CN1966336A - 一种变径的管道机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

一种可变径，无需附加动力源的管道机器人行走机构，属机械传动技术领域。它由为多节或单节组成，各节之间采用柔性连接。对于单节行走机构由多个四杆机构组组成的支撑体，柔性面板和锁紧机构组成。安装在四杆机构前后摇杆上的滚动轮在弹簧力的作用下始终贴紧管道内壁。后摇杆上安装伞形柔性面板，阻碍流体运动，从而产生推力，推动此行走机构运动。安装在前摇杆和柔性链条上的滚动小轮可以增强单节行走机构通过管道的可靠性、稳定性和灵活性。此管道行走机构不需附加提供动力，可自动适应各种管径，能顺利平稳通过变径管道，支管连接处、阀门、弯头等，在输油输气管道上有广泛的应用前景。

Description

一种变径的管道机器人行走机构

技术领域：

本发明涉及无需附加动力源的一种变径的管道机器人行走机构，主要为在线石油、天然气输送管道清洗、除腊、检测等作业提供平台，属机械传动技术领域。

背景技术：

管道作为油气长距离输送的重要载体，多年来，管内杂质的沉积、腐蚀重压作用等影响了管道运行的效率及安全。管道机器人是一种可沿管道行走的，携带一种或多种传感器及操作机械的装置。目前对于管道机器人行走机构的研究已有一些成果如高度可调的自主变位履带式管道机器人的行走机构(发明专利：CN21744227A)；履带式管道机器人(实用新型：CN247713217Y)；单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构(发明专利：CN217717942A)；螺旋驱动式管内机器人行走机构(实用新型：9422179132.7)等等。对于现有已开发的管道机器人大多基于管道里没有介质的情况，现实中大量使用的管道充满介质，很多管道由于工艺上的要求，不能随意停输来进行检修。而且此类管道机器人运动的动力是由外部能源通过电缆或气管提供，对于几百千米的输油输气管道而言，能源供给是一个相当麻烦的事情。对于长输管道，由于管道焊接施工或工艺上的原因，存在一些变径管道，弯曲管道，焊接支管道等，在此情况下，不能因为管道机器人出现故障而堵塞管道，基于这些原因，上述的管道机器人一直没有被推广运用。

发明内容：

本发明为了克服以上缺陷，提出一种在线无需附加动力设备的变径的管道机器人行走机构。

本发明的技术方案：

整个管道机器人行走机构为多节组成，节数根据实际需要而定，各节的结构相同，其各节之间采用柔性的中心弹簧(28)连接。对于单节行走机构，为多个均分在中心轴(27)周围的四杆机构，柔性面板和锁紧机构组成。四杆机构前后摇杆上的滚动轮在弹簧力的作用下始终贴紧管道内壁，相互支撑，相互制约，构成管道行走机构支撑体。柔性面板(21)安装在后摇杆(26)上，管内流体运动，推动柔性面板(21)，带动此行走机构运动。安装在前摇杆(13)和柔性链条(17)上的滚动小轮可以增强单节行走机构通过管道的可靠性、稳定性和灵活性。

现详细说明本发明的技术方案：

一种变径的管道机器人行走机构为多节或单节组成，各节的结构相同，其各节之间采用中心弹簧连接；其中单节行走机构由多个均分在中心轴周围的四杆机构，柔性面板和锁紧机构组成；所述单个四杆机构，由前摇杆部件，后摇杆部件，柔性连杆，中心支撑组成；其中前摇杆部件由前摇杆，扭簧，滚动轮，滚动轴承，多组垫片、螺母、轴，滚动小轮组成；后摇杆部件由后摇杆，扭簧，滚动轮，滚动轴承，多组垫片、螺母、轴组成；柔性连杆由柔性链条，轴，滚动小轮组成；中心支撑包括轴，前支腿，螺母，垫片，限位销，后支腿，中心轴组成；锁紧机构由柔性绳，紧定螺钉，连接块组成。

