壓力管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人的研制*

杜興吉，凌張偉，郭偉燦，繆存堅(jiān)

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州310020）

壓力管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人的研制*

杜興吉，凌張偉，郭偉燦，繆存堅(jiān)

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州310020）

針對(duì)工業(yè)壓力管道內(nèi)壁存在腐蝕、結(jié)垢等情況，會(huì)對(duì)壓力管道內(nèi)窺鏡檢測(cè)以及介質(zhì)流動(dòng)、熱量傳遞等存在不利影響的問題，在國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種全新的管道內(nèi)壁自動(dòng)打磨裝置，對(duì)管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了預(yù)緊力機(jī)構(gòu)、打磨機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該打磨機(jī)器人具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和彎管過彎性能，并能實(shí)現(xiàn)有效打磨，對(duì)保障壓力管道安全運(yùn)行具有重要意義。

壓力管道；內(nèi)壁；腐蝕；結(jié)垢；打磨；機(jī)器人

Abstract:The corrosion and scaling of the inner wall of the industrial pressure pipeline have adverse effects on the detection of the endoscope,the flow of medium and the heat transfer.On the basis of the research of pipeline robot at home and abroad，a new kind of pipeline inner wall automatic grinding device was proposed.The structure design of the grinding robot used for inner wall of pipeline was completed，the design scheme of preload mechanism,grinding mechanism,drive mechanism was proposed.The test results indicated that the polishing robot possesses good stability and bending performance,and can achieve effective grinding,which is of great significance to ensure the safe operation of the pressure pipeline.

Key words:pressure pipeline;inner wall;corrosion;scaling;grinding;robot

根據(jù)《特種設(shè)備安全法》及有關(guān)規(guī)定，在役壓力管道應(yīng)進(jìn)行定期檢驗(yàn)，通過宏觀檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等技術(shù)對(duì)壓力管道的整體情況以及管道存在的腐蝕、裂紋等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。隨著壓力管道使用時(shí)間的增加，管道輸送介質(zhì)不僅會(huì)腐蝕管道，而且容易在管道內(nèi)部生成沉積，對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生影響，威脅管道安全運(yùn)行。因此在壓力管道定期檢驗(yàn)期間，需要清除管道內(nèi)壁附著的介質(zhì)沉積物和較嚴(yán)重的鐵銹，以配合后續(xù)管道內(nèi)窺鏡檢測(cè)，并提升管道介質(zhì)流動(dòng)換熱性能。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種專門用于管道內(nèi)除銹的機(jī)器人，對(duì)于保障管道安全高效運(yùn)行具有重要意義。

1 管道內(nèi)除銹系統(tǒng)主要組成

1.1 總體方案與機(jī)械結(jié)構(gòu)

管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)包括：系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、打磨裝置、連接結(jié)構(gòu)以及控制電路。主要技術(shù)難點(diǎn)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效驅(qū)動(dòng)、整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的過彎性能、垂直管段的爬行性能以及打磨作業(yè)的有效性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮壓力管道的直徑和結(jié)構(gòu)。較小的管道直徑（如DN100-DN150系列）對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求，特別是對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的過彎性能要求較高。因此，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)先選擇直徑DN200以上的管道為研對(duì)象，首選廣泛使用的直徑為219 mm的管道，并適用于彎管段和垂直管段。由于管道具有轉(zhuǎn)彎較多、轉(zhuǎn)彎半徑較小的特點(diǎn)，因此，機(jī)器人機(jī)構(gòu)必然受電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和安裝尺寸等多因素的限制。該機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：

（1）在垂直管道中運(yùn)行時(shí)，要克服本體的重力和拖線與管道的摩擦阻力，需要有較大的承載能力。因此設(shè)計(jì)上采用多履帶傳送結(jié)構(gòu)，一方面履帶接觸面積大，容易產(chǎn)生較大的摩擦力；另一方面多履帶結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，便于通過垂直管段。

（2）需要有較好的彎管通過性，能夠通過一定曲率的彎曲管道。因此設(shè)計(jì)上采用多功能模塊，采用彈簧結(jié)構(gòu)連接。

（3）具有較好的柔性，有一定的管徑適應(yīng)能力，能夠越過焊縫、腐蝕等障礙物。因此在多履帶系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了彈簧結(jié)構(gòu)。

（4）打磨時(shí)力矩要足以克服打磨過程中的阻力。因此設(shè)計(jì)上采用結(jié)構(gòu)緊湊的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)打磨頭工作。

