CN1022346C - 内部作业设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内部作业设备，该设备可对水管、煤气管和电缆管等内部进行清洗，研磨、切削等作业。该设备包括一个工作装置，该工作装置具有可在柱状壁面上进行给定作业的工作机具，一个驱动机构，该机构可以使上述工作机具沿柱状壁面做圆周运动，一个切削控制机构，当驱动机构使工作装置沿柱状壁面做径向运动时，该切削控制机构对上述径向运动的位移量进行控制。

Description

本发明涉及一种内部作业设备，该设备可对埋入地下的上下水管、煤气管道、电缆管道等的内部，隧道等的内部，钢管内部或由钢锭等形成的柱状表面进行清洗，研磨、切削等作业。

目前，人们将具有各种直径的混凝土管、钢管、陶制管等埋入地下作为地下水管、煤气管、电缆管使用。另外，在土木工程的施工现场还采用钢管桩、钢管板桩等。

按照上面所述，就需要进行包括维护、修理、改进、取出等项目的施工。也就需要提供在管道内部进行相应施工目的的作业。因此，也就需要提供与施工目的相应的各种管道的内部作业设备。

对于污水管道等所要进行的作业，包括去除从管道连接点插入到其内部的树根或类似物，去除粘附在管道内部的泥土、沙及锈等。另外，对于钢管桩、钢板桩等的施工，包括将钢管撤出时的切割作业。

最近人们又开发了一种用于修复部分损坏或腐蚀的污水管道的方法。在该施工方法中，沿修复部分的轴向，在其两端加工具有给定深度的槽，并以该槽为基点放置塑性衬垫。

用于完成上述施工作业的设备通常是所谓的单功能的，该设备相应的功能是一定的。根据相应的作业目的，工作机具有钢丝刷、铣刀、端铣刀等，该机具借助油缸或类似装置的作用，沿管道的径向运动。 另外，上述设备制成以其轴心为中心，沿园周方向转动的形式也是常见的。

例如，在管道区段的修复过程中，利用端铣刀对管内壁进行开槽作业时，端铣刀就要根据管的内径及要开槽的深度进行径向运动。但是，准确控制注入油缸的油量，使油缸活塞停止在行程的中间是一项困难的技术工作，这样一来，开槽的深度就很难把握。令人担心的是，在放置塑性衬垫时会产生障碍。

针对上述情况，人们便希望研究出一种具有复合功能，可准确给出机具沿管道径向位移量的作业设备。

本发明的主要目的在于提供一种可在管的内部进行多种作业的内部作业设备。

本发明的另一目的在于提供一种能准确给出机具沿管道径向位移量的设备。

为了达到上述目的，本发明的内部作业设备包括一个工作装置，该工作装置具有可在柱状壁面上进行给定作业的工作机具，一个驱动机构，该机构可以使上述工作机具沿柱状壁面的园周方向运动，一个切削控制机构，当驱动机构使工作装置沿柱状壁面径向运动时，该切削控制机构可对上述径向运动的位移量进行控制。

在上述的内部作业设备中，工作装置包括园形凸轮和端盖，所述凸轮的中心离开内部作业设备的轴心一定距离，该凸轮以内部作业设备的轴心为转动中心旋转和移动，所述端盖内有连杆机构，该端盖与上述凸轮的表面相接触，并可以园形凸轮的中心为转轴转动和移动，在端盖上还可旋转地支承着固定工作机具的轴;驱动机构包括恒星式减速齿轮，第一行星齿轮，该第一行星齿轮与恒星式减速齿轮相啮合， 并与工作装置中的园形凸轮相连接，第二行星齿轮，该第二行星齿轮与恒星式减速齿轮相啮合并通过连杆机构与工作装置中的端盖相连;切削控制机构包括内齿轮，它与第二行星齿轮相啮合并且自身可旋转;用来驱动内齿轮的驱动装置，该驱动装置包括一个活塞，该活塞位于缸体内可作直线往复运动，一根轴，该轴与活塞相连并可将活塞的直线运动转变为旋转运动，与活塞相连的转动移动部件，该部件能相对于缸体静止、移动和转动，从而可以使活塞转动和驱动该活塞移动，调整部件，该调整部件与活塞接触，从而可调节活塞的行程。

