海洋平臺(tái)導(dǎo)管清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肖瓊，熊其興，謝忠華

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

海洋平臺(tái)是現(xiàn)代海洋石油開采的重要裝備，其導(dǎo)管架長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水下，附著大量的海生物，對(duì)鉆采平臺(tái)安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。目前主要依賴潛水員攜帶高壓水射流設(shè)備潛入海底對(duì)其進(jìn)行清洗，勞動(dòng)強(qiáng)度大、清洗成本高、效率低且受天氣影響大。故針對(duì)目前海洋平臺(tái)清洗作業(yè)的局限，開發(fā)一種可代替人工清洗的水下導(dǎo)管清洗機(jī)器人，在提高清洗工作效率的同時(shí)節(jié)約成本，具有安全、可靠和效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下管道清洗機(jī)器人包括機(jī)器人本體、行走部件、旋轉(zhuǎn)裝置和清洗裝置四大部件?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。機(jī)器人本體是整個(gè)機(jī)器人的基座，起到安裝其他部件、吊裝等作用。行走部件主要由上下兩個(gè)夾持器和兩組升降機(jī)構(gòu)組成，夾持器使機(jī)器人與導(dǎo)管穩(wěn)固夾持，在升降機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，機(jī)器人在導(dǎo)管上能爬行上升、下降。旋轉(zhuǎn)裝置包括導(dǎo)軌板組件和導(dǎo)向輪組件，導(dǎo)軌板組件與機(jī)器人本體相連，導(dǎo)向輪組件與高壓清洗頭相連，帶動(dòng)高壓清洗頭繞導(dǎo)管作360°往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。清洗裝置的高壓清洗頭，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下靠近或遠(yuǎn)離待洗導(dǎo)管，避免高壓清洗頭碰觸損壞。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人本體

機(jī)器人本體為鋼架結(jié)構(gòu)，鏤空的結(jié)構(gòu)減少了機(jī)器人在水中的阻力，同時(shí)節(jié)省了材料、降低了成本。鋼架結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，沿機(jī)器人本體的腹腔中心線設(shè)有容納導(dǎo)管的工作區(qū)，工作區(qū)的中心線與導(dǎo)管的中心線重合，使得機(jī)器人平穩(wěn)的沿導(dǎo)管表面行走。機(jī)器人本體的上方架設(shè)有圍繞導(dǎo)管的環(huán)形軌道，軌道上設(shè)有可沿軌道滑動(dòng)的滑片，滑片設(shè)有用于與高壓清洗頭相連的清洗管的環(huán)圈，滑片可帶動(dòng)清洗管繞機(jī)器人本體移動(dòng)。機(jī)器人本體的上方設(shè)有吊耳，用于連接吊裝機(jī)器人本體進(jìn)出水，下部具有間隔設(shè)置的若干連接片，用于與旋轉(zhuǎn)裝置連接。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意

2.2 行走部件

行走部件主要由上下兩個(gè)夾持器和兩組升降機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。上下兩夾持器安裝于機(jī)器人本體朝向工作區(qū)的一側(cè)內(nèi)壁上，夾持器的夾持中心與導(dǎo)管中心線重合，下夾持器與機(jī)器人本體固接，上夾持器與機(jī)器人本體通過升降機(jī)構(gòu)相連，升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上夾持器沿機(jī)器人本體內(nèi)壁升降。在進(jìn)行導(dǎo)管表面清洗作業(yè)時(shí)，下夾持器夾緊導(dǎo)管，升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上夾持器上升一定距離后，換成上夾持器夾緊導(dǎo)管、下夾持器松開導(dǎo)管，升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人本體上移一定距離后，下夾持器再夾緊導(dǎo)管，如此往復(fù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在導(dǎo)管上爬行上升，反之亦可以爬行下降。

圖2 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

升降機(jī)構(gòu)包括滑軌、滑塊和升降油缸，兩滑軌設(shè)于機(jī)器人本體上相對(duì)位置處構(gòu)成機(jī)器人本體的一部分，滑軌朝向工作區(qū)的一側(cè)設(shè)有導(dǎo)向槽，滑塊部分位于滑軌內(nèi)，可沿軌道滑動(dòng)，升降油缸位于滑軌內(nèi)部，其伸縮方向沿滑軌的長(zhǎng)度方向延伸，且伸縮端與滑塊相連，驅(qū)動(dòng)滑塊相對(duì)滑軌升降，滑塊上設(shè)有用于固定夾持器的固定板。

夾持器本體呈半弧形，且其朝向管體的一側(cè)為弧形面，在工作狀態(tài)時(shí)，該弧形面環(huán)抱于導(dǎo)管的表面，夾持器本體的另一側(cè)設(shè)有一對(duì)固定耳座，兩固定耳座沿夾持器本體的中心線對(duì)稱設(shè)置，且該固定耳座連接油缸的固定端。夾持器本體的上下兩側(cè)設(shè)有橡膠塊，橡膠塊位于弧形面的上下延伸面內(nèi)，在工作狀態(tài)時(shí)，橡膠塊緊密貼合與導(dǎo)管的表面，增大夾持器本體與導(dǎo)管之間的摩擦力，輔助穩(wěn)固夾持。夾持臂的中部通過轉(zhuǎn)軸與夾持器本體的鉸接耳座鉸接，夾持臂包括夾持端和連接端，連接端連接油缸的伸縮端，夾持臂隨油缸的活塞桿伸縮而轉(zhuǎn)動(dòng)，兩夾持臂的夾持端和夾持器本體的弧形面共圓，共同夾緊抱箍導(dǎo)管的表面。夾持端設(shè)有橡膠滾輪，其軸線與導(dǎo)管的軸線平行，增大夾持器本體與導(dǎo)管之間的摩擦力，保證穩(wěn)固夾持。

