CN107064297B - 一种开放式环管爬行检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种开放式环管爬行检测装置，这种开放式环管爬行检测装置包括驱动机构、轨道夹持机构、检测机构，轨道夹持机构为开口环状的，轨道夹持机构的两端各设置一套驱动机构，检测机构固定在轨道夹持机构内侧；轨道夹持机构是连接环与套环间隔设置形成的环向可伸缩的关节式结构，连接环伸入到相邻的套环中并通过连接环齿条与套环连接；检测机构的内齿条轨道为分块式轨道，内齿条轨道上设置滑动夹持座，滑动夹持座与内齿条轨道滑动连接，检测电机带动主动轮，主动轮与内齿条轨道啮合，超声轮式探头设置在内齿条轨道的外侧。本发明可自由伸缩来改变检测范围，可根据需要增加连接环与套环的数量，以适应不同管径，能对管道进行全面检测。

Description

一种开放式环管爬行检测装置

技术领域

本发明涉及用于管道外壁腐蚀缺陷检测装置，具体涉及一种开放式环管爬行检测装置。

背景技术

现代工农业生产及日常生活中使用着大量管道，如化工厂的蒸汽发生器传热管，石油、电力、制冷行业的工业管道和煤气管道等，多数管道常年应用且维修较少又加之其安装环境人不能直接到达或不允许人直接介入，为了进行质量检测和故障诊断，采用传统的人工检测法、随机抽样法或SCADA系统法，工程量大，准确率低，因此需要开发管道机器人来解决这些实际问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种开放式环管爬行检测装置，这种开放式环管爬行检测装置用于解决目前我国化工、石油等常用管道腐蚀缺陷检测难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种开放式环管爬行检测装置包括驱动机构、轨道夹持机构、检测机构，轨道夹持机构为开口环状的，轨道夹持机构的两端各设置一套驱动机构，检测机构固定在轨道夹持机构内侧；轨道夹持机构是连接环与套环间隔设置形成的环向可伸缩的关节式结构，连接环伸入到相邻的套环中并通过连接环齿条与套环连接；驱动机构包括车轮板、驱动电机、转向电机、驱动车轮，车轮板上设置有铰链，连接环通过铰链与车轮板铰接，驱动车轮上设置有磁铁圈，驱动机构在PLC的控制下实现转向和运动；检测机构包括内齿条轨道、检测电机、主动轮、超声轮式探头，内齿条轨道为分块式轨道，内齿条轨道上设置滑动夹持座，滑动夹持座与内齿条轨道滑动连接，检测电机固定在滑动夹持座上，检测电机带动主动轮，主动轮与内齿条轨道啮合，超声轮式探头的尺寸大于主动轮的尺寸，超声轮式探头设置在内齿条轨道的外侧，超声轮式探头与管道相接触。

上述方案中轨道夹持机构为双关节式结构，由前、后两个环向可伸缩的关节式结构连接构成，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的连接环一一对应设置，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的套环一一对应设置，前、后两个环向可伸缩的关节式结构在各自的套环处通过连接杆连接，连接杆与内齿条轨道通过连接头连接，通过螺杆和螺栓的配合将内齿条轨道与轨道夹持机构固定连接。这样，可通过连接杆在管道环向拉伸连接环和套环自由伸缩运动来改变检测范围，并在跨越弯管等处时，控制连接环和套环的变动，使驱动机构和轨道夹持机构形成合适的角度，顺利通过弯管处而不被卡死。并可根据需要增加连接环与套环的数量或更换不同曲率半径的连接环与套环，以适应不同管径，连接环齿条的连接方便连接环与套环的伸缩。

上述方案中检测电机连接减速箱，减速箱连接主动轮，主动轮和超声轮式探头分别位于减速箱的两侧，主动轮位于内齿条轨道的中心齿条处，超声轮式探头通过其中心位置的轮轴与减速箱外壳相连，使超声轮式探头得到固定。

上述方案中超声轮式探头外表面为橡胶轮套，通过橡胶轮套与管道进行干耦合，超声波探头置于其内部，超声轮式探头的轮内空隙地方注入耦合介质，在超声轮式探头内部，设计多个探头晶片，增加检测范围，向管壁的各个方向发射声波。

上述方案中超声轮式探头的外表面具有一个标记平面，超声轮式探头上与该标记平面相对的一面为检测面，超声轮式探头内探头晶片的方向指向检测面，检测面与管道相切，使得超声轮式探头在管道上环向平动，通过在超声轮式探头设置一个标记平面，可实现区分探头的方向，保证探头的方向始终垂直管道。

