一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其加工方法与流程

本发明涉及一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其方法。

背景技术：

石油天然气等燃料的管道输送会产生比较大的输送阻力，从而降低输送效率。现阶段，涂层减阻和添加聚合物减阻剂两种方法主要应用在少数管线上。涂层减阻技术是在管道内表面涂布一层减阻涂层，但是存在较大的湍流脉动阻力，减阻能力十分微弱。而减阻剂减阻相对于涂层减阻简便，但减阻剂消耗很快，需要不断补充，特别是对于需要长期输送的管道来说，由于需要大量的减阻剂，使其经济效益不明显。

因此，目前并没有十分有效的减阻技术应用在油气输送管道上，而仿生减阻表面在充分模仿生物生活习性所具有的表面减阻结构形态，可以减小油气输送阻力。根据国内一些研究者对沟槽减阻的试验研究表明：v型、间隔三角型和u型沟槽减阻特性光滑表面更优越，而v型的减阻性能最佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单，操作容易，能够在管道内壁保护涂层表面上加工出仿生沟槽结构的管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其加工方法。

本发明所述的一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置，其特征在于：包括用于提供驱动力的驱动机构、用于支撑在所述管道内壁面的行走机构、用于在加工管道内壁加工仿生沟槽的加工机构以及控制器，驱动机构通过螺栓安装在行走机构上；加工机构通过螺栓与行走机构固接；驱动机构以及所述加工机构均与控制器相应的控制端电连；

所述驱动机构包括驱动电机、蜗轮、蜗杆、支撑架、传递轴以及滚轮，所述驱动电机安装在所述支撑架上；所述驱动电机的输出轴通过联轴器与传递轴相连；所述蜗轮同轴固装在传递轴上；所述蜗杆与支撑架转动连接，并与所述蜗轮啮合；所述滚轮安装在所述蜗杆的两轴端；所述驱动电机的控制端与所述控制器相应的控制端电连；

所述行走机构包括支架和两个行走单元，其中一个行走单元作为前行走单元，另一个行走单元作为后行走单元，并且两个行走单元的结构一致，所述前行走单元、所述后行走单元分别通过相应的衔接轴安装在加工机构的两端，并与之转动连接；所述支架上部与前行走单元的底部固接，下部设有用于调整支撑架纵向高度的滑槽，所述支架的下部通过卡入滑槽内的螺栓与所述支撑架一端固接，实现支撑架纵向限位；所述行走单元包括用于卡在管内壁的行走架和用于传递连接的衔接轴，所述行走架包括大锥齿轮、小锥齿轮、多个移动爪以及多个支撑杆，所述大锥齿轮与所述支撑架的上端固接；所述移动爪与所述支撑杆一一对应，并且支撑杆的内端分别与相应的移动爪向通过焊接相连，外端装有用于压在管内壁的滑轮；所述移动爪均匀布置在卡盘周向；所述衔接轴的另一端与加工机构前端转动连接；

所述加工机构包括空心滚筒、加工电机、电机支撑架、齿轮、伸缩机构以及刀具，所述空心滚筒的前端与所述前行走单元的衔接轴转动连接，所述空心滚筒的后端与所述后行走单元的衔接轴转动连接；所述加工电机、电机支撑架、齿轮、伸缩机构均设置在所述空心滚筒内，所述电机支撑架与所述空心滚筒内腔前端固接，所述加工电机安装在所述电机支撑架上，所述加工电机输出轴安装齿轮，所述齿轮与所述空心滚筒内壁周向设置的齿啮合；所述伸缩机构的伸缩杆沿空心滚筒径向移动，伸缩杆的外端贯穿空心滚筒后装有用于加工管内壁的刀具；所述伸缩机构的控制端与所述控制器的相应控制端电连。

