压力管道内壁打磨机器人的研制*

杜兴吉，凌张伟，郭伟灿，缪存坚

（浙江省特种设备检验研究院，杭州310020）

压力管道内壁打磨机器人的研制*

杜兴吉，凌张伟，郭伟灿，缪存坚

（浙江省特种设备检验研究院，杭州310020）

针对工业压力管道内壁存在腐蚀、结垢等情况，会对压力管道内窥镜检测以及介质流动、热量传递等存在不利影响的问题，在国内外管道机器人研究的基础上，设计了一种全新的管道内壁自动打磨装置，对管道内壁打磨机器人进行结构设计，提出了预紧力机构、打磨机构、驱动机构的设计方案。试验结果显示，该打磨机器人具有良好的运行稳定性和弯管过弯性能，并能实现有效打磨，对保障压力管道安全运行具有重要意义。

压力管道；内壁；腐蚀；结垢；打磨；机器人

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

根据《特种设备安全法》及有关规定，在役压力管道应进行定期检验，通过宏观检测、超声检测、磁粉检测等技术对压力管道的整体情况以及管道存在的腐蚀、裂纹等缺陷进行检测。随着压力管道使用时间的增加，管道输送介质不仅会腐蚀管道，而且容易在管道内部生成沉积，对管道内介质的流动产生影响，威胁管道安全运行。因此在压力管道定期检验期间，需要清除管道内壁附着的介质沉积物和较严重的铁锈，以配合后续管道内窥镜检测，并提升管道介质流动换热性能。本研究设计开发了一种专门用于管道内除锈的机器人，对于保障管道安全高效运行具有重要意义。

1 管道内除锈系统主要组成

1.1 总体方案与机械结构

管道内壁打磨机器人主要结构包括：系统驱动机构、打磨装置、连接结构以及控制电路。主要技术难点包括驱动系统的有效驱动、整个机器人系统的过弯性能、垂直管段的爬行性能以及打磨作业的有效性。在系统设计时，应考虑压力管道的直径和结构。较小的管道直径（如DN100-DN150系列）对机器人结构设计提出了更高要求，特别是对整个机器人系统的过弯性能要求较高。因此，本研究设计的机器人系统优先选择直径DN200以上的管道为研对象，首选广泛使用的直径为219 mm的管道，并适用于弯管段和垂直管段。由于管道具有转弯较多、转弯半径较小的特点，因此，机器人机构必然受电机驱动转矩和安装尺寸等多因素的限制。该机器人设计时主要考虑以下因素：

（1）在垂直管道中运行时，要克服本体的重力和拖线与管道的摩擦阻力，需要有较大的承载能力。因此设计上采用多履带传送结构，一方面履带接触面积大，容易产生较大的摩擦力；另一方面多履带结构可以产生一定的预紧力，便于通过垂直管段。

（2）需要有较好的弯管通过性，能够通过一定曲率的弯曲管道。因此设计上采用多功能模块，采用弹簧结构连接。

（3）具有较好的柔性，有一定的管径适应能力，能够越过焊缝、腐蚀等障碍物。因此在多履带系统中设计了弹簧结构。

（4）打磨时力矩要足以克服打磨过程中的阻力。因此设计上采用结构紧凑的高性能电机驱动打磨头工作。

1.2 预紧力机构的设计

预紧力有以下两方面作用。

团结乡在其后续的发展中应做到充分利用当地现有民俗文化、农耕文化以及历史文化等文化资源，进一步开展乡村文化的挖掘与保护工作，开发独具特色的乡村旅游产品，提高游客在旅游中的积极性和参与性，增强乡村旅游的吸引力。

（1）保证管道机器人有一定的越障能力。长期使用的管道内部由于介质沉积、法兰面以及管道焊缝余高等因素，管道内壁情况并不理想，往往存在障碍物或者凸起的现象。因此，管道机器人在管道内部爬行过程中，在碰到障碍物或者凸起的时候，应该具有一定的弹性，以便越过障碍物或者凸起，避免被卡死。

（2）充足的预紧力保证机器人输出稳定的牵引力。管道机器人在管道内部爬行过程中，必须要有足够的、稳定的牵引力，尤其是在垂直管道内部，输出的牵引力要足以克服机器人系统的本体质量。充足的预紧力保证履带紧贴在管道内壁，足够的正压力产生的向上摩擦力才能克服机械本体的质量，因此，充足的预紧力是管道机器人在管道内部能够运动的前提条件。

本机构的预紧力由弹簧提供，当机器人遇到障碍物或者将机器人装入管道过程中，可以沿着垂直于机器人轴向的方向滑动，以提供预紧力。

1.3 打磨装置的设计

打磨装置结构如图1所示。打磨装置的主要功能是完成对管道内壁表面的打磨，既要保证能快速将其表面打磨干净，又不能对其过度打磨。如果管道内壁表面打磨不彻底，则会影响后续无损检测的判断；如果管道内壁表面打磨过度，则会影响管道的总体强度。

