放射性復(fù)雜管段檢查機(jī)器人的設(shè)計(jì)探析

熊樹欽，劉碩

（1.山東核電有限公司，山東 海陽 265100；2.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

1 概述

隨著近年來我國核能工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的涉核管道被投入使用，涉核管道內(nèi)狀態(tài)檢查需求越發(fā)強(qiáng)烈。

管道內(nèi)狀態(tài)檢測(cè)一般采用探測(cè)器如內(nèi)窺鏡、管道爬行機(jī)器人等檢查和記錄管道的劃痕、腐蝕等損傷情況；通過管道內(nèi)檢測(cè)可事先發(fā)現(xiàn)各種缺陷和損傷，了解各管段的損傷程度，可預(yù)防和有效減少事故并節(jié)約管道維修資金，是保證管道安全的重要措施。

由于管道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮空間與現(xiàn)場(chǎng)布局，因此部分管道存在多段彎管三通變徑等連續(xù)復(fù)雜情況，一般的內(nèi)窺鏡或爬行機(jī)器人很難檢查，通常只能采用流阻法或拆除可能存在異常管段的方法進(jìn)行檢查，成本較高且用時(shí)較長，因此，本文根據(jù)常見的幾種情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)探討開發(fā)專用爬行機(jī)器人的可行性。

2 結(jié)構(gòu)可行性分析

參考目前常見的管道爬行機(jī)器人可知，機(jī)器人目前主要采用兩種爬行方式，分別是通過磁力輪或履帶爬行的管道車與通過支撐力爬行的爬行機(jī)器人。

其中爬行車主要適用于大型、無大傾角爬行或垂直上升的管道，如部分城市的地下供水管、部分石油化工的供液、氣管等等，優(yōu)勢(shì)是爬行效率高，可通過減小車體大小而不受管道彎折半徑的限制等；對(duì)于存在垂直爬升的管道，因磁力吸附的可靠性無法保證，一般采用機(jī)體寬度等于管道直徑的爬行機(jī)器人，動(dòng)力足通過支撐力產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行爬行。

為滿足通過彎頭的要求，假設(shè)爬行機(jī)器人截面為長方形，通過彎頭的彎轉(zhuǎn)半徑為1D，彎轉(zhuǎn)角度90°，如圖1 所示。

圖1

當(dāng)通過彎頭的彎轉(zhuǎn)半徑為1.5D，彎轉(zhuǎn)角度90°，如圖2 所示。

圖2

綜上情況可知，彎頭的彎轉(zhuǎn)半徑越大，對(duì)于此類型爬行機(jī)器人的車體結(jié)構(gòu)限制越小，機(jī)器人越容易通過。

目前，常見的三通結(jié)構(gòu)一般為等徑三通，當(dāng)車體需要通過三通時(shí)，為防止車身單側(cè)懸空導(dǎo)致車體側(cè)翻喪失動(dòng)力，整體車長B 應(yīng)大于1D；因此如車體需通過彎轉(zhuǎn)半徑為1D 的彎頭，則伸縮性變化量較車體寬度A 變化量較大；考慮此狀態(tài)時(shí)，兩端4 個(gè)方向的動(dòng)力輪僅有1 個(gè)可提供動(dòng)力，因此負(fù)載難度較大。當(dāng)車體需通過彎轉(zhuǎn)半徑為1.5D 的彎頭時(shí)，車身長度滿足三通通過要求，且同時(shí)4 個(gè)方向動(dòng)力輪至少有2 個(gè)可提供動(dòng)力，在不需要存在較大伸縮性變化量作為前提的情況下，負(fù)載難度相較可通過1D 彎頭的車體下降50%，較為符合現(xiàn)實(shí)需要。

當(dāng)不考慮車身寬度A 存在變徑a 時(shí)，分析認(rèn)為，阻礙車體通過彎頭的主要原因?yàn)檐圀w中部車身過大，當(dāng)采用剛性結(jié)構(gòu)車體且動(dòng)力輪位于車體4 角時(shí)，如機(jī)器人正常爬行于管道中軸線上，中部車身體積對(duì)動(dòng)力輪的支撐無明顯影響；當(dāng)車體與管道中軸線存在角度時(shí)，可通過調(diào)整車體4 角動(dòng)力輪的速度進(jìn)行修正。

爬行機(jī)器人采用8 角驅(qū)動(dòng)中間收縮的雙傘形支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，通過90°1D 彎頭情況如圖3 所示。

圖3

為滿足動(dòng)力的基本要求車身兩端寬度為D，由圖可知，存在不需要變徑a 即可正常通過1D 彎頭的可能，但在通過管道中位后的下一個(gè)時(shí)刻時(shí)，依然只有一個(gè)動(dòng)力輪可提供動(dòng)力，因此不推薦采用。

