CN102878385A - 流体驱动自适应管道爬行器 - Google Patents

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张有忱
李志勇
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北京化工大学
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Abstract

本发明是一种流体驱动的自适应管道爬行器,它包括变径适应机构、驱动行走机构、从动行走机构、伞状挡水翼机构和分流阀结构。其特点是:驱动方式为流体驱动为主,驱动轮驱动为辅,使运动速度均匀。变径机构可以有效的根据管径的变化自行调节适应,并可以通过传导机构改变伞状挡水翼的开度。导流管入口处装有叶轮,流体流过时叶轮旋转,并通过主轴将动力传动到驱动轮上。本设计由流体驱动,无需额外能源避免了拖缆等带来的阻力,可以满足超长距离的在线作业要求,可以适应管径变化较大的场合,流体压差和主动轮双重驱动使装置运动速度平稳,还具有对管道内壁环境适应性强、结构简单、效率高、制造方便、成本低等优点。

Description

流体驱动自适应管道爬行器
技术领域
[0001] 本发明涉及流体驱动式中小型管道爬行机械领域,是一种采用流体驱动为主,驱动轮驱动为辅的新型驱动方式的管道爬行装置,它能够搭载管道作业装置在输送流体的管道内进行在线作业,并且可以在超长距离的输送管道工作。
背景技术
[0002] 现有管道爬行器要克服管壁和异物的阻力,拖动电缆线阻力和机器人在上升管道内自身的重力等,如果依靠传统的电池或电缆提供能量,其行走距离将受到很大限制,使得机器人行走机构的设计与制造相对也比较复杂。流体驱动式爬行器,完全依靠流体压差产生的推力行走,难以适应管径变化,且由于管壁异物或粗糙不平导致的摩擦力不均匀,使行走速度不稳定,难以顺利准确的完成管道检测等任务。
发明内容
[0003] 本发明目的是发明一种流体驱动式管道爬行器,它采用一种新型驱动方式,既以流体驱动为主动力,驱动轮驱动为辅动力,使装置行走速度平稳。有管径自适应调节机构,可以较大程度的适应管径变化,结构简单,成本低,制造方便,使用寿命长,无需额外能源,可以通过搭载相应的工具完成对长距离管道的检查、检测等任务。
[0004] 本发明具体方案是:一种流体驱动为主,主动轮驱动为辅的自适应管道爬行器,其特征是:它包括变径适应机构、驱动行走机构、从动行走机构和伞状挡水翼机构和分流阀结构。
[0005] 变径适应机构是:驱动架[23]壳体一端通过转轴[33]与副支撑架壳体[4]铰接,副支撑架[4]后端滑管上有可自由滑动的套管[26],连杆[24]分别与驱动架[23]壳体的一端与套管[26] —端铰接。套管内有弹簧[25],前端与套管[26]接触,后端由螺纹连接在副支撑架上[4]的调节预紧螺母[27]压紧。三根导杆[22] —端与套管[26]铰接,另一端与滑环[21]铰接。滑环[21]可在副支撑架[4]前端滑管上自由滑动,通过连杆与伞状挡水翼[7]中部铰接。
[0006] 驱动行走机构结构是:通过滚动轴承安装在支撑架上的爬行器主动轴[19]后端装有叶轮[10],固定在轴上,主动力轴前端为蜗杆,同时与三个相互呈120°角的涡轮[3]啮合。涡轮[3]分别通过普通平键键[35]连在三根转轴[33]上,转轴[33]穿过副支撑架壳体[4]和驱动架壳体[23],另一端通过平键[32]连接着主动带轮[34],主动带轮[34]与从动带轮[28]通过同步带[31]连接,从动带轮[28]固连在转轴[29]上,转轴[29]另一端通过螺母[37]固定驱动轮[2]。驱动轮与转轴间装有超越离合器[39]。
[0007] 从动行走机构是:在主支撑架[9]前端装有三组结构相同均匀分布的从动轮结构,其结构是套筒固连在主支撑架[9]上,从动轮架[14] 一端可以插在套筒内,滑键[17]由三根螺钉固定在从动架上,从动轮架[14]可以在套管内定向滑动,套筒内装有预紧弹簧
[16],弹簧一端与套筒中部台阶接触,另一端被固定在从动轮架[14]上的挡圈[12]压紧,套筒口处装有端盖[15]。
[0008] 伞状挡水翼结构是:在主支撑架上导流管[9]入口处铰接有挡水翼结构,由两层叶片组I [8]和叶片组II [7]交错组成,每个叶片组沿周向均匀分布的12个叶片组成,叶片组I [8]在前面,中间装有预紧弹簧圈[20],叶片组II [7]在后面,每个叶片中部与导杆
[6] 一端铰接,导杆[6]另一端与滑环[21]铰接,组成伞状结构。
[0009] a.驱动行走过程
参照图广3,爬行器在流体输送管道工作条件下,流体流向如图中箭头所示方向。流体流至伞状挡水翼[8] [7],改变方向而进入导流管[9],导流管内装有叶轮[10],流体流过推动叶轮[10]旋转,叶轮与动力轴[19]固连,使动力轴旋转,动力轴[19]后端为蜗杆,蜗杆旋转并带动与之同时啮合的三个涡轮[3]旋转,涡轮带动与之同轴的主动带轮[34]旋转,主动带轮[34]通过同步带将功率传送到从动带轮[28],在通过转轴把动力传输到驱动轮
