатывается трёхмерная модель устройства и выполняется прочностной анализ методом конечных элементов в автоматизированном расчётном комплексе, с последующим созданием пояснительной записки и чертежей. Изготовление механической конструкции ВРК, определяются технологии изготовления компонентов, основными технологиями являются механическая обработка резания материалов, а также производство методом аддитивных технологий.Разработку систем управления и энергообеспечения ВРК; производится выбор управляющего контроллера, драйверов управления приводными компонентами, исходя из выбранных элементов, определяют датчики технического контроля и электрокомпоненты, рассчитывается система питания и выбирают тип питающего элемента, разрабатывается программное обеспечение для управления робототехническим устройством, производят синтез пояснительной записки, которая включает описание всех ранее выполненных этапов. Монтаж систем управления, энергообеспечения, технического контроля в конструкцию; приобретают покупные изделия согласно пояснительной записке по разработке системы управления и энергообеспечения, а также технического задания. Выполняют монтаж покупных изделий в механическую конструкцию ВРК, а также производят наладку данных компонентов.Разработку и изготовление испытательного стенда; выполняется разработка и изготовление стенда из трубопроводов, необходимой пространственной геометрии, диаметра, наличием участков сложной геометрии, типа транспортируемой среды и материала трубопровода, которые определяются из условий технического заданияПроведение испытаний внутритрубного робототехнического комплекса, заключительный этап построения ВРК, на котором производится монтаж устройства во внутритрубное пространства испытательного стенда, с дальнейшим контролем технических параметров устройства и оценкой корректности работы разработанного ВРК.Описанная последовательность этапов построения ВРК была сформулирована в виде логико-информационной модели организационно-технологических процедур построения внутритрубного робототехнического комплекса в соответствии с концепцией IDEF0, диаграмма верхнего уровня представлена на рисунке 1, декомпозиция диаграммы на рисунке 2, где основными государственными стандартами являются ГОСТ 2.119-2013, ГОСТ 25751-83, ГОСТ 25762-83, ГОСТ 56542-2019, а расчётные зависимости используются в алгоритмах для определения геометрических параметров конструкции и приводных компонентов ВРК, пример работы, алгоритмы определения геометрических размеров представлен на рисунке 3.  Рис. 1. Диаграмма верхнего уровня логико-информационной модели построения ВРК  Рис. 2. Декомпозиция диаграммы верхнего уровня логико-информационной модели А0  Геометрическую длину Li  ВРК возможно определить несколькими расчётными зависимостями, учитывая при этом ширину H, расчётные зависимости L1  и L2  являются классическим представлением цилиндра в центре отвода, расчётная зависимость L3  представляет конусно-цилиндрическую форму, которая также позволяет перемещаться в широком диапазоне условных проходных диаметров (УПДТ) D-2,5D, в отличие от классических схем с УПДТ D-1,75D, где структурная схема отображения конструкции ВРК на участке сложной геометрии представлена на рисунке 4, которая позволяет выполнить моделирование конструкции.  L1= 2×4×R×D-H+D2-H2,  H £  0,675D L2= (8×R×D+D2-8×R×H+4×D×H-4×H2),  H £ 0,8D L3= R-D2×p2+R+D2×p22+Lk3, Hmax £ 0,86D, Hmin= 0,6D,   где D – диаметр трубопровода, R – радиус отвода трубопровода, Lk  – расстояние между точками опоры переднего и заднего несущего основания.  Рис. 3. Алгоритм определения геометрических размеров ВРКРис. 4. ВРК в центре отвода. 1 – стандартный отвод 900, радиус поворота 1,5D; 2 – прямолинейный участок;3 – ВРК; D – УПДТ; R – радиус поворота; k1, k2, k3, k4 – точки касания стенок внутритрубной поверхности;L – габаритная длина ВРК, Lк – габаритная длина между осями колёс  При этом для L3  корпус конструкции ВРК представляет конусно-цилиндрическую форму, которая описывается следующими соотношениями, получены конструктивно: H0L3=0, l0L3=0; H1L3=n1, l1L3=f1; H2L3=n2, l2L3=f2; H3L3=n3, l3L3=f3; H4L3=n4, l4L3=f4; H5L3 =n5,  L5 L3= f5 ; H6L3=0, l6L3=1,    где Hi  – ширина участка корпуса, li - геометрическая длина расположения заданной ширины участка корпуса от базовой плоскости построения, ni , fi  – конструктивные коэффициенты, определяемые путём моделирования. Результаты расчёта возможных геометрических параметров представлены в таблице 1. Таблица 1Результаты расчёта геометрических параметров ВРК № расчётнойзависимостиДлина, мШирина, мРабочий объём, м310,5430,120,003920,4800,120,005430,5550,12 - 0,1720,00753 Основываясь на структурной схеме движения ВРК, моделирование рассматривается с разработки модели сборочной единицы приводной опорной ноги, которой должна соответствовать сложная геометрическая форма, повторяющей скругления геометрии отвода для того, чтобы конструкция ВРК могла преодолевать участки сложной геометрии, включая стандартизованный отвод 90-1800 с условным проходным диаметром 200 мм (рис. 5). Каждая деталь разрабатывается индивидуально, с использованием