根据本发明，工作机具包括钢丝刷、磨具、铣刀等，当机具以其轴线为转轴作旋转运动时，可同时沿管道的内部移动，通过这种运动即可进行朝向内壁的给定作业。因此，只要一台作业设备就可进行包括清洗、研磨、切削、切割等不同的作业。上述的清洗作业包括去除管内壁上的附着物或去锈等作业。

也就是说，当驱动驱动机构中的恒星式减速齿轮而带动第一和第二行星齿轮时，与第一行星齿轮相连的园形凸轮，就会以内部作业设备的中心为转动中心，以给定的速度沿给定的方向作园周运动。同时，连杆机构设置在端盖内，借助于与第二行星齿轮和连板相连的臂传递与园形凸轮相等的旋转速度。结果，端盖以内部作业设备的轴心为转轴，以相同的速度沿同一方向旋转。此时在凸轮和端盖之间没有相对运动现象。因此，由端盖所支承的并固定的工作机具的轴就能以内部作业设备的轴心为转轴沿园周方向旋转。

借助于由恒星式减速齿轮带动的切削控制机构中的驱动装置，当驱动旋转设置地并与第二行星齿轮相啮合的内齿轮时，第二行星齿轮的转速就随着内齿轮的旋转而变化，使第二和第一行星齿轮之间的速 度产生差别。

也就是说，与第一行星齿轮相连的园形凸轮以内部作业设备的轴心为转轴，以给定的速度沿给定的方向旋转，同时，通过臂和连板，在端盖中传递第二行星齿轮的旋转速度。此时，臂和连板之间的夹角随第一和第二行星齿轮的转速差值而改变，而端盖以园形凸轮的中心为转轴旋转和移动。园形凸轮的中心轴线绕内部作业设备的中心线做园周运动，端盖的位置通过调整园形凸轮中心线位置以及臂和连板之间的夹角而改变。同时通过连杆机构对端盖的移动方向加以限制，可以使工作机具以内部作业设备的轴心为中心沿径向运动。

另外，当通过驱动机构驱动内齿轮，而此时恒星式减速齿轮又未被驱动时，则第一行星齿轮停止旋转，而第二行星齿轮仅相对于恒星式减速齿轮的园周旋转。就是说在凸轮停止运动时端盖旋转和移动。于是，在端盖中通过臂和连板传递端盖的旋转运动，由于端盖的转轴（园形凸轮的中心）的位置是固定不动的，于是，可通过臂传递的旋转力改变臂和连板之间的夹角，同时端盖以园形凸轮轴心为转轴旋转和移动，而工作机具则沿内部作业设备的径向运动。

如上所述，工作机具的径向运动并不是一种直线运动，而是一种螺旋线运动。该螺旋线是由以内部作业设备的轴心为转轴的旋转运动和由连杆机构控制的直线运动复合而成的。

由此，在未驱动恒星式减速齿轮而驱动内齿轮时，与工作装置相连的工作机具会离开内部作业设备的中心轴线一定距离，这样就确定了管道内径相应的工作机具的起始半径。另外，当驱动恒星式减速齿轮同时驱动内齿轮时，工作机具作园周运动，这时即可由工作机具对管内壁进行切割或切削。

借助于驱动装置控制内齿轮的角位移量及转速（转角、转速），即可使工作机具对管内壁的切入距离、切割深度和进入速度或切割速度保持在理想的数值上。

附图说明：

图1是本发明内部作业设备的侧视示意图。

图2为本发明内部作业设备的剖面示意图。

图3为本发明驱动力传动系统的示意图。

图4为本发明工作装置结构示意图。

图5为本发明的工作装置工作状态示意图。

图6为本发明内齿轮驱动装置剖面示意图。

图1所示的内部作业设备为一台在混凝土管所组成的管道内的给定位置进行开槽的设备。

移动支架10与管道60内壁接触，并由绳索70a、70b牵引。在移动支架10中，前部设有支架11（绳索70b的一侧），后部没有支架12（绳索70a的一侧）。

移动支架10中包括有工作装置20，该工作装置端部装有工作机具20a的铣刀，一个驱动机构30，一个切削控制机构40，上述三个装置成一体地设置在可前后移动的支架11上。还有进给机构50，该机构由油缸构成，缸体与支架12相连，而活塞杆则与驱动机构30的较粗部分31a相连，当向进给机构50中注入压力油时，便可使上述构成一体的机构20～40前后移动。

