劉海森

【摘要】 管道機(jī)器人是當(dāng)前在工業(yè)設(shè)備和天然氣等設(shè)備運(yùn)輸材料最便捷的運(yùn)輸形式，就當(dāng)前管道機(jī)器人內(nèi)部的蓄電池不能長(zhǎng)時(shí)間工作，因此限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍。本篇文章針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)新型能源自給式管道機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等機(jī)械部件詳細(xì)解說(shuō)，這些機(jī)械部件包括給機(jī)器人補(bǔ)充能量的蓄電池和機(jī)器人輪組件的設(shè)計(jì)和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，對(duì)這些零部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠有效提高新型能源自給式管道機(jī)器人的研究進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】 能源；自給式；管道機(jī)器人

在普遍工業(yè)設(shè)備和天然氣等設(shè)備中，運(yùn)輸材料最便捷的途徑就是管道運(yùn)輸，這種運(yùn)輸方式已經(jīng)在此領(lǐng)域被多出運(yùn)用起來(lái)。在普遍工業(yè)中每天對(duì)管道的應(yīng)用不計(jì)其數(shù)，因此極易導(dǎo)致管道生銹、出現(xiàn)裂縫等情況，為了有效解決這一現(xiàn)象必須對(duì)管道進(jìn)行定期的檢查和修理。本文提到的管道機(jī)器人就是為管道檢修量身定做的機(jī)械，它能夠準(zhǔn)確的找到生銹和出現(xiàn)裂縫的位置。能源自給式機(jī)器人分為兩種，一種是有纜一種是無(wú)纜。其中有纜式管道機(jī)器人，這種管道機(jī)器人行程范圍小，精準(zhǔn)度不高，而無(wú)纜式管道機(jī)器人其能量主要來(lái)自于蓄電池，雖然行程范圍廣泛，但是蓄電池的電量有限，因此，無(wú)纜式機(jī)器人的行程范圍仍然有限。

針對(duì)這一問(wèn)題，本篇文章根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的一些創(chuàng)意來(lái)將這些想法應(yīng)用到新型管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)上，根據(jù)此創(chuàng)意設(shè)計(jì)出的機(jī)器人主要是靠其管道中含有的流體不斷流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生能源。當(dāng)機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種流體就開(kāi)始發(fā)電，為蓄電池補(bǔ)充能量。

二、管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案闡述

（一）管道機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

能源自給式管道機(jī)器人與有纜機(jī)器人和無(wú)纜機(jī)器人不同，以下是在傳統(tǒng)管道機(jī)器人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)能源自給式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)的一些要求。

（1）維持能源自給式管道機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是其內(nèi)部流體流動(dòng)產(chǎn)生的能量，這些能量的產(chǎn)生能夠保障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

（2）在管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)中必須要對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度加以控制，要設(shè)計(jì)控制速度的機(jī)械裝置。

（3） 能源自給式管道機(jī)器人是在無(wú)纜式管道機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，無(wú)纜式管道機(jī)器人不能自己為蓄電池充電，而能源自給式管道機(jī)器人可以將管道中的流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，為蓄電池充電。

（4） 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的過(guò)程中要對(duì)其設(shè)置自主更換前進(jìn)方向的能力。這種能力能夠在機(jī)器人行進(jìn)到分叉管道時(shí)被有效運(yùn)用起來(lái)，它能使機(jī)器人自主找到能夠前進(jìn)的管道，并且自主調(diào)節(jié)前進(jìn)方向。

（二）管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)

