CN106269622B - 全自动水下构建物超声探伤清洗机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，水面作业船，船上设有为水下各执行系统提供源动力的动力系统；水下执行系统，包括：主支架、浮桶和清洗执行器，主支架与浮桶活动连接，清洗执行器装配于主支架上；清洗执行器包括移动式滚刷支架、滚刷、滚刷支架的推动装置、流液清洗装置，推动装置驱动滚刷支架在主支架的腔体内外往复移动，滚刷支架上装配有若干滚刷和流体清洗装置，各滚刷之间通过传动机构连接，并由一个旋转驱动装置驱动。通过上述方式，本发明实现在水下的自动行走和作业，同时只需要作业船牵引，就可实现任何区域的移动清洗作业；清洗执行器可清洗任何表面和深层污垢，基本没有清洗死角，完全达到大坝的维护修补条件。
Description
技术领域
本发明涉及水下清洗领域，特别是涉及一种适用于水库坝体、闸门等清洗工作的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人。
背景技术
我国的大坝大都建于解放初期和七八十年代，随着自然性腐蚀和老化，大坝渗漏现象比较普遍，大坝安全倍受国家关注，但目前补漏和维护是个世界难题，常规采取潜水员水下人工作业的方式进行，不但费工费时，操作也受季节影响，对于有些安全级别很高的大坝只能采取排空水的方式进行修补，耗资巨大，为了保证大坝安全，有些被迫采取新建大坝的方式进行处理，投资十分巨大。
目前也有采取高压射流或液哨的方式进行水下清洗，但随着水深产生的压强变化、环境温度的变化、污垢属性的变化，高压射流液哨效果就难以满足清洗要求，清洗过程中的可操控性也难以实现，存在一定技术缺陷。
也有利用空化射流原理进行水下构建物的清洗，但都未突破水下无人操作、岸上定位后自动清洗技术，存在一定技术缺陷。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，能够协同滚刷清洗、水下摄像、超声探伤、自动行走等功能，更进一步实现全方位自动探伤清洗。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，包括：
水面作业船，船上设有为水下各执行系统提供源动力的动力系统；
水下执行系统，包括：主支架、浮桶和清洗执行器，主支架与浮桶活动连接，清洗执行器装配于主支架上；
清洗执行器包括移动式滚刷支架、滚刷、滚刷支架的推动装置、流液清洗装置，推动装置驱动滚刷支架在主支架的腔体内外往复移动，滚刷支架上装配有若干滚刷和流体清洗装置，各滚刷之间通过传动机构连接，并由一个旋转驱动装置驱动；
控制系统，用于指挥、运行和监控水面作业船和水下执行系统。
在本发明一个较佳实施例中，主支架上至少设有4个定位装置，协同推动装置一起伸缩。
在本发明一个较佳实施例中，主支架与浮桶之间通过翻转装置连接，翻转装置带动清洗执行器任意角度旋转。
在本发明一个较佳实施例中，主支架边框四周设有与清洗对象密封连接用密封隔离体。
在本发明一个较佳实施例中，主支架上设有顶部压缩空气控制阀、底部气动排水阀，以及设于上、下、前、后部的螺旋桨推进器。
在本发明一个较佳实施例中，主支架上设有水下摄像头，水下摄像头将清洗执行器的实时状况反馈给控制系统。
在本发明一个较佳实施例中，主支架上设有还设有水下超声探伤仪，根据水下摄像头反馈的情况，初步确定需要清洗的大区域方位，再由水下超声探伤仪进行精准定位，形成图像反馈给控制系统。
在本发明一个较佳实施例中，流体清洗装置为高压喷流液哨，由高压清洗机组提供流体供给，流体流速80-160m/s，与清洗对象接触的流体压力为150-190Mpa。
在本发明一个较佳实施例中，浮桶用于承载和控制整个清洗执行器的上浮和下沉，当开启浮桶上端的气动阀、打开浮桶下端排水进水阀时，桶内液体被排出，通过调节排水量和排水速度来控制上浮速度，反之，打开浮桶顶端排气阀、打开浮桶下端排水进水阀时，在水压强和浮桶重量下，向桶内开始注水，通过调节排气量和进水速度来控制下沉速度。
在本发明一个较佳实施例中，包括以下清洗模式：
滚刷清洗模式：滚刷支架在推动装置的作用下伸出到主支架腔体外，四个定位装置伸出，主支架后部的螺旋桨推进器将主支架和清洗执行器一起推动，与被清洗面进行接触，在旋转驱动装置的驱动下，滚刷与被清洗对象摩擦产生作用力，对被清洗物进行刷洗；
