CN105424817B - 一种导波检测用集成式管内机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导波检测用集成式管内机器人。其包括伸缩机构和两组支撑机构，伸缩机构的两端分别与一组支撑机构相连，所述伸缩机构为气缸，所述气缸内设有用于活塞复位的复位弹簧，支撑机构包括锥体、楔块、永磁体A、永磁体B，两个锥体同轴并同向设置，其中一个锥体与气缸的活塞杆连接，另一个锥体与气缸的缸体连接，楔块为三个并均滑动设置在锥体的锥面上，楔块的外侧面为可与管道内侧面配合的圆弧面，每个楔块内固定设置有所述永磁体B，在锥体的一端固定设置有三个所述的永磁体A分别与所述永磁体B对应，永磁体A和永磁体B相邻磁极的磁性相同，支撑机构的楔块或锥体上嵌入具有一定振动模态的压电探头。
Description
技术领域
本发明涉及一种导波检测用集成式管内机器人，主要用于在线管道的无损检测。
背景技术
作为五大运输工具之一,管道已广泛应用于人类生活和国防军工的各个领域，随着服役时间的增加，在管道表面陆续出现了如裂缝、腐蚀坑、结垢、穿孔、断裂等缺陷，对社会生产生活和国防安全造成了巨大威胁。为了解决这个问题，人们展开了针对管道状态监控的管内机器人和无损检测技术研究。根据无损检测设备所处位置的不同，现有检测方法分为管外检测与管内检测，前者在实施过程中容易受管外覆盖物、涂层、法兰等影响，后者则需要管内机器人的牵引。
管内机器人技术始于20世纪40年代，它可牵引无损检测设备在管道内运动来完成对管道的检测任务。
超声导波技术的出现为管道的快速、全方位检测提供了可能。超声导波是由超声波在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉及几何弥散形成的沿垂直于板厚方向或管道轴向传播的全截面固体波。导波沿管道轴向传播，如在传播路径上遇到气孔、裂纹等缺陷或损伤，声波会发生反射、折射、散射、吸收和模态转换，致使接收信号发生变化，接收信号中包含有发射和接收两点间结构整体性的大量信息，可发现被检件整个传播截面的缺陷。超声导波技术具有检测效率高、沿传播路径衰减小、一次检测距离远、全截面覆盖、可实现非直线检测等优点，受到了极大的关注。导波技术最早出现于薄板的探伤过程中，直到1957年Gazis利用弹性理论求得简谐波在无限长的空心圆柱体中传播的通解，导波技术才开始逐渐应用于管道检测的工程实践中。Greenspon对弹性理论进行了研究,并且发表了有关圆柱壳弥散曲线和位移场的论文。1979年,Thompson等将电磁声传感器应用于蒸汽发电机管道的裂缝检测。Silk和Bainton利用压电超声探头在热交换管道中激励超声导波，通过实验证明了超声导波技术对管道检测的可能性。在理论研究的基础上，国际上已陆续开发了一系列针对管道的导波检测产品，如英国Guided Ultrasonic公司开发的Wavemaker G4，英国Subsea-integrity公司生产的Guided wave testing system，英国PI公司研制的Teletest Focus+长距离管道腐蚀超声导波聚焦检测系统，美国西南研究院研制的长距离超声导波检测系统，而国内导波检测的代表产品为浙达精益的MSGW超声导波检测仪。这些产品广泛应用于石油石化工业输油输气管道网络、电力能源工业管道网络、桥梁悬挂管道、高温管线及伴热管线中。导波检测技术较其他常规无损检测(超声检测、涡流检测、漏磁检测、射线检测、渗透检测等)在长距离检测、在线监测、架空埋地管线检测等应用中，拥有明显技术优势。
然而，现有导波设备均作用于管壁外侧，在使用前需要先将设备安装部位附近的泥土等障碍物除去，然后通过人工操作将压电探头装设于管道外部，每一次安装调试过程都比较耗时，虽然在理想情况下一次性检测距离可达200多米，但相对现有管道长度而言，人工操作仍远远无法满足需求。而且，人们对管道内部的实时状况更为关注。
