管道檢測機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計*

□ 石紅梅 □ 侯 偉

1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與信息工程學(xué)院 陜西咸陽 712000 2.咸陽市特種設(shè)備檢驗所 陜西咸陽 712000

1 設(shè)計背景

在核工業(yè)、石油天然氣、供熱等領(lǐng)域,管道作為一種有效的物料輸送工具得到廣泛應(yīng)用。為了延長管道的使用壽命,防止泄漏等事故發(fā)生,可以使用管道檢測機器人。管道檢測機器人能夠滿足高效、準(zhǔn)確的故障診斷、檢測、維修需求,可以應(yīng)用于管道探傷、補口、維修、焊接等諸多領(lǐng)域。在火電廠,煙氣管道數(shù)量多,隨著老機組服役時間的延長和新裝機組參數(shù)的提高,煙氣管道的安全經(jīng)濟運行和維護面臨許多問題[1-2]。傳統(tǒng)管道檢測依靠人工實施,工作量大,效率低,并且有些管道所處位置依靠人工無法到達,也就不能進行檢測。針對電廠煙氣管道在長時間煙氣腐蝕下造成的凹坑、凸起缺陷,以及管徑變化造成的臺階、溝槽等[3],筆者設(shè)計管道檢測機器人的結(jié)構(gòu),得到對管徑有適應(yīng)能力的履帶腿式機器人,可以對管道內(nèi)部的常見缺陷進行檢測,還可以對管道內(nèi)沉積的灰塵進行清掃。這一管道檢測機器人的特點是移動速度快、轉(zhuǎn)彎比較方便、牽引力較大、粗糙路面適應(yīng)性好、越障能力強,可以輔助工作人員對電廠煙氣管道進行常規(guī)檢測、維護、清潔等,由此節(jié)省部分人工成本。

2 整體結(jié)構(gòu)

對于直徑為400～600 mm,存在彎曲形式的電廠煙氣管道,要求管道檢測機器人具有一定的拐彎能力和越障能力。筆者設(shè)計的管道檢測機器人能夠進行中短距離工作,可以在工作過程中暫停,通過圖像識別系統(tǒng)將管道內(nèi)的缺陷實時反饋給工作人員,以便判別管道內(nèi)的缺陷類別,并及時進行處理,避免事故發(fā)生。通過在履帶上加裝吸塵器,可以將管道內(nèi)沉積的殘留灰塵清掃干凈,節(jié)省管道清理成本,提高工作效率。管道檢測機器人主要由行走機構(gòu)、變徑機構(gòu)、驅(qū)動裝置、供能裝置、信號采集裝置、清掃裝置等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 管道檢測機器人整體結(jié)構(gòu)

3 行走機構(gòu)

管道檢測機器人在管道中需要實現(xiàn)移動、越障、清掃等操作,移動方式的合理選擇至關(guān)重要。傳統(tǒng)機器人的行走機構(gòu)有活塞移動式、滾輪移動式、履帶移動式、足腿移動式、蠕動移動式、螺旋移動式等[4],各有不同的優(yōu)缺點。筆者設(shè)計的管道檢測機器人行走機構(gòu)為可伸縮履帶腿式,三個履帶以120°夾角分布。行走機構(gòu)如圖2所示,特點是移動速度快、轉(zhuǎn)彎比較方便、牽引力較大、粗糙路面適應(yīng)性好、越障能力強,同時對變徑管道有較好的自適應(yīng)性。

▲圖2 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)主要由120°夾角分布的三個履帶構(gòu)成,履帶內(nèi)包括帶輪、大小錐齒輪、直齒輪、軸等部件,拆去履帶后的行走機構(gòu)本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖3 行走機構(gòu)本體結(jié)構(gòu)

同步帶傳動具有良好的彈性,傳動平穩(wěn),噪聲小,結(jié)構(gòu)簡單,制造和維護較為方便,價格低廉,承載能力大,適用于兩軸中心距較大的傳動,由此在行走機構(gòu)中采用同步帶傳動。由于外形尺寸的限制,電機內(nèi)置于行走機構(gòu)本體結(jié)構(gòu)中。錐齒輪用于換向,直齒輪用于驅(qū)動帶輪,實現(xiàn)管道檢測機器人的移動和越障功能。

4 變徑機構(gòu)

管徑存在變化,因此管道檢測機器人需要變徑機構(gòu)來適應(yīng)管徑的變化。筆者設(shè)計的管道檢測機器人變徑機構(gòu)簡圖如圖4所示,采用滾珠絲杠螺母副和放大桿組來實現(xiàn)變徑,完全展開和完全合攏的直徑范圍為300～700 mm。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時,絲杠螺母在絲杠上左右移動,拉動撐開桿。撐開桿鉸接在放大桿組上,改變放大桿組的傾角,可以適應(yīng)管徑的變化。