所述伸缩机构包括伸缩杆、直线电机、滑台、导轨、传动轴、电机支撑台、托架以及斜板，直线电机安装在滑台上；导轨两端均用两个螺栓固定在支撑台上，支撑台为空心滚筒内一个凸台结构，滑台安放在导轨上，保持直线电机沿空心滚筒的轴向作直线往复运动；传动轴一端与滑台相连，所述传动轴的另一端同轴安装用于调整伸缩杆伸出长度的斜板，且斜板的倾斜方向一致；每根伸缩杆对应一块斜板，空心滚筒内壁上周向均匀布置多个通孔，且每个通孔对应配有一根伸缩杆，所述伸缩杆沿空心滚筒径向贯穿空心滚筒的通孔，并且伸缩杆的内端与相应斜板滑动连接，外端安装刀具；每个伸缩杆的顶端开有一个孔，轴向端面一侧开有一个凹槽；刀具插入到孔内，在凹槽内用两个竖直方向布置的螺栓进行固定。所述斜板可以用锥台、圆台等结构替换。

所述空心滚筒的两端分别设有用于嵌入圆锥滚子轴承的安装通孔，并且所述安装通孔中心轴与空心滚筒的中心轴重合；所述安装通孔内嵌有套环，且所述套环的凸肩卡在空心滚筒相应的端面处，所述套环内装有圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承的外端面配有相应的端盖，所述端盖、所述套环通过螺栓与所述空心滚筒的端面固接。

所述行走单元周向均匀分布3个移动爪，3个移动爪径向都有一个支撑杆，两者焊接在一起；空心滚筒一端周向均匀布置3个通孔，且每个通孔对应配有一根伸缩杆；所述空心滚筒的内壁上有一个内齿轮结构，与相连在所述加工电机输出轴的齿轮内啮合。

所述传递轴为阶梯状，穿过支撑架的两个凸台中的轴承孔，均配有角接触球轴承，在传递轴的轴端相应配有端盖；所述蜗杆布置在支撑架的下方，支撑架的两端面分别设有中心通孔，每个中心通孔内嵌角接触球轴承，外配与支撑架相应端面固接的端盖，且所述蜗杆的两端通过端盖以及角接触球轴承与所述支撑架转动连接。

整个加工装置都在充分润滑的条件下工作。

根据本发明所述的一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置的加工方法，包括以下步骤：

1)根据需要加工管道的管径，转动调节前后行走单元内六角螺母，使支撑杆径向伸长，直至其顶端的每个滑轮能够刚好顶住管道内壁，使加工装置进入到管道内作业的部分受力均衡，确保其稳定性；

2)调节前走单元下方支架的螺栓，使驱动机构径向移动，直至安装在所述蜗杆两端的滑轮接触到管道内壁；

3)将管道内壁仿生沟槽表面加工装置置于待加工的管道内；

4)启动驱动电机，带动蜗轮蜗杆传动，使行走机构支撑起加工机构在待加工的管道内轴向行走；

5)待加工机构移动到管道内壁待加工的位置时，行走单元停止移动并压紧管道内壁，此时关闭驱动电机；

6)启动直线电机，传动轴沿空心滚筒轴向移动，带动刀具向待加工管道内壁靠近，待刀具到达管道内壁的待加工位置，并且刀具的切割刃与待加工的管道内壁接触后，关闭直线电机；

7)启动加工电机，加工电机旋转带动齿轮转动，齿轮啮合滚筒内壁齿轮，进而使滚筒转动，从而使刀具转动，开始加工管道内壁沟槽；

8)加工完成后，通过控制直线电机使刀具的切割刃径向离开已加工表面；

9)重复4)～8)操作，则可实现待加工管道内仿生沟槽的连续加工。

本发明的有益效果是：采用三把刀具同时反向切削加工，可抵消三把刀具切削加工时所受到的切向反力，从而避免产生弯曲变形和扭转变形，使加工装置作业质量得以保证。加工装置切削加工时使用一个动力源，借助传动机构来进行动力传递，带动三把刀具同时实现切削加工，使加工装置结构设计显得紧凑。加工装置加工管径范围广，并且具有很好的定心和定位功能。同时，可安装不同形状的刀具，完成其对应减阻结构的加工，具有精度高，结构简单，操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明三维结构图。