參照GB12459-2017《鋼制對(duì)焊管件類型與參數(shù)》，當(dāng)管道為DN100 時(shí)，1D 彎頭實(shí)際彎轉(zhuǎn)半徑為102mm，與實(shí)際計(jì)算誤差在2mm 左右，且管道直徑越大，彎轉(zhuǎn)半徑與計(jì)算誤差越大；同時(shí)彎頭加工可能存在一定的工業(yè)誤差，因此爬行裝置自適應(yīng)伸縮性也是必要的。

綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖4 所示爬行機(jī)器人傘形切面結(jié)構(gòu)。

圖4

如圖4 所示，支撐桿和傳動(dòng)桿為剛性桿體長度不變，且傳動(dòng)桿長度根據(jù)所需檢查管道范圍變化，以保證動(dòng)力輪對(duì)管道壁的支撐力，進(jìn)而保證動(dòng)力輪的動(dòng)力，兩端通過轉(zhuǎn)軸連接至推力盤上；手輪與中部軀殼通過螺紋連接，并通過多根彈簧連接至移動(dòng)推力盤上；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，手輪通過彈簧的支撐力改變移動(dòng)推力盤位置，進(jìn)而改變支撐桿角度，改變支撐半徑L，從而主動(dòng)變徑提高爬行裝置的支撐力，進(jìn)而提升動(dòng)力輪動(dòng)力；在爬行機(jī)器人爬行的過程中管徑發(fā)生改變時(shí)，彈簧通過彈性形變改變移動(dòng)推力盤位置，進(jìn)而對(duì)支撐半徑L 進(jìn)行微調(diào)，從而達(dá)到自適應(yīng)管道變徑的目的，自適應(yīng)范圍由彈簧的可變形范圍而定。

由上可知，當(dāng)通過彎頭時(shí)，不同位置動(dòng)力輪存在轉(zhuǎn)速差，且當(dāng)不同動(dòng)力輪可單獨(dú)控制時(shí)，可通過調(diào)整動(dòng)力輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)器人爬行角度，從而保證機(jī)器人正常爬行于管道中軸線上，進(jìn)而保證負(fù)載不會(huì)集中在單一動(dòng)力輪上從而導(dǎo)致機(jī)器人整體動(dòng)力下降，因此設(shè)計(jì)如圖5 所示動(dòng)力輪結(jié)構(gòu)，每個(gè)動(dòng)力輪由單獨(dú)電機(jī)控制，可通過外部指令或內(nèi)部控制模塊改變各輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整。

圖5

3 基礎(chǔ)功能分析

3.1 定位功能

管道內(nèi)狀態(tài)檢查的核心是定性與定位，定性可通過在爬行機(jī)器人上安裝相機(jī)或攝像頭，通過爬行期間或爬行結(jié)束后人工圖像判斷來解決；定位精度由運(yùn)動(dòng)控制精度和計(jì)步精度2 部分共同決定。

爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制邏輯如圖6 所示。

圖6

信號(hào)部分由外部的控制端根據(jù)操作員的執(zhí)行發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，通過數(shù)據(jù)線纜傳輸至爬行機(jī)器人的控制模塊，控制模塊將運(yùn)動(dòng)信號(hào)編譯成多個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)送至各個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)動(dòng)力輪前進(jìn)，當(dāng)通過三通、彎頭等特殊工況時(shí)，可通過控制模塊改變動(dòng)力輪轉(zhuǎn)速進(jìn)而繼續(xù)前進(jìn)；前部2 個(gè)動(dòng)力輪上裝有齒輪脈沖發(fā)生器，將實(shí)際前進(jìn)的步數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)返回至控制模塊后傳輸回外部控制段，控制端根據(jù)情況人為控制。

因動(dòng)力輪可能存在打滑的問題，齒輪脈沖發(fā)生器脈沖可能根據(jù)管道內(nèi)情況不同存在一定的誤差，因此，為進(jìn)一步提升檢查精度，在爬行機(jī)器人后端線纜上加入距離坐標(biāo)標(biāo)記，因所需檢查管道在施工期間都有對(duì)應(yīng)的圖紙，且機(jī)器人在前進(jìn)過程中因線纜存在一定的阻力因此可認(rèn)為線纜為緊繃狀態(tài)，可根據(jù)圖紙結(jié)合線纜上的坐標(biāo)對(duì)爬行機(jī)器人位置進(jìn)行二次分析，驗(yàn)證位置的正確性。