1.2 預(yù)緊力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

預(yù)緊力有以下兩方面作用。

團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)在其后續(xù)的發(fā)展中應(yīng)做到充分利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有民俗文化、農(nóng)耕文化以及歷史文化等文化資源，進(jìn)一步開展鄉(xiāng)村文化的挖掘與保護(hù)工作，開發(fā)獨(dú)具特色的鄉(xiāng)村旅游產(chǎn)品，提高游客在旅游中的積極性和參與性，增強(qiáng)鄉(xiāng)村旅游的吸引力。

（1）保證管道機(jī)器人有一定的越障能力。長(zhǎng)期使用的管道內(nèi)部由于介質(zhì)沉積、法蘭面以及管道焊縫余高等因素，管道內(nèi)壁情況并不理想，往往存在障礙物或者凸起的現(xiàn)象。因此，管道機(jī)器人在管道內(nèi)部爬行過程中，在碰到障礙物或者凸起的時(shí)候，應(yīng)該具有一定的彈性，以便越過障礙物或者凸起，避免被卡死。

（2）充足的預(yù)緊力保證機(jī)器人輸出穩(wěn)定的牽引力。管道機(jī)器人在管道內(nèi)部爬行過程中，必須要有足夠的、穩(wěn)定的牽引力，尤其是在垂直管道內(nèi)部，輸出的牽引力要足以克服機(jī)器人系統(tǒng)的本體質(zhì)量。充足的預(yù)緊力保證履帶緊貼在管道內(nèi)壁，足夠的正壓力產(chǎn)生的向上摩擦力才能克服機(jī)械本體的質(zhì)量，因此，充足的預(yù)緊力是管道機(jī)器人在管道內(nèi)部能夠運(yùn)動(dòng)的前提條件。

本機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力由彈簧提供，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物或者將機(jī)器人裝入管道過程中，可以沿著垂直于機(jī)器人軸向的方向滑動(dòng)，以提供預(yù)緊力。

1.3 打磨裝置的設(shè)計(jì)

打磨裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。打磨裝置的主要功能是完成對(duì)管道內(nèi)壁表面的打磨，既要保證能快速將其表面打磨干凈，又不能對(duì)其過度打磨。如果管道內(nèi)壁表面打磨不徹底，則會(huì)影響后續(xù)無損檢測(cè)的判斷；如果管道內(nèi)壁表面打磨過度，則會(huì)影響管道的總體強(qiáng)度。

圖1 打磨裝置結(jié)構(gòu)示意圖

鋼絲輪是除銹裝置中的重要部件，也是最主要的消耗品。它是在一圓柱外面套上一層橡膠層，尺寸相同，再在橡膠上均勻固定許多鋼絲針，這些鋼絲針末端彎曲，經(jīng)切削變得十分尖銳，并經(jīng)過熱處理，以提高硬度和強(qiáng)度，且鋼絲針有一定彈性。

鋼絲輪固定于電機(jī)軸上隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，緊貼鋼絲針前下方有一小擋塊，當(dāng)鋼絲針碰到擋塊后繼續(xù)隨電機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成鋼絲針彎曲內(nèi)陷、變短。然后鋼絲針頂部沿?fù)鯄K切線方向劃出，形成的回復(fù)力加之電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力。許多鋼絲針接二連三在表面刮去銹跡，移動(dòng)鋼絲輪，被清潔表面也隨之?dāng)U大。

為了延長(zhǎng)鋼絲輪的壽命，降低更換頻率，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的打磨試驗(yàn)，匯總了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，定制了特殊的鋼絲輪。這不但保證了裝置的耐用性，也使工作效率大大提高，并且該鋼絲輪方便更換。

打磨輪電機(jī)為直流24 V串激電動(dòng)機(jī)，功率200 W，轉(zhuǎn)速20 000 r/min，速度可調(diào)。打磨所用的鋼絲輪寬度為20 mm。

1.4 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置

管道機(jī)器人是在限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在彎曲管道里運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人要適應(yīng)不同截面形狀、不同直徑的管道。因此采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優(yōu)越的越障性能。

