分析能源自給式管道機器人如何進行機械結構設計

張凱 程佳

摘 要：管道機器人是當前在工業設備和天然氣等設備運輸材料最便捷的運輸形式，就當前管道機器人內部的蓄電池不能長時間工作，因此限制了機器人的活動范圍。本篇文章針對這一問題，對新型能源自給式管道機器人的內部結構等機械部件詳細解說，這些機械部件包括給機器人補充能量的蓄電池和機器人輪組件的設計和導向結構，對這些零部件的創新設計能夠有效提高新型能源自給式管道機器人的研究進程。

關鍵詞：能源；自給式；管道機器人

1 前言

在普遍工業設備和天然氣等設備中，運輸材料最便捷的途徑就是管道運輸，這種運輸方式已經在此領域被多出運用起來。在普遍工業中每天對管道的應用不計其數，因此極易導致管道生銹、出現裂縫等情況，為了有效解決這一現象必須對管道進行定期的檢查和修理。本文提到的管道機器人就是為管道檢修量身定做的機械，它能夠準確的找到生銹和出現裂縫的位置。能源自給式機器人分為兩種，一種是有纜一種是無纜。其中有纜式管道機器人，這種管道機器人行程范圍小，精準度不高，而無纜式管道機器人其能量主要來自于蓄電池，雖然行程范圍廣泛，但是蓄電池的電量有限，因此，無纜式機器人的行程范圍仍然有限。

針對這一問題，本篇文章根據現實中的一些創意來將這些想法應用到新型管道機器人的設計上，根據此創意設計出的機器人主要是靠其管道中含有的流體不斷流動來產生能源。當機器人停止運動時，這種流體就開始發電，為蓄電池補充能量。

2 管道機器人的設計方案闡述

2.1 管道機器人設計時應注意的事項

能源自給式管道機器人與有纜機器人和無纜機器人不同，以下是在傳統管道機器人設計基礎上對能源自給式管道機器人設計的一些要求：

（1）維持能源自給式管道機器人正常運動的動力是其內部流體流動產生的能量，這些能量的產生能夠保障機器人的運動。

（2）在管道機器人的設計中必須要對其運動速度加以控制，要設計控制速度的機械裝置。

（3）能源自給式管道機器人是在無纜式管道機器人的基礎上加以改進，無纜式管道機器人不能自己為蓄電池充電，而能源自給式管道機器人可以將管道中的流體運動轉換成電能，為蓄電池充電。

（4）在設計機器人的過程中要對其設置自主更換前進方向的能力。這種能力能夠在機器人行進到分叉管道時被有效運用起來，它能使機器人自主找到能夠前進的管道，并且自主調節前進方向。

2.2 管道機器人的總體方案設計

下面是管道機器人的總體方案設計，假設管道中的流體成分為氣體，那么可以以上文的設計要求為依托，將機器人的機械結構設計成具有自給功能優勢的管道形式，如下圖1所示。能源自給式機器人從本質上來看，就是能夠進行能源的自動生產及運轉，因此此結構組成必然要設有發電、本體、及導向結構，而發電實際上就是將氣體運轉環節產生的動能轉化成電能，從而為機器人本身的能動性提供電能基礎。由圖1所示發電部分涵蓋著風輪、變速齒輪和發電機。機器人內的本體結構能夠其系統運行及電能存儲提供基礎條件，導向部分主要是由電磁鐵和導向頭共同組成，其主要是幫助機器人順利調轉方向。電磁鐵、導頭和蓄電池3部分之間主要是靠一組彈簧來鏈接，彈簧外部包有蒙皮，該設計能夠最大化的減少氣流與機器人之間存在的摩擦，使機身保持相對穩定的狀態。與此同時還在發電部分和主體部分安裝3個支撐輪組件。

3 新型能源自給式管道機器人發電部分的設計

本小結重點闡述了新型能源自給式管道機器人的發電部分。主要器件有葉輪、發電機、齒輪機構和充電電池等。其中葉輪是管道機器人中發電部分的關鍵部件，主要作用是在葉輪中有流體流入時，能夠帶動葉輪轉動，同時還能夠為管道機器人提供推力。另一點，當流體與葉輪表面發生接觸時，壓力降也會伴隨而來，而壓力降在機器人的機械結構中是主要的推動力來源。因此，將發電機外殼設計成流線型，方便流體的順暢流入。此外為了使機器人能夠在窄小的管道中順利運行，特此選擇面積小，體積小的發電機。這種發電機的轉子直徑為30mm，與之相對應的配套有齒輪傳動機構。

4 支扮輪組件的設計

支撐輪是管道機器人的重要組成部分。在新型能源自給式管道機器人中，由于機器人的推進是依靠流體的流動，而在設計要求中指出，機器人的速度必須是可以控制的，因此設計的支撐輪組件既要實現對機身的支撐，又必須是速度控制的執行器。管道機器人支撐輪組件每部分都非常重要。

支撐輪組件的結構，主要由電磁鐵、支撐輪、剎車元件、機身支撐桿等組成。剎車連接桿與剎車元件是聯結在一起的。機器人的運動速度的控制是通過控制剎車元件與支撐輪的摩擦力實現的。當電磁鐵得電時，電磁鐵中的鐵芯向下運動，從而壓下剎車連接桿，增大支撐輪與管壁的摩擦力，使機器人運動速度降低；當該摩擦力大于機器人所受推力時，機器人的運動就停止；當不需要調速時，電磁鐵失電，鐵芯通過剎車連接桿把剎車元件拉起，則恢復支撐輪在管壁上的滾動，機器人的運動速度逐步增大。

5 總結

本文所提到的管道機器人與之前的管道機器人有所不同。這種管道機器人不受運動范圍的限制，而以往的無纜和有纜管道機器人會受到距離和能量的限制，使得機器人不能長時間在管道內運作。從本篇文章來看，在氣體管道內，氣體所能提供能量較小，因此若要得到足夠的電能來控制機器人，機器人的發電部分的葉輪直徑以及管道內氣體流速均要求較大，所以該新型機器人只適用于高流速、大管徑的氣體管道；而在液體管道內，相同流速下，液體所提供的能量要比氣體大得多，因此發電部分葉輪直徑要求應該較小，所設計的機器人體積相應較小，可以運用于管徑較小的液體管道中。

參考文獻

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（作者單位：1.沈陽新松機器人自動化股份有限公司；2.北方重工設計研究院）