管道檢測機器人的結構設計*

□ 石紅梅 □ 侯 偉

1.陜西能源職業(yè)技術學院 智能制造與信息工程學院 陜西咸陽 712000 2.咸陽市特種設備檢驗所 陜西咸陽 712000

1 設計背景

在核工業(yè)、石油天然氣、供熱等領域,管道作為一種有效的物料輸送工具得到廣泛應用。為了延長管道的使用壽命,防止泄漏等事故發(fā)生,可以使用管道檢測機器人。管道檢測機器人能夠滿足高效、準確的故障診斷、檢測、維修需求,可以應用于管道探傷、補口、維修、焊接等諸多領域。在火電廠,煙氣管道數(shù)量多,隨著老機組服役時間的延長和新裝機組參數(shù)的提高,煙氣管道的安全經濟運行和維護面臨許多問題[1-2]。傳統(tǒng)管道檢測依靠人工實施,工作量大,效率低,并且有些管道所處位置依靠人工無法到達,也就不能進行檢測。針對電廠煙氣管道在長時間煙氣腐蝕下造成的凹坑、凸起缺陷,以及管徑變化造成的臺階、溝槽等[3],筆者設計管道檢測機器人的結構,得到對管徑有適應能力的履帶腿式機器人,可以對管道內部的常見缺陷進行檢測,還可以對管道內沉積的灰塵進行清掃。這一管道檢測機器人的特點是移動速度快、轉彎比較方便、牽引力較大、粗糙路面適應性好、越障能力強,可以輔助工作人員對電廠煙氣管道進行常規(guī)檢測、維護、清潔等,由此節(jié)省部分人工成本。

2 整體結構

對于直徑為400～600 mm,存在彎曲形式的電廠煙氣管道,要求管道檢測機器人具有一定的拐彎能力和越障能力。筆者設計的管道檢測機器人能夠進行中短距離工作,可以在工作過程中暫停,通過圖像識別系統(tǒng)將管道內的缺陷實時反饋給工作人員,以便判別管道內的缺陷類別,并及時進行處理,避免事故發(fā)生。通過在履帶上加裝吸塵器,可以將管道內沉積的殘留灰塵清掃干凈,節(jié)省管道清理成本,提高工作效率。管道檢測機器人主要由行走機構、變徑機構、驅動裝置、供能裝置、信號采集裝置、清掃裝置等組成,整體結構如圖1所示。

▲圖1 管道檢測機器人整體結構

3 行走機構

管道檢測機器人在管道中需要實現(xiàn)移動、越障、清掃等操作,移動方式的合理選擇至關重要。傳統(tǒng)機器人的行走機構有活塞移動式、滾輪移動式、履帶移動式、足腿移動式、蠕動移動式、螺旋移動式等[4],各有不同的優(yōu)缺點。筆者設計的管道檢測機器人行走機構為可伸縮履帶腿式,三個履帶以120°夾角分布。行走機構如圖2所示,特點是移動速度快、轉彎比較方便、牽引力較大、粗糙路面適應性好、越障能力強,同時對變徑管道有較好的自適應性。

▲圖2 行走機構

行走機構主要由120°夾角分布的三個履帶構成,履帶內包括帶輪、大小錐齒輪、直齒輪、軸等部件,拆去履帶后的行走機構本體結構如圖3所示。

▲圖3 行走機構本體結構

同步帶傳動具有良好的彈性,傳動平穩(wěn),噪聲小,結構簡單,制造和維護較為方便,價格低廉,承載能力大,適用于兩軸中心距較大的傳動,由此在行走機構中采用同步帶傳動。由于外形尺寸的限制,電機內置于行走機構本體結構中。錐齒輪用于換向,直齒輪用于驅動帶輪,實現(xiàn)管道檢測機器人的移動和越障功能。

4 變徑機構

管徑存在變化,因此管道檢測機器人需要變徑機構來適應管徑的變化。筆者設計的管道檢測機器人變徑機構簡圖如圖4所示,采用滾珠絲杠螺母副和放大桿組來實現(xiàn)變徑,完全展開和完全合攏的直徑范圍為300～700 mm。當絲杠旋轉時,絲杠螺母在絲杠上左右移動,拉動撐開桿。撐開桿鉸接在放大桿組上,改變放大桿組的傾角,可以適應管徑的變化。

