壓力管道內壁打磨機器人的研制*

杜興吉，凌張偉，郭偉燦，繆存堅

（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州310020）

壓力管道內壁打磨機器人的研制*

杜興吉，凌張偉，郭偉燦，繆存堅

（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州310020）

針對工業壓力管道內壁存在腐蝕、結垢等情況，會對壓力管道內窺鏡檢測以及介質流動、熱量傳遞等存在不利影響的問題，在國內外管道機器人研究的基礎上，設計了一種全新的管道內壁自動打磨裝置，對管道內壁打磨機器人進行結構設計，提出了預緊力機構、打磨機構、驅動機構的設計方案。試驗結果顯示，該打磨機器人具有良好的運行穩定性和彎管過彎性能，并能實現有效打磨，對保障壓力管道安全運行具有重要意義。

壓力管道；內壁；腐蝕；結垢；打磨；機器人

Abstract:The corrosion and scaling of the inner wall of the industrial pressure pipeline have adverse effects on the detection of the endoscope,the flow of medium and the heat transfer.On the basis of the research of pipeline robot at home and abroad，a new kind of pipeline inner wall automatic grinding device was proposed.The structure design of the grinding robot used for inner wall of pipeline was completed，the design scheme of preload mechanism,grinding mechanism,drive mechanism was proposed.The test results indicated that the polishing robot possesses good stability and bending performance,and can achieve effective grinding,which is of great significance to ensure the safe operation of the pressure pipeline.

Key words:pressure pipeline;inner wall;corrosion;scaling;grinding;robot

根據《特種設備安全法》及有關規定，在役壓力管道應進行定期檢驗，通過宏觀檢測、超聲檢測、磁粉檢測等技術對壓力管道的整體情況以及管道存在的腐蝕、裂紋等缺陷進行檢測。隨著壓力管道使用時間的增加，管道輸送介質不僅會腐蝕管道，而且容易在管道內部生成沉積，對管道內介質的流動產生影響，威脅管道安全運行。因此在壓力管道定期檢驗期間，需要清除管道內壁附著的介質沉積物和較嚴重的鐵銹，以配合后續管道內窺鏡檢測，并提升管道介質流動換熱性能。本研究設計開發了一種專門用于管道內除銹的機器人，對于保障管道安全高效運行具有重要意義。

1 管道內除銹系統主要組成

1.1 總體方案與機械結構

管道內壁打磨機器人主要結構包括：系統驅動機構、打磨裝置、連接結構以及控制電路。主要技術難點包括驅動系統的有效驅動、整個機器人系統的過彎性能、垂直管段的爬行性能以及打磨作業的有效性。在系統設計時，應考慮壓力管道的直徑和結構。較小的管道直徑（如DN100-DN150系列）對機器人結構設計提出了更高要求，特別是對整個機器人系統的過彎性能要求較高。因此，本研究設計的機器人系統優先選擇直徑DN200以上的管道為研對象，首選廣泛使用的直徑為219 mm的管道，并適用于彎管段和垂直管段。由于管道具有轉彎較多、轉彎半徑較小的特點，因此，機器人機構必然受電機驅動轉矩和安裝尺寸等多因素的限制。該機器人設計時主要考慮以下因素：

（1）在垂直管道中運行時，要克服本體的重力和拖線與管道的摩擦阻力，需要有較大的承載能力。因此設計上采用多履帶傳送結構，一方面履帶接觸面積大，容易產生較大的摩擦力；另一方面多履帶結構可以產生一定的預緊力，便于通過垂直管段。

（2）需要有較好的彎管通過性，能夠通過一定曲率的彎曲管道。因此設計上采用多功能模塊，采用彈簧結構連接。

（3）具有較好的柔性，有一定的管徑適應能力，能夠越過焊縫、腐蝕等障礙物。因此在多履帶系統中設計了彈簧結構。

（4）打磨時力矩要足以克服打磨過程中的阻力。因此設計上采用結構緊湊的高性能電機驅動打磨頭工作。

1.2 預緊力機構的設計

預緊力有以下兩方面作用。

團結鄉在其后續的發展中應做到充分利用當地現有民俗文化、農耕文化以及歷史文化等文化資源，進一步開展鄉村文化的挖掘與保護工作，開發獨具特色的鄉村旅游產品，提高游客在旅游中的積極性和參與性，增強鄉村旅游的吸引力。

（1）保證管道機器人有一定的越障能力。長期使用的管道內部由于介質沉積、法蘭面以及管道焊縫余高等因素，管道內壁情況并不理想，往往存在障礙物或者凸起的現象。因此，管道機器人在管道內部爬行過程中，在碰到障礙物或者凸起的時候，應該具有一定的彈性，以便越過障礙物或者凸起，避免被卡死。

（2）充足的預緊力保證機器人輸出穩定的牽引力。管道機器人在管道內部爬行過程中，必須要有足夠的、穩定的牽引力，尤其是在垂直管道內部，輸出的牽引力要足以克服機器人系統的本體質量。充足的預緊力保證履帶緊貼在管道內壁，足夠的正壓力產生的向上摩擦力才能克服機械本體的質量，因此，充足的預緊力是管道機器人在管道內部能夠運動的前提條件。

本機構的預緊力由彈簧提供，當機器人遇到障礙物或者將機器人裝入管道過程中，可以沿著垂直于機器人軸向的方向滑動，以提供預緊力。

1.3 打磨裝置的設計

打磨裝置結構如圖1所示。打磨裝置的主要功能是完成對管道內壁表面的打磨，既要保證能快速將其表面打磨干凈，又不能對其過度打磨。如果管道內壁表面打磨不徹底，則會影響后續無損檢測的判斷；如果管道內壁表面打磨過度，則會影響管道的總體強度。

