CN100498037C - 三轴差动式管道爬行器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种三轴差动式管道爬行器，其特点是：它包括具有结构相同的三个差速器I、II、III，一分动器，结构相同的三个爬行轮随动机构，一预紧变径机构和一驱动机构，能够与之配套的诸多管道作业装置连接，沿管道内壁爬行作业，可根据自身姿态和管道环境状态实时调整各爬行轮的爬行速度，实现自适应调节，避免现有轮式管道道爬行器通过弯管或通过出现内部几何尺寸变化的管道时而产生的运动干涉现象，从而提高了传动效率和拖动能力，减小了输入功率及运动过程中传动副的摩擦与磨损；爬行轮由一个电机的驱动机构就能实现全主驱动；具有结构简单，驱动效率高，功率体积比小，成本低，使用寿命长，适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及行走机械，更具体地说，是一种三轴差动式管道爬行器，它能够与之配套的诸多管道作业装置连接，沿管道内壁爬行作业。
背景技术
现有的轮式管道爬行器，由于没有自适应功能，各爬行轮不能随管道内壁几何尺寸变化的环境状态而实时调整各爬行轮的爬行速度，因此，当这种轮式管道爬行器通过弯管或管道内壁几何尺寸变化位置时，就会产生运动干涉现象，从而产生寄生功率，这将会极大地降低轮式管道爬行器的传动效率和有效拖动力，并且会增加输入功率及运动过程中传动副的摩擦与磨损，降低了使用寿命，增加了维修量和费用；另外，由于管道内的空间有限，能源供给是爬行器长距离行走的瓶颈问题，现有的轮式管道爬行器的各爬行轮均采用各自电机驱动，各电机的速度由伺服控制器根据管道内传感器所获得的管况和爬行器作业姿态等信息经过计算给出，其不足之处是，结构复杂，成本高，且通过弯管或管道内壁几何尺寸变化位置的实时性和柔顺性仍然欠佳，并且由于多个电机占据了大部分管内的有限空间，这种爬行器不适于在中小管径的管道内使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：对现有技术进行改进，提供一种能够使各爬行轮根据自身姿态和管道环境状态实时调整各爬行轮的爬行速度，实现自适应调节，具有结构简单，驱动效率高，功率体积比小，成本低，使用寿命长，适用范围广的三轴差动式管道爬行器。
解决其技术问题所采用技术方案是：一种三轴差动式管道爬行器，其特征是：它包括具有结构相同的三个差速器I、II、III，一分动器，结构相同的三个爬行轮随动机构，一预紧变径机构和一驱动机构，
a.所述差速器的结构是：在支撑壳体58上装有差速器横轴6，在差速器横轴6上装有差速器第一锥齿轮1和第四锥齿轮4，在与差速器横轴6相交固连的差速器纵轴5上装有差速器第二锥齿轮2和差速器第三锥齿轮3，差速器第一锥齿轮1与差速器第二锥齿轮2、差速器第三锥齿轮3均啮合，并且差速器第四锥齿轮4同样与差速器第二锥齿轮2、差速器第三锥齿轮3均啮合，在差速器横轴6上还装有与差速器第一锥齿轮1固连的动力输入齿轮66；
b.所述分动器的结构是：在支撑壳体58上装有分动器横轴13，在分动器横轴13上固连有分动器第一锥齿轮10、装有分动器第三锥齿轮12，在分动器横轴13上装有分动器纵轴15，分动器纵轴15的两轴端固连在反馈支架9上，在分动器纵轴15上装有分动器第二锥齿轮11和分动器第四锥齿轮14，分动器第一锥齿轮10与分动器第二锥齿轮11、分动器第四锥齿轮14均啮合，并且分动器第三锥齿轮12同样与分动器第二锥齿轮11、分动器第四锥齿轮14均啮合，在分动器横轴13上装有分动器第一直齿轮73和分动器第三直齿轮8，在分动器横轴13上还固连有分动器第二直齿轮60，分动器第一直齿轮73与分动器第三锥齿轮12固连，分动器第三直齿轮8与反馈支架9固连，在支撑壳体58上装有分动器第一反馈轴69、分动器第二反馈轴70和分动器第三反馈轴65，分动器第一反馈轴69与差速器I的第四锥齿轮4固连，在分动器第一反馈轴69上固连的分动器第一反馈齿轮67与分动器第一直齿轮73啮合，分动器第二反馈轴70上固连的分动器第二反馈齿轮71与差速器II的第四锥齿轮4固连，分动器第二反馈齿轮71与分动器第二直齿轮60啮合，分动器第三反馈轴65与差速器III的第四锥齿轮4固连，在分动器第三反馈轴65上固连的分动器第三反馈齿轮62与在支撑壳体58上安装的惰轮63啮合，惰轮63与分动器第三直齿轮8啮合；
