CN102705631A - 气动履带式管道内行走机构 - Google Patents

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Abstract

一种气动履带式管道内行走机构,包括车架、驱动轮和行走轮,车架上沿车架的中心轴方向依次布置两个行走轮、驱动轮和两个行走轮,从轴向上看行走轮位于车架的下半圆,驱动轮位于车架的上半圆;径向分布为两个行走轮关于Y轴对称,行走轮安装在车架上,驱动轮通过一个销轴安装在支撑臂的一端,支撑臂的另一端通过铰链与滑套联接,支撑臂可转动地安装在回转轴上,中心轴座与车架中心轴固定连接,车架中心轴上可滑动套装滑套,滑套与第一驱动气缸连接。气马达安装在机架上,气马达轴、回转轴和驱动轮轴上安装链轮,通过链传动将动力从气马达传递到驱动轮上。本发明采用履带式轮,提高了驱动轮和行走轮与管道壁的正压力,适应在大坡度管道内行走。

Description

气动履带式管道内行走机构
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种管道内行走机构。
背景技术
[0002] 管道的封闭性以及工作环境决定了管道施工的艰难性。管道机器人是管道施工中必备的一种工具。时至今日,经过各国学者的努力,出现了各种各样的管道机器人。从结构形式来看,主要分为轮式管道机器人、脚式管道机器人、履带式管道机器人和蠕动式管道机器人。轮式管道机器人通常采用气动方式。日本东芝公司于1997年研制了第一台轮式管道机器人,为了增加牵引力该机器人采用了多轮驱动,但轮径太小,越障能力有限,而且结构复杂;西门子公司Werner Neubern等人研制的蜘蛛型微管道机器人有3,6,8支脚三种类型,其原理是用腿推压管壁来运动,多腿可以方便地在各种形状的弯管道内移动;加拿大 Inuktun和BioVac System Inc公司的履带式管道机器人已经商业化;上海交通大学研发了小口径管道蠕动式移动机构,它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进和后退的动作设计的。
发明内容
[0003] 为了克服已有管道内行走器的爬坡能力较差的不足,本发明提供一种提高爬坡能力的气动履带式管道内行走机构。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005] 一种气动履带式管道内行走机构,包括车架、驱动轮和行走轮,所述车架上沿车架的中心轴方向依次布置两个行走轮、驱动轮和两个行走轮,从轴向上看行走轮位于车架的下半圆,驱动轮位于车架的上半圆;径向分布为两个行走轮关于Y轴对称,行走轮安装在车架上,所述驱动轮与传动机构连接,所述传动机构包括支撑臂、滑套和车架中心轴,驱动轮通过一个销轴安装在支撑臂的一端,支撑臂的另一端通过铰链与滑套联接,所述支撑臂可转动地安装在其回转轴上,所述回转轴安装在车架上,所述中心轴座与车架中心轴固定连接,所述车架中心轴安装在车架上,所述车架中心轴上可滑动套装滑套,所述滑套的下端与第一驱动气缸活塞杆固定连接,所述第一气缸安装在车架上;气马达固定在车架上,所述气马达包括气马达轴,所述气马达轴、回转轴和驱动轮轴上安装链轮,通过链传动将动力从气马达传递到驱动轮上。
[0006] 进一步,所述中心轴的中孔内设有带锥形头的顶杆,所述顶杆与第二气缸的活塞杆连接,所述第二气缸安装在车架上,所述中心轴和滑套上开有径向夹角相等的至少三个键槽,所述键槽的轴向形状为平行四边形结构,键槽内安装有可以滑动的异形键,其轴向主要轮廓为平行四边形,但其中靠中心轴线的一钝角被圆锥体切除一小部分,切除部分与中心轴线夹角和所述锥形头顶杆的锥度相同。通常异形键位于中心轴的键槽及中心轴孔内,当中心轴和滑套上的键槽位置对上时,顶杆伸出可以使异形键沿径向向外滑入滑套的键槽中,从而将滑套锁定在中心轴上。采用上述结构实现了驱动臂的锁止。[0007] 再进一步,所述驱动轮为一个,从轴向上看,所述驱动轮与行走轮之间的夹角为120。。
[0008] 或者是:所述驱动轮有两个,径向分布为两个行走轮的夹角为120°,两个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与其支撑臂连接。
[0009] 再或者是:所述驱动轮有4个,所述车架上沿车架的中心轴方向依次布置两个行走轮、两个驱动轮、两个驱动轮和两个行走轮,径向分布为两个行走轮的夹角为120°,两个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与其支撑臂连接。
[0010] 所述行走轮和驱动轮为履带式轮。 [0011 ] 所述车架为圆柱笼形车架。
[0012] 本发明的有益效果主要表现在:(I)采用压缩空气作动力,清洁高效,符合HSE施工管理要求,适合在危险、野外场合工作。
[0013] (2)这种驱动轮的连杆滑套传动机构可以大大增加轮与管道壁的正压力,轮作用在管道壁上的压力值不仅取决于气缸的推力,而且随着支撑臂和管道壁的法向夹角的减小而增大数倍甚至更多。
[0014] (3)采用一种异形键实现滑套位置锁定的机构,当中心顶杆离开异形键后,在异形键受到的径向力作用下,异形键能够自动缩回到中心轴孔内,从而释放滑套。
[0015] (4)当滑套锁定后,可以使气缸卸荷,更节能。
[0016] (5)采用履带轮比普通的滚轮增加了附着系数和接触面积,增加了附着力,减少了单位表面上的压力,避免破坏管道内表面的涂层。
[0017] (6)履带轮有多个负重轮,单个负重轮直径比相当整个履带轮大小的滚轮直径小很多,因此,同等驱动力矩下,履带轮能提供的牵引力更大。