3.2 放射性屏蔽

核工業(yè)管道的一大特殊性即管道內(nèi)可能存在一定的放射性，已知放射性主要對(duì)感光元件及部分電路元件有一定的影響，但及具體影響情況無明計(jì)算準(zhǔn)則，因此設(shè)計(jì)著手從時(shí)間防護(hù)與屏蔽防護(hù)兩方面降低放射性對(duì)爬行機(jī)器人的影響。

（1）時(shí)間防護(hù)。在保證檢查精度的前提下最大限度的提升機(jī)器人的爬行速度，進(jìn)而降低裝置在受放射性影響的時(shí)間，降低輻射造成裝置損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）屏蔽防護(hù)。裝置整體采用整體包裹的形式，將所有電路包裹在金屬外殼內(nèi)，且在電路板間空隙增加薄鉛板以降低輻射對(duì)其影響，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7 所示，在控制和圖像電路板被包裹在車身主體內(nèi)，連接線纜從兩邊連接，中間預(yù)留加裝鉛板位置。

圖7

3.3 防異物設(shè)計(jì)

核工業(yè)管道的另一大特殊性是管道防異物要求高，因此爬行機(jī)器人采用包裹式設(shè)計(jì)，所有結(jié)構(gòu)都被包裹至機(jī)器人中軸主體外殼中，以確保不會(huì)產(chǎn)生異物遺留在管道中；當(dāng)機(jī)器人失電后，可將整個(gè)機(jī)器人整體視為一個(gè)異物，通過人工拖動(dòng)后端線纜的方式將其拉出，為達(dá)到此效果設(shè)計(jì)了如圖8 所示防脫落結(jié)構(gòu)。

圖8

線纜端和車體采用螺紋連接的方式，通過定位銷與較長的螺紋降低端接脫落的風(fēng)險(xiǎn)；線纜端內(nèi)部存在2 個(gè)固定點(diǎn)，將線纜內(nèi)部的抗拉纖維固定至固定點(diǎn)，防止線纜拖拽導(dǎo)致數(shù)據(jù)線纜接觸不良風(fēng)險(xiǎn)的確保人工拖拽時(shí)強(qiáng)度。

4 功能測(cè)試

根據(jù)上文分析設(shè)計(jì)，加工了如圖9 所示爬行機(jī)器人。

圖9

為驗(yàn)證機(jī)器人滿足檢查基本要求，對(duì)機(jī)器人爬行及通過1.5D、三通的情況進(jìn)行了實(shí)體測(cè)試。

測(cè)試條件1：垂直3m 亞克力管測(cè)試；測(cè)試結(jié)果：可正常上升、自鎖、下降，爬升3 次平均用時(shí)48 秒。

測(cè)試條件2：通過1.5D 彎管測(cè)試；測(cè)試結(jié)果：可正常通過，通過時(shí)車體行進(jìn)速度較慢，耗時(shí)6 秒左右。

測(cè)試條件3：通過三通測(cè)試；試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)三通為水平垂直水平時(shí)，機(jī)器人沿水平方向前進(jìn)可正常通過，無卡頓。

當(dāng)三通為垂直水平垂直時(shí)，機(jī)器人在第一個(gè)動(dòng)力輪到達(dá)三通后車體傾斜，無法前進(jìn)，反轉(zhuǎn)動(dòng)力輪方向后可正常退出；結(jié)合實(shí)際情況分析認(rèn)為，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入三通后，分支通道方向的動(dòng)力輪失去支撐力，導(dǎo)致車體前端3 個(gè)動(dòng)力輪失去、降低摩擦力，導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)力不足；且因車體前端3 個(gè)動(dòng)力輪支撐力之和不等于0，導(dǎo)致機(jī)器人向分支方向傾斜，且下端動(dòng)力輪提供的轉(zhuǎn)向力不足，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器人卡住，無法前進(jìn)。

5 結(jié)語

綜合上述測(cè)試過程，認(rèn)為爬行機(jī)器人無法通過三通的原因主要是動(dòng)力不足與車體傾斜，因此需提供額外動(dòng)力與軸向修正力才能通過三通。經(jīng)二次調(diào)研，認(rèn)為當(dāng)采用多車體連接的多節(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過后節(jié)機(jī)器人提供推力以彌補(bǔ)動(dòng)力不足問題；多節(jié)結(jié)構(gòu)中連接選用軸向剛性非軸向彈性連接，在提供一定非軸向的修正力以降低車體傾斜問題，且非軸向的修正力不宜太強(qiáng)，否則，將導(dǎo)致多節(jié)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)長的剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)通過彎頭時(shí)如車體長度大于時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致車體無法通過彎頭。