专利名称：一种管道内壁减阻结构加工装置及加工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种管道的加工装置及加工方法。
背景技术：
目前，减阻技术在国内的油气输送管道上应用得极少且大多采用涂层减阻和减阻剂减阻两种方法，这存在很大弊端。涂层减阻存在使用寿命不长、适用范围较窄和工艺较为复杂的缺点，并且管道涂层减阻所能达到的效果十分微弱。 减阻剂减阻存在减阻剂消耗过快、含有毒性和不便于运输的缺点，并且管道采用减阻剂减阻会增加减阻剂注入装置，使其整个系统的操作量和故障率大为提高。所以，目前油气输送管道并没有较好的减阻方法。国内一些研究者也进行了关于沟槽减阻的试验研究，结果表明，V形和T形两种沟槽面管道的减阻性能明显优于光滑管道，其中V形的减阻性能较T形更为理想。海军工程大学采用计算流体力学方式研究了 V形沟槽尖顶圆角半径对减阻效果的影响，结果表明，圆角半径越小的V形沟槽其减阻效果越好，最大减阻率可达16%左右。
发明内容
本发明的目的在于提供能够在管道内壁保护涂层表面上加工出减阻沟槽结构的一种管道内壁减阻结构加工装置及加工方法。本发明的目的是这样实现的本发明一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是包括行走部分、行走部分电机、加工部分、加工部分电机，行走部分包括引导行走部分、前段行走部分、后段行走部分，前段行走部分的上半部分包括调节螺栓、挡板、轮支撑杆、支撑杆、调节杆、调节板、调节电机、外壳，调节螺栓连接挡板并调整挡板位置，安装在外壳上的轮支撑杆一端被挡板卡住、另一端安装轮，支撑杆一端安装在外壳上、另一端安装支撑块，调节电机、调节板固定在外壳里，调节电机伸出的杆调整调节板在外壳里的位置，调节杆一端连接调节板、另一端连接支撑杆，前段行走部分下半部分与上半部分结构相同、沿调节电机轴线上下对称；行走部分电机安装在前段行走部分和后段行走部分之间，行走部分电机包括可伸缩的杆，杆连接后段行走部分，后段行走部分与前段行走部分结构相同、对称布置；引导行走部分、加工部分与加工部分电机组成的机构、前段行走部分、行走部分电机、后段行走部分依次相连。本发明一种管道内壁减阻结构加工方法，采用本发明所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是将管道内壁减阻结构加工装置置于管道内，驱动前段行走部分和后段行走部分的调节电机，使后段行走部分的支撑块压紧管道内壁、前段行走部分的支撑块松开管道内壁，驱动行走部分电机，使行走部分电机的杆推出从而使管道内壁减阻结构加工装置本体前进，然后驱动前段行走部分和后段行走部分的调节电机，使前段行走部分的支撑块压紧管道内壁、后段行走部分的支撑块松开管道内壁，完成一步的行走过程，重复上述行走过程直至管道内壁减阻结构加工装置本体到达预加工管道内壁的待加工位置，之后调节所有的调节螺栓、调节电机，使得所有的轮和支撑块压紧管道内壁，启动加工部分电机，加工部分开始工作，完成管道内壁的加工。本发明还可以包括I、所述的引导行走部分的上半部分包括引导调节螺栓、引导挡板、引导轮支撑杆、引导外壳，引导调节螺栓连接引导挡板并调整引导挡板位置，安装在引导外壳上的引导轮支撑杆一端被引导挡板卡住、另一端安装引导轮；引导行走部分的下半部分与上半部分结构相同、且沿螺栓轴线上下对称。2、所述的加工部分包括滚压刀具、加热棒、轴、锥齿轮，锥齿轮连接轴，轴上安装凸轮，滚压刀具和加热棒均安装在支架上，凸轮连接支架；加工部 分电机连接锥齿轮传动轴，锥齿轮传动轴连接第一加工部分电机锥齿轮和第二加工部分电机锥齿轮；所述的加工部分有四个，第一加工部分和第二加工部分共用第一轴并根据第一轴对称布置，第三加工部分和第四加工部分共用第二轴并根据第二轴对称布置，第一加工部分锥齿轮连接第一加工部分电机锥齿轮，第三加工部分锥齿轮连接第二加工部分电机锥齿轮。3、所述的前段行走部分还包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分与上半部分结构相同、分别置于前段行走部分本体的左右两侧。本发明的优势在于内壁滚压加工时采用多刀头反向旋转，避免了单刀具绕管道轴线旋转滚压受到的管道的切向反力，滚压加工两组刀具所受到的切向反力相互抵消，从而达到受力平衡，不会产生弯曲变形和扭转移位，保证了机器人加工作业质量。加工装置使用一个动力源，借助传动机构来进行动力传递，带动四个刀具实现辊压动作，使加工装置结构设计显得紧凑。滚压的深度通过机械结构凸轮实现，不需要额外的动力部件。管道机器人作业管径范围大，可在Φ440-Φ520πιπι管径的管道内作业，并且具有很好定心和定位功能。采用丝杠螺母调节结构管径变化对需要电机输出的有效扭矩影响不大，结构布局简单，易于实现。