本发明的优点是具有高的管道通过性能及高的可靠度，可以随意地通过一定曲率的弯头，变径管道，阀门，甚至是扁平的矩形管道等。此外，当此行走机构遇到障碍物堵塞时，能向管道中心收缩，越过障碍物，大大增强了其越障能力。此管道行走机构不需附加提供动力，可自动适应各种管径，能顺利平稳通过变径管道，支管连接处、阀门、弯头等，在输油输气管道上有广泛的应用前景。

附图说明：

图1本发明结构示意图(两节为例)

图2本发明四杆机构结构图

图3图2的A-A视图

1、滚动轮 2、滚动轴承 3、垫片 4、螺母 5、轴 6、滚动小轮 7、扭簧 8、轴 9、前支腿 10、螺母11、垫片 12、限位销 13、前摇杆 14、螺母 15、轴 16、垫片 17、柔性链条 18、轴 19、轴20、滚动小轮 21、柔性面板 22、柔性绳 23、紧定螺钉 24、连接块 25、后支腿 26、后摇杆27、中心轴 28、中心弹簧

图4   本发明工作状况图

A 通过三通  B 通过大小变径  C 通过弯头

具体实施方式：

现结合附图，详细说明本发明的具体实施方式：

本发明为多节或单节组成，各节的结构相同，其各节之间采用中心弹簧(28)连接；其中单节行走机构由多个均分在中心轴(27)周围的四杆机构，柔性面板(21)和锁紧机构组成；所述单个四杆机构，由前摇杆部件，后摇杆部件，柔性连杆，中心支撑组成；其中前摇杆部件由前摇杆(13)，扭簧(7)，滚动轮(1)，滚动轴承(2)，垫片(3)，螺母(4)，轴(18)，轴(5)，滚动小轮(6)，螺母(14)，轴(15)，垫片(16)组成；后摇杆部件由后摇杆(26)，扭簧(7)，滚动轮(1)，滚动轴承(2)，垫片(3)，螺母(4)，轴(18)，螺母(14)，轴(15)，垫片(16)组成；柔性连杆由柔性链条(17)，轴(19)，滚动小轮(20)组成；中心支撑包括轴(8)，前支腿(9)，螺母(10)，垫片(11)，限位销(12)，后支腿(25)，中心轴(27)组成；锁紧机构由柔性绳(22)，紧定螺钉(23)，连接块(24)组成。

所述四杆机构的前摇杆(13)的上端安装有带有螺纹的轴(18)，轴(18)上安装有滚动轮(1)，滚动轮(1)与轴(18)之间采用滚动轴承(2)连接，螺母(4)和垫片(3)拧紧在轴(18)上对滚动轴承(2)进行轴向固定；后摇杆(26)的上端安装有轴(18)，轴(18)上安装有滚动轮(1)，滚动轮(1)与轴(18)之间采用滚动轴承(2)连接，螺母(4)和垫片(3)拧紧在轴(18)上对滚动轴承(2)进行轴向固定。滚动轮(1)安装在轴(18)上采用滚动轴承(2)过渡，在正常运动时，滚动摩擦系数小，移动阻力减少；在管道变径情况下，支撑机构与管壁间靠滚动轮(1)接触，摩擦力变化较小。

前摇杆(13)的中部安装有多个轴(5)，轴(5)上安装有滚动小轮(6)；柔性连杆中柔性链条(17)上安装有轴(19)，轴(19)上安装有滚动小轮(20)。这些滚动小轮(6)和滚动小轮(20)的功用是：在行走机构前面遇到障碍时，如果前摇杆(13)或柔性链条(17)与其障碍物接触，通过滚动小轮过渡，可使此行走机构很快越过障碍，提高此行走机构的越障能力。

柔性链条(17)的两端套在轴(15)上，轴(15)安装在前摇杆(13)和后摇杆(26)上，螺母(14)和垫片(16)拧在轴(15)上把柔性连杆安装在前摇杆部件和后摇杆部件之间。柔性链条(17)本身应具有较好的柔性。采用柔性链条把前后摇杆相连，可以增强行走机构的运动稳定性及灵活性。

