CN211343019U - 一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，涉及隧道排水系统堵塞处理装备技术领域，采用螺旋轮式行走系统，采用压缩弹簧自适应机构使机器人能在隧道排水系统中盲管管径为50mm左右时进行无障碍作业，所述机器人前端搭载了圆形切削刀盘和小型喷嘴，可通过机械切削堵塞物和化学腐蚀堵塞物来疏通管道。主要目的是解决岩溶地区隧道排水系统中大多数管道的管径较小且作业环境恶劣的堵塞问题，控制病害的演化，从而延长隧道的使用寿命，保障运营期间的交通安全性。

Description

一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人

技术领域

本实用新型涉及公路隧道排水系统堵塞处理装备技术领域，尤其涉及一种岩溶地区小管径隧道排水盲管智能疏通机器人。

背景技术

我国现有运营隧道存在严重的病害，尤其是渗漏水病害，受石灰岩岩溶特性影响，无论是公路隧道、铁路隧道、还是城市地铁，均存在严重的渗漏水问题。渗漏水不但影响隧道结构安全性与使用寿命，还会引起路面潮湿，影响行车的安全性，亟待解决。由于喀斯特地貌特殊的地下水渗流运动在隧道排水管中产生了沉淀结晶物，并且管道内的沉淀结晶物与泥沙及围岩碎石、围岩颗粒等共同作用堵塞隧道排水系统。排水系统堵塞是引起隧道渗漏水的首要原因，所以必须进入排水管道内部定期的对其进行检修，必要时进行疏通。

然而由于管道内部作业环境恶劣，作业难度也相对较大，并且大多数排水管道为盲管，管径偏小，内部结晶沉淀物难以去除，给排水管道的检测和维修带来了很大的困难和阻力。现有的管道机器人，虽然可实现的功能多样，但是普遍存在在小管道内部行走不稳的问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，用于排除由于地下渗漏水病害导致的排水盲管沉淀结晶物堵塞问题，主要解决机器人在盲管内行走不稳的问题。

为此，本实用新型采取如下技术方案：

一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，包括动力系统以及智能疏通系统；所述动力系统为机器人行走提供动力；所述智能疏通系统用于完成管道内部堵塞的疏通处置；该机器人还包括与动力系统连接的传动装置；所述传动装置用于将动力系统的动力转换成使机器人沿管道稳定行走的驱动力，包括第一驱动轮、主轴和多组第一伸缩机构，所述主轴与动力系统连接，所述第一伸缩机构均匀设置在主轴四周，所述第一驱动轮连接在第一伸缩机构上；

所述第一伸缩机构包括第一导轨、第一滑块、第一连杆、第一弹性件和第一驱动轮连接件，当第一驱动轮受压时，第一连杆带动第一滑块沿第一导轨压缩第一弹性件；

所述第一驱动轮连接件连接第一连杆和第一驱动轮，所述第一驱动轮连接件包括纵截面为直角梯形的连接部，该连接部的斜面朝上，并且该斜面与水平方向具有11°-14°的夹角；所述连接部与第一驱动轮连接。

进一步，上述的第一驱动轮连接件还包括与所述连接部连接的底部，底部为长方体结构，宽与连接部的宽度相等，长为连接部长度的3倍，连接部高度为8-10mm；所述底部与第一连杆连接。

进一步，所述传动装置还包括平台连接机构，其一端与第一连杆连接，另一端与第一导轨连接，第一导轨另一端与圆盘轴套连接，第一导轨上与圆盘连接的一端依次设置有滑块和第一弹性件；第一连杆之间采用圆柱销连接，通过第一驱动轮连接件与第一驱动轮连接。

此外，本实用新型的机器人还包括支撑装置，用于管道具有倾斜角时为机器人提供转向能力。

优选的，所述支撑装置包括包括第二驱动轮、主轴和多组第二伸缩机构，所述主轴与动力系统通过球铰链连接，所述第二伸缩机构均匀设置在主轴四周，所述第二驱动轮连接在第二伸缩机构上；