流体清洗模式：首先将滚刷支架在推动装置的作用下缩回到主支架腔体内，主支架后部的螺旋桨推进器将主支架上的密封隔离体与被清洗面进行接触，从主支架顶部开始注入压缩空气，同时主支架底部的气动排水阀打开，这时主支架内腔内的液体在压缩空气的作用下排空，流体清洗装置开始工作，流体中产生大量空化泡，与流体的高压冲击力协同对清洗对象的细小裂缝进行深度清洗。
本发明的有益效果是：本发明能够实现在水下的自动行走和作业，同时只需要作业船牵引，就可实现任何区域的移动清洗作业；清洗执行器可清洗任何表面和深层污垢，基本没有清洗死角，完全达到大坝的维护修补条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明全自动水下构建物超声探伤清洗机器人中水面作业船的一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明全自动水下构建物超声探伤清洗机器人中水下执行系统的一较佳实施例的结构示意图；
图3是图2所示水下执行系统中清洗执行器的右视图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本发明实施例包括：
一种全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，包括：
水面作业船1，船上设有为水下各执行系统提供源动力的动力系统，包括发电机组1-1、压缩空气工作站1-2、高压清洗机1-3和液压工作站1-4。
发电机组1-1为标准发电机，为动力设备和电器控制系统提供电源条件。
压缩空气工作站1-2为标准空压机，为气动设备和控制系统提供压缩空气源。
高压清洗机1-3由市场现有的高压喷淋清洗机进行改装使用，为设备高压射流液哨系统提供高压流体源。
液压工作站1-4由马达、油泵、油箱、散热器、高压油管、调压阀、流量阀等组成，为水下执行机器人提供液压流体动力源。
水下执行系统2，包括：主支架2-1、浮桶2-2和清洗执行器2-3，主支架2-1与浮桶2-2活动连接，清洗执行器2-3装配于主支架2-1上。
主支架2-1由不锈钢板焊接组成，主支架2-1边框四周设有与清洗对象密封连接用密封隔离体2-1-1。密封隔离体2-1-1由软性材料组成，为主支架2-1与被清洗对象之间提供一个隔离密封条件。
前端设有至少四个带油缸的定位装置2-1-2，协同推动装置一起伸缩。由油缸、导柱、导套、滚轮、行程控制器、流量压力控制器等组成、当设备需要滚刷清洗时，定位装置2-1-2在油缸的作用下伸出，形成四个支点，为滚刷清洗提供一个稳定平面，当设备需要高压射流液哨清洗时定位装置在油缸的作用下缩回，为高压射流液哨清洗提供一个稳定平面。
主支架2-1与浮桶2-2之间通过翻转装置2-1-3连接，翻转装置2-1-3带动清洗执行器2-3任意角度旋转。本实施例中翻转装置优选为液压翻转马达2-1-3。
液压翻转马达2-1-3的一端固定在浮桶2-2上，另一端固定在主支架2-1上，当需要根据清洗对象的几何形状变换滚刷机构的体位时，在液压马达的作用下滚刷机构可以任意旋转角度，另一方面翻转马达的轴体内部为两个独立通道的空心体，分别与轴套之间进行连接，形成液压油的供给和回路连个公共通道。
顶部设有压缩空气控制阀2-1-4，由气动控制阀体2-1-4的开启和关闭，当需要排空主支架2-1腔内液体时气动阀开启，压缩空气进入主支架2-1腔体内部，腔内液体被排空。
底部设有气动排水阀2-1-5，当压缩空气进入主支架2-1腔体内部时，气动排水阀2-1-5打开，主支架2-1内部液体被排空。
上、下、前、后部的都设有螺旋桨推进器2-1-6。一方面便于产生推动力，另一方面获得整个系统在水下的行走能力和平衡，每个螺旋桨推进器2-1-6都是由液压马达独立驱动，独立流量、压力分配。
清洗执行器2-3包括移动式滚刷支架2-3-1、滚刷2-3-2、滚刷支架2-3-1的推动装置2-3-3、流液清洗装置2-3-4，推动装置2-3-3驱动滚刷支架2-3-1在主支架2-1的腔体内外往复移动，滚刷支架2-3-1上装配有若干滚刷2-3-2和流体清洗装置2-3-4，各滚刷之间通过传动机构2-3-5连接，并由一个旋转驱动装置2-3-6驱动。
