CN112570396A - 一种天然气管道清管机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管道清管机器人，属于管道清洗技术领域，包括骨架、里程轮组件、控制器、转阀和驱动转阀转动的电机；骨架为前后两端开口的筒体，骨架外安装有多个皮碗组件；骨架内设有声波发生器阵列，声波发生器阵列包括多个流体动力式声波发生器，流体动力式声波发生器的进口均与骨架后端开口相通，出口均与骨架前端开口相通；骨架内的声波发生器阵列的后方固定有将骨架内前后分隔的控速尾板，控速尾板开设有使骨架内前后连通的多个泄流孔，且各流体动力式声波发生器与各泄流孔一一对应连接；转阀包括将各泄流孔可完全封闭的多个扇叶组，电机安装在控速尾板的前端并与转阀连接。实现清洗与控速融合技术。

Description

一种天然气管道清管机器人

技术领域

本发明属于管道清洗技术领域，具体涉及一种天然气管道清管机器人。

背景技术

长输管道是输送石油、天然气等能源的重要运输手段。管道在役工作一段时间后，会受到化学腐蚀、流体冲蚀、疲劳损坏、外界环境等诸多因素的破坏，管道内壁会产生裂纹或其他缺陷，甚至会造成非常严重的事故，如有毒物质泄露或者引发火灾等，这些都将造成巨大的损失。而清管机器人是一种新颖的技术检测手段，通过清管机器人携带特定的传感器和检测装置等定期对长输管道进行检测，有助于及时排除安全隐患，降低管道事故发生率，对避免或降低意外事故的发生具有重要意义。

当前对控速原理的研究较多，针对清洗的研究较为不足，现有的清洗机器人绝大多数还是利用钢刷、皮碗、直板等对天然气管道进行清理，对天然气管道内部磨损较为严重。且当前针对控速技术的研究较为独立，不能与清洗结构较好的兼容，因此，需要研发一款控速与清洗结构相互兼容的清管机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气管道清管机器人，以解决上述问题。

为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种天然气管道清管机器人，包括骨架、里程轮组件、控制器、转阀和驱动转阀转动的电机；骨架为前后两端开口的筒体，骨架外安装有多个皮碗组件；控制器的输入端与里程轮组件电连接，控制器的输出端与电机电连接；骨架内设有声波发生器阵列，声波发生器阵列包括多个流体动力式声波发生器，流体动力式声波发生器的进口均与骨架后端开口相通，出口均与骨架前端开口相通；骨架内的声波发生器阵列的后方固定有将骨架内前后分隔的控速尾板，控速尾板开设有使骨架内前后连通的多个泄流孔，且各流体动力式声波发生器与各泄流孔一一对应连接；转阀安装在控速尾板的后端，转阀包括将各泄流孔可完全封闭的多个扇叶组，电机安装在控速尾板的前端并与转阀连接。

作为进一步可选方案，所述骨架的前端开口连接有声波导管。

作为进一步可选方案，所述骨架内的前部固定有挡板，挡板与控速尾板及各流体动力式声波发生器之间的形成密封空间，电机和控制器位于所述密封空间内。

作为进一步可选方案，每个所述扇叶组包括从前向后依次设置的第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶；每个扇叶组的第N层扇叶与电机的输出轴固定连接，其他层的扇叶与电机的输出轴转动连接；第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶的前端面均具有驱动销，控速尾板的后端面、第一层扇叶……第N-1层扇叶的后端面均具有与驱动销适配并沿扇叶组转动方向设置的弧形凹槽。

作为进一步可选方案，至少一个所述皮碗组件包括同轴的前花瓣皮碗和后花瓣皮碗；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外缘均为前小后大的锥面；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗均为橡胶材料，且二者的锥面均覆盖有耐磨材料层；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外缘均周向分布有豁槽，使二者呈花瓣状，且二者的豁槽相互交错。

作为进一步可选方案，所述皮碗组件还包括支撑皮碗，支撑皮碗的外圆面为圆柱面，且外径小于前花瓣皮碗和后花瓣皮碗；支撑皮碗位于前花瓣皮碗的前端。

作为进一步可选方案，所述耐磨材料层为聚四氟乙烯。

作为进一步可选方案，所述橡胶材料为聚氨酯橡胶。

作为进一步可选方案，所述前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外径相同。

作为进一步可选方案，所述流体动力式声波发生器为哈特曼声波发生器。

本发明的有益效果是：清管机器人通过里程轮组件采集速度，传输控制系统处理数据，从而控制泄流孔处扇叶的开度来调节机器人前后压差，最终实现对机器人速度的控制；气流通过泄流孔后，被声波发生器阵列利用，产生高强声波并在前端汇聚，以提高清洗效率，从而实现清洗与控速融合技术；还能通过皮碗组件的结构设置来增加使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，下面描述中的附图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他的附图。