附图说明
[0018]图I是气动履带式管道内行走机构的示意图。
[0019] 图2是图I的A向各轮位置示意图。
[0020] 图3是驱动轮的支撑与锁止机构的示意图。
[0021] 图4是行走轮的示意图。
[0022] 图5是图4的截面图。
[0023] 图6是驱动轮的示意图。
[0024] 图7是驱动轮的截面图。
[0025] 图8是齿形带的剖面图。
[0026] 图9是单轮驱动时的布局图。
[0027] 图10是图9的各轮位置轴向示意图。
[0028] 图11是两轮驱动时的布局图。
[0029] 图12是图11的各轮位置轴向示意图。
[0030] 图13是四轮驱动时的布局图。
[0031] 图14是图13的各轮位置轴向示意图。具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0033] 参照图I〜图14,一种气动履带式管道内行走机构,包括车架I、驱动轮2和行走轮3,所述车架I上沿车架的中心轴方向依次布置两个行走轮3、驱动轮2和两个行走轮3,从轴向上看行走轮3位于车架的下半圆,驱动轮2位于车架的上半圆;径向分布为两个行走轮关于Y轴对称,行走轮3安装在车架I上,所述驱动轮2与传动机构连接,所述传动机构包括支撑臂4、滑套6和车架中心轴9,驱动轮2通过一个销轴安装在支撑臂4的一端,支撑臂4的另一端通过铰链与滑套6联接,所述支撑臂4可转动地安装在回转轴7上,所述回转轴7安装在车架I上,中心轴座8与车架中心轴9固定连接,所述中心轴座8安装在车架上,所述车架中心轴9上可滑动套装滑套6,所述滑套6的下端与第一气缸10活塞杆固定连接,所述第一气缸10安装在中心轴座8上;气马达5固定在车架I上,所述气马达5包括气马达轴,所述气马达轴、回转轴7和驱动轮轴上安装链轮,通过链传动将动力从气马达5传递到驱动轮3上。 [0034] 进一步,所述中心轴9的中孔内设有带锥形头的顶杆11,所述顶杆11与第二气缸12连接,所述第二气缸12安装在车架上1,所述中心轴和滑套上开有径向夹角相等的至少三个键槽,所述键槽的轴向形状为平行四边形结构,键槽内安装有可以滑动的异形键13,其轴向主要轮廓为平行四边形,但其中靠中心轴线的一钝角被圆锥体切除一小部分,切除部分与中心轴线夹角和所述锥形头顶杆11的锥度相同。通常异形键13位于中心轴的键槽及中心轴孔内,当中心轴和滑套上的键槽位置对上时,顶杆11伸出可以使异形键13沿径向向外滑入滑套的键槽中,从而将滑套锁定在中心轴上。采用上述结构实现了驱动臂的锁止。
[0035] 再进一步,所述驱动轮3为一个,从轴向上看,所述驱动轮与行走轮之间的夹角为120。。
[0036] 或者是:所述驱动轮2有两个,径向分布为两个行走轮的夹角为120°,两个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与其支撑臂连接。
[0037] 再或者是:所述驱动轮3有4个,所述车架上沿车架的中心轴线依次布置两个行走轮、两个驱动轮、两个驱动轮和两个行走轮,径向分布为两个行走轮的夹角为120°,两个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与其支撑臂连接。
[0038] 所述行走轮2和驱动轮3为履带式轮。所述车架I为圆柱笼形车架。
[0039] 本实施例中,该行走装置的圆柱笼形车架上布置6个轮子,沿车架的中心轴线依次布置两个行走轮、两个驱动轮和两个行走轮,径向分布为两个行走轮的夹角为120°并关于Y轴对称,两个驱动轮的夹角也为120°并关于Y轴对称,驱动轮与行走轮的夹角为60°。行走轮直接安装在车架上,驱动轮通过一个销轴安装在支撑臂的一端。车架安装了 2套驱动轮及其支撑臂。支撑臂可以绕固定在车架上的回转轴转动,其中一端通过销轴与驱动轮联接,支撑臂的另一端通过铰链与滑套联接。气马达安装在机架上,气马达轴、支撑臂回转轴和驱动轮轴上安装链轮,通过链传动将动力从气马达传递到驱动轮上。有一个空心的车架中心轴安装在机座上,轴上滑套通过铰链与支撑臂联接,中心轴孔内有一个锥形头顶杆,中心轴与滑套上开有径向夹角为90°的4个键槽,键槽的轴向形状为平行四边形结构,4个异形键安装在键槽中。
[0040] 当固定在机架上的气缸I活塞杆伸出时,推动滑套并使支撑臂转动,驱动轮随着支撑臂的运动压在管道壁上,当滑套与中心轴键槽对上后,气缸2伸出推动锥形头顶杆使异形键插入滑套键槽中,从而锁定支撑壁位置。这时,车架上的6个轮子都牢牢地压在管道壁上。当气马 达转动时,通过链传动带动驱动轮转动,从而牵引车架在管道内行走。当气缸2活塞杆先退回后,若气缸I活塞杆退回,在径向力的作用下使异形键缩回到中心轴孔内,滑套随着活塞杆的退回拉动支撑臂使驱动轮脱离管道壁。
[0041] 参照图4和图5,行走轮为履带式轮,包括多个小带轮、轴承、轮架、带张紧机构、齿形带。
[0042] 参照图6和图7,驱动轮为履带式轮,包括多个承重小带轮、驱动带轮、轴承、轮架、带张紧机构、齿形带。
[0043] 参照图8,带分三层,橡胶层外面为硬材料层14 (如使用聚氨脂),按图示结构将硬材料层沿带的宽度方向切割,使其成为若干平行四边形条,聚氨脂层与橡胶层15用胶粘接。硬材料层切割后能够弯曲并最大限度地使带上的压力分布均匀。硬材料层外面是胶层16用于增加带的摩擦力。
[0044] 参照图9和图10,行走装置驱动轮及支撑机构的布局方案,适合拖动小直径重量轻的装置。参照图11和图12,适合拖动中等直径重量IOOOKg的装置。参照图13和图14,适合拖动大直径重量IOOOKg以上的装置。