圖1 打磨裝置結構示意圖

鋼絲輪是除銹裝置中的重要部件，也是最主要的消耗品。它是在一圓柱外面套上一層橡膠層，尺寸相同，再在橡膠上均勻固定許多鋼絲針，這些鋼絲針末端彎曲，經切削變得十分尖銳，并經過熱處理，以提高硬度和強度，且鋼絲針有一定彈性。

鋼絲輪固定于電機軸上隨之轉動，緊貼鋼絲針前下方有一小擋塊，當鋼絲針碰到擋塊后繼續隨電機運動會造成鋼絲針彎曲內陷、變短。然后鋼絲針頂部沿擋塊切線方向劃出，形成的回復力加之電機的驅動力，產生強大的沖擊力。許多鋼絲針接二連三在表面刮去銹跡，移動鋼絲輪，被清潔表面也隨之擴大。

為了延長鋼絲輪的壽命，降低更換頻率，經過現場的打磨試驗，匯總了大量的技術數據，定制了特殊的鋼絲輪。這不但保證了裝置的耐用性，也使工作效率大大提高，并且該鋼絲輪方便更換。

打磨輪電機為直流24 V串激電動機，功率200 W，轉速20 000 r/min，速度可調。打磨所用的鋼絲輪寬度為20 mm。

1.4 系統驅動裝置

管道機器人是在限定的環境里運行，尤其是在彎曲管道里運行時，機器人要適應不同截面形狀、不同直徑的管道。因此采用履帶驅動方式，履帶與管壁間的接觸面積大，附著力大，具有優越的越障性能。

圖2 具備一定管徑適應能力的管道機器人

3個履帶驅動模塊互成120°均布支撐在管道截面圓周方向，利用彈簧力使履帶驅動模塊始終保持與管道內表面接觸，便于機器人在管道內自動定心，具有較好的可靠性和互換性。通過調節3個履帶驅動模塊的速度（速度差），實現機器人的彎道運動，很好的適應了彎道、分岔等特殊的管內環境。彈簧張緊機構保證了機器人具有足夠的牽引力，可以在垂直管道中運行。

由于驅動裝置與其他裝置之間均采用彈簧連接，因而機器人能夠在有較大彎曲半徑的管道內爬行，即可以檢測彎管內表面質量。

機器人行走速度15 m/min，除銹時工作速度5 m/min，并可以根據工作需要調整速度?？稍诠艿纼妊胤凑齼蓚€方向行走，速度均勻、可調。

機器人的傳動裝置與一般機械的傳動裝置的選用計算大致相同。但機器人的傳動系統要求結構緊湊、質量輕、轉動慣量和體積小，要求消除傳動間隙，提高其運動和位置精度。本研究采用鋁質同步帶輪和氯丁橡膠的交叉雙面齒同步帶作為履帶驅動機構，有利于增加履帶與壁面的附著力和越障能力。

2 系統工作流程

使用時，將打磨系統單元安裝在驅動機器人前部，打磨裝置和機器人之間用彈簧連接，將打磨裝置放入管道一端入口，電纜及牽引繩子掛在機器人后部，接通電源，電纜的電源芯線為機器人提供電源，操作者通過控制器，遙控機器人前行、后退或停止，可以在液晶屏上監視到管道內的圖像，并開動打磨系統進行打磨清除作業。

機器人采用增力臂結構設計，使機器人能夠適應不同的管徑；采用微觀動、靜密封技術，防止泄漏；密封防水，滿足能在液體壓力管道中穿行的要求；并可以將機器人移動至管道需要打磨清掃的部位，啟動打磨裝置進行打磨清掃作業。

打磨裝置由一個驅動電機驅動，采用特制的鋼絲輪，利用電機控制鋼絲輪旋轉并與管道內壁有一定的過盈配合，可以有效除去管道內的鐵銹和管內沉積物。鋼絲輪采用曲絲（波紋絲）形式，曲絲環繞而成的鋼絲輪鋼絲更顯得密度高、結實、除銹回彈力度大，也適合有一定橢圓度的直管和彎頭的打磨。

3 系統測試

為了檢驗機器人的過彎、牽引力等性能，以及檢驗打磨裝置的打磨效果，設計了帶有彎管和垂直管的直徑為219 mm的測試管道，如圖3所示。

圖3 測試管道裝置

測試表明，機器人、打磨裝置均能順利通過彎管，打磨裝置的打磨精度基本能達到預期的效果。

4 結束語

本研究提出了一種壓力管道內壁打磨機器人，能對直徑219 mm的壓力管道內壁進行打磨清洗作業，去除沉積在管道內部的雜質，保證流體正常流動，確保壓力管道定期檢驗能夠正常進行。

該管道機器人能進入人所不及、復雜多變的管道環境中，通過攜帶的打磨作業裝置完成管道的清掃、除銹等任務，具有十分廣闊的應用前景。

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Development of the Grinding Robot Used for Inner Wall of Pressure Pipeline

DU Xingji,LING Zhangwei,GUO Weican,MIAO Cunjian
（Zhejiang Special Equipment Inspection and Research Institute,Hangzhou 310020,China）

TE973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.005

2017-04-06

編輯：張 歌

浙江省科技計劃項目“壓力管道內除銹及視頻檢測機器人研制”（項目編號2015（C33013））。

杜興吉（1968—），男，漢族，浙江東陽人，高級工程師，博士后，目前主要從事自動化檢測、特種設備檢測機器人的研究工作。