图I为加工装置总体布局图；图2为行走机构结构图；图3为图2的局部剖视图；图4为图2的局部剖视图；图5为图2的局部剖视图；图6为加工部分结构图；图7为图2的局部剖视图；图8为图7的局部剖视图；图9为图7的局部剖视图；图10为图7的局部剖视图；图11为本发明结构的三维图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图I 11，本发明的作业过程主要通过行走和加工两个运动环节来完成，按其功能不同将其分为动力头和加工组件两大模块。其中动力头负责整个机器人的行走功能，加工组件只需要完成仿生减阻表面结构的加工。如图I所示，管道加工机器人采用动力头在前、加工组件在后、动力头与加工组件之间采用对接卡口形式连接的总体布局形式。管道加工机器人动力头采用蠕动式行进方式，动力头包括前段行走部分、后段行走部分和驱动模块三部分组成，其结构如下图2所示。管道机器人动力头部分主要包括推进组件、夹紧组件、支撑组件。推进组件由驱动电机18、电机固定座13、电机推杆座19、电机安装板12组成。夹紧组件由支撑块26、支撑杆25、支撑调节杆27支撑杆固定座22组成。调节组件由调节螺栓I、预紧螺母2、深沟球轴承17、轮支撑杆23、轮支撑杆挡板6、轮支撑杆安装座22组成。管道加工机器人加工部分主要由驱动电机、左右两组刀具 系统、轮系传动系统、凸轮传动系统等部分组成。其具体结构如下图6所示。刀具系统由加热棒28、光轴轴承座29、套环30、滚轮固定架31、深沟球轴承32、滚压刀具33组成。轮系传动系统由锥齿轮47、锥齿轮54、锥齿轮53深沟球轴承、平键57，锥齿轮传动轴56和锥齿轮固定轴49组成。凸轮传动系统主要由凸轮45、滚轮固定轴66、滑块固定板60、直线导轨61、直线滑块62、连接块63、滚轮座固定板64组成。本发明由动力头和加工组件模块组成。动力头由前段行走部分、驱动模块和后段行走部分组成。轮支撑杆7通过轮支撑杆座安装在上端板5上，滚轮安装在轮夹持座24上，轮夹持座24通过螺栓滚定在轮支撑杆7上。滚轮通过深沟球轴承和销轴安装在轮夹持座上。销轴和深沟球轴承的配合属于过盈配合。轮支撑杆成90度分布，能有效地减小机器人与管道内壁的摩擦阻力。螺栓I和调节螺母2通过挡板6组成预紧结构，在管道加工机器人进入工作状态之前，手动调节预紧螺母将轮支撑杆压紧在管道内壁。支撑机构为曲柄滑块机构，由支撑块26、支撑杆25调节板10和调节杆27组成。支撑块通过销轴和深沟球轴承安装在支撑杆25上，销轴和深沟球轴承的配合属于过盈配合。深沟球轴承与支撑杆的配合也属于过盈配合。在工作过程中调节板10在驱动电机8带动下直线滑动，滑块带动曲柄摆动实现支撑块的俯仰运动，以此达到支撑块在管道内壁加紧和松开动作。将径向调节支撑机构在圆周方向上设计成空间成90°周向均匀分布的结构，两两相对的结构便于抵消来自固定块压紧管道内壁时，施加到电机丝杠上的作用反力，有效避免了电机丝杠由于受到单方向的作用反力而产生弯曲的现象。定向导轨组件由滑道光轴、直线轴承、轴支架和导轨支座几部分组成。电机输出轴伸长和回拉时，蠕动前关节和蠕动后关节通过直线轴承而沿着光轴导轨往复运动。管道加工机器人加工部分主要由驱动电机、左右两组刀具、轮系传动系统、凸轮传动系统等部分组成。其具体结构如下图6所示。驱动电机51滚定在挡板47、59、52上。电机轴通过平键55与轴56连接，轴承59与轴56过盈配合。斜齿轮54通过平键57与轴56配合。滚压头33通过连接件31连接，轴承32安装在连接块中，能让滚压头自由滚动。套环(30)防止轴承的轴向移动。加热头28通过光轴支撑架35滚定，安装完后对光轴支持坐上的紧固螺钉进行预警，防止加热棒28的轴向移动。斜齿轮47与深沟球轴承过盈配合，安装在轴49上，右端滚定在右端板48上，采用右端板48和套环44防止轴承的轴向运动。由于滚压的深度为滚定值，采用凸轮45，并使用套环44滚定。外套筒46右端与斜齿轮47滚定，左端与左挡圈41连接，外套筒43与深沟球轴承42过盈配合。深沟球轴承的轴向通过挡圈41和套环44滚定。定位销40与零件39连接达到定位的作用。位于机器人行走模块前段的前径向调节支撑机构下降，松开管道内壁，与此同时，位于行走模块后段的后径向调节支撑机构升起，压紧管道内壁。电动推杆开始运转，电机的推杆伸长，带动行走模块的前段部分向前行进。当到达预定位置后，电动推杆停止运转，电机的推杆停止伸长，位于行走模块前段的前径向调节支撑机构升起，压紧管道内壁，与此同时，位于行走模块后段的后径向调节支撑机构下降，松开管道内壁。电动推杆反向运转，电机的推杆往回收缩的同时带动管道内壁减阻结构加工机器人向前行进，当到达预定位置后，电动推杆停止运转。
