分析能源自给式管道机器人如何进行机械结构设计

张凯 程佳

摘 要：管道机器人是当前在工业设备和天然气等设备运输材料最便捷的运输形式，就当前管道机器人内部的蓄电池不能长时间工作，因此限制了机器人的活动范围。本篇文章针对这一问题，对新型能源自给式管道机器人的内部结构等机械部件详细解说，这些机械部件包括给机器人补充能量的蓄电池和机器人轮组件的设计和导向结构，对这些零部件的创新设计能够有效提高新型能源自给式管道机器人的研究进程。

关键词：能源；自给式；管道机器人

1 前言

在普遍工业设备和天然气等设备中，运输材料最便捷的途径就是管道运输，这种运输方式已经在此领域被多出运用起来。在普遍工业中每天对管道的应用不计其数，因此极易导致管道生锈、出现裂缝等情况，为了有效解决这一现象必须对管道进行定期的检查和修理。本文提到的管道机器人就是为管道检修量身定做的机械，它能够准确的找到生锈和出现裂缝的位置。能源自给式机器人分为两种，一种是有缆一种是无缆。其中有缆式管道机器人，这种管道机器人行程范围小，精准度不高，而无缆式管道机器人其能量主要来自于蓄电池，虽然行程范围广泛，但是蓄电池的电量有限，因此，无缆式机器人的行程范围仍然有限。

针对这一问题，本篇文章根据现实中的一些创意来将这些想法应用到新型管道机器人的设计上，根据此创意设计出的机器人主要是靠其管道中含有的流体不断流动来产生能源。当机器人停止运动时，这种流体就开始发电，为蓄电池补充能量。

2 管道机器人的设计方案阐述

2.1 管道机器人设计时应注意的事项

能源自给式管道机器人与有缆机器人和无缆机器人不同，以下是在传统管道机器人设计基础上对能源自给式管道机器人设计的一些要求：

（1）维持能源自给式管道机器人正常运动的动力是其内部流体流动产生的能量，这些能量的产生能够保障机器人的运动。

（2）在管道机器人的设计中必须要对其运动速度加以控制，要设计控制速度的机械装置。

（3）能源自给式管道机器人是在无缆式管道机器人的基础上加以改进，无缆式管道机器人不能自己为蓄电池充电，而能源自给式管道机器人可以将管道中的流体运动转换成电能，为蓄电池充电。

（4）在设计机器人的过程中要对其设置自主更换前进方向的能力。这种能力能够在机器人行进到分叉管道时被有效运用起来，它能使机器人自主找到能够前进的管道，并且自主调节前进方向。

2.2 管道机器人的总体方案设计

下面是管道机器人的总体方案设计，假设管道中的流体成分为气体，那么可以以上文的设计要求为依托，将机器人的机械结构设计成具有自给功能优势的管道形式，如下图1所示。能源自给式机器人从本质上来看，就是能够进行能源的自动生产及运转，因此此结构组成必然要设有发电、本体、及导向结构，而发电实际上就是将气体运转环节产生的动能转化成电能，从而为机器人本身的能动性提供电能基础。由图1所示发电部分涵盖着风轮、变速齿轮和发电机。机器人内的本体结构能够其系统运行及电能存储提供基础条件，导向部分主要是由电磁铁和导向头共同组成，其主要是帮助机器人顺利调转方向。电磁铁、导头和蓄电池3部分之间主要是靠一组弹簧来链接，弹簧外部包有蒙皮，该设计能够最大化的减少气流与机器人之间存在的摩擦，使机身保持相对稳定的状态。与此同时还在发电部分和主体部分安装3个支撑轮组件。

3 新型能源自给式管道机器人发电部分的设计

本小结重点阐述了新型能源自给式管道机器人的发电部分。主要器件有叶轮、发电机、齿轮机构和充电电池等。其中叶轮是管道机器人中发电部分的关键部件，主要作用是在叶轮中有流体流入时，能够带动叶轮转动，同时还能够为管道机器人提供推力。另一点，当流体与叶轮表面发生接触时，压力降也会伴随而来，而压力降在机器人的机械结构中是主要的推动力来源。因此，将发电机外壳设计成流线型，方便流体的顺畅流入。此外为了使机器人能够在窄小的管道中顺利运行，特此选择面积小，体积小的发电机。这种发电机的转子直径为30mm，与之相对应的配套有齿轮传动机构。

4 支扮轮组件的设计

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。管道机器人支撑轮组件每部分都非常重要。

支撑轮组件的结构，主要由电磁铁、支撑轮、刹车元件、机身支撑杆等组成。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，机器人的運动速度逐步增大。

5 总结

本文所提到的管道机器人与之前的管道机器人有所不同。这种管道机器人不受运动范围的限制，而以往的无缆和有缆管道机器人会受到距离和能量的限制，使得机器人不能长时间在管道内运作。从本篇文章来看，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。

参考文献

[1]李锻能，杨宜民.能源自给式管道机器人管道内流体力学分析[J].机床与液压，2007，35（6）：22-25.

[2]朱永梅，孙小艳，张超.新型微型管道机器人结构设计及其运动可行性分析[J].江苏科技大学学报自然科学版，2013，27（4）：351-355.

[3]李杰.管道爬行机器人机构设计及动力学分析[D].西南科技大学，2013.

（作者单位：1.沈阳新松机器人自动化股份有限公司；2.北方重工设计研究院）