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摘要：在一般工业、核设施、天然气、军事装备等领域中,管道作为一种有效的物料输送手段得到广泛应用。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生,必须定期对其进行检修。管道机器人正是为了满足高效准确的管道检测维护需求而出现并发展起来的。管道机器人的能源供给方式有两种：有缆方式或无缆方式。对有缆方式供给能源的管道机器人,其最大行程受到限制,可靠性也不高；而无缆机器人由蓄电池供电,蓄电池所储存的能量毕竟有限,而且受电池质量、充电工艺等因素的影响,因而机器人的行走距离仍然受限制。
关键词：管道机器人；能源自给；流体；导向机构
1设计要求
新型能源自给式管道机器人不同于以前的管道机器人,本文结合前人对管道机器人的设计要求以及新型能源自给式管道机器人的特点,提出以下主要的设计要求：
新型能源自给式管道机器人的运动是依靠流体在管道中的运动,从而推动机器人运动；机器人在运动过程中的速度必须可以控制；新型能源自给式管道机器人是无缆管道机器人,并且可以在管道中进行能源补充,从而增加工作时间；机器人在管道内能够改变运动方向,以便机器人进入分岔管道。
2新型管道机器人的总体设计
新型能源自给式管道机器人由3个主要部分组成：发电部分、机器人本体部分和导向部分。机器人本体部分安装有机器人控制的电路板等重要控制元件,导向部分主要是机器人转弯的时候起作用。发电部分是新型能源自给式管道机器人不同于以前管道机器人的关键。3个部分之间的联结是通过一组弹簧实现的,联结部分包围有蒙皮,用于减小流体流过机器人时的阻力。发电部分产生的电能还供给机器人本体进行管道的检测和维护工作。
当管内气体流动时,气体对机器人产生推力,此时支撑轮在管壁上滚动摩擦,摩擦力很小,机器人以接近气体流速的速度运动。通过控制支撑轮与管壁之间的摩擦力,可以改变机器人的运动速度。当支撑轮与管壁之间的摩擦力增大到一定值时,机器人停止运动,这时气体带动风轮转动,风轮的转动带动发电机发电,对机载的蓄电池充电。当管道前方出现岔道时,只要控制导向部分沿岔道方向做一定角度的偏转,导向部分就将引导机器人改变运动方向,进入岔道。
图1 能源自给式管道机器人的机械结构
2.1新型管道机器人发电部分的设计
新型能源自给式管道机器人的发电部分主要以下几个器件组成：叶轮、发电机、齿轮机构、支撑轮组件、充电电池等。
叶轮是发电的重要元件,其作用主要有二个：当管道中有流体流动经过叶轮时,一方面将会使叶轮转动,另一方面还会对管道机器人产生沿流动方向的推力。由于叶轮联结在发电机齿轮机构的输入端,因此叶轮的转动将会带动发电机转子的转动,从而实现发电。另外流体流过叶轮表面时,将会产生压力降,这个压力降是机器人推进力的主要来源。
发电部分的外壳是流线型的。流体在流过叶轮后产生了压力降,如果紧接着是直立壁面阻挡流体的流动,那么将会在叶轮与发电部分外壳之间产生涡旋,从而导致流线的紊乱,使得叶轮获得的推力丧失,因此发电部分外壳是流线型。此外为了使流线获得充分恢复,叶轮离开外壳有一定距离。
2.2发电机
选用的风力发电机是一种微型发电机,型号为XTL-F。其主要电气参数有：额定电压UN值为8VAC,额定电流IN值为450mA,额定转速nN为3000rpm。
2.2.1风轮叶片数目
叶片的数目多,则启动力矩大,运行速度低。所以多叶片风力机主要针对低叶尖速度比、直接驱动水泵等。相反,如果叶片数目少,则启动力矩小,运行速度快,适合风力发电。现在用于发电的高尖速比的风力机一般为1～3个叶片,为了使风轮运转较平衡可靠,避免单叶、双叶运行时容易发生振动的现象,确定风力机叶片为3叶。