▲圖4 變徑機構(gòu)簡圖

5 驅(qū)動裝置

伺服電機是一種控制機械機構(gòu)運轉(zhuǎn)的發(fā)動機,可以將電壓信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,以精確控制速度和位置,廣泛用作機器人的驅(qū)動裝置[5]。筆者設(shè)計的管道檢測機器人驅(qū)動裝置主要采用伺服電機,通過三個伺服電機驅(qū)動行走機構(gòu)的三個履帶構(gòu)成。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制。通過單片機編寫程序,當(dāng)有電壓信號輸入時,信號采集裝置立刻作出反應(yīng),將電壓信號轉(zhuǎn)換為速度或位移,改變伺服電機的運行速度,控制行走機構(gòu)的移動速度。當(dāng)管道檢測機器人通過管道中的彎曲部位時,因為管道具有弧度,所以三個履帶對應(yīng)的伺服電機速度不同步,靠近彎曲內(nèi)徑位置的履帶對應(yīng)的伺服電機速度減小,遠離彎曲內(nèi)徑位置的履帶對應(yīng)的伺服電機速度增大,由此保證管道檢測機器人平穩(wěn)通過彎道。當(dāng)管道檢測機器人通過管道內(nèi)凹坑、凸起等缺陷時,伺服電機適當(dāng)調(diào)整運行速度,保證管道檢測機器人平穩(wěn)通過管道,并通過信號采集裝置將缺陷位置及缺陷形式準(zhǔn)確反饋給工作人員。

6 供能裝置

管道檢測機器人的能源供給方式主要有有纜方式和無纜方式兩種[6]。無纜方式主要為攜帶蓄電池或燃油發(fā)電機組,這勢必會增大管道檢測機器人的體積和質(zhì)量。因動力受限,管道檢測機器人的行走距離也會受到限制,不適合在長距離管道內(nèi)行走。另一方面,因金屬管壁的電磁屏蔽作用,會導(dǎo)致管道檢測機器人的定位、越障、通信能力,以及管徑自適應(yīng)性等大大降低,使管道檢測機器人因故障卡在管道內(nèi)部的事故頻繁發(fā)生,給管道檢測工作帶來困難[7]。

筆者設(shè)計的管道檢測機器人選擇有纜方式實現(xiàn)能源共給,供能裝置包括管理服務(wù)器、測控主機、測控分機、執(zhí)行機構(gòu)等,如圖5所示。管理服務(wù)器與測控主機位于管道外,通過通用串行總線接口進行通信。測控分機位于管道檢測機器人上,接收命令,通過執(zhí)行機構(gòu)控制管道檢測機器人運動。線纜用于連接測控主機與測控分機,內(nèi)部包含電源線和通信信號線。

▲圖5 管道檢測機器人供能裝置

7 信號采集裝置

筆者設(shè)計的管道檢測機器人采用攝像頭與各種傳感器相結(jié)合的檢測方式,構(gòu)成信號采集裝置。管道檢測機器人在管道內(nèi)行走時,利用攜帶的攝像機對管壁和管道內(nèi)部進行實時拍攝,使用圖像識別技術(shù)對拍攝的圖片進行識別分析,并將分析結(jié)果實時傳回操作端的顯示屏。由于管道內(nèi)部光線偏暗,為了提高測量精度和圖片拍攝清晰度,在攝像機的正面添加特殊光學(xué)元件。當(dāng)管道中的積灰、污物較多時,攝像頭的圖片拍攝效果大打折扣,此時可以通過管道檢測機器人上的溫度、壓力、濕度等傳感器來檢測管道內(nèi)的情況。檢測人員基于所采集的信息,操作管道檢測機器人對管道內(nèi)部的積灰、污物等進行處理,并判別管道的缺陷類型,以采取相應(yīng)的維護措施。

8 清掃裝置

電廠煙氣管道內(nèi)部的雜物一般以灰塵為主,工程上常采用高流速壓縮空氣進行吹掃,但依然會有一些殘留,并長期沉積在管道內(nèi)部,影響管道的性能和壽命。對此,設(shè)計管道檢測機器人在履帶上安裝清掃裝置——小型吸塵器。當(dāng)管道檢測機器人在管道內(nèi)部行走時,小型吸塵器就像掃地機器人一樣將管道內(nèi)殘留的灰塵清掃干凈。

9 結(jié)束語

近年來,管道檢測機器人開始應(yīng)用于石油、電力、化工、供熱等領(lǐng)域。筆者設(shè)計的管道檢測機器人結(jié)構(gòu)由行走機構(gòu)、變徑機構(gòu)、驅(qū)動裝置、供能裝置、信號采集裝置、清掃裝置組成,整體結(jié)構(gòu)緊湊,功能齊全,可應(yīng)用于電廠煙氣管道及常規(guī)管道的基礎(chǔ)檢測,具有一定的應(yīng)用前景。