浅谈海底管道维修自动行走系统的设计

浅谈海底管道维修自动行走系统的设计

人类对土地的开发已有几千年的历史。由于过度的开发,许多负面问题随之产生,如土地僵化、资源匮乏,因此人类正在把开发的重心向海洋转移。由于海洋特殊环境条件的限制,给物资输送带来很大的麻烦。所以架设海底管道将是一种普遍采用的物资输送方法。目前,我国对海洋资源开发主要是石油的开采。如果石油管道泄漏,将会污染海洋环境、损失已开采的资源,带来严重的后果。因此,对海底输送管道维修的研究将具有重要意义。由于海底特殊条件的限制,海底管道的维修要比陆地上的维修困难得多。在能见度和水质的影响下,维修应尽量减小手动工作,最大程度上实现自动运行。管道焊接的自动操作,在有效实现焊接的同时,还需要准确地实现管道的周向行走。在进行管道表面防护层的清理时,也需要工具周向自动行走来完成自动的清理工作。因此,对管道周向自动行走机具的研究是很必要的。在管道表面周向行走,包括两方面动作:一是机具在任何位置都紧贴于管道的表面;二是机具沿管道圆周切向行走。实际上这两个动作的实现并不是不相关的,都是通过同一机具来实现的。下面简单介绍几种管道表面周向的行走机具,都只是从原理方面作些初步的探讨,希望能提供给从事这方面应用研究的人士一些思路。1旋转螺旋结构的作用机理爬上电线杆维修电路的电工,都通过腰间的一根皮带把自己与电线杆兜住,用辅助脚上的工具来保持自己姿态,防止坠落。也有些人在爬树时仅通过一根绳子与身体配合就轻而易举的爬上树。根据这些,形成了通过绳轮实现管道周向行走方式。如图1所示,3、4、5是张紧轮8的调整机具,旋转丝杠3只能周向旋转,不能轴向移动,而且3两端的螺纹是反向的,这样旋转3的时候,3上的滑块会相向运动,这样就带动滑块4在滑槽中移动,也使得两个支撑轮相向运动,从而调整支撑轮之间的间距,以适应不同管径的要求,支撑轮的作用是把机具整体支离管道表面,机具在运动时通过与管道表面的滚动摩擦以减小运动阻力。旋转螺旋结构6可使活动张紧轮7沿着滑槽运动,以调整绳的张紧度。此机具的工作过程为:安装在管道上之前,机具的绳子一端绕在绳轮上,另一端处于自由状态,调整两个支撑轮之间的距离,以适应管径的大小,保持有效的支撑;被安装到管道上时,机具通过支撑轮跨在管道上,把绳子的自由状态的一端绕过管子,再绕过活动张紧轮和固定张紧轮后,挂在绳轮上,然后通过两端的张紧轮调整绳子在管子上的松紧度;机具在运动时,绳轮以释放绳子的固定端、缠绕绳子的自由端方向旋转,这样,绳轮一面在释放绳子,一面在收紧绳子,而在摩擦力的作用下与管道接触的绳子不动,这样此机具就沿着绳子运动,达到了在管子表面的行走目的。此机具能够在管子上真正实现行走的关键是,如何保证绳子在行走过程中始终箍紧管子表面,使摩擦力满足绳子不动的要求而使机具不会打滑或坠落。而在绳子初始状态的张紧程度调定后,绳子松紧主要取决于绳子在同时释放和收紧的长度是否相同。绳子的释放和收紧都由一个绳轮操作,这样就初步保证了绳子释放和收紧的同步性。但如果绳子在绳轮上的缠绕半径不同,同步收紧和释放的绳子长度也会不相等,这样绳子会箍得太紧或松懈,箍得太紧会使绳子拉应力加大,绳子的强度受到威胁,松懈会使机具打滑或坠落,这种情况就更需要避免。为了避免这种情况的发生,在绳轮的表面加工成螺旋形的绳槽,同时,再添加一个与绳轮同步转动的调整绳子进入绳轮位置的结构,这样就使绳子在绳轮上的缠绕半径相同,进一步保证了绳子同步释放和收紧时长度相同。