图1是本发明实施例提供的天然气管道清管机器人的结构示意图；

图2是图1所示天然气管道清管机器人的后视图；

图3是图2中A-A剖视图；

图4是转阀中一组扇叶组与控速尾板的分解状态图；

图5是哈特曼声波发生器的结构机理示意图；

附图标记：1-骨架；2-里程轮组件；3-电机；4-控速尾板；5-泄流孔；6-扇叶组；7-驱动销；8-弧形凹槽；9-底座；10-连杆；11-里程轮：12-皮碗组件；13-声波导管；14-流体动力式声波发生器；15-前花瓣皮碗；16-后花瓣皮碗；17-锥面；18-耐磨材料层；19-豁槽；20-支撑皮碗；21-挡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

图1至图5示出了本发明提供的天然气管道清管机器人，包括骨架1、里程轮组件2、控制器、转阀和驱动转阀转动的电机3；骨架1为前后两端开口的筒体，骨架1外安装有多个皮碗组件12；控制器的输入端与里程轮组件2电连接，控制器的输出端与电机3电连接；骨架1内设有声波发生器阵列，声波发生器阵列包括多个流体动力式声波发生器14，流体动力式声波发生器14的进口均与骨架1后端开口相通，出口均与骨架1前端开口相通；骨架1内的声波发生器阵列的后方固定有将骨架1内前后分隔的控速尾板4，控速尾板4开设有使骨架1内前后连通的多个泄流孔5，且各流体动力式声波发生器14与各泄流孔5一一对应连接；转阀安装在控速尾板4的后端，转阀包括将各泄流孔5可完全封闭的多个扇叶组6，电机3安装在控速尾板4的前端并与转阀连接。前端方向即是清管机器人行走方向的前方。

声波发生器阵列利用清管机器人前后压差产生的高压高速气流产生高强声波，高强声波可以将天然气管道内的污物震碎，通过流体动力式声波发生器14阵列的排列方式增加发声器个数，进而增加声波的功率；最后通过骨架1前端开口处汇聚声波，并在一定方向上发射，以提高清洗效能。污物由皮碗组件12在天然气管道内摩擦带出。骨架1的前端开口可连接有声波导管13，用于对声波进行汇聚。声波导管13可为前大后小的喇叭状。

骨架1内的前部固定有挡板21，挡板21与控速尾板4及各流体动力式声波发生器14之间的形成密封空间，电机3和控制器位于所述密封空间内。天然气管道内部环境比较复杂，高温高压下必须考虑电器装置的密封问题，电机仓是安装电机的密闭装置，其密封性能的好坏直接影响电机的工作性能。本清管机器人采取轴密封的方式，可以有效防止电机3在高温、高压环境中受损。清管机器人还包括蓄电池，用于电机3等电器元件的供电，蓄电池安装在该密封空间内。这样既不会影响清管机器人的泄流量，又不会增加电机3到转阀的传动距离。蓄电池与控制器输入端电连接，控制器能够实时检测电池电量，当检测到电量不足时，立即发出指令，使电机3带动转阀转动以关闭泄流孔5，以免电量匮乏而使阀门敞开，使清管机器人因为推力不足而停止运行。同样地，当清管机器人在规定的时间间隔内速度一直为零或者清管器卡堵时，也需关闭转阀，使其成为普通清管器，此时可以利用常规方法解堵。

多个泄流孔5周向均布。泄流孔5可为六个。扇叶组6与泄流孔5的数量相同，每个扇叶组6对应调整封闭一个泄流孔5。每个扇叶组6中，N＝3。弧形凹槽8位于相邻两泄流孔5之间。控制器可采用单片机。清管机器人还包括北斗卫星导航系统，并与控制器的输入端电连接，用来记录清管机器人的地理位置，当检测到管道处有裂缝导致速度变化异常或者当清管机器人出现故障无法运动时，北斗卫星导航系统可以把地理位置传给操作人员，进行故障维修来保证正常工作。

每个所述扇叶组6包括从前向后依次设置的第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶；每个扇叶组6的第N层扇叶与电机3的输出轴固定连接，其他层的扇叶与电机3的输出轴转动连接；第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶的前端面均具有驱动销7，控速尾板4的后端面、第一层扇叶……第N-1层扇叶的后端面均具有与驱动销7适配并沿扇叶组6转动方向设置的弧形凹槽8。每组由多层扇叶相连，最外层的扇叶即第N层扇叶与电机3输出轴固定，从而电机3正反转可以带动最外层扇叶转动，因为各层扇叶是通过驱动销7和弧形形凹槽结构连接的，所以当最外层扇叶转动时，便可以依次带动第N-1层……第一层扇叶的转动。各层扇叶都展开可以完全使泄流孔5关闭，而当它们重叠在一起时，又不会影响泄流孔5大小，可以使面积最大化。里程轮组件2主要用以检测清管机器人速度，电机3带动转阀转动，通过改变泄流孔5的有效面积调节清管机器人前后压差，进而调节速度。

里程轮组件2包括固定在骨架1外的底座9、从底座9伸出的连杆10、里程轮11和编码器，连杆10与底座9内连接有弹簧，图中未示出，为现有的弹簧柱塞结构，编码器安装在连杆10上，里程轮11安装在编码器的转轴上。也可采用其他现有的里程轮组件结构。