上述方案中探头晶片均被固定在轮轴上，每个晶片均为自发自收形式；可设置三个探头晶片，其中两个为检测探伤晶片，一个为耦合监视晶片；耦合监视晶片监视耦合状态的好坏，及时发现问题并采取相应措施。

上述方案中车轮板为直角形的，其中一面上设置铰链，另一面固定转向电机，转向电机连接转向齿轮组，转向齿轮组连接轮架，驱动车轮安装在轮架内；驱动电机固定在轮架侧壁，驱动电机连接驱动齿轮组，驱动齿轮组与驱动车轮通过轴连接。

上述方案中检测电机采用步进电机，由于本发明采用的是分块式的轨道，需要控制主动轮在轨道上行驶的距离，以实现精度的较高要求。

上述方案中内齿条轨道由两块内齿条轨道连接构成，每块内齿条轨道均设置有滑动夹持座、检测电机、主动轮、超声轮式探头。轨道采用的是刚性材料，自身没有变形效果而且轨道上有检测夹持装置，不能采用套合式的拼接轨道，为了避免在跨越障碍物时由于弧度大而导致轨道与管道之间的卡死现象，所以采用弧度小的分块式轨道。

上述方案中开放式环管爬行检测装置在管道上的跨度为220°，可保证检测装置平稳、安全在管道上运行，完成检测的过程。

上述方案中开放式环管爬行检测装置具备两种实现变径的方式，变径一：检测之前通过预先了解被检管道的直径来选取不同曲率半径的连接环与套环实现较大范围的变径，曲率半径不同的连接环与套环对应一定范围的管道检测；变径二：当检测装置安装在管道上时，通过轨道夹持机构的变形实现检测装置过异径管。

本发明具有以下有益效果：

1、开放式环管爬行检测装置是运用可伸缩的关节式移动特性来完成运动和检测，检测装置由驱动机构、轨道夹持机构、检测机构连接组成，轨道夹持机构是由连接环与套环间隔设置形成的环向可伸缩的关节式结构，连接环伸入到相邻的套环中并通过齿条与套环连接，可通过连接杆在管道环向拉伸连接环和套环自由伸缩来改变检测范围，并可根据需要增加连接环与套环的数量，以适应不同管径。由于检测机构在检测时进行的是环管检测，保证对管道检测的全面性。

2、开放式环管爬行检测装置的检测机构采用的是超声波轮式探头检测技术，可以在检测车轮中合理的增加检测探头以满足检测范围，提高检测效率。驱动机构采用一种轮式行走结构形式，轮式主体部分与管道相接触，可以承受一定程度的载荷，可实现在管道轴向的快速行走，减少时间，根据管道的特性，使用轮式行走机构也可以很好的达到过弯的目的。同时此结构简单紧凑，运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，做各种合理变化设计，具有较好的经济技术效果。

3、开放式环管爬行检测装置具备两种实现变径的方式，变径一：检测之前通过预先了解被检管道的直径来选取不同曲率半径的连接环与套环实现较大范围的变径。曲率半径不同的连接环与套环对应一定范围的管道检测。变径二：当检测装置安装在管道上时，通过轨道夹持机构的变形实现检测装置过异径管等。开放式环管爬行检测装置在管道上的跨度为220°，可保证检测装置平稳、安全在管道上运行，完成检测的过程。

附图说明

图1是本发明的总体示意图；

图2是本发明中驱动机构示意图；

图3是本发明中检测机构示意图；

图4是本发明中超声轮式探头内部布置示意图；

图5是本发明中夹持机构示意图；

图6是本发明中去除前部分环向关节式结构的夹持机构示意图；

图7是本发明在管道上的跨度为220°示意图；

图8是本发明工作示意图；

图9是本发明工作流程示意图。

图中：图中：1车轮板，2转向电机，3转向齿轮组，4驱动齿轮组，5驱动电机，6驱动车轮，7磁铁圈，8滑动夹持座，9内齿条轨道，10减速箱，11检测电机，12主动轮，13超声轮式探头，14轮轴，15耦合介质，16检测探伤晶片，17耦合监视晶片，18连接环，19套环，20连接杆，21铰链，22橡胶轮套，23连接环间齿条，24连接头，25轮架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，这种开放式环管爬行检测装置包括驱动机构、轨道夹持机构、检测机构，轨道夹持机构为开口环状的，轨道夹持机构的两端各设置一套驱动机构，检测机构固定在轨道夹持机构内侧。开放式环管爬行检测装置在管道上的跨度为220°，可保证检测装置平稳、安全在管道上运行，完成检测的过程。当本发明安装在管道上时，通过轨道夹持机构的变形实现检测仪越障、过异径管等。