所述第二伸缩机构包括第二导轨、第二滑块、第二连杆、第二弹性件和第二驱动轮连接件，当第二驱动轮受压时，第二连杆带动第一滑块沿第二导轨压缩第二弹性件；所述第二驱动轮连接件连接第二连杆和第二驱动轮。

更优选的，所述支撑装置还包括平台连接机构，其一端与第二连杆连接，另一端与第二导轨连接，第二导轨另一端与圆盘轴套连接，第二导轨上与圆盘连接的一端依次设置有滑块和第二弹性件；第二连杆之间采用圆柱销连接，通过第二驱动轮连接件与第二驱动轮连接。

优选的，所述第一驱动轮或第二驱动轮均包括对称双排驱动轮。

优选的，所述第一伸缩机构或第二伸缩机构均包括三组，相互呈120°设置在主轴圆周上，均与圆盘轴套固定连接。

具体的，所述动力系统包括电机，电机驱动轴通过联轴器与主轴相连。

具体的，所述智能疏通系统包括切削刀盘和喷嘴，所述切削刀盘或喷嘴与主轴连接。

与现有技术相比，本实用新型有益的效果是：

(1)通过本实用新型的传动系统的结构，尤其是其中的具有倾斜角的第一驱动轮连接杆部件，可以解决因承载问题导致的行走不稳的问题。同时，本实用新型的机器人，行走机构为螺旋轮式机构，共同保证运行平稳。

(2)本实用新型的机器人，通过支撑系统的设计，使机器人具有一定的弯道通过性，可以顺利通过T型接口、L型接口一类的管道拓扑结构，可以适应管道丰富复杂的结构，可以适应并通过具有一定倾斜角度的管道。

(3)本实用新型的机器人，智能疏通系统采用切削刀盘和喷嘴喷洒化学药剂的结合，能够保证沉淀结晶物的有效去除，对于岩溶地区排水管内的堵塞问题，具有很好的清淤效果。

(4)本实用新型机器人能够在清理过程中对管道不产生损伤，保证排水系统可以继续正常使用，提高疏通质量。

(5)本实用新型的机器人，由于具有多组伸缩机构，能够适应不同管径管道疏通需要，尤其是进行小管径疏通作业，采用压缩弹簧自适应机构使机器人能在隧道排水系统中盲管管径为50mm左右时进行无障碍作业。

(6)本实用新型的机器人，能够在正常运行交通条件下进行快速、安全排水管道清理作业，克服现有人工疏通需要封闭交通、效率低、安全风险高的缺陷。同时，所需能耗小，几乎无污染，经济环保。

附图说明

图1是本实用新型实施例作业状态时的正三轴侧视图；

图2是本实用新型实施例作业状态时的正三轴侧视图；

图3是本实用新型实施例作业状态时的主视图；

图4是本实用新型实施例作业状态时的左视图；

图5是本实用新型实施例作业状态时的俯视图；

图6是本实用新型实施例的螺旋行走机构驱动轮俯视图；

图7是本实用新型实施例的螺旋行走机构的驱动轮及连接件结构图；

图8是本实用新型实施例的支撑行走机构的驱动轮及连接件结构图；

图9是本实用新型实施例的L型接口弯道作业状态时的结构图；

图10是本实用新型实施例的T型接口弯道作业状态时的结构图；

图11为第一驱动轮连接件的结构；

图12为支撑系统部分示意图。

图中，各个标号的含义为：1—切削刀盘；2—法兰盘；3—电机；4—压缩弹簧；5—第一滑块；6—第一驱动轮；7—第一连杆；8—连杆；9—第一驱动轮连接件(倾斜连接件，具有倾斜角)；10—主轴；11—第一导轨；12 —平台连接机构；13—喷嘴；14—电机箱体；15—端盖；16—圆盘轴套；17 —第二驱动轮连接件；18—联轴器；19—球铰链；20—管道；21—连接部， 22—底部；23—第二驱动轮；24—第二导轨；25—第二滑块；26—第二连杆； 27—第二弹性件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

另，本实用新型的技术方案中，部件名称中所述的“第一驱动轮”“第二弹性件”等，其中的“第一”、“第二”并无绝对的先后顺序和其他物理意义，仅是为区分传动和支撑系统部分。