图3为驱动机构结构图。

图4为行走机构三维结构图之一。

图5为行走机构三维结构图之一。

图6为加工机构结构图。

图7为加工机构中齿轮啮合结构图。

图8为传动轴三维结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置，包括用于提供驱动力的驱动机构1、用于支撑在所述管道内壁面的行走机构2、用于在加工管道内壁加工仿生沟槽的加工机构3以及控制器，驱动机构1通过螺栓安装在行走机构2上；加工机构3通过螺栓与行走机构2固接；驱动机构1以及所述加工机构3均与控制器相应的控制端电连；所述驱动机构1包括驱动电机11、蜗轮12、蜗杆13、支撑架14、传递轴15以及滚轮16，驱动电机11采用立式安装，周向均匀采用4个螺栓固定在在支撑架14上；所述驱动电机11的输出轴通过联轴器111与传递轴15相连，周向均用4个螺栓与端盖112固定；所述蜗轮12同轴固装在传递轴15上；所述蜗杆13与支撑架14转动连接，并与所述蜗轮12啮合；所述滚轮16安装在所述蜗杆13的两轴端；所述驱动电机11的控制端与所述控制器相应的控制端电连；

所述行走机构2包括支架22和两个行走单元21，其中一个行走单元作为前行走单元，另一个行走单元作为后行走单元，并且两个行走单元的结构一致，对于加工短距离管道时，长度范围在3-5m内，行走单元采用机械三爪卡盘结构，所述前行走单元、所述后行走单元分别通过相应的衔接轴212安装在加工机构3的两端，并与之转动连接；所述支架22上部与前行走单元的底部固接，下部设有用于调整支撑架纵向高度的滑槽221，所述支架22的下部通过卡入滑槽内的螺栓与所述支撑架14一端固接，实现支撑架14纵向限位；所述行走单元21包括用于卡在管内壁的行走架211和用于传递连接的衔接轴212；所述行走架211为三爪卡盘，包括安装组件、多个移动爪2111以及多个支撑杆2112，所述安装组件与所述支撑架2112的上端固接，所述移动爪2111与所述安装组件滑动连接；所述移动爪2111与所述支撑杆2112一一对应，并且支撑杆2112的内端分别与相应的移动爪2111固接，外端装有用于压在管内壁的滑轮2113；所述衔接轴212的另一端与加工机构3前端转动连接；

对于加工短距离管道时，长度范围在3-5m内，行走单元采用机械三爪卡盘结构，安装组件包括大锥齿轮2115、小锥齿轮2116，所述大锥齿轮2115与所述支撑架14的上端固接；所述移动爪2111与所述支撑杆2112一一对应，并且三个支撑杆2112的内端分别与三个移动爪2111向通过焊接相连，外端装有用于压在管内壁的滑轮2113；三个移动爪2111周向有均匀的沟槽，并与大锥齿轮2115的环形沟槽相啮合，使得所述支撑杆2112沿大锥齿轮2115的径向布置；小锥齿轮2116与大锥齿轮2115相啮合，并且小锥齿轮2116外端开有扳手插入方孔2117；所述衔接轴212的另一端与加工机构3前端转动连接；支架22对称布置在前行走单元的正下方，且支架22在垂直方向开有通槽，与驱动机构通过螺栓相连，通过调节连接螺栓可以使整个驱动机构径向移动，以进入不同管径的管道内；后行走单元结构与前行走单元相同，但是没有支架，与空心滚筒的连接结构、配合方式相同；