本实施方式中，轨道夹持机构为双关节式结构，由前、后两个环向可伸缩的由连接环18与套环19间隔设置形成的关节式结构连接构成，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的连接环18一一对应设置，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的套环19一一对应设置，连接环18伸入到相邻的套环19中并通过连接环间齿条23与套环19连接，前、后两个环向可伸缩的关节式结构在各自的套环19处通过连接杆20连接，连接杆20与内齿条轨道9通过连接头24连接，通过螺杆和螺栓的配合将内齿条轨道9与轨道夹持机构固定连接。这样，可通过连接杆20在管道环向拉伸连接环18和套环19自由伸缩运动来改变检测范围，并在跨越弯管等处时，控制连接环18和套环19的变动，使驱动机构和轨道夹持机构形成合适的角度，顺利通过弯管处而不被卡死。并可根据需要增加连接环18与套环19的数量或更换不同曲率半径的连接环18与套环19，以适应不同管径，连接环间齿条23的连接方便连接环18与套环19的伸缩。

驱动机构包括车轮板1、驱动电机5、转向电机2、转向齿轮组3，驱动齿轮组4、驱动车轮6，车轮板1上设置有铰链21，连接环18通过铰链21与车轮板1铰接，铰链21让检测装置在变径时适应管道、行走时适应管道的复杂变化情况；驱动车轮上设置有磁铁圈7，磁铁圈7安装在驱动车轮6的正中间部位，以镶嵌的形式镶嵌在驱动车轮6上。驱动机构在PLC的控制下实现转向和运动，由于磁铁的吸附作用，磁铁圈7可保证驱动车轮6在水平管道与垂直管道上运动都可以使其紧贴管道，以及在过三通等结构时亦能保证检测装置能吸附在管道表面。

本实施方式中车轮板1为直角形的，其中一面上设置铰链21，另一面固定转向电机2，转向电机2连接转向齿轮组3，转向齿轮组3连接轮架25，驱动车轮6安装在轮架25内；驱动电机5固定在轮架25侧壁，驱动电机5连接驱动齿轮组4，驱动齿轮组4与驱动车轮6通过轴连接。转向电机2实现转向，驱动电机5实现整体的驱动。为了实现检测装置跨越焊缝、接管以及弯头等，需要对电机的输出动力进行精准的控制，驱动电机5可选择步进电机，主要由于其点位控制性能好，没有累积误差，易于实现开环控制等多方面因素。

检测机构包括内齿条轨道9、检测电机11、主动轮12、超声轮式探头13，内齿条轨道9为分块式轨道，本实施方式中内齿条轨道9由两块内齿条轨道连接构成，每块内齿条轨道均设置有滑动夹持座8、检测电机11、主动轮12、超声轮式探头13。滑动夹持座8与内齿条轨道9滑动连接，检测电机11固定在滑动夹持座8上，检测电机11连接减速箱10，减速箱10连接主动轮12，主动轮12和超声轮式探头13分别位于减速箱10的两侧，主动轮12位于内齿条轨道9的中心齿条处，超声轮式探头13设置在内齿条轨道的外侧，超声轮式探头13通过其中心位置的轮轴14与减速箱10外壳相连，使超声轮式探头13得到固定。检测电机11带动主动轮12，主动轮12与内齿条轨道9啮合，超声轮式探头13的尺寸大于主动轮的尺寸，主动轮12通过齿轮啮合沿着内齿条轨道9运动，带动超声轮式探头13在管道表面上平动，超声轮式探头13外表面为橡胶轮套22，通过橡胶轮套22与管道进行干耦合。超声波探头晶片置于其内部，安装在轮轴14上，超声轮式探头13内空隙地方注入耦合介质15，在超声轮式探头13内部，可设计多个探头晶片，增加检测范围，向管壁的各个方向发射声波。

超声轮式探头13的外表面具有一个标记平面，超声轮式探头13上与该标记平面相对的一面为检测面，超声轮式探头13内探头晶片的方向指向检测面，检测面与管道相切，使得超声轮式探头13在管道上环向平动，通过在超声轮式探头13设置一个标记平面，可实现区分探头的方向，保证探头的方向始终垂直管道。

探头晶片均被固定在轮轴上，每个晶片均为自发自收形式；可设置三个探头晶片，其中两个为检测探伤晶片16，一个为耦合监视晶片17；亦可设计多个检测探伤晶片，增加检测范围；耦合监视晶片17监视耦合状态的好坏，及时发现问题并采取相应措施。