c.所述爬行轮随动机构的结构是：爬行轮随动机构主锥齿轮17固连在差速器横轴6上，在支撑壳体58上固定有前支座41，在前支座41上装有第一带轮轴32，在第一带轮轴32上固连有爬行轮随动机构从动锥齿轮31和第一带轮20，第一带轮轴32的两端装在前轮架22上，前轮架22通过前连接轴28与连接杆45的前端铰接，在前轮架22上端装有第二带轮轴23，在第二带轮轴23上固连有第二带轮25和第三带轮44，在第二带轮25和/或第三带轮44上固连有前爬行轮26，爬行轮随动机构主锥齿轮17与爬行轮随动机构从动锥齿轮31啮合，第一带轮20通过同步带21与第二带轮25连接，在支撑壳体58上固定有后支座43，在后支座43上铰接有后轮架33，后轮架33通过后连接轴39与连接杆45后端铰接，在后轮架33上端装有后带轮轴34，在后带轮轴34上固连有后带轮36，在后带轮36上固连有后爬行轮37，后带轮36通过同步带46与第三带轮44连接；
d.所述预紧变径机构的结构是：在支撑壳体58上固连有预紧丝杠套筒48，在预紧丝杠套筒48上套置张紧滑套51，在预紧丝杆套筒48内装有预紧丝杠47，张紧滑套51上固连的预紧螺母54与预紧丝杠47相配合，在张紧滑套51上设有连接滑套50，在张紧滑套51与连接滑套50之间装有预紧弹簧55，张紧滑套51前端固连有压紧螺母49，预紧弹簧55前端与压紧螺母49接触，其后端与连接滑套50接触，连接滑套50前端与三个均布的预紧支撑杆52下端铰接，三个均布的预紧支撑杆52上端分别与各自的三个爬行轮随动机构的第二带轮轴23铰接；
e.所述驱动机构的结构是，在支撑壳体58上固连有电机59，电机59的动力输入轴57上固连有动力输入齿轮18，在支撑壳体58上装有离合器72，离合器72的前端可与预紧变径机构的预紧丝杠47连接，离合器输入齿轮56与动力输入齿轮18啮合，离合器输出轴75后端固连有动力分配齿轮74，动力分配齿轮74均与差速器I、II、III的动力输入齿轮66啮合。离合器72最佳采用市售电磁离合器。
本发明的三轴差动式管道爬行器与现有轮式道爬行器相比，本发明能够根据自身姿态和管道环境状态实时调整各爬行轮的爬行速度，实现自适应调节，避免现有轮式道爬行器通过弯管或通过出现内部几何尺寸变化的管道时而产生的运动干涉现象，从而提高了传动效率和拖动能力，减小了输入功率及运动过程中传动副的摩擦与磨损；预紧变径机构可以适应一定范围内的变径；爬行轮随动机构由一个电机的驱动机构就能实现全主驱动；具有结构简单，驱动效率高，功率体积比小，成本低，使用寿命长，适用范围广等优点。
附图说明
图1是三轴差动式管道爬行器结构主视示意图(图2中A-A剖视示意图)；
图2是图1的左视示意图；
图3是图2中B-B剖面示意图；
图4是图1中C-C剖面示意图；
图5是图1中D-D剖面示意图。
图中：1-差速器第一锥齿轮，2-差速器第二锥齿轮，3-差速器第三锥齿轮，4-差速器第四锥齿轮，5-差速器纵轴，6-差速器横轴，8-分动器第三直齿轮，9-反馈支架，10-分动器第一锥齿轮，11-分动器第二锥齿轮，12-分动器第三锥齿轮，13-分动器横轴，14-分动器第四锥齿轮，15-分动器纵轴，17-爬行轮随动机构主锥齿轮，18-动力输入齿轮，20-第一带轮，21-同步带，22-前轮架，23-第二带轮轴，25-第二带轮，26-前爬行轮，28-前连接轴，29前连接架，30后连接架，31-爬行轮随动机构从动锥齿轮，32-第一带轮轴，33-后轮架，34-后带轮轴，36-后带轮，37-后爬行轮，39-后连接轴，41-前支座，43-后支座，44-第三带轮，45-连接杆，46-同步带，47-预紧丝杠，48-预紧丝杠套筒，49-压紧螺母，50-连接滑套，51-张紧滑套，52-预紧支撑杆，54-预紧螺母，55-预紧弹簧，56-离合器输入齿轮，57-动力输入轴，58-支撑壳体，59-电机，60-分动器第二直齿轮，62-分动器第三反馈齿轮，63-惰轮，65-分动器第三反馈轴，66-动力输入齿轮，67-分动器第一反馈齿轮，69-分动器第一反馈轴，70分动器第二反馈轴，71-分动器第二反馈齿轮，72-离合器，73-分动器第一直齿轮，74-动力分配齿轮，75-离合器输出轴。