对于长距离管道，长度范围在5m以上，行走单元选用气压三爪卡盘，安装组件包括空心主轴214、带气缸的卡盘215、气管216、主轴连接套217以及带仪表219的气压控制器218，空心主轴214一端连接卡盘215，二者周向固定；另一端与主轴连接套217相连，主轴连接套217后端连有气压控制器218；气管216置于空心主轴214中，一端连通卡盘215，另一端穿过主轴214连接套连接在气压控制器218上；所述移动爪2111与卡盘215连通，通过气压控制器218可以三个移动爪2111同时径向移动，进入不同管径的管道，完成内壁加工。

所述加工机构3包括空心滚筒31、加工电机32、电机支撑架33、齿轮34、伸缩机构35以及刀具36，所述空心滚筒31的前端与所述前行走单元的衔接轴212转动连接，所述空心滚筒31的后端与所述后行走单元的衔接轴转动连接；所述加工电机32、电机支撑架33、齿轮34、伸缩机构35均设置在所述空心滚筒31内，所述电机支撑架33与所述空心滚筒31内腔前端固接，所述加工电机32安装在所述电机支撑架33上，所述加工电机32输出轴安装齿轮34，所述齿轮34与所述空心滚筒31内壁周向设置的内齿轮啮合，并且内齿轮轴向右端有一个环形挡板，与滚筒为一个整体结构，可对齿轮34的一边进行轴向定位，齿轮34的另一边用套筒38进行定位，通过键连接来实现齿轮34的周向定位；所述伸缩机构35的伸缩杆沿空心滚筒径向移动，伸缩杆的外端贯穿空心滚筒后装有用于加工管内壁的刀具；所述伸缩机构的控制端与所述控制器的相应控制端电连。

所述伸缩机构35包括伸缩杆351、直线电机352、滑台353、导轨354、传动轴355、电机支撑台356以及斜板357，直线电机352周向均匀用4个螺栓安装在滑台353上；导轨354两端均用两个螺栓固定在支撑台356上，支撑台356为空心滚筒内一个凸台结构，仅起到支撑导轨354的作用，滑台353安放在导轨354上，保持直线电机352沿空心滚筒31的轴向作直线往复运动；传动轴355一端与滑台353相连，；所述传动轴355的另一端同轴安装用于调整伸缩杆伸出长度的斜板357，且斜板357的倾斜方向一致；每根伸缩杆351对应一块斜板357，空心滚筒31内壁上周向均匀布置3个通孔，且每个通孔对应配有一根伸缩杆351，所述伸缩杆351沿空心滚筒31径向贯穿空心滚筒的通孔，并且伸缩杆351的内端与相应斜板357滑动连接，外端安装刀具36；三个伸缩杆351与斜板357相接合的位置开有沟槽，两端并有挡板，可防止其在滚筒36转动过程出现窜动；这种结构可以实现三个伸缩杆351同时径向移动，每个伸缩杆351的顶端开有一个孔，轴向端面一侧开有一个凹槽；刀具36安放时，将刀具36插入到孔内，在凹槽内用两个竖直方向布置的螺栓进行固定，可防止其进行切削加工时发生转动。加工时，加工电机32转速较慢，则刀具36切削时产生的切削力较大，所以刀具选用硬脂合金刀，保证其有足够的强度。且刀具36采用特殊制作，通过安装不同形状的刀具36可加工不同的沟槽结构。

加工机构的空心滚筒31为了便于制造和安装其他零件，则采用中开式，分为两半，两边分别用三个螺栓将其拼合在一起；行走单元第二段与空心滚筒31通过轴承连接。加工装置在管道内行走时，空心滚筒31受到衔接轴212较大的轴向力，同时加工时，自身旋转会产生径向力，所以选择安装两个圆锥滚子轴承381对称布置。其一端都由轴肩进行轴向定位，另一端，一个是通过端盖37进行轴向定位，另一个是通过套筒38进行轴向定位，从而实现轴承两端轴向定位。圆锥滚子轴承381内外圈分别与行走单元第二段和套筒38采用过盈配合工艺，从而实现轴承的轴向定位。同时，两个轴承采用正装方式，这种结构简单，装拆调整方便。空心滚筒31两端周向均布螺栓，将端盖37与套筒38固定在空心滚筒31上，同时为了阻挡灰尘，安装毛毡圈39。