综上所述，尽管机器人技术与导波技术在管道检测方面均取得了一定的进展，但仍存在着一些未解决的问题。如何在保持导波技术于管道检测方面优势的同时，充分发挥管内机器人的长处，将激励位置由管外转为管内、增强导波对厚壁管道的检测能力、实现管内机器人技术与导波技术的有效结合均为目前国内外无论在理论上还是技术上均未解决好的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种结构简单、运动能力强、方便实现导波检测装置工作、于管内激发的导波检测用集成式管道机器人。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种导波检测用集成式管内机器人，其特殊之处是：其包括伸缩机构和两组支撑机构，所述伸缩机构的两端分别与一组所述的支撑机构相连，所述伸缩机构为气缸，所述气缸内设有用于活塞复位的复位弹簧，所述支撑机构包括锥体、楔块、永磁体A、永磁体B，两个所述锥体同轴并同向设置，其中一个所述锥体与所述气缸的活塞杆连接，另一个所述锥体与所述气缸的缸体连接，所述楔块为三个并均滑动设置在所述锥体的锥面上，所述楔块的外侧面为可与管道内侧面配合的圆弧面，每个所述楔块内固定设置有所述永磁体B，在所述锥体的一端固定设置有三个所述的永磁体A分别与所述的永磁体B相对应，所述永磁体A和永磁体B相邻磁极的磁性相同，所述支撑机构的楔块或锥体上嵌入具有一定振动模态的压电探头。
本发明在管道内工作时，高压气体给伸缩机构供气，伸缩机构的气缸的活塞杆被推出，在活塞与气缸缸体间作用力与反作用力的推动下，位于气缸一侧的支撑机构受到向左的外力，而另一侧的支撑机构受到向右的外力，由于两组支撑机构同向设置，因此，在外力作用下，其中一组支撑机构中的楔块、锥体与管道内壁会有卡紧的趋势，如果楔块的斜面角度满足一定要求，这三者将产生锁止现象，而另一侧的支撑机构由于受到相反方向的外力，支撑机构的楔块在摩擦力的作用下将会与管道内壁分开，该侧支撑机构在外力的作用下将向前滑动。楔块与管壁的分开只是短暂的，楔块在永磁体A和永磁体B的磁斥力的作用下会很快与管道内壁再次产生接触。在气压的推动下，气缸活塞将复位弹簧压缩至最短工作长度，然后气缸泄压，复位弹簧推动活塞复位，此时气缸两侧的支撑机构所受外力与之前相反，原来滑动的一侧的支撑机构在外力作用下与管道内壁发生锁止，而另一侧原来处于锁止状态的支撑机构则在外力作用下向气缸所在侧滑动，如此反复动作，实现机器人在管道内的运动。机器人在管道内运动时，通过设置在支撑机构的楔块或锥体上的压电探头在管道内激励形成一定模态的导波，对管道状况进行检测。
进一步的，所述支撑机构为斜块入射式支撑机构，其是在所述锥体上沿锥体周向等间距嵌入沿厚度方向振动的压电探头C，生成的纵波通过楔块由管道内壁入射并于管道内生成L(0，m)模态导波。
进一步的，所述支撑机构为贴合入射式支撑机构，其是在所述楔块外表面沿圆周方向等间距嵌入沿长度方向振动的压电探头A和沿圆周方向振动的压电探头B，压电探头A和压电探头B各自成环状排列并多排排列，分别激励形成L(0,m)模态导波和T(0,m)模态导波。
为便于楔块沿锥体滑动，所述锥体的锥面上均匀设有三条燕尾槽，所述楔块的下部为燕尾形结构，所述楔块通过其下部的燕尾形结构与所述锥体上的燕尾槽配合。
为便于永磁体固定，所述楔块内开有方孔，所述永磁体B固定设置在所述方孔内。
本发明具有结构紧凑、运动能力强，通过将导波压电探头集成于管内机器人机体上，在机器人运动的同时激励管道导波，实现了管内激发的导波检测，并且本发明无需反复装设检测装备、无需进行管道覆盖物的清理等前期工作，在每次检测过程中可省去极为耗时的压电探头的装设过程，实现了长距离管道的分段检测，从而提升每段被检管道的检测精度，而现有导波检测方法为了获得较长的单次检测距离长度需要降低检测频率、增大检测波长，造成检测精度的损失；同时，由于本发明可实现管内激发的导波，这使内外双环激励导波成为可能，进而突破管道壁厚对导波检测方法应用的限制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图及运动原理图，其中，a为初始状态，b为活塞杆伸出状态，c为活塞杆缩回状态，d为动作完成；
图2是本发明中的支撑机构的结构示意图(不包含压电探头)；
图3是图2中的支撑机构的剖视示意图；
图4是图2中的楔块的结构示意图；
图5是现有技术中的管外导波激励方法示意图，其中，a为厚度方向振动斜入射式，b为长度方向振动贴合入射式，c为圆周方向振动贴合入射式；
图6是本发明的管内导波激励方法中厚度方向振动斜入射式的示意图；
图7是本发明的管内导波激励方法中长度方向振动贴合入射式的示意图；
图8是本发明的管内导波激励方法中圆周振动贴合入射式的示意图；
