海洋平臺導管清洗機器人的結構設計

肖瓊，熊其興，謝忠華

（武漢職業技術學院 機電工程學院，湖北 武漢 430074）

海洋平臺是現代海洋石油開采的重要裝備，其導管架長時間浸泡在水下，附著大量的海生物，對鉆采平臺安全生產構成了嚴重的威脅。目前主要依賴潛水員攜帶高壓水射流設備潛入海底對其進行清洗，勞動強度大、清洗成本高、效率低且受天氣影響大。故針對目前海洋平臺清洗作業的局限，開發一種可代替人工清洗的水下導管清洗機器人，在提高清洗工作效率的同時節約成本，具有安全、可靠和效率高的優點。

1 整體結構設計

水下管道清洗機器人包括機器人本體、行走部件、旋轉裝置和清洗裝置四大部件。總體結構示意圖如圖1所示。機器人本體是整個機器人的基座，起到安裝其他部件、吊裝等作用。行走部件主要由上下兩個夾持器和兩組升降機構組成，夾持器使機器人與導管穩固夾持，在升降機構的推動下，機器人在導管上能爬行上升、下降。旋轉裝置包括導軌板組件和導向輪組件，導軌板組件與機器人本體相連，導向輪組件與高壓清洗頭相連，帶動高壓清洗頭繞導管作360°往復旋轉運動。清洗裝置的高壓清洗頭，在液壓缸的驅動下靠近或遠離待洗導管，避免高壓清洗頭碰觸損壞。

2 關鍵機構設計

2.1 機器人本體

機器人本體為鋼架結構，鏤空的結構減少了機器人在水中的阻力，同時節省了材料、降低了成本。鋼架結構為中空結構，沿機器人本體的腹腔中心線設有容納導管的工作區，工作區的中心線與導管的中心線重合，使得機器人平穩的沿導管表面行走。機器人本體的上方架設有圍繞導管的環形軌道，軌道上設有可沿軌道滑動的滑片，滑片設有用于與高壓清洗頭相連的清洗管的環圈，滑片可帶動清洗管繞機器人本體移動。機器人本體的上方設有吊耳，用于連接吊裝機器人本體進出水，下部具有間隔設置的若干連接片，用于與旋轉裝置連接。

圖1 總體結構示意

2.2 行走部件

行走部件主要由上下兩個夾持器和兩組升降機構組成，結構示意圖如圖2所示。上下兩夾持器安裝于機器人本體朝向工作區的一側內壁上，夾持器的夾持中心與導管中心線重合，下夾持器與機器人本體固接，上夾持器與機器人本體通過升降機構相連，升降機構帶動上夾持器沿機器人本體內壁升降。在進行導管表面清洗作業時，下夾持器夾緊導管，升降機構驅動上夾持器上升一定距離后，換成上夾持器夾緊導管、下夾持器松開導管，升降機構帶動機器人本體上移一定距離后，下夾持器再夾緊導管，如此往復可實現機器人在導管上爬行上升，反之亦可以爬行下降。

圖2 升降機構結構示意圖

升降機構包括滑軌、滑塊和升降油缸，兩滑軌設于機器人本體上相對位置處構成機器人本體的一部分，滑軌朝向工作區的一側設有導向槽，滑塊部分位于滑軌內，可沿軌道滑動，升降油缸位于滑軌內部，其伸縮方向沿滑軌的長度方向延伸，且伸縮端與滑塊相連，驅動滑塊相對滑軌升降，滑塊上設有用于固定夾持器的固定板。

夾持器本體呈半弧形，且其朝向管體的一側為弧形面，在工作狀態時，該弧形面環抱于導管的表面，夾持器本體的另一側設有一對固定耳座，兩固定耳座沿夾持器本體的中心線對稱設置，且該固定耳座連接油缸的固定端。夾持器本體的上下兩側設有橡膠塊，橡膠塊位于弧形面的上下延伸面內，在工作狀態時，橡膠塊緊密貼合與導管的表面，增大夾持器本體與導管之間的摩擦力，輔助穩固夾持。夾持臂的中部通過轉軸與夾持器本體的鉸接耳座鉸接，夾持臂包括夾持端和連接端，連接端連接油缸的伸縮端，夾持臂隨油缸的活塞桿伸縮而轉動，兩夾持臂的夾持端和夾持器本體的弧形面共圓，共同夾緊抱箍導管的表面。夾持端設有橡膠滾輪，其軸線與導管的軸線平行，增大夾持器本體與導管之間的摩擦力，保證穩固夾持。