里程轮组件2可设置多个，安装在清管机器人中部，在弹簧的作用下，里程轮11始终紧贴管道内壁，当清洗机器人依靠前后端气体压差，获得前进速度时，里程轮11将被清洗机器人骨架1携带向前运动。此时，由于里程轮11与管道内壁间存在正压力，会产生相应的摩擦力，在摩擦力矩的作用下，里程轮11产生滚动，将骨架1的轴向直线运动转为里程轮11的滚动，与里程轮11联结的编码器就会输出脉冲，根据脉冲频率可以得到清管机器人的运行速度。为减小里程轮11打滑和机器人经过三通管、管道变形部位时产生的速度误差，具体可配置三组里程轮组件2。

多个皮碗组件12中，至少一个所述皮碗组件12包括同轴的前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16；前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16的外缘均为前小后大的锥面17；前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16均为橡胶材料，且二者的锥面17均覆盖有耐磨材料层18；前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16的外缘均周向分布有豁槽19，使二者呈花瓣状，且二者的豁槽19相互交错。本实施例以前后端设置的两个皮碗组件12为例，两个皮碗组件12均采用该结构。豁槽19可呈V形。

通过皮碗组件12的结构形状设计和材料提高皮碗的耐磨性，并且外边缘部分覆盖耐磨材料包裹皮碗锥面17来解决卡堵原因，使清管机器人更好更流畅的运行。前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16形成了双层花瓣式结构，并采用双层材料结构，二者相互协调，可以明显降低清管器在管道中受到的摩擦力，防止变形，增加使用寿命，增强清污能力。

皮碗组件12还包括支撑皮碗20，支撑皮碗20的外圆面为圆柱面，且外径小于前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16；支撑皮碗20位于前花瓣皮碗15的前端，起导向和支撑作用。前花瓣皮碗15和后花瓣皮碗16的外径相同。橡胶材料为聚氨酯橡胶。耐磨材料层18为聚四氟乙烯。聚氨酯可以提高清洗机器人皮碗部分的耐磨性，既可以满足皮碗整体柔韧性，又有更好的密闭性。边界部分使用摩擦系数较低的聚四氟乙烯，把皮碗与管道接触所产生的摩擦力降到最小。整个耐磨结构可以明显延长清洗机器人的使用寿命。

流体动力式声波发生器14为哈特曼声波发生器，哈特曼声波发生器为现有技术中直接购买。哈特曼声波发生器产生声波的最主要机理(图5)是气流进入喷腔，压缩气流从喷嘴射流到共振腔的过程中产生不稳定激波，而激波会引起气流的周期性振荡，随后气流与共振腔发生共振从而产生了声波，声波从此发出。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气管道清管机器人，包括骨架、里程轮组件、控制器、转阀和驱动转阀转动的电机；骨架为前后两端开口的筒体，骨架外安装有多个皮碗组件；控制器的输入端与里程轮组件电连接，控制器的输出端与电机电连接；其特征在于，骨架内设有声波发生器阵列，声波发生器阵列包括多个流体动力式声波发生器，流体动力式声波发生器的进口均与骨架后端开口相通，出口均与骨架前端开口相通；骨架内的声波发生器阵列的后方固定有将骨架内前后分隔的控速尾板，控速尾板开设有使骨架内前后连通的多个泄流孔，且各流体动力式声波发生器与各泄流孔一一对应连接；转阀安装在控速尾板的后端，转阀包括将各泄流孔可完全封闭的多个扇叶组，电机安装在控速尾板的前端并与转阀连接。

2.根据权利要求1所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述骨架的前端开口连接有声波导管。

3.根据权利要求1所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述骨架内的前部固定有挡板，挡板与控速尾板及各流体动力式声波发生器之间的形成密封空间，电机和控制器位于所述密封空间内。

4.根据权利要求1所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，每个所述扇叶组包括从前向后依次设置的第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶；每个扇叶组的第N层扇叶与电机的输出轴固定连接，其他层的扇叶与电机的输出轴转动连接；第一层扇叶、第二层扇叶……第N层扇叶的前端面均具有驱动销，控速尾板的后端面、第一层扇叶……第N-1层扇叶的后端面均具有与驱动销适配并沿扇叶组转动方向设置的弧形凹槽。

5.根据权利要求1所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，至少一个所述皮碗组件包括同轴的前花瓣皮碗和后花瓣皮碗；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外缘均为前小后大的锥面；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗均为橡胶材料，且二者的锥面均覆盖有耐磨材料层；前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外缘均周向分布有豁槽，使二者呈花瓣状，且二者的豁槽相互交错。

6.根据权利要求5所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述皮碗组件还包括支撑皮碗，支撑皮碗的外圆面为圆柱面，且外径小于前花瓣皮碗和后花瓣皮碗；支撑皮碗位于前花瓣皮碗的前端。

7.根据权利要求5所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述耐磨材料层为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求5所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述橡胶材料为聚氨酯橡胶。

9.根据权利要求5所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述前花瓣皮碗和后花瓣皮碗的外径相同。

10.根据权利要求1所述的天然气管道清管机器人，其特征在于，所述流体动力式声波发生器为哈特曼声波发生器。

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