中心轴(27)的两端均匀分布多个前支腿(9)和后支腿(25)，在前支腿(9)和后支腿(25)上安装有带有螺纹的轴(8)，前摇杆(13)和后摇杆(26)的下端分别套在轴(8)上，螺母(10)和垫片(11)拧在轴(8)上对前摇杆(13)和后摇杆(26)轴向固定。前支腿(9)和前摇杆(13)之间安装有扭簧(7)，扭簧的一端固定在前支腿(9)上，另外一端固定在前摇杆(13)上；后支腿(25)和后摇杆(26)之间安装有扭簧(7)，扭簧的一端固定在后支腿(25)上，另外一端固定在后摇杆(26)上。在其扭簧(7)的作用下，前摇杆(13)可绕其安装在前支腿(9)上的轴(8)转动；后摇杆(26)可绕其安装在后支腿(25)上的轴(8)转动。这样在扭簧(7)作用下，多个前摇杆(13)和后摇杆(26)可沿径向张开，使滚动轮(1)紧紧压紧支撑在管道内壁上，构成管道行走机构支撑体。后支腿(25)上安装有限位销(12)，限位销(12)对后摇杆(26)的摆动起到限位作用，防止在越过障碍时，摇杆位置改变，使扭簧(7)的弹力不能把滚动轮(1)压紧在管道内壁上。

柔性面板(21)安装在沿中心轴(27)周向均匀分布的后摇杆(26)上，柔性面板(21)采用小螺钉分别拧紧在各个后摇杆(26)上，使柔性面板(21)和后摇杆(26)牢固连接，且柔性面板(21)可随后摇杆(26)的摆动自动伸缩，实现变径。柔性面板的功用是阻挡管内流体运动，从而产生推力，带动行走机构在管道内平稳移动。

锁紧机构中柔性绳(22)把周向分布的后摇杆(26)穿起来，柔性绳(22)的一端安装有连接块(24)，连接块(24)上有紧定螺钉(23)，柔性绳的另外一端可插入连接块的洞内，通过拧紧和松开紧定螺钉(23)对周向均布的四杆机构进行收缩与放松。这样在行走机构进入管道前，收紧柔性绳(22)，使行走机构径向尺寸收缩，便于进入管道，当行走机构进入管道后，松开紧定螺钉(23)，整个管道行走机构张紧在管道内部。

上述的结构组成了此管内行走机构的一节，而整个行走机构可采用多节组成，中间用中心弹簧(28)柔性连接，中心弹簧(28)能支撑单节行走机构，这样即保证足够的刚度以提高运动稳定性，又可在遇到弯曲管道时有比较好的柔性。

本发明可通过一定曲率的弯曲管道，变径管道，三通等。

正常工作情况下，此管道行走机构进入管道中，松开紧定螺钉(23)，周向的多个四杆机构在扭簧(7)的作用下支撑在管道内壁上。滚动轮(1)始终贴紧在管道内壁，柔性面板(21)阻碍管道内介质流动，产生推力，四杆支撑机构受力，整个行走机构开始在管道内移动。此行走机构采用多节组成，中间利用中心弹簧柔性连接，使它在管道内运动平稳、可靠。

当此行走机构通过三通或支线管网接口时，前摇杆上的滚动轮越过管道连接处的边缘，后摇杆的滚动轮支撑此节行走机构，由于前摇杆(13)、后摇杆(26)、支撑(9)和(25)、柔性链条(17)组成四杆机构，在四杆机构的两摇杆相互协调，制约的作用下，行走机构保持稳定可靠工作状况。如果支线管道较大，单节行走机构前后两摇杆上的滚动轮与管道内壁失去接触，这时由于后节行走机构的定位支撑作用，且中心弹簧(28)具有一定的刚性，前面一节中心与管道轴心即使有偏移，也不会影响其通过性能。此外在前摇杆上安装有多个滚动小轮，如果前摇杆遇到障碍物时，可通过滚动小轮滚动，越过障碍物。