2.3 旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)裝置由導(dǎo)軌板組件和導(dǎo)向輪組件組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1A放大視圖所示。導(dǎo)軌板組件包括環(huán)狀的第一導(dǎo)軌片、第二導(dǎo)軌片、齒輪片和第三導(dǎo)軌片，它們外徑相同，從上至下依次間隔設(shè)置，通過若干沿圓周方向間隔設(shè)置的螺栓連接，其間形成的圓筒狀空間與工作區(qū)貫穿，第一導(dǎo)軌片與機(jī)器人本體的連接片相連。導(dǎo)向輪組件的固定板位于導(dǎo)軌組件的下方，固定板的一側(cè)面板上設(shè)有連接桿和液壓馬達(dá)，連接桿上設(shè)有兩導(dǎo)向輪，且導(dǎo)向輪分別與第二導(dǎo)軌片和第三導(dǎo)軌片轉(zhuǎn)接，液壓馬達(dá)的輸出端設(shè)有與齒輪片嚙合的齒輪，固定板的另一側(cè)面板與高壓清洗頭相連。液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪沿與齒輪片嚙合的軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)向輪沿第二導(dǎo)軌片和第三導(dǎo)軌片轉(zhuǎn)動(dòng)，固定板整體轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與其相連的高壓清洗頭轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)管的表面360°環(huán)繞清洗。在高壓清洗頭移動(dòng)的過程中，與高壓清洗頭相連的清洗管被拖動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人本體上方的滑片沿軌道滑動(dòng)，防止清洗管扭轉(zhuǎn)打結(jié)，避免了管道憋壓爆開的情況發(fā)生。

2.4 清洗裝置

清洗裝置由高壓清洗頭、安裝基座、安裝板、液壓缸、導(dǎo)向槽、馬達(dá)、聯(lián)軸器、活塞桿和清洗罩等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。高壓清洗頭的殼體包括圓筒狀套管、前端蓋和后端蓋，前端蓋和后端蓋分別封裝與套管的前后端成一體，前端蓋、后端蓋和套管沿軸線開設(shè)有貫通的容納腔，套管中部設(shè)置有垂直于套管軸線的第一水流通道，套管內(nèi)壁位于第一水流通道處設(shè)有一圈環(huán)形凹槽。旋轉(zhuǎn)軸靠近前端蓋和后端蓋處均套設(shè)有壓蓋，壓蓋的一側(cè)設(shè)有軸承，軸承連接旋轉(zhuǎn)軸和套管，旋轉(zhuǎn)軸與套管的內(nèi)腔之間設(shè)置有密封組件，包括位于壓蓋旁側(cè)的直角密封環(huán)和O型密封圈，壓力越高，密封效果越好，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密封的效果。旋轉(zhuǎn)軸沿軸線開設(shè)有第二水流通道，且旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)形凹槽相對(duì)位置處也設(shè)置有若干腰型沉槽，腰型沉槽與環(huán)形沉槽對(duì)接形成聯(lián)通第一水流通道和第二水流通道的環(huán)形通道。旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)噴頭本體旋轉(zhuǎn)，噴頭本體內(nèi)設(shè)有與第二水流通道聯(lián)通的第三水流通道。

安裝基座位于機(jī)器人本體下方，且與旋轉(zhuǎn)裝置的固定板的另一側(cè)面板相連，安裝基座上設(shè)有導(dǎo)向槽。安裝板包括位于導(dǎo)向槽內(nèi)的上安裝板、鋼棒、下安裝板和連接板，上安裝板與下安裝板通過鋼棒相對(duì)固定連接，連接板包括一水平板和兩豎板。該水平板通過螺栓與安裝板固定連接，兩豎板相對(duì)平行設(shè)置，分別與水平板固定連接，高壓清洗頭安裝于連接板上。液壓缸與上安裝板固定連接，液壓缸的活塞桿與安裝基座固定連接，液壓缸驅(qū)動(dòng)上安裝板在導(dǎo)向槽內(nèi)相對(duì)安裝基座滑動(dòng)，帶動(dòng)與連接板相連的高壓清洗頭做靠近或遠(yuǎn)離導(dǎo)管的徑向運(yùn)動(dòng)，可以防止高壓清洗頭碰觸導(dǎo)管表面碰觸損壞。馬達(dá)安裝于連接板的其中一豎板上，且馬達(dá)位于靠近液壓缸一側(cè)的下方，馬達(dá)的輸出端設(shè)有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器位于連接板的兩豎板之間且與豎板垂直。清洗罩安裝于連接板的另一豎板，高壓清洗頭總成于清洗罩內(nèi)。

圖3 清洗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

水下導(dǎo)管清洗機(jī)器人可沿導(dǎo)管表面上下爬行，在爬行的同時(shí)通過清洗噴頭噴出的高壓水清洗導(dǎo)管表面，代替人工進(jìn)行水下清洗作業(yè)，效率高且成本低。旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)清洗噴頭繞導(dǎo)管表面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)一邊旋轉(zhuǎn)一邊清洗，實(shí)現(xiàn)360°無死角清洗導(dǎo)管表面，清洗清潔度高。水下導(dǎo)管清洗機(jī)器人可應(yīng)用在海洋鉆采平臺(tái)導(dǎo)管架清洗、大型橋梁桁架、風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔身等空間桁架機(jī)構(gòu)清洗，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。