Claims (8)

1. 一种气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述行走器包括车架、驱动轮和行走轮,所述车架上沿车架的中心轴方向依次布置2个行走轮、驱动轮和2个行走轮,从轴向上看行走轮位于车架的下半圆,驱动轮位于车架的上半圆;径向分布为2个行走轮关于Y轴对称,行走轮安装在车架上,所述驱动轮与传动机构连接,所述传动机构包括支撑臂、滑套和车架中心轴,驱动轮通过一个销轴安装在支撑臂的一端,支撑臂的另一端通过铰链与滑套联接,所述支撑臂可转动地安装在回转轴上,所述回转轴安装在车架上,所述中心轴座与车架中心轴固定连接,所述车架中心轴安装在车架上,所述车架中心轴上可滑动套装滑套,所述滑套与第一气缸连接,所述第一气缸安装在车架上;气马达固定在车架上,所述气马达包括气马达轴,所述气马达轴、回转轴和驱动轮轴上安装链轮,通过链传动将动力从气马达传递到驱动轮上。
2.如权利要求I所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述中心轴的中孔内设有带锥形头的顶杆,所述顶杆与第二气缸连接,所述第二气缸安装在车架上,所述中心轴和滑套上开有径向夹角相等的至少三个键槽,所述键槽的轴向形状为平行四边形结构,键槽内安装有可以滑动的异形键,其轴向主要轮廓为平行四边形,但其中靠中心轴线的一钝角被圆锥体切除一小部分,切除部分与中心轴线夹角和所述锥形头顶杆的锥度相同。
3.如权利要求I或2所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述驱动轮为一个,从轴向上看,所述驱动轮与行走轮之间的夹角为120°。
4.如权利要求I或2所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述驱动轮有2个,径向分布为2个行走轮的夹角为120°,2个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与支撑臂连接。
5.如权利要求I或2所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述驱动轮有4个,所述车架上沿车架的中心轴方向依次布置2个行走轮、2个驱动轮、2个驱动轮和2个行走轮,径向分布为2个行走轮的夹角为120°,2个驱动轮之间的夹角也为120°并关于Y轴对称,从轴向上看,所述驱动轮与相邻行走轮的夹角为60° ;每个驱动轮分别与支撑臂连接。
6.如权利要求I或2所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述行走轮和驱动轮为履带式轮。
7.如权利要求I或2所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述的履带为三层结构,内侧为有齿形的橡胶层,中间为硬质材料层,外侧为胶层,各层通过胶粘接。
8.如权利要求7所述的气动履带式管道内行走机构,其特征在于:所述硬质材料层与胶层沿带的宽度方向切割成为平行四边形条。
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