当此行走机构通过变径管道，阀门，凸凹阶梯时，滚动轮(1)在台阶处被卡住，行走机构不能移动，此时管内流体作用在柔性面板上的推力增大，行走机构受到外力，克服扭簧(7)弹力，前后摇杆转动，整个行走机构支撑体向中心收缩，滚动轮越过台阶，进入前面管道。之后，在扭簧(7)作用下，滚动轮(1)迅速紧压在管道内壁上，建立新的平衡状态。滚动轮(1)与轴(18)采用滚动轴承(2)过渡，使此行走机构与管道内壁之间的摩擦力在管道直径变化前后相差不大，达到稳定过渡的效果。

当此行走机构通过弯曲管段，由于行走机构的四杆支撑机构中，前后摇杆可以转到，连杆具有柔性，使此单节行走机构具有很好的柔性。节与节之间采用柔性连接，提高了整体行走机构自由顺畅通过一定曲率的弯曲管段的能力。

在此管道机器人行走机构的上安装柔性毛刷，既可以进行在线管道清洗。

在此管道机器人行走机构上的头部、中间或尾部安装上高清晰摄像头，既可以对管道进行在线摄像。

在此管道机器人行走机构可以直接应用于油品顺序输送工艺下的油品隔离作业。

Claims (4)

1、一种变径的管道机器人行走机构，其特征是：为多节或单节组成，各节的结构相同，其各节之间采用中心弹簧(28)连接；其中单节行走机构由均分在中心轴(27)周围的多个四杆机构，柔性面板(21)和锁紧机构组成；所述单个四杆机构，由前摇杆部件，后摇杆部件，柔性连杆，中心支撑组成；其中前摇杆部件由前摇杆(13)，扭簧(7)，滚动轮(1)，滚动轴承(2)，垫片(3)，螺母(4)，轴(18)，螺母(14)，轴(15)，垫片(16)组成，前摇杆(13)的上端安装有带有螺纹的轴(18)，轴(18)上安装有滚动轮(1)，滚动轮(1)与轴(18)之间采用滚动轴承(2)连接，螺母(4)和垫片(3)拧紧在轴(18)上对滚动轴承(2)进行轴向固定；且后摇杆部件的内部结构与前摇杆部件相同；柔性连杆中的柔性链条(17)的两端套在轴(15)上，轴(15)安装在前摇杆(13)和后摇杆(26)上；中心支撑包括轴(8)，前支腿(9)，螺母(10)，垫片(11)，限位销(12)，后支腿(25)，中心轴(27)组成，中心轴(27)的两端均匀分布多个前支腿(9)和后支腿(25)，在前支腿(9)和后支腿(25)上安装有带有螺纹的轴(8)，前摇杆(13)和后摇杆(26)的下端分别套在轴(8)上，螺母(10)和垫片(11)拧在轴(8)上对前摇杆(13)和后摇杆(26)轴向固定，前支腿(9)和前摇杆(13)之间安装有扭簧(7)，扭簧(7)的一端固定在前支腿(9)上，另外一端固定在前摇杆(13)上；后支腿(25)和后摇杆(26)之间安装有扭簧(7)，扭簧的一端固定在后支腿(25)上，另外一端固定在后摇杆(26)上；柔性面板(21)紧贴安装在周向均布的后摇杆(26)上；锁紧机构由柔性绳(22)，紧定螺钉(23)，连接块(24)组成，柔性绳(22)把周向分布的后摇杆(26)穿起来，柔性绳(22)的一端安装有连接块(24)，连接块(24)上有紧定螺钉(23)，柔性绳的另外一端可插入连接块(24)的洞内。

2、根据权利要求1所述的一种变径的管道机器人行走机构，其特征是：设置限位销(12)安装在后支腿(25)上。

3.根据权利要求1所述的一种变径的管道机器人行走机构，其特征是前摇杆(13)的中部安装有多个轴(5)，轴(5)上安装有滚动小轮(6)。

4.根据权利要求1所述的一种变径的管道机器人行走机构，其特征是柔性链条(17)上安装有轴(19)，轴(19)上安装有滚动小轮(20)。

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