检测机构通过检测电机11的驱动、减速箱10中齿轮的传动，带动齿轮在内齿条轨道上进行啮合转动，齿轮也是检测机构中的主动轮12，带动减速箱10另一侧的超声轮式探头13在管道表面上环管平动并检测，以保证探头的方向始终垂直管道。主动轮12与内齿条轨道9齿轮啮合转动而不与管道接触，超声轮式探头13设置在内齿条轨道9的外侧只与管道相接触，超声轮式探头13的尺寸大于主动轮12的尺寸。检测电机11采用的电机是步进电机，由于本发明采用的是分块式的轨道，需要控制主动轮12在内齿条轨道9上行驶的距离，以实现精度的较高要求。

这种开放式环管爬行检测装置的所有部件的运动都是通过电机进行动力传递，对驱动机构和轨道夹持机构有稳定性好、操作方便的要求，选用可编程控制器（PLC)对本发明中驱动电机5和检测电机11进行控制。

本发明中首先通过PLC控制驱动车轮6中的步进驱动电机5工作，通过驱动车轮6上的磁铁圈7吸附在管道表面上，电机输出轴带动驱动车轮6转动，通过车轮板1上的铰链21带动整体装置沿管道轴向运动，当驱动车轮6运动一段距离后停止运动，此时检测机构中的主动轮12在检测电机11的带动下，绕内齿条轨道9转动，带动超声轮式探头13在管道表面上绕着管道环向进行平动，进行管道腐蚀探伤。如此过程一直循环，直到将被检管道检查完毕。设计的开放式环管爬行检测装置在管道上做有序的循环运动，包括电机转动与停止以及每一个关节的运动都受到控制系统的控制，检测装置在管道上运动检测的工作流程参阅图9。

这种开放式环管爬行检测装置的实验使用方法：

1、工作原理

开放式环管爬行检测装置采用分段式检测形式，其基本原理是驱动机构带动整体装置先是沿着管道轴向运动一段距离后停止运动，然后检测机构在管道上环管运动并进行检测。重复这样的运动形式，来使整体检测装置向着指定方向移动。轨道夹持机构为开口环状的，检测机构设置在轨道夹持机构内侧，轨道夹持机构通过铰链与驱动机构铰接。检测机构中的探头为超声轮式探头，超声波探头置于轮式探头内，可根据需要在轮式探头中合理的增加检测探头以满足检测范围，提高检测效率。驱动机构和检测机构互不干扰，驱动机构的运动即是实现整体检测装置的运动，同时也是给检测机构铺设检测范围。通过连接环与套环间隔设置形成的可伸缩的关节式结构的环向自由伸缩实验变径、越障等运动。通过铰链连接使夹持机构随着驱动机构运动，并可在检测机构过弯时自动随管道弯度转向。

2、检测过程

本发明采用的检测技术为超声无损检测，采用的探头为超声轮式探头，其外表面为橡胶轮套，超声波探头置于轮式探头内，向轮内空隙地方注入机油作为耦合介质，整个轮式探头直接与被检管道干耦合接触。根据所使用的检测手段，设计的检测装置由主动轮作为驱动，超声轮式探头作为检测，超声轮式探头在管道表面上环管平动并检测，保证探头的方向始终垂直管道。

其检测过程如下：

（1）PLC控制驱动车轮6中的步进驱动电机5工作，通过驱动车轮6上的磁铁圈7吸附在管道表面上，电机输出轴带动驱动车轮6转动，驱动车轮6带动整体装置沿着管道轴向运动，在PLC控制系统的控制下运动到指定位置，运动的这段距离为检测时抽样查取的运动距离，运动到指定位置后驱动车轮6停止运动。

（2）当驱动车轮6运动了指定距离停止后，此时在PLC控制系统的控制下，检测机构通过检测电机11的驱动、减速箱10中齿轮的传动，带动主动轮12在内齿条轨道9上进行啮合转动，带动减速箱10另一侧的超声轮式探头13在管道表面上绕着管道环向进行平动并检测，使检测探头的检测面始终垂直管道。

（3）当主动轮12从在内齿条轨道9的一端沿管道环向运动到轨道的另一端时停止运动，此时再在PLC控制系统的控制下继续驱动车轮6沿管道轴向运动。

（4）一直循环以上的步骤，直到检测结束。

3．越障过程，例如：绕过三通

（1）检测装置驱动机构的转向电机2带动转向齿轮组3运转从而实现驱动车轮6转向，紧接着驱动电机5运转，这样检测装置将整体在管道上移动，完成位置的调整。

（2）驱动电机5转动带动车轮的转动整个检测装置可平稳的通过三通。

Claims (10)

