CN110206961B - 一种管道机器人内封堵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种管道机器人内封堵系统，涉及油气管道泄露封堵领域。该管道机器人内封堵系统由机器人单元、连接单元和封堵单元三部分组成。其中机器人单元采取电机驱动、螺旋行走、弹簧支撑的结构方式，弹簧压缩和伸长可调节机器人对不同管径的适应性，同时在驱动部分增加舵机，通过舵机对驱动轮偏转角度的调节可以控制内封堵机器人的行走速度；连接单元采用十字万向连接器，增加整体结构的灵活性以及它对弯管的通过性能；封堵单元采用双气囊式封堵方案，实现了封堵作业的快速性与便捷性。

Description

一种管道机器人内封堵系统
技术领域
本发明主要涉及油气管道封堵技术领域，具体是一种管道机器人内封堵系统。
背景技术
目前，管道作为一种重要的物料输送设施，在工业中得到了广泛应用，管道运输作为综合运输体系的重要组成方式，在国民经济中发挥着重要的地位，特别是在石油、天然气等工业领域中，存在着各种类型的管道。但是随着管道服役年限的延长，由于外界工程作业的破坏、管内介质的腐蚀、以及自然因素的干扰，管道总会出现裂纹、漏洞等一些损坏迹象，从而导致管道内部介质外泄。一旦发生介质泄漏就极易引起火灾、爆炸等事故，从而造成环境污染，生态破坏，人民的生命、经济财产受损等一系列严重后果。为了降低管道运输过程中潜在的安全隐患，减少经济损失，对管道进行定期的巡检以及对泄漏管道进行应急处理处置很有必要性。
国内外对管道机器人的研究众多，按照其运动方式，可分为：轮式管道机器人、履带式管道机器人、蠕动式管道机器人、螺旋式管道机器人。轮式管道机器人在直管中具有效率高、运动平稳等优点，但其遇到弯管或者不规则管道时会发生运动干涉问题，严重限制了轮式管道机器人的应用；履带式管道机器人支撑面积大、牵引力大、越野性能好，能适应复杂的管道，但结构复杂，在直径较小的管道内，灵活性差；蠕动式管道机器人移动方式机构巧妙，但结构复杂，驱动机构多，控制单元复杂。
螺旋式管道机器人通过旋转驱动模块的转动实现轴向运动，结构紧凑，控制简单，弯道的通过性能良好。但现有技术应用中的螺旋式管道机器人，结构复杂，传动机构繁琐，效率不高，对管道半径发生变化的情况适应性也较差，且大多数管道机器人主要应用于直线管道或曲率半径较大的弯道。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供一种螺旋式驱动管道机器人内封堵系统，可顺利通过弯头、变径管道或内部坑洼不平的管道。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种管道机器人内封堵系统，由机器人单元、连接单元和封堵单元三部分构成。
机器人单元主要包括前驱动机构、电机部分、后支撑机构。
前驱动机构主要由驱动架、舵机护罩、舵机、驱动轮、轮架、弹簧一组成。驱动架为整个驱动机构的支撑结构，也是整个驱动机构的转动输出，它带动着舵机、舵机护罩、轮架做圆周转动；舵机护罩主要是对舵机起保护作用，防止舵机与驱动架直接接触的磨损破坏；舵机与轮架相连，可以控制轮架的偏转，从而控制驱动轮的偏转角度，驱动轮的偏转角度直接影响着机器人的行走速度与驱动力大小，是整个装置的重要变量参数；弹簧的主要作用是增强管道内封堵机器人在不同管道中的环境适应能力。
电机部分主要由连接前板、连接后板、连接管、电机组成。连接前板和连接后板通过连接管的螺丝紧固，对电机起到支撑保护的作用。
后支撑机构由弹性臂、弹簧二、支撑架、套筒、套筒盖、轮架、支撑轮组成，其中支撑架起主体支撑作用，套筒通过焊接的方式连接在支撑架上，弹簧放置于套筒内，弹性臂压在弹簧上，由套筒盖扣住，这样限制了弹性臂的旋转运动，弹性臂只能竖直运动，从而使支撑轮只能垂直地接触管道内壁，起到支撑的作用。
连接部分采用万向节的连接方式，将机器人单元与封堵单元柔性连接起来，使其可以顺利通过管道转弯部位。
封堵单元包括后支撑机构、封堵机构。后支撑机构与机器人单元的后支撑机构完全一样，封堵机构采用双气囊的封堵方式，增加了封堵面积。