本申请实用新型人研究发现，行走机构在管道内的力学特性，受到驱动电机的输出转矩和管道内壁施加在驱动轮上的最大静摩擦力共同影响，进一步研究发现具有倾斜角连接件的倾斜角与行走机构的最大承载能力有关，即与机器人的驱动力有关，连接件的倾斜角不同，行走机构的最大承载力也会发生相应的变化，机器人的驱动力也会发生相应的变化，最终的研究结果为：当倾斜角为11°-14°时，行走机构具有较好承载能力，为12°时，行走机构具有最佳承载能力。

实施例1：

本实施例提供一种岩溶地区小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，包括传动系统、支撑系统、智能疏通系统和动力系统。

其中，所述的传动系统设置在管道机器人的清理管道运动方向的前端，包括主轴10、圆盘轴套16、三组伸缩机构、第一驱动轮6、联轴器18、第一驱动轮连接件9和双排轮子的连杆8。三组伸缩机构相互呈120度排列在主轴10圆周上，三组伸缩机构均与两端的圆盘轴套16通过焊接连接在一起。

具体的，所述伸缩机构由两个连杆、弹性件(采用压缩弹簧4)、平台连接机构12、滑块和导轨组成，具体的，导轨为圆柱式，且一端焊接一个直径略大的圆盘，导轨的另一端切除一部分焊接一个平台连接结构，滑块安装在焊接圆盘这一端，滑块的上方切除一部分，焊接一个平台连接结构。连杆之间采用圆柱销连接，连杆的一端与滑块上方的平台连接机构采用圆柱销连接，另一端与导轨上的平台连接机构采用圆柱销连接，弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧安装在导轨上具有圆盘的一端。

具体的，所述第一驱动轮连接件9，具有倾斜角，为将与驱动轮连接的一端切下一部分，斜体方向与水平方向夹角最优为12度，切除部分高度为 8mm，未切除的一端孔径保持与连杆孔径一致，与两连杆连接处连接，具有倾斜角的一端与驱动轮连接件的中间孔采用六角螺母和螺栓连接，驱动轮连接件的两端分别与驱动轮采用六角螺母与螺栓连接。

具体的，所述驱动轮采用对称双排驱动轮，传动系统中具有12个驱动轮。所述主轴10作为传动系统的中心轴，与电机3相连，主轴10两端均安装一个圆盘轴套16，并且主轴10的最前端为空心孔状结构。

具体的，所述智能疏通系统包括圆形的切削刀盘1和小型的喷嘴13。其中，具体的，一种处置方式为采用圆形切削刀盘1，采用法兰盘2将其两侧固定，通过六角螺母和螺栓固定连接，将其装配至主轴10上。另一种处置方式为在主轴10最前端的空心孔位置安装一个喷嘴13，软管通过主轴10 内部一端连接喷嘴13，一端连接水泵，水泵抽送化学药剂至喷嘴13。遇到难处理的沉淀物，可将两种手段结合。

具体的，所述支撑系统与传动系统结构大体一致，不同之处在于主轴10 通过球铰链19与电机3相连，使机器人具有一定的弯道通过性。第二驱动轮连接件17不具有倾斜角。

具体的，所述动力系统为3lK15GN-AW2L2交流减速电机，电机3用电机箱体14和两端的端盖15包裹起来，驱动轴通过联轴器18与主轴10相连，为驱动轮和切削刀盘1提供动力。电机3另一端通过球铰链19与支撑系统连接，保证机器人作业的稳定性和具有一定的弯道通过性。

本实用新型的传动装置，包含三组伸缩机构、主轴10、圆盘轴套16、第一驱动轮连接件9、连杆8、第一驱动轮6和联轴器18，每一组伸缩机构由两个连杆、压缩弹簧4、导轨、滑块和平台连接机构12组成，用于将电机的驱动力转换成使机器人沿管道20方向行进的驱动力。

本实用新型的支撑装置，包含三组伸缩机构、包括两个连杆、主轴10、圆盘轴套16、压缩弹簧4、导轨、连接件、第二驱动轮连接件17、驱动轮、滑块、球铰链19和平台连接机构12，用于支撑管道机器人转向行走。当小车作业的管径变小时，驱动轮6与接触管壁间产生压力，作用于两根等长连杆7，连杆7带动滑块5压缩弹簧4，产生滑动，从而减小管道机器人横截面的直径大小。