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1～3，三轴差动式管道爬行器具有结构相同的三个差速器I、II、III。所述差速器的结构是：在支撑壳体58上装有差速器横轴6，在差速器横轴6上装有差速器第一锥齿轮1和第四锥齿轮4，在与差速器横轴6相交固连的差速器纵轴5上装有差速器第二锥齿轮2和差速器第三锥齿轮3，差速器第一锥齿轮1与差速器第二锥齿轮2、差速器第三锥齿轮3均啮合，并且差速器第四锥齿轮4同样与差速器第二锥齿轮2、差速器第三锥齿轮3均啮合，在差速器横轴6上还装有与差速器第一锥齿轮1固连的动力输入齿轮66。设有一分动器，所述分动器的结构是：在支撑壳体58上装有分动器横轴13，在分动器横轴13上固连有分动器第一锥齿轮10、装有分动器第三锥齿轮12，在分动器横轴13上装有分动器纵轴15，分动器纵轴15的两轴端固连在反馈支架9上，在分动器纵轴15上装有分动器第二锥齿轮11和分动器第四锥齿轮14，分动器第一锥齿轮10与分动器第二锥齿轮11、分动器第四锥齿轮14均啮合，并且分动器第三锥齿轮12同样与分动器第二锥齿轮11、分动器第四锥齿轮14均啮合，在分动器横轴13上装有分动器第一直齿轮73和分动器第三直齿轮8，在分动器横轴13上还固连有分动器第二直齿轮60，分动器第一直齿轮73与分动器第三锥齿轮12固连，分动器第三直齿轮8与反馈支架9固连，在支撑壳体58上装有分动器第一反馈轴69、分动器第二反馈轴70和分动器第三反馈轴65，分动器第一反馈轴69与差速器I的第四锥齿轮4固连，在分动器第一反馈轴69上固连的分动器第一反馈齿轮67与分动器第一直齿轮73啮合，分动器第二反馈轴70上固连的分动器第二反馈齿轮71与差速器II的第四锥齿轮4固连，分动器第二反馈齿轮71与分动器第二直齿轮60啮合，分动器第三反馈轴65与差速器III的第四锥齿轮4固连，在分动器第三反馈轴65上固连的分动器第三反馈齿轮62与在支撑壳体58上安装的惰轮63啮合，惰轮63与分动器第三直齿轮8啮合。
参照图1～5，设有结构相同的三个爬行轮随动机构，所述爬行轮随动机构的结构是：爬行轮随动机构主锥齿轮17固连在差速器横轴6上，在支撑壳体58上固定有前支座41，在前支座41上装有第一带轮轴32，在第一带轮轴32上固连有爬行轮随动机构从动锥齿轮31和第一带轮20，第一带轮轴32的两端装在前轮架22上，前轮架22通过前连接轴28与连接杆45的前端铰接，在前轮架22上端装有第二带轮轴23，在第二带轮轴23上固连有第二带轮25和第三带轮44，在第二带轮25和/或第三带轮44上固连有前爬行轮26，爬行轮随动机构主锥齿轮17与爬行轮随动机构从动锥齿轮31啮合，第一带轮20通过同步带21与第二带轮25连接，在支撑壳体58上固定有后支座43，在后支座43上铰接有后轮架33，后轮架33通过后连接轴39与连接杆45后端铰接，在后轮架33上端装有后带轮轴34，在后带轮轴34上固连有后带轮36，在后带轮36上固连有后爬行轮37，后带轮36通过同步带46与第三带轮44连接。
参照图1～3，设有一预紧变径机构，所述预紧变径机构的结构是：在支撑壳体58上固连有预紧丝杠套筒48，在预紧丝杠套筒48上套置张紧滑套51，在预紧丝杆套筒48内装有预紧丝杠47，张紧滑套51上固连的预紧螺母54与预紧丝杠47相配合，在张紧滑套51上设有连接滑套50，在张紧滑套51与连接滑套50之间装有预紧弹簧55，张紧滑套51前端固连有压紧螺母49，预紧弹簧55前端与压紧螺母49接触，其后端与连接滑套50接触，连接滑套50前端与三个均布的预紧支撑杆52下端铰接，三个均布的预紧支撑杆52上端分别与各自的三个爬行轮随动机构的第二带轮轴23铰接。