所述行走单元周向均匀分布3个移动爪2111，3个移动爪2111径向都有一个支撑杆2112，两者焊接在一起；空心滚筒31一端周向均匀布置3个通孔，且每个通孔对应配有一根伸缩杆351；所述空心滚筒31的内壁上有一个内齿轮结构，与相连在所述加工电机32输出轴的齿轮内啮合。

传递轴15为三段式阶梯轴，蜗轮12安装在传递轴15第一段上，其一端通过传递轴15轴肩实现轴向定位，另一端通过第一套环151实现定位，并通过键连接实现蜗轮12的周向定位；传递轴15轴端通过第一角接触球轴承152与支撑架14相连，第一套环151对角接触球轴承152的一端进行轴向定位，外端并配有端盖37对第一角接触球轴承152另一端进行定位，用6个螺栓对端盖37进行固定；传递轴15第二段穿过支撑架14的通孔里装有第二角接触球轴承153，一端通过第二套环154定位，另一端通过传递轴15轴肩定位；传递轴15第三段安装到联轴器111上；蜗杆13布置在蜗轮12转动方向的正下方，并与支撑架14相连，支撑架14与蜗轮12向配合的位置对称开有两个轴承孔，相应地有两个第二角接触球轴承153，外面都有轴承端盖，第二角接触球轴承153的两端分别用蜗杆12轴肩和轴承端盖进行定位，轴承端盖轴向均用6个螺栓进行固定；支撑架14通过两个水平对称布置的螺栓固定在行走结构上；滚轮16安装在蜗杆13两端，通过螺纹拧紧；

整个加工装置都在充分润滑的条件下工作。

实施例2根据实施例1所述的一种管道内壁仿生沟槽表面加工装置的加工方法，包括以下步骤：

1)根据需要加工管道的管径，调节前后段行走机构，使三个移动爪同时移动从而带动三个支撑杆径向伸长，直至滚轮能够刚好接触到管道内壁，确保整个加工装置进入到管道内作业的部分受力均衡，保证其稳定性；

2)调节前行走单元下方支架的螺栓，使驱动机构径向移动，直至安装在所述蜗杆两端的滚轮接触到管道内壁；

3)将管道内壁仿生沟槽表面加工装置完全置于待加工的管道内，确实其稳定性；

4)启动驱动电机，通过控制，带动蜗轮啮合蜗杆转动，从而连接在蜗杆两端的滚轮转动，进而使前后端的行走单元支撑起加工部分向前移动60mm，使行走机构支撑起加工机构在待加工的管道内轴向行走；

5)待加工机构移动到管道内壁待加工的位置时，通过控制关闭驱动电机，使行走单元停止移动，同时使支撑杆适当径向伸长压紧管道内壁，确保加工装置在加工过程中出现颤动；

6)启动直线电机，通过控制使传动轴沿空心滚筒轴向移动15mm，从而三根伸缩杆沿空心滚筒径向向外伸长20mm，带动刀具向待加工管道内壁靠近，待刀具到达管道内壁的待加工位置，并且刀具的切割刃与待加工的管道内壁接触后，关闭直线电机；

7)启动加工电机，加工电机旋转带动齿轮转动，通过控制使其旋转120°，同时与加工电机相连的齿轮也带动滚筒转动120°，每把刀具同时相应地在管壁待加工位置转动120°完成一圈仿生沟槽结构地加工；

8)加工完成后，通过控制直线电机使刀具的切割刃径向收缩15mm，使其离开已加工表面；

9)重复4)～8)操作，直至管道加工完成。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。