具体的，三组伸缩机构围绕主轴圆盘互相成120度，因为这样可以使三组驱动轮受到来自管壁20的压力基本一致，从而保证各个驱动轮所提供的牵引力相同。同时也能使机器人在管道内运行时达到更好的封闭效果，保证其在旋转前行时具有良好的稳定性，不会发生偏移、侧翻或坠落等危险情况。当机器人进入盲管时，电机3产生转矩带动传动装置的圆盘轴套16发生旋转，从而带动三组驱动轮在圆周内进行公转，驱动轮自身也具有旋转能力，并与管道20的管壁间产生摩擦力，摩擦力在轴向的分力便驱动整个机构前进，当电机反转时，机器人的驱动方向发生变化，保证其在管内的灵活性。具体的，三组伸缩机构的两端均与圆盘轴套16焊接在一起，保证机器人的稳定与牢固。

具体的，为了使滑块与导轨合理配合，滑块内部设计有凹槽，保证作业过程中不会发生扭转滑动现象。具体的，平台链接机构12保证了连杆与导轨的牢固链接。

尤其是，如图7、图8所示，第一驱动轮6的轮轴与管道20轴向存在一定的夹角，称为螺旋角，当电机3驱动主轴10转动，主轴10带动传动装置转动，第一驱动轮6与管道20横截面存在夹角，会产生与管道方向平行的轴向力驱动机器人；具体的，经过研究，第一驱动轮连接件9的倾斜角度为 12°时，机器人运行更为稳定。

本实用新型采用对称双排驱动轮形式。无论机器人在管道内如何行使，对称的两组驱动轮都能与管壁同时接触并产生相同的压力，保证整体机构受力平衡，并且双排驱动轮使机器人具有一定的越障能力，有效的保障了管道机器人整体架构的稳定性。

具体的，由于盲管直径的变化较大，再加之机器人的负载和体积的限制，所以切削刀盘1的工作半径稍小于作业盲管的最小直径。具体的，用法兰盘 2将刀盘1的两端固定，保证管道机器人在作业时切削刀盘1的稳定性。

具体的，由于切削刀盘1工作半径的限制，在具体清於时还应该专门采用化学药剂腐蚀的方式来配合，主要采用管道机器人携带的喷嘴13将专门用于清淤的化学药剂喷洒到排水盲管内壁，从而达到清除沉积石灰岩的目的。但是由于管道机器人的体积较小，负载量有限等客观条件的限制，并不易于携带储存化学药剂的容器，所以目前可以采用人工输送的方式，将盛有化学药剂的容器放置在地面上，接通一根细长软管连接到机器人机身，通过水泵抽送化学药剂通过机器人携带的喷嘴13将化学药剂喷洒到管道指定位置，来完成化学方式清淤的工作。小型喷嘴13可以根据不同的工作环境选择不同的类型。

本实施例的具体工作过程为：

当机器人放至公路隧道排水系统的排水管道时，电机3启动，驱动力沿减速电机的驱动轴传送至传动装置，带动传动装置的主轴10和圆盘轴套16 发生旋转，从而带动三组驱动轮围绕主轴10进行公转。此时，由于第一驱动轮6与管壁之间有摩擦力，并且其与管壁横截面之间存在一定的夹角，使得该力有一个水平方向上的分力，为机器人提供一个沿管道行进的驱动力，既围绕旋转体主轴稳定的做公转运动，又围绕自身轮轴做自转运动。而后面部分的支撑装置保持管道机器人的稳定性和作业稳定性。当电机3改变驱动方向时，机器人的行进方向也会变化。

当在管道中遇到堵塞物时，切削刀盘1在电机3的驱动下运转，进行对障碍堵塞物的清理工作，当管道具有一定的倾斜角时，驱动装置与支撑装置之间的球铰链连接可使机器人的作业方向实现改变。