2.3 旋轉裝置

旋轉裝置由導軌板組件和導向輪組件組成，結構示意圖如圖1A放大視圖所示。導軌板組件包括環狀的第一導軌片、第二導軌片、齒輪片和第三導軌片，它們外徑相同，從上至下依次間隔設置，通過若干沿圓周方向間隔設置的螺栓連接，其間形成的圓筒狀空間與工作區貫穿，第一導軌片與機器人本體的連接片相連。導向輪組件的固定板位于導軌組件的下方，固定板的一側面板上設有連接桿和液壓馬達，連接桿上設有兩導向輪，且導向輪分別與第二導軌片和第三導軌片轉接，液壓馬達的輸出端設有與齒輪片嚙合的齒輪，固定板的另一側面板與高壓清洗頭相連。液壓馬達帶動齒輪轉動，齒輪沿與齒輪片嚙合的軌跡轉動，導向輪沿第二導軌片和第三導軌片轉動，固定板整體轉動，帶動與其相連的高壓清洗頭轉動，對導管的表面360°環繞清洗。在高壓清洗頭移動的過程中，與高壓清洗頭相連的清洗管被拖動，帶動機器人本體上方的滑片沿軌道滑動，防止清洗管扭轉打結，避免了管道憋壓爆開的情況發生。

2.4 清洗裝置

清洗裝置由高壓清洗頭、安裝基座、安裝板、液壓缸、導向槽、馬達、聯軸器、活塞桿和清洗罩等組成，結構示意圖如圖3所示。高壓清洗頭的殼體包括圓筒狀套管、前端蓋和后端蓋，前端蓋和后端蓋分別封裝與套管的前后端成一體，前端蓋、后端蓋和套管沿軸線開設有貫通的容納腔，套管中部設置有垂直于套管軸線的第一水流通道，套管內壁位于第一水流通道處設有一圈環形凹槽。旋轉軸靠近前端蓋和后端蓋處均套設有壓蓋，壓蓋的一側設有軸承，軸承連接旋轉軸和套管，旋轉軸與套管的內腔之間設置有密封組件，包括位于壓蓋旁側的直角密封環和O型密封圈，壓力越高，密封效果越好，實現動態密封的效果。旋轉軸沿軸線開設有第二水流通道，且旋轉軸與環形凹槽相對位置處也設置有若干腰型沉槽，腰型沉槽與環形沉槽對接形成聯通第一水流通道和第二水流通道的環形通道。旋轉軸帶動噴頭本體旋轉，噴頭本體內設有與第二水流通道聯通的第三水流通道。

安裝基座位于機器人本體下方，且與旋轉裝置的固定板的另一側面板相連，安裝基座上設有導向槽。安裝板包括位于導向槽內的上安裝板、鋼棒、下安裝板和連接板，上安裝板與下安裝板通過鋼棒相對固定連接，連接板包括一水平板和兩豎板。該水平板通過螺栓與安裝板固定連接，兩豎板相對平行設置，分別與水平板固定連接，高壓清洗頭安裝于連接板上。液壓缸與上安裝板固定連接，液壓缸的活塞桿與安裝基座固定連接，液壓缸驅動上安裝板在導向槽內相對安裝基座滑動，帶動與連接板相連的高壓清洗頭做靠近或遠離導管的徑向運動，可以防止高壓清洗頭碰觸導管表面碰觸損壞。馬達安裝于連接板的其中一豎板上，且馬達位于靠近液壓缸一側的下方，馬達的輸出端設有聯軸器，聯軸器位于連接板的兩豎板之間且與豎板垂直。清洗罩安裝于連接板的另一豎板，高壓清洗頭總成于清洗罩內。

圖3 清洗裝置的結構示意圖

3 結語

水下導管清洗機器人可沿導管表面上下爬行，在爬行的同時通過清洗噴頭噴出的高壓水清洗導管表面，代替人工進行水下清洗作業，效率高且成本低。旋轉裝置帶動清洗噴頭繞導管表面旋轉，實現一邊旋轉一邊清洗，實現360°無死角清洗導管表面，清洗清潔度高。水下導管清洗機器人可應用在海洋鉆采平臺導管架清洗、大型橋梁桁架、風力發電機塔身等空間桁架機構清洗，具有一定的工程實用價值。