滚刷支架2-3-1由不锈钢板焊接成型，在上下端分别安装2条燕尾槽导向机构2-3-1-1，配合推动装置2-3-3进行直线伸缩动作。
滚刷2-3-2包括不锈钢钢丝滚刷和尼龙丝滚刷。不锈钢钢丝滚刷由轴体表面植入不锈钢丝，定位轴承座等组成。尼龙丝滚刷由轴体表面植入尼龙丝，定位轴承座等组成。
旋转驱动装置2-3-6优选为液压旋转马达，在液压流体的作用下，马达形成旋转，通过控制液压压力可实现马达转速的控制，所有滚刷2-3-2共用一个旋转驱动，相互之间用链轮链条传动。
滚刷支架2-3-1的推动装置2-3-3优选为推进油缸，在主支架2-1和清洗执行器2-3之间设有一个油缸，当需要滚刷2-3-2清洗时，油缸伸出，滚刷2-3-2与被清洗对象接触，实现旋转刷洗，可根据滚刷磨损情况选择推进行程，保证滚刷刷体与被清洗对象之间一个稳定的接触面，另一方面当需要高压射流液哨清洗时，油缸缩回，整个清洗执行器2-3隐藏到主支架2-1腔体内部，确保不干涉主支架2-1与被清洗对象之间的密封。
流液清洗装置2-3-4优选为高压射流液哨：由高压清洗机提供流体供给，流体流速80-160m/s，清洗时流体压力为150-190Mpa，在喷头末端内腔装有一个金属薄片，金属薄片悬臂固定在喷头末端内部，在高压流体的作用下，金属薄片开始震动，产生液哨超声空化气泡，与流体的冲击力协同产生清洗作用。
清洗执行器2-3中还包括流量压力分配器2-3-7，每个液压旋转马达都独立匹配流量压力分配器，用于控制液压马达的转速和扭力。
控制系统3，由电器元器件3-1，控制面板3-2、监控显示屏3-3等组成，用于指挥、运行和监控水面作业船和水下执行系统。该系统可与动力系统一样，安装于水面作业船上，也可通过无线通信技术，将控制系统设于岸上。
主支架2-1上设有水下摄像头4，水下摄像头4将清洗执行器2-3的实时状况反馈给控制系统3。
水下摄像头将清洗执行器2-3的实时状况反馈给监控显示屏3-3，便于操作人员了解水下情况，另一方面将需要清洗对象的位置、周边情况反馈给监控显示屏3-3，便于操作人员选定有效清洗模式，当清洗完成后水下摄像头将清洗后的效果反馈给监控显示屏，便于操作人员判定清洗效果是否达标。
主支架2-1上设有还设有水下超声探伤仪5，根据水下摄像头4反馈的情况，初步确定需要清洗的大区域方位，再由水下超声探伤仪5进行精准定位，形成图像反馈给监控显示屏3-3。
浮桶2-2用于承载和控制整个清洗执行器2-3的上浮和下沉，当开启浮桶2-2上端的进气气动阀2-2-1、打开浮桶2-2下端排水进水阀2-2-2时，桶内液体被排出，通过调节排水量和排水速度来控制上浮速度，反之，打开浮桶2-2顶端排气气动阀2-2-3、打开浮桶2-2下端排水进水阀2-2-2时，在水压强和浮桶2-2重量下，向桶内开始注水，通过调节排气量和进水速度来控制下沉速度。
本发明包括以下2种清洗模式：
滚刷清洗模式：滚刷支架2-3-1在推动装置2-3-3的作用下伸出到主支架2-1腔体外，四个定位装置伸出，主支架2-1后部的螺旋桨推进器2-1-6将主支架2-1和清洗执行器2-3一起推动，与被清洗面进行接触，在旋转驱动装置的驱动下，滚刷与被清洗对象摩擦产生作用力，对被清洗物进行刷洗。
流体清洗模式：首先将滚刷支架2-3-1在推动装置2-3-3的作用下缩回到主支架2-1腔体内，主支架2-1后部的螺旋桨推进器2-1-6将主支架2-1上的密封隔离体与被清洗面进行接触，从主支架2-1顶部开始注入压缩空气，同时主支架2-1底部的气动排水阀打开，这时主支架2-1内腔内的液体在压缩空气的作用下排空，流体清洗装置开始工作，流体流速80-160m/s，与物体接触的流体压力为150-190Mpa，流体中产生大量空化泡，与流体的高压冲击力协同对清洗对象的细小裂缝进行深度清洗。
本发明基于高压射流液哨的进一步改进，协同滚刷清洗、水下摄像、超声探伤、自动行走等，更进一步实现全方位自动探伤清洗，适用于水库坝体、闸门等清洗工作。
全自动水下构建物超声探伤清洗机器人基本替代了传统潜水员作业，解决了传统作业的技术难点，为水下构建物的清洗提供了一个行之有效的技术指导和装备，为水下构建物维护单位减少了大量资金投入。
通过水下执行机器人协同浮桶2-2实现在水下的自动行走和作业，同时只需要作业船牵引，就可实现任何区域的移动清洗作业。