移动支架10上的支架11设置有多个承力架80，这些承力架80由油缸构成，并设置在这样三个位置上，该三个位置沿支架11外园周相距120°。当将内部作业设备固定于管道60内时，向承 力架80中注入压力油，便可使内部作业设备的轴心与管道60的轴心重合。

在本实施例中，设置移动支架10是为了便于通过绳索70a和70b来牵引，由于移动支架装有轮子和驱动马达，所以它可以自行前进。

下面根据图2～5对内部作业设备的结构具体描述。

驱动机构30包括壳体31，该壳体嵌入移动支架10的支架11的内部，马达32，它可以是构成驱动源的油压马达，异步电动机或类似的装置，该驱动源固定于壳体31的后端。轴33，该轴33可旋转地设置于壳体31内，马达32可以驱动轴33旋转，差动齿轮机构34，该机构设置于壳体31后端较粗部分31a的内部，轴33的轴线与内部作业设备的轴心重合。轴33与马达32的输出轴32a通过轴套联连器35相连，在轴33的后端设有齿轮部分33a，该齿轮33a作为差动齿轮机构34中的恒星式减速齿轮33a。另外，下面将要描述的工作装置位于轴33的前端。

差动齿轮机构34包括两个行星齿轮机构。第一行星齿轮机构包括内齿轮34a，它固定于较粗部分31a中，第一行星齿轮34b，它与恒星式减速齿轮33a啮合，并与内齿轮34a啮合。在外套筒34c上固定有轴34c′，轴34c′可旋转地支承着第一行星齿轮34b。第二行星齿轮机构包括内齿轮34d，它可旋转地设置于较粗部分31a内，第二行星齿轮34e，它与恒星式减速齿轮33a啮合，并与内齿轮34d啮合。在内套筒34f上固定有轴34f′轴34f′可旋转地支承着第二行星齿轮34e。上述内齿轮34a、34b的齿数，和模数相同，而且每一个行星齿轮34b，34e由同样的模数和同样的函数组成，另外，齿轮45与第二行星齿轮机构中的 内齿轮34d啮合，并与切削控制机构40的驱动装置中的驱动轴44相连。

外套筒34c与轴33同轴心，并通过轴承36可旋转地支承于壳体31上。内套筒34f位于外套筒34c和轴33之间，并由固定于轴33上的轴承37可旋转地支承。外套筒34c通过轴承36设置于壳体31内，内套筒34f位于外套筒34c内，而轴33又位于内套筒34f内，每个套筒34c、34f、及轴33按各自独立旋转的方式设置。

工作装置20包括外壳21和位于外壳21内的齿轮机构22。

外壳21包括园形凸轮21b，设凸轮固定于第一行星齿轮机构中的外套筒34c上;臂27，它固定于内套筒34f上并位于园形凸轮21b内;端盖21a，它通过由连板28构成的连杆机构与第二行星齿轮机构相连。

用于支承固定工作机具20a的轴24的轴承21a′，设置于端盖21a的给定位置，连板28可旋转和可移动地固定于该轴承21a′上。

园形凸轮21b的轴心21b′与轴33的轴心即内部作业设备的轴心之间有一定距离，这样凸轮盘21b就会随轴33的旋转而以轴33的轴心为转轴，以给定的速度旋转和移动。

齿轮机构22包括齿轮23，它固定于轴33的前端，齿轮25，它固定在可旋转地支承于端盖21a上的轴24上，中间齿轮26，它分别与齿轮23和25相啮合。

于是，当驱动轴33时，便可通过齿轮机构22带动轴24旋转，从而驱动设置在轴24上的工作机具20a旋转，以进行给定的作业。

中间齿轮26可旋转地支承于轴26a上，轴26a可旋转地支承于臂27上，臂27固定于第二行星齿轮机构中的内套筒34f的前端。另外，轴26a可旋转和可移动地支承于连板28上，而连板28又可旋转和可移动地固定于轴承21a′上。另外，设置臂27是为了借助于固定在凸轮21b上的档块29，调节旋转和移动的方向。