1.一种开放式环管爬行检测装置，所述开放式环管爬行检测装置包括驱动机构、轨道夹持机构、检测机构，轨道夹持机构为开口环状的，其特征在于：轨道夹持机构的两端各设置一套驱动机构，检测机构固定在轨道夹持机构内侧；轨道夹持机构是连接环（18）与套环（19）间隔设置形成的环向可伸缩的关节式结构，连接环伸（18）入到相邻的套环（19）中并通过连接环齿条（23）与套环（19）连接；驱动机构包括车轮板（1）、驱动电机（5）、转向电机（2）、驱动车轮（6），车轮板（1）上设置有铰链（21），连接环（18）通过铰链（21）与车轮板（1）铰接，驱动车轮（6）上设置有磁铁圈（7），驱动机构在PLC的控制下实现转向和运动；检测机构包括内齿条轨道（9）、检测电机（11）、主动轮（12）、超声轮式探头（13），内齿条轨道（9）为分块式轨道，内齿条轨道（9）上设置滑动夹持座（8），滑动夹持座（8）与内齿条轨道（9）滑动连接，检测电机（11）固定在滑动夹持座（8）上，检测电机（11）带动主动轮（12），主动轮（12）与内齿条轨道（9）啮合，超声轮式探头（13）的尺寸大于主动轮（12）的尺寸，超声轮式探头（13）设置在内齿条轨道（9）的外侧，超声轮式探头（13）与管道相接触。

2.根据权利要求1所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的轨道夹持机构为双关节式结构，由前、后两个环向可伸缩的关节式结构连接构成，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的连接环（18）一一对应设置，前、后两个环向可伸缩的关节式结构的套环（19）一一对应设置，前、后两个环向可伸缩的关节式结构在各自的套环（19）处通过连接杆（20）连接，连接杆（20）与内齿条轨道（9）通过连接头（24）连接，通过螺杆和螺栓的配合将内齿条轨道（9）与轨道夹持机构固定连接。

3.根据权利要求2所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的检测电机（11）连接减速箱（10），减速箱（10）连接主动轮（12），主动轮（12）和超声轮式探头（13）分别位于减速箱（10）的两侧，主动轮（12）位于内齿条轨道（9）的中心齿条处，超声轮式探头（13）通过其中心位置的轮轴（14）与减速箱（10）外壳相连，使超声轮式探头（13）得到固定。

4.根据权利要求3所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的超声轮式探头（13）外表面为橡胶轮套（22），通过橡胶轮套（22）与管道进行干耦合，超声波探头置于其内部，超声轮式探头（13）的轮内空隙地方注入耦合介质（15），在超声轮式探头内（13）部，设计多个探头晶片。

5.根据权利要求4所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的超声轮式探头（13）的外表面具有一个标记平面，超声轮式探头（13）上与该标记平面相对的一面为检测面，超声轮式探头（13）内探头晶片的方向指向检测面，检测面与管道相切使得超声轮式探头（13）在管道上环向平动。

6.根据权利要求5所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的探头晶片均被固定在轮轴（14）上，每个探头晶片均为自发自收形式；探头晶片设置三个，其中两个为检测探伤晶片（16），一个为耦合监视晶片（17）。

7.根据权利要求6所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的车轮板（1）为直角形的，其中一面上设置铰链（21），另一面固定转向电机（2），转向电机（2）连接转向齿轮组（3），转向齿轮组（3）连接轮架（25），驱动车轮（6）安装在轮架（25）内；驱动电机（5）固定在轮架（25）侧壁，驱动电机（5）连接驱动齿轮组（3），驱动齿轮组（3）与驱动车轮（6）通过轴连接。

8.根据权利要求７所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的开放式环管爬行检测装置在管道上的跨度为220°，检测电机（11）采用步进电机。

9.根据权利要求８所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的内齿条轨道（9）由两块内齿条轨道连接构成，每块内齿条轨道均设置有滑动夹持座（8）、检测电机（11）、主动轮（12）、超声轮式探头（13）。

10.根据权利要求9所述的开放式环管爬行检测装置，其特征在于：所述的开放式环管爬行检测装置具备两种实现变径的方式，变径一：检测之前通过预先了解被检管道的直径来选取不同曲率半径的连接环（18）与套环（19）实现较大范围的变径，曲率半径不同的连接环（18）与套环（19）对应一定范围的管道检测；变径二：当检测装置安装在管道上时，通过轨道夹持机构的变形实现检测装置过异径管。