封堵机构由电磁阀、端盖、快插充气接口、支撑圈、封堵气囊、固定圈组成，整体机构如图所示。其中封堵机构的端盖上开有导流口和快插充气接口，电磁阀连接在导流口上，导流口可以减少封堵单元在管道内行走时流体介质对封堵单元的阻力，电磁阀控制着导流口的开通与闭合；封堵气囊套在固定圈上，然后将装有固定圈的封堵气囊安装在支撑圈上，用端盖将其盖紧，这样就完成封堵气囊的安装；同时在支撑圈内留有充气通道，充气通道出口呈喇叭状，固定圈上开有均匀分布的八个小孔，可以顺利完成对封堵气囊的充气功能。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本装置将机器人技术与封堵技术相融合，组成了多功能复合型机器人系统。
2、本装置机构简单，可在装置前端搭载摄像头，对管道内部环境进行实时监测，确定待封堵的位置，提高了封堵效率。
3、机器人单元采取电机驱动、螺旋行走、弹簧支撑的结构方式，电机驱动，既有控制简单，操作方便的优点，也提供了装置前进的动力；同时在驱动部分增加舵机，通过舵机对驱动轮偏转角度的调节可以控制内封堵机器人的行走速度，偏转角的调节范围可为5°～85°，经过仿真实验分析的偏转角的最优角度为30°，当偏转角度为5°～30°之间时，机器人的行走速度随着偏转角的增大而增大，机器人的牵引力也保持在40N左右；当偏转角度在30°～ 85°之间时，机器人的行走速度随着偏转角的增大而减小，其牵引力也随着偏转角度的增大而减小。
4、弹簧支撑式的结构，在不需要动力输入的情况下，可自动适应管径不同的管道。
5、连接单元为万向节结构，具有多个自由度，使装置可顺利通过管道转弯部，保证了整个内封堵机器人在转弯过程中，机器人单元与封堵单元不存在干涉问题。
6、封堵单元部分采用双气囊封堵的方式，增大了封堵面积，该装置也可串联多个封堵单元对长度较大的纵向裂缝泄漏部位进行封堵。
附图说明
图1是管道内封堵机器人整体示意图；
图2是机器人单元示意图；
图3是机器人单元前驱动机构示意图；
图4是电机部分机构示意图；
图5是后支撑机构示意图；
图6是封堵机构示意图；
图7是封堵机构剖面图；
图8是固定圈示意图。
附图中所示标号：1、机器人单元；2、连接单元；3、封堵单元；1-1、前驱动部分；1-2、电机部分；1-3、后支撑部分；1-101、驱动架；1-102、舵机护罩；1-103、舵机；1-104、轮架；1-105、驱动轮；1-106、轮轴；1-107、螺钉；1-108、螺杆；1-109、弹簧一；1-201、连接前板；1-202、连接管；1-203、电机；1-204、连接后板；1-301、弹性臂；1-302、弹簧二； 1-303、支撑架；1-304、套筒；1-305、套筒盖；1-306、螺钉b；1-307、轮架；1-308、轮轴； 1-309、支撑轮；3-1、封堵部分；3-101、电磁阀；3-102、端盖；3-103、快插充气接头；3-104、螺栓；3-105、封堵气囊；3-106、固定圈；3-107、支撑圈。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，所采用的电路连接均为现有技术中的常规型号，在此不再详述。
如图1所示，是管道内封堵机器人整体示意图，一种管道机器人内封堵系统，由机器人单元(1)、连接单元(2)、封堵单元(3)三个部分构成。每个单元在设计上都是相互独立的，在功能上是紧密联系的，由机器人(1)单元提供整体装置的前进动力，由封堵单元(3)完成对泄漏管道的封堵修复作业，其中一个机器人单元(1)可以通过连接单元(2)串联多个封堵单元(3)，实现对泄漏管道的多点离散化封堵，增大封堵面积，以及增强整体的封堵可靠性。
图2是机器人单元示意图，机器人单元主(1)要包括前驱动机构(1-1)、电机部分(1-2)、后支撑机构(1-3)。