[2]上。
[0010] 流体流速加快时,爬行器两侧流体压差增大,使得爬行器速度变大,同时也使叶轮转速加快,叶轮转速的加快又降低了爬行器两侧的压力差,推力减小,增速下降,直到平衡;流体流速减慢时,爬行器两侧流体压差增大减小,使得爬行器速度变小,同时也使叶轮转速加变慢,叶轮转速的减小又增加了爬行器两侧的压力差,推力增大,降速下降,直到平衡;
因此,双重驱动方式使得爬行器运行稳定,变速平缓。
[0011] b.管径自适应过程
挡水翼[7] [8]是由两组叶片组成的伞状结构,叶片由弹性材料制作,重叠交错组成的特殊结构,收张时无缝隙,既能起到导流的作用,又可以根据管径的变化调节大小,满足工作需要,驱动臂[23]与主支撑架壳体[9]通过转轴[33]铰接,中部与铰接在套管[26]上的连杆[24]铰接,套管[26]可以在副支撑架[4]上自由滑动,套管[26]内有弹簧[25]进行预紧,管径变化时驱动臂[23]可以自行张开和收紧,带动套管[26]前后滑动,以适应管径,而不影响传动。套管[26]通过连杆把滑动动作传递给副支撑架[4]右端的滑环,滑环
[21]可以自由前后滑动,上面铰接着连杆[22],连杆[22]与挡水翼[7]中部铰接,如此,管径的变化可以从驱动轮臂[23]传导到挡水翼[7],做出相应张开或收紧动作。
[0012] 三组从动轮机构内有弹簧[16]预紧,可以适应不同的管径,将从动轮牢牢压在管道内壁。从动轮架[14]里端装有滑键,使从动轮架[14]只能滑动而不能转动,保证从动轮
[13]沿轴线方向前进。
[0013] 分流阀结构是由装在在主支撑架[9]是前后由两个带孔的配流盘——动盘[11]和定盘[18]组成,定盘固定在支撑架上,动盘轴向固定,但可以沿着周向一定范围内进行转动。
附图说明
[0014] 附图I是管道爬行器结构主视示意图 附图2是图I中B-B剖面示意图
附图3是图I的左视不意图
附图4是配流盘结构开孔示意图,其中a为动盘,b为定盘 附图5是挡水翼叶片组布置示意图(I与II相同布置)图中:1-管道,2-驱动轮,3-蜗轮,4-副支撑架,5-支撑杆,6-挡水翼连杆,7-挡水翼叶片组II,8-挡水翼叶片组I,9_主支撑架,10-叶轮,11-配流盘动盘,12-挡圈,13-从动轮,14-从动轮架,15-端盖,16-弹簧,17-滑键,18-配流盘定盘,19-主动轴,20-弹簧圈,21-滑环,22-连杆,23-驱动架,24-连杆,25-弹簧,26-套管,27-压紧螺母,28-从动带轮29-转轴,30-平键,31-同步带,32-平键,33-转轴,34-主动带轮,35-平键,36-主支撑架壳体,37-锁紧螺母,38-平键,39-超越离合器,40-连接杆。
具体实施方式
[0015] a.驱动行走过程
参照图广3,爬行器在流体输送管道工作条件下,流体流向如图中箭头所示方向。流体流至伞状挡水翼[8][7],改变方向而进入导流管[9],导流管内装有叶轮[10],流体流过推动叶轮[10]旋转,叶轮与动力轴[19]固连,使动力轴旋转,动力轴[19]后端为蜗杆,蜗杆旋转并带动与之同时啮合的三个涡轮[3]旋转,涡轮带动与之同轴的主动带轮[34]旋转,主动带轮[34]通过同步带[31]将功率传送到从动带轮[28],在通过转轴把动力传输到驱动轮[2]上。
[0016] 流体流速加快时,爬行器两侧流体压差增大,使得爬行器速度变大,同时也使叶轮转速加快,叶轮转速的加快又降低了爬行器两侧的压力差,推力减小,增速下降,直到平衡;流体流速减慢时,爬行器两侧流体压差增大减小,使得爬行器速度变小,同时也使叶轮转速加变慢,叶轮转速的减小又增加了爬行器两侧的压力差,推力增大,降速下降,直到平衡;因此,双重驱动方式使得爬行器运行稳定,变速平缓。
[0017] b.管径自适应过程
挡水翼[7] [8]是由两组叶片组成的伞状结构,叶片由弹性材料制作,重叠交错组成的特殊结构,收张时无缝隙,既能起到导流的作用,又可以根据管径的变化调节大小,满足工作需要,驱动臂[23]与主支撑架壳体[9]通过转轴[33]铰接,中部与铰接在套管[26]上的连杆[24]铰接,套管[26]可以在副支撑架[4]上自由滑动,套管[26]内有弹簧[25]进行预紧,管径变化时驱动臂[23]可以自行张开和收紧,带动套管[26]前后滑动,以适应管径,而不影响传动。套管[26]通过连杆把滑动动作传递给副支撑架[4]右端的滑环,滑环
[21]可以自由前后滑动,上面铰接着连杆[22],连杆[22]与挡水翼[7]中部铰接,如此,管径的变化可以从驱动轮臂[23]传导到挡水翼[7],做出相应张开或收紧动作。
[0018] 三组从动轮机构内有弹簧[16]预紧,可以适应不同的管径,将从动轮牢牢压在管道内壁。从动轮架[14]里端装有滑键,使从动轮架[14]只能滑动而不能转动,保证从动轮
[13]沿轴线方向前进。