另外在本实用新型中，使传动装置去除前端的刀盘机构，剩余部分和驱动装置组成一个驱动单元，可在本实用新型的基础上在驱动装置和支撑装置之间添加若干个驱动单元，并且驱动单元之间通过球铰连接。组成新的小管径隧道排水盲管智能疏通机器人来满足不同的作业环境需要。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭示的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，包括动力系统以及智能疏通系统；所述动力系统为机器人行走提供动力；所述智能疏通系统用于完成管道内部堵塞的疏通处置；

其特征在于：该机器人还包括与动力系统连接的传动装置；所述传动装置用于将动力系统的动力转换成使机器人沿管道稳定行走的驱动力，包括第一驱动轮(6)、主轴(10)和多组第一伸缩机构，所述主轴(10)与动力系统连接，所述第一伸缩机构均匀设置在主轴(10)四周，所述第一驱动轮(6)连接在第一伸缩机构上；

所述第一伸缩机构包括第一导轨(11)、第一滑块(5)、第一连杆(7)、第一弹性件和第一驱动轮连接件(9)，当第一驱动轮(6)受压时，第一连杆(7)带动第一滑块(5)沿第一导轨(11)压缩第一弹性件；

所述第一驱动轮连接件(9)连接第一连杆(7)和第一驱动轮(6)，所述第一驱动轮连接件(9)包括纵截面为直角梯形的连接部(21)，该连接部(21)的斜面朝上，并且该斜面与水平方向具有11°-14°的夹角；所述连接部(21)与第一驱动轮(6)连接。

2.如权利要求1所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述第一驱动轮连接件(9)还包括与所述连接部(21)连接的底部(22)，底部(22)为长方体结构，宽与连接部(21)的宽度相等，长为连接部(21)长度的3倍，连接部(21)高度为8-10mm；所述底部(22)与第一连杆(7)连接。

3.如权利要求1所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述传动装置还包括平台连接机构(12)，其一端与第一连杆(7)连接，另一端与第一导轨(11)连接，第一导轨(11)另一端与圆盘轴套(16)连接，第一导轨(11)上与圆盘轴套(16)连接的一端依次设置有第一滑块(5)和第一弹性件；第一连杆(7)之间采用圆柱销连接，通过第一驱动轮连接件(9)与第一驱动轮(6)连接。

4.如权利要求1所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述机器人还包括支撑装置，用于管道具有倾斜角时为机器人提供转向能力。

5.如权利要求4所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述支撑装置包括第二驱动轮(23)、主轴(10)和多组第二伸缩机构，所述主轴(10)与动力系统通过球铰链(19)连接，所述第二伸缩机构均匀设置在主轴(10)四周，所述第二驱动轮(23)连接在第二伸缩机构上；

所述第二伸缩机构包括第二导轨(24)、第二滑块(25)、第二连杆(26)、第二弹性件(27)和第二驱动轮连接件(17)，当第二驱动轮(23)受压时，第二连杆(26)带动第二滑块(25)沿第二导轨(24)压缩第二弹性件(27)；所述第二驱动轮连接件(17)连接第二连杆(26)和第二驱动轮(23)。

6.如权利要求4所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述支撑装置还包括平台连接机构(12)，其一端与第二连杆(26)连接，另一端与第二导轨(24)连接，第二导轨(24)另一端与圆盘轴套(16)连接，第二导轨(24)上与圆盘轴套(16)连接的一端依次设置有第二滑块(25)和第二弹性件(27)；第二连杆(26)之间采用圆柱销连接，通过第二驱动轮连接件(17)与第二驱动轮(23)连接。

7.如权利要求5所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述第一驱动轮(6)或第二驱动轮(23)均包括对称双排驱动轮。

8.如权利要求5所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述第一伸缩机构或第二伸缩机构均包括三组，相互呈120°设置在主轴(10)圆周上，均与圆盘轴套(16)固定连接。

9.如权利要求1所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述动力系统包括电机(3)，电机(3)驱动轴通过联轴器(18)与主轴(10)相连。

10.如权利要求1所述小管径隧道排水盲管智能疏通机器人，其特征在于：所述智能疏通系统包括切削刀盘(1)和喷嘴(13)，所述切削刀盘(1)或喷嘴(13)与主轴(10)连接。

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