вспомогательной геометрии – плоскостей, где формируются необходимые эскизы будущих деталей, что в последующем выдавливаются или вырезаются с использованием твердотельного моделирования, завершающим этапом построения большинства деталей является выполнение фасок или скруглений поверхностей. Рис. 5. Модель корпусных элементов приводной опорной ноги ВРКПодобная геометрическая форма приводной опорной ноги позволяет, в свою очередь, перемещаться ВРК по всем требуемым участкам трубопроводов, она включает в себя корпусные элементы, что соединяются крепёжными винтами и тем самым образуют жёсткую конструкцию. Использование нескольких корпусов позволяет добиться максимального пространства для расположения внутренних рабочих компонентов, где расположен привод для преобразования электрической энергии в механическую вращения колёсного движителя, что установлен на валу, имеющем опоры в виде подшипниковых узлов (рис. 6). Геометрические размеры конструкции опорной ноги должны соответствовать расчётным параметрам конструкции ВРК.  Рис. 6. Расположение компонентов во внутренней полости приводной опорной ноги: 1 – корпус приводной опорной ноги; 2 – движитель колёсного типа с валом; 3 – подшипниковые узлы;4 – механизм передачи вращения;5 – устройство преобразования электрическойэнергии в механическую (вращения) Последующим шагом является построение сборочной единицы неприводной опорной ноги, которая также имеет криволинейно-изогнутую форму для движения на участках сложной геометрии и для контакта с внутритрубной поверхностью в широком диапазоне УПДТ (рис. 7), модель сборочной единицы включает рычаг, который выполнен единой деталью, на конце рычага располагается несколько колёсных движителей, установленных с использованием подшипниковых узлов.  Рис. 7. Нога неприводная опорная с колёснымдвижителем:1 – рычаг неприводной опорной ноги; 2 – колёсный движительНесущее основание модели ВРК, на котором располагаются опорные ноги и остальные корпусные элементы, должно соответствовать предъявляемым геометрическим и техническим требованиям, обладать криволинейным профилем в виде конусно-цилиндрической формы, иметь высокую несущую способность для выполнения поставленных задач ввиду того, что опорные ноги воспринимают высокие статические и динамические нагрузки, которые приводят к образованию высоких напряжений и перемещений. В ходе дальнейшего моделирования ВРК разработано несущее основание конструкции и системы  рычагов, что представляют из себя детали, выполненные единым твердотельным моделированием, системы  рычагов предназначены движения опорных ног в диаметральной плоскости и поддержания пространственного положения ВРК во внутритрубном пространстве (рис. 8). Рис. 8. Модель конструкции ВРК: 1 – несущее основание конструкции ВРК;2 – нога приводная опорная;3 – нога неприводная опорная; 4 – система рычагов пространственного положения приводных ног;5 – система  рычагов пространственного положения неприводных ног; 6 – ось с подшипниковым узлом;7 – упор жёсткости Из приведённого результата моделирования конструкции ВРК видно, что на несущем основании располагаются модели сборочных единиц трёх приводных опорных ног и трёх неприводных опорных ног, на каждой из которых установлена единица или пара колёсных движителей, каждая опорная нога связана при помощи системы рычагов с осью ВРК,  для придания жёсткости несущему основанию используется специальный упор повышения конструкционной жёсткости. В ходе дальнейшего моделирования выполняется создание твердотельных корпусных элементов, где располагаются рабочие органы робототехнического устройства, пример создания данных корпусных элементов отображён в ходе моделирования раскрытия опорных ног ВРК для УПДТ 200-500 мм (рис. 9) и его перемещение на участке сложной геометрии, с наличием двух последовательно соединённых отводов 90° (рис. 10). Моделирование движения конструкции на участке состоит из нескольких последовательных этапов, представлены основные результаты моделирования пространственного положения конструкции, когда угол между торцевой частью первого отвода и конструкций ВРК составляет 70 и 45°, происходит изменение траектории движения несущего основания, которое начинает вращаться вокруг центра радиуса отвода, приводные колёсные движители находятся в криволинейном участке, которые имеют различное давление со стороны стенки трубопровода тогда, когда как неприводные колёсные движители ещё имеют контакт с прямолинейным участком. В ходе дальнейшего результата движения угол между конструкцией ВРК и торцевой частью второго отвода изменяется 70 и 250, конструкция ВРК начинает выезжать из первого отвода и перемещается в начало прямолинейного участка, пространственное положение конструкции ВРК также изменяется вокруг центра радиуса отвода. Рис. 9. ВРК в трубопроводе с УПДТ 200–500 мм:1 – корпус МК; 2 – нога приводная опорная с колсёным движителем; 3 – нога неприводная опорная с колёсным движителем; 4 – отсек корпуса; 5 – задняя крышка; 6 – передняя крышкаРис. 