图1 打磨装置结构示意图

钢丝轮是除锈装置中的重要部件，也是最主要的消耗品。它是在一圆柱外面套上一层橡胶层，尺寸相同，再在橡胶上均匀固定许多钢丝针，这些钢丝针末端弯曲，经切削变得十分尖锐，并经过热处理，以提高硬度和强度，且钢丝针有一定弹性。

钢丝轮固定于电机轴上随之转动，紧贴钢丝针前下方有一小挡块，当钢丝针碰到挡块后继续随电机运动会造成钢丝针弯曲内陷、变短。然后钢丝针顶部沿挡块切线方向划出，形成的回复力加之电机的驱动力，产生强大的冲击力。许多钢丝针接二连三在表面刮去锈迹，移动钢丝轮，被清洁表面也随之扩大。

为了延长钢丝轮的寿命，降低更换频率，经过现场的打磨试验，汇总了大量的技术数据，定制了特殊的钢丝轮。这不但保证了装置的耐用性，也使工作效率大大提高，并且该钢丝轮方便更换。

打磨轮电机为直流24 V串激电动机，功率200 W，转速20 000 r/min，速度可调。打磨所用的钢丝轮宽度为20 mm。

1.4 系统驱动装置

管道机器人是在限定的环境里运行，尤其是在弯曲管道里运行时，机器人要适应不同截面形状、不同直径的管道。因此采用履带驱动方式，履带与管壁间的接触面积大，附着力大，具有优越的越障性能。

图2 具备一定管径适应能力的管道机器人

3个履带驱动模块互成120°均布支撑在管道截面圆周方向，利用弹簧力使履带驱动模块始终保持与管道内表面接触，便于机器人在管道内自动定心，具有较好的可靠性和互换性。通过调节3个履带驱动模块的速度（速度差），实现机器人的弯道运动，很好的适应了弯道、分岔等特殊的管内环境。弹簧张紧机构保证了机器人具有足够的牵引力，可以在垂直管道中运行。

由于驱动装置与其他装置之间均采用弹簧连接，因而机器人能够在有较大弯曲半径的管道内爬行，即可以检测弯管内表面质量。

机器人行走速度15 m/min，除锈时工作速度5 m/min，并可以根据工作需要调整速度。可在管道内沿反正两个方向行走，速度均匀、可调。

机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用计算大致相同。但机器人的传动系统要求结构紧凑、质量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动间隙，提高其运动和位置精度。本研究采用铝质同步带轮和氯丁橡胶的交叉双面齿同步带作为履带驱动机构，有利于增加履带与壁面的附着力和越障能力。

2 系统工作流程

使用时，将打磨系统单元安装在驱动机器人前部，打磨装置和机器人之间用弹簧连接，将打磨装置放入管道一端入口，电缆及牵引绳子挂在机器人后部，接通电源，电缆的电源芯线为机器人提供电源，操作者通过控制器，遥控机器人前行、后退或停止，可以在液晶屏上监视到管道内的图像，并开动打磨系统进行打磨清除作业。

机器人采用增力臂结构设计，使机器人能够适应不同的管径；采用微观动、静密封技术，防止泄漏；密封防水，满足能在液体压力管道中穿行的要求；并可以将机器人移动至管道需要打磨清扫的部位，启动打磨装置进行打磨清扫作业。

打磨装置由一个驱动电机驱动，采用特制的钢丝轮，利用电机控制钢丝轮旋转并与管道内壁有一定的过盈配合，可以有效除去管道内的铁锈和管内沉积物。钢丝轮采用曲丝（波纹丝）形式，曲丝环绕而成的钢丝轮钢丝更显得密度高、结实、除锈回弹力度大，也适合有一定椭圆度的直管和弯头的打磨。

3 系统测试

为了检验机器人的过弯、牵引力等性能，以及检验打磨装置的打磨效果，设计了带有弯管和垂直管的直径为219 mm的测试管道，如图3所示。

图3 测试管道装置

测试表明，机器人、打磨装置均能顺利通过弯管，打磨装置的打磨精度基本能达到预期的效果。

4 结束语

本研究提出了一种压力管道内壁打磨机器人，能对直径219 mm的压力管道内壁进行打磨清洗作业，去除沉积在管道内部的杂质，保证流体正常流动，确保压力管道定期检验能够正常进行。

该管道机器人能进入人所不及、复杂多变的管道环境中，通过携带的打磨作业装置完成管道的清扫、除锈等任务，具有十分广阔的应用前景。

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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

编辑：张 歌

浙江省科技计划项目“压力管道内除锈及视频检测机器人研制”（项目编号2015（C33013））。

杜兴吉（1968—），男，汉族，浙江东阳人，高级工程师，博士后，目前主要从事自动化检测、特种设备检测机器人的研究工作。