图9是本发明中的斜入射集成式压电探头布置方式示意图；
图10是图9中的A-A示意图；
图11是本发明的贴合入射集成式压电探头内部结构示意图；
图12是图11的侧视示意图；
图中，1是伸缩机构，11是气缸，12是活塞，13是复位弹簧，2是支撑机构，21是锥体，211是燕尾槽，22是楔块，221是斜面，222是方孔，223是圆弧面，224是燕尾形结构，23是永磁体A，24是永磁体B，25是压电探头C，26是压电探头A，27是压电探头B，3是管道，4是气压管路，5是导线，51是正极导线，52是负极导线，6是管内机器人，7是振动方向，8是磁斥力，9是外力。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
如附图所示，一种导波检测用集成式管内机器人，其包括伸缩机构1和两组支撑机构2，所述伸缩机构1的两端分别与一组所述的支撑机构2相连。所述伸缩机构1为气缸，气缸内设有用于活塞复位的复位弹簧13。所述支撑机构2包括锥体21、楔块22、永磁体A23、永磁体B24，锥体21为细长形回转锥台，锥角为α，两个锥体21同轴并同向设置，其中一个锥体21与气缸的活塞杆连接，另一个锥体21与气缸的缸体连接。所述楔块22为三个，并均滑动设置在所述锥体21的锥面上，三个楔块22沿锥体21的锥面圆周方向等角度设置，三个楔块22可沿锥体21轴向滑动的同时上升或下降，所述楔块22的外侧面为可与管道内侧面配合的圆弧面223，楔块22的底部为斜面，在楔块22滑动过程中其圆弧面223保持水平，以与管道3内壁实现较好的接触；每个楔块22内固定设置有所述永磁体B24，在所述锥体21的小端固定设置有三个所述的永磁体A23，该三个永磁体A23分别与三个所述永磁体B24相对应，所述永磁体A23和永磁体B24的磁性相同。在永磁体A23和永磁体B24的磁斥力的作用下，永磁体B24和与其配合的楔块22被推至锥体21的顶端。根据导波激励方式的不同，所述支撑机构2的楔块22或锥体21上嵌入具有一定振动模态的压电探头。所述支撑机构2按照导波激励方式的不同分为斜块入射式支撑机构和贴合入射式支撑机构两种类型，其中，斜块入射式支撑机构，其是在所述锥体21上沿锥体周向等间距嵌入沿厚度方向振动的压电探头C25，生成的纵波通过楔块22由管道内壁入射并于管道内生成L(0，m)模态导波；贴合入射式支撑机构，其是在所述楔块22外表面沿圆周方向等间距嵌入沿长度方向振动的压电探头A26和沿圆周方向振动的压电探头B27，压电探头A26和压电探头B27各自成环状排列并多排排列，分别激励形成L(0,m)模态导波和T(0,m)模态导波。
为便于楔块11沿锥体21滑动，本实施例中所述锥体21的锥面上沿轴向均匀设有三条燕尾槽211，所述楔块22的下部为燕尾形结构224，所述楔块22通过其下部的燕尾形结构224与所述锥体21上的燕尾槽211配合。燕尾槽211底部斜面221与水平线的夹角同样为α。为便于固定永磁体，本实施例中，所述楔块22内开有方孔222，所述永磁体B24固定设置在所述方孔222内，永磁体A23固定设置在沿燕尾槽的方向，使其与永磁体B24在轴向实现最大面积的面对面相向。
根据附图1所示导波检测用集成式管内机器人的运动机理可描述为：
图1(a)中复位弹簧13处于最大工作长度状态，此时高压气体经由气压管路4给伸缩机构1供气，活塞12被推动，气缸11的活塞杆被推出，在活塞12与气缸11间作用力与反作用力的推动下，位于左侧的支撑机构2受到向左的外力9，而右侧支撑机构2受到向右的外力9。由于两组支撑机构2同向设置，因此，在受到向左的外力9的作用下，左侧支撑机构2中的楔块22、锥体21与管道3内壁会有卡紧的趋势，如果楔块的斜面角度α满足一定要求，这三者将产生锁止现象。而右侧支撑机构2由于所受到的外力9方向为右，楔块22在摩擦力的作用下将会与管道3内壁分开，没有了楔块22与管道3内壁间摩擦力的阻碍，该侧支撑机构2将向右滑动。应当注意，楔块22与管壁的分开只是短暂的，楔块22在磁斥力8的作用下会很快与管道3内壁再次产生接触。图1(a)中所示左侧楔块22与管道3内壁完全接触，而右侧楔块22则与管道3内壁留有一定的间隙，这仅仅是为了说明两者在摩擦力大小方面的区别，在实际运行中两者与管道3内壁都是始终接触的。