下面是管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，假設(shè)管道中的流體成分為氣體，那么可以以上文的設(shè)計(jì)要求為依托，將機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有自給功能優(yōu)勢(shì)的管道形式，如下圖1所示。能源自給式機(jī)器人從本質(zhì)上來(lái)看，就是能夠進(jìn)行能源的自動(dòng)生產(chǎn)及運(yùn)轉(zhuǎn)，因此此結(jié)構(gòu)組成必然要設(shè)有發(fā)電、本體、及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，而發(fā)電實(shí)際上就是將氣體運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，從而為機(jī)器人本身的能動(dòng)性提供電能基礎(chǔ)。由圖1所示發(fā)電部分涵蓋著風(fēng)輪、變速齒輪和發(fā)電機(jī)。機(jī)器人內(nèi)的本體結(jié)構(gòu)能夠其系統(tǒng)運(yùn)行及電能存儲(chǔ)提供基礎(chǔ)條件，導(dǎo)向部分主要是由電磁鐵和導(dǎo)向頭共同組成，其主要是幫助機(jī)器人順利調(diào)轉(zhuǎn)方向。根據(jù)圖1可以看出三部分之間主要是靠一組彈簧來(lái)鏈接，彈簧外部包有蒙皮，該設(shè)計(jì)能夠最大化的減少第七題與機(jī)器人之間存在的摩擦，使機(jī)身保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。與此同時(shí)還在發(fā)電部分和主體部分安裝三個(gè)支撐輪組件。

三、新型能源自給式管道機(jī)器人發(fā)電部分的設(shè)計(jì)

本小結(jié)重點(diǎn)闡述了新型能源自給式管道機(jī)器人的發(fā)電部分。主要器件有葉輪、發(fā)電機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)和充電電池等。其中葉輪是管道機(jī)器人中發(fā)電部分的關(guān)鍵部件，主要作用是在葉輪中有流體流入時(shí)，能夠帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還能夠?yàn)楣艿罊C(jī)器人提供推力。另一點(diǎn)，當(dāng)流體與葉輪表面發(fā)生接觸時(shí)，壓力降也會(huì)伴隨而來(lái)，而壓力降在機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中是主要的推動(dòng)力來(lái)源。因此，將發(fā)電機(jī)外殼設(shè)計(jì)成流線型，方便流體的順暢流入。此外為了使機(jī)器人能夠在窄小的管道中順利運(yùn)行，特此選擇面積小，體積小的發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑為30mm，與之相對(duì)應(yīng)的配套有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

四、支扮輪組件的設(shè)計(jì)

支撐輪是管道機(jī)器人的重要組成部分。在新型能源自給式管道機(jī)器人中，由于機(jī)器人的推進(jìn)是依靠流體的流動(dòng)，而在設(shè)計(jì)要求中指出，機(jī)器人的速度必須是可以控制的，因此設(shè)計(jì)的支撐輪組件既要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身的支撐，又必須是速度控制的執(zhí)行器。管道機(jī)器人支撐輪組件布置示意圖略。

支撐輪組件由電磁鐵、支撐輪、剎車元件、機(jī)身支撐桿等組成。剎車連接桿與剎車元件是聯(lián)結(jié)在一起的。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度的控制是通過(guò)控制剎車元件與支撐輪的摩擦力實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電磁鐵得電時(shí)，電磁鐵中的鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，從而壓下剎車連接桿，增大支撐輪與管壁的摩擦力，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度降低；當(dāng)該摩擦力大于機(jī)器人所受推力時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)就停止；當(dāng)不需要調(diào)速時(shí)，電磁鐵失電，鐵芯通過(guò)剎車連接桿把剎車元件拉起，則恢復(fù)支撐輪在管壁上的滾動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度逐步增大。

五、總結(jié) 本文所提到的管道機(jī)器人與之前的管道機(jī)器人有所不同。這種管道機(jī)器人不受運(yùn)動(dòng)范圍的限制，而以往的無(wú)纜和有纜管道機(jī)器人會(huì)受到距離和能量的限制，使得機(jī)器人不能長(zhǎng)時(shí)間在管道內(nèi)運(yùn)作。從本篇文章來(lái)看，在氣體管道內(nèi)，氣體所能提供能量較小，因此若要得到足夠的電能來(lái)控制機(jī)器人，機(jī)器人的發(fā)電部分的葉輪直徑以及管道內(nèi)氣體流速均要求較大，所以該新型機(jī)器人只適用于高流速、大管徑的氣體管道；而在液體管道內(nèi)，相同流速下，液體所提供的能量要比氣體大得多，因此發(fā)電部分葉輪直徑要求應(yīng)該較小，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人體積相應(yīng)較小，可以運(yùn)用于管徑較小的液體管道中。