参照图1～3，设有一驱动机构，所述驱动机构的结构是，在支撑壳体58上固连有电机59，电机59的动力输入轴57上固连有动力输入齿轮18，在支撑壳体58上装有离合器72，离合器72的前端可与预紧变径机构的预紧丝杠47连接，离合器输入齿轮56与动力输入齿轮18啮合，离合器输出轴75后端固连有动力分配齿轮74，动力分配齿轮74均与差速器I、II、III的动力输入齿轮66啮合。离合器72最佳采用市售电磁离合器。
本发明的三轴差动式管道爬行器的工作过程为：
参照图1～5，当三轴差动式管道爬行器在直管道内爬行时，分动器不动作，驱动机构的电机59带动动力输入轴57上固连的动力输入齿轮18，动力输入齿轮18带动离合器输入齿轮56，离合器输入齿轮56带动离合器输出轴75，离合器输出轴75带动动力分配齿轮74，动力分配齿轮74带动差速器I、II、III的动力输入齿轮66，差速器I、II、III的动力输入齿轮66带动差速器I、II、III的横轴6，差速器I、II、III的横轴6分别带动三个爬行轮随动机构各自的主锥齿轮17，主锥齿轮17带动从动锥齿轮31，从动锥齿轮31带动第一带轮轴32，第一带轮轴32带动第一带轮20，第一带轮20通过同步带21带动第二带轮25、第二带轮轴23和前爬行轮26转动，带轮轴23带动第三带轮44，第三带轮44通过同步带46带动后带轮36、带动轴34和后爬行轮37转动。从而实现三轴差动式管道爬行器沿直管道爬行作业。
当三轴差动式管道爬行器过弯道时，差速器I的第四锥齿轮4带动分动器第一反馈轴69，分动器第一反馈轴69带动分动器第一反馈齿轮67，分动器第一反馈齿轮67带动分动器第一直齿轮73转动；差速器II的第四锥齿轮4带动分动器第二反馈齿轮71，分动器第二反馈齿轮71带动分动器第二直齿轮60转动；差速器III的第四锥齿轮4带动分动器第三反馈轴65，分动器第三反馈轴65带动分动器第三反馈齿轮62，分动器第三反馈齿轮62带动惰轮63，惰轮63带动分动器第三直齿轮8转动。使三轴差动式管道爬行器根据自身姿态和管道环境调节各爬行轮的驱动速度。
当三轴差动式管道爬行器在内径发生变化的管道上爬行时，驱动机构的离合器72将动力传递给预紧变径机构的预紧丝杠47，预紧丝杠47带动预紧螺母54移动，预紧螺母54带动张紧滑套51移动，当张紧滑套51向后移动时，张紧滑套51带动压紧螺母49，压紧螺母49向后压缩预紧弹簧55，预紧弹簧55向后推压连接滑套50，连接滑套50使预紧支撑杆52径向外伸，从而适应管道内径由小变大的需要；当张紧滑套51向前移动时，张紧滑套51向前推压连接滑套50，连接滑套50作用预紧支撑杆52径向内伸，从而适应管道内径由大变小的需要。
本发明的三轴差动式管道爬行器可通过支撑壳体58前、后端固连的前、后连接架29、30与诸如管道内壁喷涂防腐层的喷涂器、管道清淤装置等多种管道作业装置连接，沿管道内壁爬行作业。
本发明的三轴差动式管道爬行器的样机，经在管道内试运行获得成功，能够适应直管、弯管及内径发生变化管道的爬行作业，实现了本发明的目的和效果。
Claims (1)
1.一种三轴差动式管道爬行器，其特征是：它包括具有结构相同的三个差速器I、II、III，一分动器，结构相同的三个爬行轮随动机构，一预紧变径机构和一驱动机构，
a.所述差速器的结构是：在支撑壳体(58)上装有差速器横轴(6)，在差速器横轴(6)上装有差速器第一锥齿轮(1)和第四锥齿轮(4)，在与差速器横轴(6)相交固连的差速器纵轴(5)上装有差速器第二锥齿轮(2)和差速器第三锥齿轮(3)，差速器第一锥齿轮(1)与差速器第二锥齿轮(2)、差速器第三锥齿轮(3)均啮合，并且差速器第四锥齿轮(4)同样与差速器第二锥齿轮(2)、差速器第三锥齿轮(3)均啮合，在差速器横轴(6)上还装有与差速器第一锥齿轮(1)固连的动力输入齿轮(66)；