此机具的行走只有绳子与管道表面的摩擦力是有利的,其他摩擦力都是不利的,因此要尽力减小机具其他的摩擦阻力。不利的摩擦阻力包括机具与管道表面的摩擦力,张紧轮与绳子的摩擦力。增加张紧轮表面的光洁度,可减少绳子与张紧轮之间的摩擦力。两个支撑轮也通过滚动摩擦减小机具与管子表面的摩擦力。由于此机具只能从一个方向收紧绳子,从另一个方向释放绳子,因此,只能按一个方向转动。2整体机械机械的安装象绳子一样,链结构也是有柔性的,而且没有弹性,但链子不能象绳子一样成圈地绕在轮子上。因此,根据链子的特点,设计出链轮行走机具,具体如图2所示,螺旋结构1的旋转可以提升和下降两个支撑轮,与绳轮行走机具的相应部分一样,调整链轮行走机具在管道表面的支撑。螺旋结构4的旋转可以使导向链轮沿滑槽运动,从而调整链的张紧度。此机具的工作过程为:在安装之前,链子是断开的,安装时,把整体通过支撑轮跨在管道上,调整支撑轮的高度,达到较佳的支撑效果;把链子绕过管子,然后用销子把链联结上;调整张紧轮,使链子紧箍于管子表面;驱动链轮,由于在链子和管道表面的摩擦力作用下链子不产生滑动,这样就使得链轮在链子上滚动,带动整体机具在管子上周向行走。此机具能够在管子上行走的关键问题是链子在行走过程中能否始终保持一定的张紧度,使摩擦力满足链子不动的要求而使机具不会打滑或坠落。由于的链长在安装时是调定的,只要在调定张紧轮的位置并保持不变即可以保持张紧度,因此,保证机具在管子上行走是较容易的。但链节的连接是需要销子的,在水中这种特定情况下安装起来会产生一定的麻烦。海底和管道表面会有淤泥,会对链子产生一定的污染,而链轮和链子啮合时链子要保持一定的清洁性,这样就产生了一定的矛盾。如果想保持正常啮合,就需要在进入啮合之前对链子进行冲洗清洁工作,这需要增加一套冲洗清洁设备。链的磨损主要发生在销轴与套筒的接触面上,而在水中销轴与套筒之间的润滑有麻烦,这种矛盾就不容易解决。3通过磁性材料吸附的管道表面周向行驶模具上面两种方案,都是利用柔性元件紧箍在管道表面,保持机具附在管道上,又通过在柔性元件与管道表面的摩擦力作用下柔性元件保持不动,行走机具通过一定的方式沿着柔性元件行走。这样使机具附在管道表面的方式有些复杂,而且实现起来可靠性较低,因此这里又考虑了另一种方案。当管道为钢铁材质、表面没有防护层或防护层很薄(对磁力的影响很小)时,就可以利用磁性材料吸附作用来实现。图3为一种通过磁力实现管道表面吸附的管道表面周向行走机具。图3中,1为磁轮,2为管道。此机具通过磁力吸附于管道表面,再通过磁轮的旋转来达到周向行走的目的。磁轮的旋转可以用液压马达或防水电机来驱动。这种行走机具的结构简单,实现起来也比较容易。此磁轮也可以用履带来代替,这样的履带上镶嵌着磁块,来达到吸附的目的。由于此行走机具是靠两个轮子的旋转来实现前进,如果磁轮转动控制得不好,行走路线就会不受控,因此还需要路径的识别装置。海底的管道,出于防腐和保温的考虑,一般钢管表面涂有各种涂层,这些涂层对磁力会有很大的削弱。因此,这种行走方式的实际应用范围很小。4种模具的比较上面从原理上简单介绍了几种管道行走方案。这些方案都有各自的特点,下面对这几种方案进行比较,得出如下结论:(1)三种机具都可以实现在管道表面的周向行走