▲圖4 變徑機構簡圖

5 驅動裝置

伺服電機是一種控制機械機構運轉的發(fā)動機,可以將電壓信號轉換為轉矩和轉速,以精確控制速度和位置,廣泛用作機器人的驅動裝置[5]。筆者設計的管道檢測機器人驅動裝置主要采用伺服電機,通過三個伺服電機驅動行走機構的三個履帶構成。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制。通過單片機編寫程序,當有電壓信號輸入時,信號采集裝置立刻作出反應,將電壓信號轉換為速度或位移,改變伺服電機的運行速度,控制行走機構的移動速度。當管道檢測機器人通過管道中的彎曲部位時,因為管道具有弧度,所以三個履帶對應的伺服電機速度不同步,靠近彎曲內徑位置的履帶對應的伺服電機速度減小,遠離彎曲內徑位置的履帶對應的伺服電機速度增大,由此保證管道檢測機器人平穩(wěn)通過彎道。當管道檢測機器人通過管道內凹坑、凸起等缺陷時,伺服電機適當調整運行速度,保證管道檢測機器人平穩(wěn)通過管道,并通過信號采集裝置將缺陷位置及缺陷形式準確反饋給工作人員。

6 供能裝置

管道檢測機器人的能源供給方式主要有有纜方式和無纜方式兩種[6]。無纜方式主要為攜帶蓄電池或燃油發(fā)電機組,這勢必會增大管道檢測機器人的體積和質量。因動力受限,管道檢測機器人的行走距離也會受到限制,不適合在長距離管道內行走。另一方面,因金屬管壁的電磁屏蔽作用,會導致管道檢測機器人的定位、越障、通信能力,以及管徑自適應性等大大降低,使管道檢測機器人因故障卡在管道內部的事故頻繁發(fā)生,給管道檢測工作帶來困難[7]。

筆者設計的管道檢測機器人選擇有纜方式實現(xiàn)能源共給,供能裝置包括管理服務器、測控主機、測控分機、執(zhí)行機構等,如圖5所示。管理服務器與測控主機位于管道外,通過通用串行總線接口進行通信。測控分機位于管道檢測機器人上,接收命令,通過執(zhí)行機構控制管道檢測機器人運動。線纜用于連接測控主機與測控分機,內部包含電源線和通信信號線。

▲圖5 管道檢測機器人供能裝置

7 信號采集裝置

筆者設計的管道檢測機器人采用攝像頭與各種傳感器相結合的檢測方式,構成信號采集裝置。管道檢測機器人在管道內行走時,利用攜帶的攝像機對管壁和管道內部進行實時拍攝,使用圖像識別技術對拍攝的圖片進行識別分析,并將分析結果實時傳回操作端的顯示屏。由于管道內部光線偏暗,為了提高測量精度和圖片拍攝清晰度,在攝像機的正面添加特殊光學元件。當管道中的積灰、污物較多時,攝像頭的圖片拍攝效果大打折扣,此時可以通過管道檢測機器人上的溫度、壓力、濕度等傳感器來檢測管道內的情況。檢測人員基于所采集的信息,操作管道檢測機器人對管道內部的積灰、污物等進行處理,并判別管道的缺陷類型,以采取相應的維護措施。

8 清掃裝置

電廠煙氣管道內部的雜物一般以灰塵為主,工程上常采用高流速壓縮空氣進行吹掃,但依然會有一些殘留,并長期沉積在管道內部,影響管道的性能和壽命。對此,設計管道檢測機器人在履帶上安裝清掃裝置——小型吸塵器。當管道檢測機器人在管道內部行走時,小型吸塵器就像掃地機器人一樣將管道內殘留的灰塵清掃干凈。

9 結束語

近年來,管道檢測機器人開始應用于石油、電力、化工、供熱等領域。筆者設計的管道檢測機器人結構由行走機構、變徑機構、驅動裝置、供能裝置、信號采集裝置、清掃裝置組成,整體結構緊湊,功能齊全,可應用于電廠煙氣管道及常規(guī)管道的基礎檢測,具有一定的應用前景。