切削控制机构40固定于底板31b上，该底板31b位于壳体31的后端。对于切削控制机构40来说，可采用油压马达、异步电动机、带有检测装置的脉冲电动机、旋转编码器等装置，上述的脉冲电动机、旋转编码器等能够对驱动轴44的角位移进行控制。

在本实施例中，采用了如图6所示的摆动油缸作为切削控制机构40。

如图6所示，在缸体41中有活塞42，它可前后做往复直线运动和转动;转动移动部件43，它使活塞42作转动和移动，驱动轴44随活塞的直线运动和转动而旋转和移动，支承部件46可旋转和可移动地支承着驱动轴44，调整部件47位于转动移动部件43内并对活塞42的行程进行调整。

在缸体41的给定部位，设有注入和排出压力油的油口41a、41b。另外，缸体41的后端设有切口41c，在此切口41c宽度方向的两侧设有压紧部件41d，在压紧部件41d上拧有螺栓（未示）。转动移动部件43通过拧紧上述螺栓压紧切口41c固定于缸体41上。而通过松开上述螺栓又可使转动移动部件43与缸体41脱离，转动移动部件即可旋转和移动。

活塞42是一个具有法兰42a的杯形部件，该部件的外表面上有花键42b，具有给定螺距的螺母部分42c则位于活塞的内表面。

为容纳调整部件47，在转动移动部件43的开有孔43a，并且在转动移动部件43的前端设有花键43b该花键43b与活塞42上的花键42b啮合。另外，在转动移动部件43的后端外表面是开有斜纹的呈螺母状的部分43c，在该部分43c的内表面有螺纹43d。

与内齿轮34d啮合的齿轮45固定在驱动轴44的前端44a上，呈法兰状的凸台44b位于轴44的固定位置上，并且其外形尺寸大于轴44的外形尺寸，驱动轴44由支承部件46和固定在缸体41前端的套41e限定，于是驱动轴44便可随着轴向移动而旋转，在驱动轴44后部是螺栓体44c，该螺栓体与设在活塞上的螺母部分42c啮合。

调整部件47的后部是螺栓体47a，它与转动移动部件43上的螺纹部分43d啮合，在调整部件47的后端是带有斜纹的部分47b，该部分47b与螺栓体47a相连。另外，螺母47c拧在螺栓体47a上面形成一体。

在上述摆动液压缸中，当松开压紧部件41d，用扳手夹在转动移动部件43的开有斜纹的部分43c上使转动移动部件产生旋转和移动时，便可将上述转动和移动通过花键43b和42b传递给活塞42，使活塞也产生转动和移动。通过螺栓体42c和44c可将活塞42的转动和移动传递给驱动轴44，使其产生转动和移动。结果与驱动轴44相连的齿轮45转动和移动。使内齿轮34d转动和移动。而且，齿轮45可以随转动移动部件43的转动而自由的转动和移动。借助转动移动部件43的转动，可使工作机具20a沿径向运动，从而确定初始半径。

拧紧压紧部件41d，向油口41b注入压力油，由于转动移动 部件43固定于缸件41上，并且活塞42受到花键42b、43b的约束，活塞42便沿轴向向前移动（图中向左移动）。通过螺旋体42C和44C可将活塞42的直线运动转变成驱动轴44的转动，这样便可通过活塞42的行程和螺旋体42C、44C中的螺距来控制驱动轴44的角位移量。

活塞42的行程可以通过位于转动移动部件43内并与其成一体的调整部件47加以调整。

也就是说，当通过松开锁紧螺母47C，并用板手夹住开有方棱的部件47b使调整部件47转动和移动时，由于螺栓体47a和43d之间的螺纹关系，从而使调整部件47沿轴向移动。于是通过缸体41中的调整部件47相对转动移动部件43的凸出部分便可控制活塞42的行程。当按上述方式控制活塞42的行程时，便可确定齿轮45的角位移量，从而确定工作机具20a沿径向运动的位移量。

下面对上述工作装置，工作头20传动机构30和切削控制机构40作进一步的说明。

首先，在内部作业设备放入管道60之前，选择适合给定作业的工作机具20a，把工作机具20a固定在设置于工作装置上的轴24上，同时根据管道60的内径确定出机具20a的初始半径。