圖2 具備一定管徑適應(yīng)能力的管道機(jī)器人

3個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)模塊互成120°均布支撐在管道截面圓周方向，利用彈簧力使履帶驅(qū)動(dòng)模塊始終保持與管道內(nèi)表面接觸，便于機(jī)器人在管道內(nèi)自動(dòng)定心，具有較好的可靠性和互換性。通過調(diào)節(jié)3個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)模塊的速度（速度差），實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的彎道運(yùn)動(dòng)，很好的適應(yīng)了彎道、分岔等特殊的管內(nèi)環(huán)境。彈簧張緊機(jī)構(gòu)保證了機(jī)器人具有足夠的牽引力，可以在垂直管道中運(yùn)行。

由于驅(qū)動(dòng)裝置與其他裝置之間均采用彈簧連接，因而機(jī)器人能夠在有較大彎曲半徑的管道內(nèi)爬行，即可以檢測(cè)彎管內(nèi)表面質(zhì)量。

機(jī)器人行走速度15 m/min，除銹時(shí)工作速度5 m/min，并可以根據(jù)工作需要調(diào)整速度?？稍诠艿纼?nèi)沿反正兩個(gè)方向行走，速度均勻、可調(diào)。

機(jī)器人的傳動(dòng)裝置與一般機(jī)械的傳動(dòng)裝置的選用計(jì)算大致相同。但機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，要求消除傳動(dòng)間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。本研究采用鋁質(zhì)同步帶輪和氯丁橡膠的交叉雙面齒同步帶作為履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，有利于增加履帶與壁面的附著力和越障能力。

2 系統(tǒng)工作流程

使用時(shí)，將打磨系統(tǒng)單元安裝在驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前部，打磨裝置和機(jī)器人之間用彈簧連接，將打磨裝置放入管道一端入口，電纜及牽引繩子掛在機(jī)器人后部，接通電源，電纜的電源芯線為機(jī)器人提供電源，操作者通過控制器，遙控機(jī)器人前行、后退或停止，可以在液晶屏上監(jiān)視到管道內(nèi)的圖像，并開動(dòng)打磨系統(tǒng)進(jìn)行打磨清除作業(yè)。

機(jī)器人采用增力臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的管徑；采用微觀動(dòng)、靜密封技術(shù)，防止泄漏；密封防水，滿足能在液體壓力管道中穿行的要求；并可以將機(jī)器人移動(dòng)至管道需要打磨清掃的部位，啟動(dòng)打磨裝置進(jìn)行打磨清掃作業(yè)。

打磨裝置由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用特制的鋼絲輪，利用電機(jī)控制鋼絲輪旋轉(zhuǎn)并與管道內(nèi)壁有一定的過盈配合，可以有效除去管道內(nèi)的鐵銹和管內(nèi)沉積物。鋼絲輪采用曲絲（波紋絲）形式，曲絲環(huán)繞而成的鋼絲輪鋼絲更顯得密度高、結(jié)實(shí)、除銹回彈力度大，也適合有一定橢圓度的直管和彎頭的打磨。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)機(jī)器人的過彎、牽引力等性能，以及檢驗(yàn)打磨裝置的打磨效果，設(shè)計(jì)了帶有彎管和垂直管的直徑為219 mm的測(cè)試管道，如圖3所示。

圖3 測(cè)試管道裝置

測(cè)試表明，機(jī)器人、打磨裝置均能順利通過彎管，打磨裝置的打磨精度基本能達(dá)到預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種壓力管道內(nèi)壁打磨機(jī)器人，能對(duì)直徑219 mm的壓力管道內(nèi)壁進(jìn)行打磨清洗作業(yè)，去除沉積在管道內(nèi)部的雜質(zhì)，保證流體正常流動(dòng)，確保壓力管道定期檢驗(yàn)?zāi)軌蛘＿M(jìn)行。

該管道機(jī)器人能進(jìn)入人所不及、復(fù)雜多變的管道環(huán)境中，通過攜帶的打磨作業(yè)裝置完成管道的清掃、除銹等任務(wù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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Development of the Grinding Robot Used for Inner Wall of Pressure Pipeline

DU Xingji,LING Zhangwei,GUO Weican,MIAO Cunjian
（Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute,Hangzhou 310020,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.005

2017-04-06

編輯：張 歌

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目“壓力管道內(nèi)除銹及視頻檢測(cè)機(jī)器人研制”（項(xiàng)目編號(hào)2015（C33013））。

杜興吉（1968—），男，漢族，浙江東陽人，高級(jí)工程師，博士后，目前主要從事自動(dòng)化檢測(cè)、特種設(shè)備檢測(cè)機(jī)器人的研究工作。