图3是机器人单元前驱动机构示意图，前驱动机构(1-1)采取螺旋驱动的方式，主要由驱动架(1-101)、舵机护罩(1-102)、舵机(1-103)、驱动轮(1-105)、轮架(1-104)、弹簧一(1-109)组成，整体结构如图3所示。驱动架(1-101)为整个驱动机构(1-1)的支撑结构，也是整个驱动机构(1-1)的转动输出，它带动着舵机(1-103)、舵机护罩(1-102)、轮架(1-104)做圆周转动。驱动架(1-101)上用套有弹簧(1-109)的螺杆(1-108)连接舵机护罩(1-102)，弹簧(1-109)的压缩和伸长提高了机器人对不同管径的适应能力，舵机(1-103) 通过四个螺钉(1-107)固定在舵机护罩(1-102)上，舵机护罩(1-102)主要是对舵机(1-103) 起保护作用，防止舵机(1-103)与驱动架(1-101)直接接触的磨损破坏，舵机(1-103)与轮架(1-104)相连，可以控制轮架(1-104)的偏转，驱动轮(1-105)由轮轴(1-106)连接在轮架(1-104)上，从而控制驱动轮(1-105)的偏转角度，驱动轮(1-105)的偏转角度直接影响着机器人的行走速度与驱动力大小，是整个装置的重要变量参数。偏转角的调节范围可为5°～85°，经过仿真实验分析的偏转角的最优角度为30°，当偏转角度为5°～30°之间时，机器人的行走速度随着偏转角的增大而增大，机器人的牵引力也保持在40N左右；当偏转角度在30°～85°之间时，机器人的行走速度随着偏转角的增大而减小，其牵引力也随着偏转角度的增大而减小。
图4是电机部分机构示意图，电机部分(1-2)主要由连接前板(1-201)、连接后板(1-204)、连接管(1-202)、电机(1-203)组成，整体结构如图4所示。电机(1-203)是整个管道内封堵机器人的动力输入，电机(1-203)通过输出轴带动驱动架(1-101)转动，连接连接前板 (1-201)和连接后板(1-204)通过连接管(1-202)的螺丝紧固，对电机(1-203)起到支撑保护的作用。
图5是后支撑机构示意图，后支撑机构(1-3)由弹性臂(1-301)、弹簧(1-302)、支撑架(1-303)、套筒(1-304)、套筒盖(1-306)、轮架(1-307)、支撑轮(1-309)组成，整体结构如图5所示。支撑架(1-303)起主体支撑作用，通过螺栓连接到电机部分(1-2)的连接后板(1-204)。套筒(1-306)通过焊接的方式连接在支撑架(1-303)上，弹簧(1-302) 放置于套筒(1-306)内，弹性臂(1-301)压在弹簧(1-302)上，由套筒盖(1-305)扣住，这样限制了弹性臂(1-301)的旋转运动，弹性臂只能竖直运动。轮架(1-307)通过螺钉固定在弹性臂(1-301)上，支撑轮(1-309)和轮架(1-307)通过轮轴(1-308)相连，从而使支撑轮(1-309)只能垂直地接触管道内壁，起到支撑的作用。弹簧式的支撑结构，结构简单，稳定性高，可使管道机器人在管道中平稳的行走，并且顺利通过各种管道环境，且呈120°均匀分布在支撑架上。
连接单元(2)是由十字万向节连接器构成的，增加整体结构的灵活性以及它对弯管的通过性能。
图6是封堵机构示意图，图7是封堵机构剖面图；如图所示，封堵单元(3)包括后支撑机构(1-3)、封堵机构(3-1)。后支撑机构与机器人单元的后支撑机构完全一样。封堵机构(3-1)采用双气囊的封堵方式，增大了封堵面积。封堵机构(3-1)由电磁阀(3-101)、端盖(3-102)、快插充气接口(3-103)、支撑圈(3-107)、封堵气囊(3-105)、固定圈(3-106) 组成，整体机构如图7所示。其中封堵机构(3-1)的端盖(3-102)上开有导流口和快插充气接口(3-103)，电磁阀连(3-101)接在导流口上，控制着导流口的开通与闭合；封堵气囊 (3-105)套在固定圈(3-106)上，然后将装有固定圈(3-106)的封堵气囊(3-105)安装在支撑圈(3-107)上，用端盖(3-102)将其盖紧；同时在支撑圈(3-107)内留有充气通道，固定圈(3-106)上开有八个小孔均匀分布，可以顺利完成对封堵气囊的充气功能。
图8是固定圈示意图，如图所示，在外圈内部套有宽度较窄的内圈，内圈和外圈组成的环体上圆周阵列开设有透孔。