上述初始半径的确定，可以在马达停止工作的情况下，转动和移动切削控制机构40中的转动移动部件43来完成，也可以通过旋转和移动内齿轮34d和第二行星齿轮机构来完成。也就是说，借助于第二行星齿轮机构的转动，臂27以轴33的轴心为转动中心沿图4中箭头B所示方向旋转和移动时，臂27和连板28之间的夹角随臂27的转动而改变，端盖21a以园形凸轮21b的中心为转轴，沿 箭头B向旋转和移动，随着端盖21a的转动和连杆机构中夹角的变化，工作机具20a和轴33之间的距离发生变化，从而使机具20a沿管道60的径向运动，从而确定出初始半径，以使工作机具20a的外表面与管道内壁之间的距离保持不变。

然后根据在管道中所要切割槽的深度，确定出工作机具20a的切削深度。此时，根据工作机具20a位于初始半径时，管道60的内壁和机具20a外表面的距离和开槽深度之和，确定切削控制机构40中活塞42的行程。将转动移动部件43固定于缸体41中，使调整部件47转动和移动，确定出缸体41中调整部件47凸出部分合适的长度，从而确定活塞42的行程。

这样一来，当通过调整活塞42的行程，使它有一个确定的移动范围时，便可通过机具20a在管道60中进行给定深度的开槽作业。

接着，将工作装置20的初始半径、切削深度等都已确定好的内部作业设备放入管道60中，用绳索70a、70b把它拉到开槽位置。当内部作业设备到达给定位置时，调整承力架80使用部作业设备固定在其轴心与管道60的轴心重合的位置上。

随后驱动马达32，按如图3所示的系统图传递马达的驱动力，恒星式减速齿轮33a转动，工作机具20a便旋转，同时，第一行星齿轮机构和第二行星齿轮机构也分别以相同的速度转动。第一行星齿轮机构中的园形凸轮21b和第二行星齿轮机构中的臂27以轴33为转轴，以相同的速度转动。工作机具20a在维持事先确定的初始半径不变的情况下，以轴33为转动中心旋转。

在上述状态下，向油口41a或41b注入压力油，活塞42便会在缸体中左右移动，随着活塞42的移动，齿轮45便会旋转，并 使内齿轮34d旋转和移动。这时为了使第一行星齿轮机构和第二行星齿轮机构之间产生不同的速度，要改变臂27和连板28之间的夹角，并使其以凸轮21b的轴为转轴作旋转运动，由于上述动作的合成，工作机具20a和轴33之间的距离就会发生变化。因而，工作机具20a的初始半径也发生变化。

图4所示是工作装置20的典型工作状态，这时差动机构34正处于差速运动，轴33（齿轮23）为中心，并且轴33和中间齿轮26固定。图5中实线表示工作机具20a处于初始半径状态，虚线表示通过驱动活塞42使工作机具20a转化为作业半径状态。

如上所述，在工作机具20a对管道内壁进行了给定的切削之后，停止向切削控制机构中注入压力油。由于驱动轴44将齿轮45锁定，便将内齿轮34固定，从而第一行星齿轮机构和第二行星齿轮机构分别以同一速度旋转。这样在工作机具20a沿管道60的内壁运动的同时，便可通过切削，获得给定深度的槽。

当工作机具20a沿管道60内壁走过一圈，在管道60内壁形成给定深度的槽之后，向油口41b或41a注入压力油，此时为非切削状态，恒星式减速齿轮33a转动或停止，活塞42在缸体41内右左移动。随着这一运动，齿轮45和内齿轮34d便会转动，内齿轮34d的转动传送到端盖21a上，使端盖21a以园形凸轮21b的中心为转轴而转动，这样机具20a又变成初始半径的状态。

接着调整承力架80，使内部作业设备与管道60脱离开。借助于绳索70a和70b把内部作业设备拉到下一个给定位置，重复上述步骤，便又可在管道60内进行开槽作业。

在上述实施例中，说明了以铣刀作为工作机具20a对管道60 内壁进行开槽作业的情况，而对于切割插入管道60内的树根等的情况，则可将切割刀具固定于轴24上，对于对管道60内壁进行清洗作业的情况，则可以用钢丝刷、磨石等作为机具20a，将其固定于轴24上，对于切割管道60的情况，则可以用园盘形刀具等作为工作机具20a，并将其固定于轴24上。