2.2.2支撑轮组件的设计
支撑轮是管道机器人的重要组成部分。在新型能源自给式管道机器人中,由于机器人的推进是依靠流体的流动,而在设计要求中指出,机器人的速度必须是可以控制的,因此设计的支撑轮组件既要实现对机身的支撑,又必须是速度控制的执行器。
刹车连接杆与刹车元件是联结在一起的。当电磁线圈得电时,衔铁向下运动,从而压下刹车连接杆,增大支撑轮的摩擦力,使速度降低。当该摩擦力大于推进力时,机器人就可以停止下来。当不需要调速时,电磁线圈失电,弹簧通过刹车连接杆把刹车元件拉起,则支撑轮摩擦力减小,机器人的运动速度就可以逐步增大。
刹车连接杆与刹车元件是联结在一起的。机器人的运动速度的控制是通过控制刹车元件与支撑轮的摩擦力实现的。当电磁铁得电时,电磁铁中的铁芯向下运动,从而压下刹车连接杆,增大支撑轮与管壁的摩擦力,使机器人运动速度降低；当该摩擦力大于机器人所受推力时,机器人的运动就停止；当不需要调速时,电磁铁失电,铁芯通过刹车连接杆把刹车元件拉起,则恢复支撑轮在管壁上的滚动,机器人的运动速度逐步增大。
通过上面的论述可见,机器人的运动速度的控制是通过控制刹车元件与支撑轮的摩擦力大小实现的。支撑轮与管道壁面的摩擦在机器人静止时为滑动摩擦,在机器人以最大速度运动时为纯滚动摩擦,在机器人调速时为滑动摩擦与滚动摩擦的混合。
2.3导向机构的设计
导向机构的主要作用是机器人在运动过程中,引导机器人逐步改变运动方向的机构。机器人本体与导向部分通过弹簧2连接在一起。机器人本体与导向部分共有4个连接件。其中3个为电磁铁组件,它由电磁铁、铁丝和弹簧组成。另外一个为中心固定支撑杆,该杆件与导向头部的连接为球形铰链连接,与机器人本体部分为固定连接。3个电磁铁组件均匀地分布在与固定支撑杆相垂直的平面上。衔铁左侧通过弹簧1连接在机器人本体上,衔铁右侧通过钢线连接在导向部分上。沿圆周方向布置有4组相同的结构。当机器人需要转弯时,其中一组或两组电磁铁分别通电,电磁铁产生的引力拉动铁丝向电磁铁内部运动,压缩弹簧引起导向头部摆动,从而使管道机器人进入分岔管道。当机器人需要转弯时,电磁铁1通电而其它3组的电磁铁不通电,可以吸引衔铁1向电磁铁内部运动,从而压缩弹簧1。与此同时,衔铁1通过钢线拉动导向部分转动。与此类似,如果需要向其它方向运动,则只要在相应电磁铁通电即可实现转向。由此可见,导向机构能够引导机器人按照需要往不同的方向运动,从而实现机器人转弯的需求。
3结束语
总之，不同于以往的管道机器人,本文提出了一种能源自给的管道机器人。它解决了传统有缆方式或无缆方式管道机器人在供电等问题上的不足,使管道机器人能更可靠地在管道内长时间、远距离的工作。研究过程中我们发现,在气体管道内,气体所能提供能量较小,因此若要得到足够的电能来控制机器人,机器人的发电部分的叶轮直径以及管道内气体流速均要求较大,所以该新型机器人只适用于高流速、大管径的气体管道；而在液体管道内,相同流速下,液体所提供的能量要比气体大得多,因此发电部分叶轮直径要求应该较小,所设计的机器人体积相应较小,可以运用于管径较小的液体管道中。如何在小管径气体或液体管道内实现本文提出的新型机器人的构想,还有待进一步研究。
参考文献
[1]钟映春,杨宜民.新型无缆管道机器人的研究[J].机械工程师,2015,(8)：3-5.
论文作者:廖新明
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：机器人论文; 管道论文; 叶轮论文; 电磁铁论文; 摩擦力论文; 导向论文; 能源论文; 《基层建设》2017年第31期论文;