b.所述分动器的结构是：在支撑壳体(58)上装有分动器横轴(13)，在分动器横轴(13)上固连有分动器第一锥齿轮(10)、装有分动器第三锥齿轮(12)，在分动器横轴(13)上装有分动器纵轴(15)，分动器纵轴(15)的两轴端固连在反馈支架(9)上，在分动器纵轴(15)上装有分动器第二锥齿轮(11)和分动器第四锥齿轮(14)，分动器第一锥齿轮(10)与分动器第二锥齿轮(11)、分动器第四锥齿轮(14)均啮合，并且分动器第三锥齿轮(12)同样与分动器第二锥齿轮(11)、分动器第四锥齿轮(14)均啮合，在分动器横轴(13)上装有分动器第一直齿轮(73)和分动器第三直齿轮(8)，在分动器横轴(13)上还固连有分动器第二直齿轮(60)，分动器第一直齿轮(73)与分动器第三锥齿轮(12)固连，分动器第三直齿轮(8)与反馈支架(9)固连，在支撑壳体(58)上装有分动器第一反馈轴(69)、分动器第二反馈轴(70)和分动器第三反馈轴(65)，分动器第一反馈轴(69)与差速器I的第四锥齿轮(4)固连，在分动器第一反馈轴(69)上固连的分动器第一反馈齿轮(67)与分动器第一直齿轮(73)啮合，分动器第二反馈轴(70)上固连的分动器第二反馈齿轮(71)与差速器II的第四锥齿轮(4)固连，分动器第二反馈齿轮(71)与分动器第二直齿轮(60)啮合，分动器第三反馈轴(65)与差速器III的第四锥齿轮(4)固连，在分动器第三反馈轴(65)上固连的分动器第三反馈齿轮(62)与在支撑壳体(58)上安装的惰轮(63)啮合，惰轮(63)与分动器第三直齿轮(8)啮合；
c.所述爬行轮随动机构的结构是：爬行轮随动机构主锥齿轮(17)固连在差速器横轴(6)上，在支撑壳体(58)上固定有前支座(41)，在前支座(41)上装有第一带轮轴(32)，在第一带轮轴(32)上固连有爬行轮随动机构从动锥齿轮(31)和第一带轮(20)，第一带轮轴(32)的两端装在前轮架(22)上，前轮架(22)通过前连接轴(28)与连接杆(45)的前端铰接，在前轮架(22)上端装有第二带轮轴(23)，在第二带轮轴(23)上固连有第二带轮(25)和第三带轮(44)，在第二带轮(25)和/或第三带轮(44)上固连有前爬行轮(26)，爬行轮随动机构主锥齿轮(17)与爬行轮随动机构从动锥齿轮(31)啮合，第一带轮(20)通过同步带(21)与第二带轮(25)连接，在支撑壳体(58)上固定有后支座(43)，在后支座(43)上铰接有后轮架(33)，后轮架(33)通过后连接轴(39)与连接杆(45)后端铰接，在后轮架(33)上端装有后带轮轴(34)，在后带轮轴(34)上固连有后带轮(36)，在后带轮(36)上固连有后爬行轮(37)，后带轮(36)通过同步带(46)与第三带轮(44)连接；
d.所述预紧变径机构的结构是：在支撑壳体(58)上固连有预紧丝杠套筒(48)，在预紧丝杠套筒(48)上套置张紧滑套(51)，在预紧丝杆套筒(48)内装有预紧丝杠(47)，张紧滑套(51)上固连的预紧螺母(54)与预紧丝杠(47)相配合，在张紧滑套(51)上设有连接滑套(50)，在张紧滑套(51)与连接滑套(50)之间装有预紧弹簧(55)，张紧滑套(51)前端固连有压紧螺母(49)，预紧弹簧(55)前端与压紧螺母(49)接触，其后端与连接滑套(50)接触，连接滑套(50)前端与三个均布的预紧支撑杆(52)下端铰接，三个均布的预紧支撑杆(52)上端分别与各自的三个爬行轮随动机构的第二带轮轴(23)铰接；
e.所述驱动机构的结构是，在支撑壳体(58)上固连有电机(59)，电机(59)的动力输入轴(57)上固连有动力输入齿轮(18)，在支撑壳体(58)上装有离合器(72)，离合器(72)的前端可与预紧变径机构的预紧丝杠(47)连接，离合器输入齿轮(56)与动力输入齿轮(18)啮合，离合器输出轴(75)后端固连有动力分配齿轮(74)，动力分配齿轮(74)均与差速器I、II、III的动力输入齿轮(66)啮合。
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