驱动能源上优选了液压、气动能源，水下电器控制优选了36V以下的安全电压，安全系数极高。
全自动水下构建物超声探伤清洗机器人清洗效果良好且效率极高，由滚刷机构进行粗洗，根据滚刷长度1.5米计算，与高压射流液哨的协同综合直线行走速度0.5米/min计算，清洗产能为45㎡/h，更进一步的被清洗物体与流体的接触压力为150-190Mpa，因为有滚刷机构，任何表面和深层污垢都可以清除，基本没有清洗死角，完全达到大坝的维护修补条件。
全自动水下构建物超声探伤清洗机器人实现了清洗执行器2-3的自动翻转变位，可以不受被清洗对象几何形状的限制，清洗平面型对象时，滚刷机构可以选择水平方向纵向行走清洗模式，清洗圆形对象时，滚刷机构可以选择垂直方向环绕行走清洗模式。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，包括：
水面作业船，船上设有为水下各执行系统提供源动力的动力系统；
水下执行系统，包括：主支架、浮桶和清洗执行器，主支架与浮桶活动连接，清洗执行器装配于主支架上，主支架边框四周设有与清洗对象密封连接用密封隔离体，主支架上设有顶部压缩空气控制阀、底部气动排水阀；
清洗执行器包括移动式滚刷支架、滚刷、滚刷支架的推动装置、流液清洗装置，推动装置驱动滚刷支架在主支架的腔体内外往复移动，滚刷支架上装配有若干滚刷和流体清洗装置，各滚刷之间通过传动机构连接，并由一个旋转驱动装置驱动；
控制系统，用于指挥、运行和监控水面作业船和水下执行系统。
2.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，主支架上至少设有4个定位装置，协同推动装置一起伸缩。
3.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，主支架与浮桶之间通过翻转装置连接，翻转装置带动清洗执行器任意角度旋转。
4.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，主支架上设有设于上、下、前、后部的螺旋桨推进器。
5.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，主支架上设有水下摄像头，水下摄像头将清洗执行器的实时状况反馈给控制系统。
6.根据权利要求5所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，主支架上设有还设有水下超声探伤仪，根据水下摄像头反馈的情况，初步确定需要清洗的大区域方位，再由水下超声探伤仪进行精准定位，形成图像反馈给控制系统。
7.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，流体清洗装置为高压喷流液哨，由高压清洗机组提供流体供给，流体流速80-160m/s，与清洗对象接触的流体压力为150-190Mpa。
8.根据权利要求1所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，浮桶用于承载和控制清洗执行器的上浮和下沉，当开启浮桶上端的气动阀、打开浮桶下端排水进水阀时，桶内液体被排出，通过调节排水量和排水速度来控制上浮速度，反之，打开浮桶顶端排气阀、打开浮桶下端排水进水阀时，在水压强和浮桶重量下，向桶内开始注水，通过调节排气量和进水速度来控制下沉速度。
9.根据权利要求1-8任一所述的全自动水下构建物超声探伤清洗机器人，其特征在于，包括以下清洗模式：
滚刷清洗模式：滚刷支架在推动装置的作用下伸出到主支架腔体外，四个定位装置伸出，主支架后部的螺旋桨推进器将主支架和清洗执行器一起推动，与被清洗面进行接触，在旋转驱动装置的驱动下，滚刷与被清洗对象摩擦产生作用力，对被清洗物进行刷洗；
流体清洗模式：首先将滚刷支架在推动装置的作用下缩回到主支架腔体内，主支架后部的螺旋桨推进器将主支架上的密封隔离体与被清洗面进行接触，从主支架顶部开始注入压缩空气，同时主支架底部的气动排水阀打开，这时主支架内腔内的液体在压缩空气的作用下排空，流体清洗装置开始工作，流体中产生大量空化泡，与流体的高压冲击力协同对清洗对象的细小裂缝进行深度清洗。
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