随着流体介质能源的大规模管道输送及城市水气管网的铺设,管道运输越来越成为保障国民生产生活中的重要一环。城市管道运输多采用埋地形式,发生泄漏时作业空间狭小,难以及时封堵,因此,研发一种埋地管道泄漏自行式应急封堵装置对破损管道进行及时快速的处理处置非常重要。本文针对此类工况,设计了一款多体分布式应急封堵装置,该装置主体由两套对等的管道封堵器采用电磁铁模块连接而成。管道封堵器主要由牵引机器人、控制单元及封堵修复单元组成,各单元之间采用平行联轴器连接。牵引机器人采用电机驱动螺旋行走的驱动形式,变径系统采用弹簧伸缩式,封堵方式采用波纹气囊膨胀式。该装置各单元相对独立,可有效执行多种管道泄漏工况下的封堵修复作业。对整套装置进行弯管通过性分析,分别得出单体及多体弯管通过性参数方程,为多体分布式结构设计提供了理论基础。采用坐标转换方法对牵引机器人在直管及弯管中的运行机理进行分析,推导出螺旋驱动牵引机器人两种工况下的行走方程。得出牵引机器人在直管中行走时,行走速度只与电机转速及驱动轮偏转角有关,其速度与电机转速成正比,与驱动轮偏转角度正切值呈正比关系;牵引机器人在弯管中运行时,驱动轮在管道外侧时速度较大,管道内侧速度较小,各轮运行速度呈周期性变化。因此,牵引机器人过弯时,各轮需要实时调节偏转角度以适应速度变化。推导得出牵引力方程和越障方程,得出机器人在运行过程中,牵引力与驱动轮偏转角度的正弦值呈负相关,当系统爬坡或加大负载时可通过减小驱动轮角度增大牵引力;在越障过程中,可通过减小驱动轮偏转角度或降低电机主轴转速来提高越障能力。在对封堵气囊的研究过程中,对现有的气囊进行优化,设计出波纹气囊对泄漏管道进行紧急封堵,提高了气囊封堵的稳定性。在ADAMS软件中建立牵引机器人模型,对其牵引力、运行速度、越障稳定性、越障高度及弯管通过性进行仿真分析,验证理论计算的合理性。对封堵气囊接触面应力分布及修复气囊应变情况进行ANSYS仿真分析,验证了优化结构的合理性。最后,建立装置样机对驱动力、运行速度、运行稳定性、越障能力及弯管通过性进行实验验证,结果显示理论计算与仿真结果基本一致,实验样机达到设计要求。本文所设计研究的埋地管道泄漏自行式应急封堵装置将对该领域的设备研发提供重要的设计参考与理论依据。