本发明在使用时，如附图1所示，将装置整体放入输油管道内后，在弹簧支撑式结构的作用下，驱动轮和支撑轮贴合输油管道内壁，驱动轮和支撑轮也可绕轮轴自传，降低了装备前进过程受到的摩擦阻力。闭合电机开关，电机带着前驱动机构做旋转运动，通过舵机调节轮架的旋转角度，来控制驱动轮的偏转角度，可以增大或减小机器人的行走速度和驱动力。电机开关可控制电机的正反转，以使机器人前进或后退。在机器人行进过程中，打开封堵机构上的电磁阀，导流口打开，流体介质可通过导流口流出，减小装置受到的流体阻力。待封堵装置到达管道泄漏位置后，断开电机开关，电机停止转动，充气装置经过封堵单元上的快插接口对封堵气囊充气，当泄漏口不在有流体介质流出时，充气结束，然后关闭电磁阀，进行管道泄漏处的修复工作。

Claims (3)

1.一种管道机器人内封堵系统，包括机器人单元(1)、连接单元(2)、封堵单元(3)，所述机器人单元(1)包括前驱动部分(1-1)、电机部分(1-2)、后支撑机构(1-3)三部分，其中所述前驱动部分(1-1)由驱动架(1-101)、舵机护罩(1-102)、舵机(1-103)、驱动轮(1-105)、轮架(1-104)、轮轴(1-106)、弹簧一(1-109)组成，驱动架(1-101)上用套有弹簧一(1-109)的螺杆(1-108)连接舵机护罩(1-102)，舵机(1-103)通过螺钉(1-107)固定在舵机护罩(1-102)上，轮架(1-104)通过螺钉和舵机(1-103)相连，驱动轮(1-105)则由轮轴(1-106)连接在轮架(1-104)上；所述弹簧一(1-109)可压缩和伸长使机器人单元(1)适应不同管径；
所述舵机(1-103)控制驱动轮(1-105)的偏转角度为30°；
所述电机部分(1-2)主要由连接前板(1-201)、连接后板(1-204)、连接管(1-202)、电机(1-203)组成，连接前板(1-201)和连接后板(1-204)通过四个连接管(1-202)的螺丝紧固；
后支撑机构(1-3)由弹性臂(1-301)、弹簧二(1-302)、支撑架(1-303)、套筒(1-304)、套筒盖(1-305)、轮架(1-307)、支撑轮(1-309)组成的一种弹簧式支撑机构，套筒(1-304)通过焊接的方式连接在支撑架(1-303)上，弹簧二(1-302)放置于套筒(1-304)内，弹性臂(1-301)压在弹簧二(1-302)上，套筒盖(1-305)通过四个螺钉(1-306)固定在套筒(1-304)上，弹性臂(1-301)穿过套筒盖(1-305)和轮架(1-307)通过螺钉连接，支撑轮(1-309)和轮架(1-307)通过轮轴(1-308)连接；
所述连接单元(2)由十字万向节连接器构成；
所述封堵单元(3)包括后支撑机构(1-3)、封堵机构(3-1)，后支撑机构(1-3)与机器人单元的后支撑机构(1-3)相同，封堵机构(3-1)由电磁阀(3-101)、端盖(3-102)、快插充气接口(3-103)、支撑圈(3-107)、封堵气囊(3-105)、固定圈(3-106)组成，其中封堵机构(3-1)的端盖(3-102)上开有导流口(3-101)和快插充气接口(3-103)，电磁阀(3-101)连接在导流口上，控制着导流口的开通与闭合；所述支撑圈(3-107)的两端各设有一个封堵气囊(3-105)，每个所述封堵气囊(3-105)套在固定圈(3-106)上，然后将装有固定圈(3-106)的封堵气囊(3-105)安装在支撑圈(3-107)上，用端盖(3-102)将其盖紧；同时在支撑圈(3-107)内留有充气通道，固定圈(3-106)上有八个小孔均匀分布，可以顺利完成对封堵气囊的充气功能。
2.如权利要求1所述的一种管道机器人内封堵系统，其特征在于，共三组舵机护罩(1-102)、舵机(1-103)、驱动轮(1-105)、轮架(1-104)、弹簧(1-109)呈120°均布于驱动架(1-101)上。
3.如权利要求1所述的一种管道机器人内封堵系统，其特征在于，三组弹簧式支撑机构呈120°均布于支撑架上。
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