在上述实施例中，其结构是这样的，即使马达32的驱动力通过轴33和齿轮机构22传递给轴24。而使工作机具20a旋转，然而，也可以用下述方式使工作机具20a旋转，即让一台独立的马达与轴24相连。在这种情况下，可以使工作机具20a的轴线与管道60的轴线相交。

在上述实施例中，说明了通过在水管内切削而进行的开槽作业的情况，但是本发明的内部作业设备也可用于下述情况，即对包括压力油缸、空气气缸、发动机组等的柱状内表面进行包括切割、研磨等的柱状表面作业。

Claims (10)

1、一种内部作业设备，该设备在其轴心含有一工作装置可在管子内壁面上进行作业的工作机具；

一驱动机构可以使上述工作机具相对于内壁面做圆周运动；

一切削控制机构可调节上述工作机具相对于内壁面作径向运动；

其特征在于上述工作机具包括一圆形凸轮的中心离开内部作业装置的轴线一定距离，该圆形凸轮可绕中心轴线旋转，一端盖内有一连杆机构，该端盖与上述圆形凸轮的凸轮表面相接触，并能够绕该圆形凸轮的中心旋转，在该端盖上面还可旋转地支承着固定工作机具用的轴，其中上述驱动机构包括一恒星式减速齿轮，一第一行星齿轮与圆形凸轮相连接，该第一行星齿轮与该恒星式减速齿轮在工作机具内与该恒星式减速齿轮相啮合，第二行星齿轮与该恒星式减速齿轮相啮合，并通过连杆机构在工作机具内与端盖相连。

2、如权利要求1所述的内部作业设备，其特征在于上述切削控制机构包含一与第二行星齿轮旋转啮合的内齿轮，并有一驱动该内齿轮的驱动装置。

3、如权利要求2所述的内部作业设备，其特征在于上述驱动装置包括一杯形活塞具有一根轴，该活塞在该轴上可作轴向移动和转动，一驱动轴具有一轴和一圆周面，圆周面的螺纹部分与杯形活塞的螺纹内表面相啮合，当杯形活塞轴向移动时，该驱动轴在其轴线上可旋转，借此旋转件有一部分与杯形活塞外部啮合，借此该旋转件能驱动杯形活塞，一缸体起到调节杯形活塞、轴和旋转件，并为固定该旋转件到该缸体的装置。

4、如权利要求2所述的内部作业设备，其特征在于上述驱动装置包括一杯形活塞具有一根轴，该活塞能在该轴上作轴向移动和转动，一驱动轴具有一轴和一圆周面，圆周面的螺纹部分与杯形活塞的螺纹内表面相啮合，当环形活塞轴向移动时，该驱动轴在其轴线上可旋转，供此旋转件有一部分与杯形活塞外部啮合，借此该旋转侧能驱动杯形活塞，一行程长度调整装置包括一为限制该杯形活塞的行程长度的限定件，一缸体起到调节杯形活塞、轴、旋转件和行程长度调整装置，和固定该旋转件到该缸体的装置。

5、如权利要求2所述的内部作业设备，其特征是还包含一个为安放内部作业设备在管内的固定装置，这就是使内部作业设备的中心线与管子轴线重合，并固定内部作业设备到管子内。

6、如权利要求2所述的内部作业设备，其特征是还包含一拖车，其上装有工作机具，驱动机构和切削控制机构。

7、如权利要求3所述的内部作业设备，其特征是还包含一个为安放内部作业设备在管内的固定装置，这就是使内部作也设备的中心线与管子轴线重合，并固定内部作业设备到管子内。

8、如权利要求4所述的内部作业设备，其特征是还包含一个为安放内部作业设备在管内的固定装置，这就是使内部作业设备的中心线与管子轴线重合，并固定内部作业设备到管子内。

9、如权利要求3所述的内部作业设备，其特征是还包含一拖车，其中装有工作机具，驱动机构和切削控制机构。

10、如权利要求4所述的内部作业设备，其特征是还包含一拖车，其上装有工作机具，驱动机构和切削控制机构。

Images