Claims (6)

1. 一种流体驱动为主,驱动轮驱动为辅的自适应管道爬行器,其特征是:它包括变径适应机构、驱动行走机构、从动行走机构和伞状挡水翼机构和分流阀结构。
2.变径适应机构是:驱动架[23]壳体一端通过转轴[33]与副支撑架壳体[4]铰接,副支撑架[4]后端滑管上有可自由滑动的套管[26],连杆[24]分别与驱动架[23]壳体的一端与套管一端铰接,套管内有弹簧[25],前端与套管[26]接触,后端由螺纹连接在副支撑架上[4]的调节预紧螺母[27]压紧,三根导杆[22] —端与套管[26]铰接,另一端与滑环[21]铰接,滑环[21]可在副支撑架[4]前端滑管上自由滑动,通过连杆与伞状挡水翼[7]中部铰接。
3.驱动行走机构结构是:通过滚动轴承安装在支撑架上的爬行器主动力轴[19]后端装有叶轮[10],叶轮[10]固定在轴上,主动力轴前端为蜗杆,同时与三个相互呈120°角的蜗轮[3]啮合,蜗轮[3]分别通过普通平键键[35]连在三根转轴[33]上,转轴[33]穿过副支撑架壳体[4]和驱动架壳体[23],另一端通过平键[32]连接着主动带轮[34],主动带轮[34]与从动带轮[28]通过同步带[31]连接,从动带轮[28]固连在转轴[29]上,转轴[29]另一端通过螺母[37]固定驱动轮[2],驱动轮与转轴间装有超越离合器[39]。
4.从动行走机构是:在主支撑架[9]前端装有三组结构相同均匀分布的从动轮结构,其结构是套筒固连在主支撑架[9]上,从动轮架[14] 一端可以插在套筒内,滑键[17]由三根螺钉固定在从动架上,从动轮架[14]可以在套管内定向滑动,套筒内装有预紧弹簧[16],弹簧一端与套筒中部台阶接触,另一端被固定在从动轮架[14]上的挡圈[12]压紧,套筒口处装有端盖[15]。
5.伞状挡水翼结构是:在主支撑架上导流管[9]入口处铰接有挡水翼结构,由两层叶片组I [8]和叶片组II [7]交错组成,每个叶片组沿周向均匀分布的12个叶片组成,叶片组I [8]在前面,中间装有预紧弹簧圈[20],叶片组II [7]在后面,每个叶片中部与导杆[6] 一端铰接,导杆[6]另一端与滑环[21]铰接,组成伞状结构。
6.分流阀结构是由装在在主支撑架[9]是前后由两个带孔的配流盘——动盘[11]和定盘[18]组成,定盘固定在支撑架上,动盘轴向固定,但可以沿着周向一定范围内转动。
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