在气压的推动下，活塞12与右侧支撑机构2运动至图1(b)所示位置，气缸11与左侧支撑机构2在有锁止发生的情况下与管道3内壁保持静止，复位弹簧13被压缩至最短工作长度。此时气压管路4泄压，气缸11内气压减小，复位弹簧13推动活塞12左移。此时，左右侧支撑机构2所受外力9与先前相反，致使右侧支撑机构2与管道3内壁发生锁止而左侧支撑机构2沿管壁向右滑动，如图1(c)所示，到达图1(d)所示状态时完成一个运动过程。对比图1(a)与图1(d)，两者各部件状态完全相同，表明一个运动周期已经完成，获得有效行进距离Δs。如此反复，实现机器人在管道内的运动。机器人在管道内运动时，通过设置在支撑机构2的楔块22或锥体21上的压电探头在管道内激励形成一定模态的导波，对管道状况进行检测。
本实施例中的管内导波激励方法示意图如附图6-图8所示。
本实施例中，斜入射导波形成所需的压电探头25的布置具体形式如附图9-图10所示，沿锥体21圆周方向嵌入三件厚度方向振动的压电探头25，与楔块22的下部的斜面平齐，将纵波以锥角α入射至管壁内表面，控制信号与数据信号通过导线5传输。
本实施例中，贴合式管道导波激励方式的压电探头26和压电探头27的布置方式如附图11-图12所示，将永磁体B 24下移的同时在楔块22上方的圆弧面223处嵌入两组压电探头26、27，其中一组为长度伸缩型，一组为圆周向伸缩型。由于楔块22是可以在锥体21的燕尾槽内滑动的，为了实现良好的电信号传输，可以将燕尾槽设计成热靴形式，楔块22与锥体21间通过滑片实现不间断连接，控制信号与数据信号通过导线正极51与负极52传输。
本实施例中的其他部分采用已知技术，在此不再赘述。
Claims (3)
1.一种导波检测用集成式管内机器人，其特征是：包括伸缩机构(1)和两组支撑机构(2)，所述伸缩机构(1)的两端分别与一组所述的支撑机构(2)相连，所述伸缩机构(1)为气缸，所述气缸内设有用于活塞复位的复位弹簧(13)，所述支撑机构(2)包括锥体(21)、楔块(22)、永磁体A(23)、永磁体B(24)，两个所述锥体(21)同轴并同向设置，其中一个所述锥体(21)与所述气缸的活塞杆连接，另一个所述锥体(21)与所述气缸的缸体连接，所述楔块(22)为三个并均滑动设置在所述锥体(21)的锥面上，所述楔块(22)的外侧面为可与管道内侧面配合的圆弧面，每个所述楔块(22)内固定设置有所述永磁体B(24)，在所述锥体(21)的一端固定设置有三个所述的永磁体A(23)分别与所述永磁体B(24)对应，所述永磁体A(23)和永磁体B(24)相邻磁极的磁性相同，所述支撑机构(2)的楔块(22)或锥体(21)上嵌入具有一定振动模态的压电探头；所述支撑机构(2)为斜块入射式支撑机构，其是在所述锥体(21)上沿锥体周向等间距嵌入沿厚度方向振动的压电探头C(25)，生成的纵波通过楔块(22)由管道内壁入射并于管道内生成L(0, m)模态导波；或者所述支撑机构(2)为贴合入射式支撑机构，其是在所述楔块(22)外表面沿圆周方向等间距嵌入沿长度方向振动的压电探头A(26)和沿圆周方向振动的压电探头B(27)，压电探头A(26)和压电探头B(27)各自成环状排列并多排排列，分别激励形成L(0,m)模态导波和T(0,m)模态导波。
2.根据权利要求1所述的导波检测用集成式管内机器人，其特征是：所述锥体(21)的锥面上均匀设有三条燕尾槽(211)，所述楔块(22)的下部为燕尾形结构(224)，所述楔块(22)通过其下部的燕尾形结构与所述锥体(21)上的燕尾槽配合。
3.根据权利要求2所述的导波检测用集成式管内机器人，其特征是：所述楔块(22)内开有方孔(222)，所述永磁体B(24)固定设置在所述方孔(222)内。
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Non-Patent Citations (1)
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| 基于自主锁止机理的管内机器人机构设计与特性研究;乔晋崴;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20140415(第4期);第6.3节、第2.2节 * |
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