10. Перемещение ВРК на участке сложной геометрииМоделирование конструкции ВРК методом конечных элементов выполняется с целью решения задачи статического исследования напряжённо-деформированного состояния ввиду обоснования необходимой прочности конструкций путём разбиения отдельных элементов конструкции ВРК на сборочные единицы и детали, с последующим нагружением. Так выполнен расчёт неприводной опорной ноги при расчётной нагрузке Fрас = 160 Н (рис. 11), расчётная нагрузка ‒  Fрас = 1,25×Fраб, где Fраб – это рабочая нагрузка, Fраб = 128 Н  для элементов системы, которые воспринимают нагрузки от сжатия, заданный материал Д16Т с пределом текучести sт = 96,5 МПа. Закрепление сборочной единицы осуществляется в местах крепления опор, в шарнирных соединениях, нагрузка прикладывается к колёсным движителям. В результате максимальное расчётное перемещение составило sрас = 70,5 МПа, что является допустимым.Рис. 11. Эпюра НДС опорной неприводной ноги, при Fрас. 1 – область фиксации; 2 – вектор прикладываемой нагрузки  Результирующие перемещения конструкции неприводной опорной ноги находятся в интервале допускаемых Dрас = 1,782 мм (рис. 12), минимальный коэффициент запаса прочности составил FOS = 1,369 (рис. 13). Рис. 12. Эпюра перемещений неприводной опорной ноги, при Fрас Рис. 13. Эпюра запаса прочности неприводной опорной ноги, при FрасСогласно функциональному блоку А1 декомпозиции диаграммы верхнего уровня А0, была разработана трёхмерная модель ВРК (рис. 14 (а)) для перемещения в трубопроводах с условным проходным диаметром 200–500 мм, радиусом поворота 1,5D, угол поворота 90–180°, конструкция которой представлена и имеет геометрическую длину 478 мм, которая принята конструктивно из допустимой расчётной геометрической длины, а ширину в самом узком месте конструкции 116 мм, форма корпуса ВРК имеет геометрическую форму отвода,  общая тяговая мощность приводных компонентов составляет 700 Н. Выполнение функциональных блока А2-А4 позволило определить и установить управляющий контроллер на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi и Arduino Nano, электрокомпоненты, элементы системы питания с выходной мощностью 288 Вт и датчиками технического контроля в виде визуально-измерительного контроля, разработать опытно-экспериментальный образец (рис. 14 (б)).    (а) (б)Рис. 14. (а) Трёхмерная модель ВРК; (б) опытный образец ВРК  Опытно-экспериментальные исследования подтвердили возможность движения конструкции ВРК в УПДТ 200-500 мм (рис. 15), а также перемещение по вертикальному участку трубы с УПДТ 300 мм, который является участком сложной геометрии (рис. 16).  Рис. 15. Движение конструкции ВРК в УПДТ 200-500 мм  Рис. 16. Движение конструкции ВРК по вертикальному участкуРезультаты исследования ВРК на испытательном стенде, содержащем два последовательно соединённых отвода 90°, развёрнутых в противоположные стороны с переходом в линейную часть, подтвердили возможность движения разработанного опытного образца, что успешно перемещается внутри испытательного стенда (рис. 17), без контакта корпусных элементов со стенкой трубопровода, застопоривание конструкции не было зафиксировано. Средняя скорость устройства составляла 2,5–5 м/мин, максимальное потребление тока приводных компонентов составило не более 0,2 А, напряжение в системе питания является стабильным 12,6 В. Рис. 17. Перемещение экспериментального образца ВРК на испытательном стенде  Заключение. Использование автоматизированных робототехнических систем позволяет снизить количество аварий на трубопроводном транспорте, которые зачастую приводят к человеческим жертвам, загрязнению окружающей среды, высоким финансово-временным издержкам, в сравнении с ручными методами диагностирования. Для проектирования и создания подобных устройств отсутствовали методики или алгоритмы, которые позволили бы выполнять в полном объёме все этапы проектирования. Разработанная методика, включая алгоритмы, позволяет выполнить построение внутритрубного робототехнического комплекса для диагностики трубопроводов сложной геометрии, что отражают результаты опытно-экспериментального исследования движения ВРК. Представлены результаты геометрического анализа, где параметры конструкции с конусно-цилиндрической формой габаритными величинами L3=555 мм, Hmax=172  мм, Hmin=116 мм   позволяют достичь рабочий объём для расположения элементов на 39% выше (в зависимости от минимально заданной ширины), в сравнении со стандартными цилиндрическими формами корпуса. Представлен метод построения трёхмерной модели конструкции ВРК с использованием автоматизированной системы проектирования, выполнено моделирование и опытно-экспериментальное движение конструкции в различных УПДТ и на участке сложной геометрии с углом поворота 90° и 180°, радиусом поворота 1,5D и УПДТ 200 мм, выполнен расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкции опорной неприводной опорной ноги, который подтвердил возможность применения разработанной конструкции с коэффициентом запаса прочности 1,369. Опытно-экспериментальные исследования подтверждают достоверность полученных результатов моделирования конструкции ВРК, в результате чего были получены акты о проведении испытаний ВРК, что доказывают эффективность предложенной методики построения конструкции.