下面结合附图11说明本发明的具体实施过程。一个加工周期包括热滚压加工和行走机构运动。在热滚压加工过程中，第一步①、④、⑦拧紧且⑤、⑥升高，顶紧内壁。第二步②顺时针③逆时针方向同步旋转240°。第三步⑥径向下降15mm,松开内壁，电动推杆A伸长95mm。第四步⑥径向升高15mm,顶紧内壁；⑤径向下降15mm,松开内壁，电动推杆A回缩95mm,带动机器人前进95_。第五步⑤径向升高15mm,顶紧内壁；②逆时针③顺时针方向同步旋转240°。第六步重复3、4、5步两次。在行走机构行走过程中，第一步⑥径向下降15_，松开内壁，电动推杆A伸长95mm。第二步⑥径向升高15mm,顶紧内壁；⑤径向下降15mm,松开内壁，电动推杆A回缩95mm,带动机器人前进95mm。第三步⑤径向升高15mm,顶紧内壁。第四步重复1、2、3步三次。
权利要求
1.一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是包括行走部分、行走部分电机、加工部分、加工部分电机,行走部分包括引导行走部分、前段行走部分、后段行走部分,前段行走部分的上半部分包括调节螺栓、挡板、轮支撑杆、支撑杆、调节杆、调节板、调节电机、外壳，调节螺栓连接挡板并调整挡板位置，安装在外壳上的轮支撑杆一端被挡板卡住、另一端安装轮，支撑杆一端安装在外壳上、另一端安装支撑块，调节电机、调节板固定在外壳里，调节电机伸出的杆调整调节板在外壳里的位置，调节杆一端连接调节板、另一端连接支撑杆，前段行走部分下半部分与上半部分结构相同、沿调节电机轴线上下对称；行走部分电机安装在前段行走部分和后段行走部分之间，行走部分电机包括可伸缩的杆，杆连接后段行走部分，后段行走部分与前段行走部分结构相同、对称布置；引导行走部分、加工部分与加工部分电机组成的机构、前段行走部分、行走部分电机、后段行走部分依次相连。
2.根据权利要求I所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是所述的引导行走部分的上半部分包括引导调节螺栓、引导挡板、引导轮支撑杆、引导外壳，引导调节螺栓连接引导挡板并调整引导挡板位置，安装在引导外壳上的引导轮支撑杆一端被引导挡板卡住、另一端安装引导轮；引导行走部分的下半部分与上半部分结构相同、且沿螺栓轴线上下对称。
3.根据权利要求I或2所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是所述的加工部分包括滚压刀具、加热棒、轴、锥齿轮，锥齿轮连接轴，轴上安装凸轮，滚压刀具和加热棒均安装在支架上，凸轮连接支架；加工部分电机连接锥齿轮传动轴，锥齿轮传动轴连接第一加工部分电机锥齿轮和第二加工部分电机锥齿轮；所述的加工部分有四个，第一加工部分和第二加工部分共用第一轴并根据第一轴对称布置，第三加工部分和第四加工部分共用第二轴并根据第二轴对称布置，第一加工部分锥齿轮连接第一加工部分电机锥齿轮，第三加工部分锥齿轮连接第二加工部分电机锥齿轮。
4.根据权利要求I或2所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是所述的前段行走部分还包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分与上半部分结构相同、分别置于前段行走部分本体的左右两侧。
5.根据权利要求3所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是所述的前段行走部分还包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分与上半部分结构相同、分别置于前段行走部分本体的左右两侧。
6.一种管道内壁减阻结构加工方法，采用权利要求I所述的一种管道内壁减阻结构加工装置，其特征是将管道内壁减阻结构加工装置置于管道内，驱动前段行走部分和后段行走部分的调节电机，使后段行走部分的支撑块压紧管道内壁、前段行走部分的支撑块松开管道内壁，驱动行走部分电机，使行走部分电机的杆推出从而使管道内壁减阻结构加工装置本体前进，然后驱动前段行走部分和后段行走部分的调节电机，使前段行走部分的支撑块压紧管道内壁、后段行走部分的支撑块松开管道内壁，完成一步的行走过程，重复上述行走过程直至管道内壁减阻结构加工装置本体到达预加工管道内壁的待加工位置，之后调节所有的调节螺栓、调节电机，使得所有的轮和支撑块压紧管道内壁，启动加工部分电机，力口工部分开始工作，完成管道内壁的加工。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种管道内壁减阻结构加工装置及加工方法，包括行走部分、行走部分电机、加工部分、加工部分电机，行走部分包括引导行走部分、前段行走部分、后段行走部分，前段行走部分下半部分与上半部分结构相同；行走部分电机安装在前段行走部分和后段行走部分之间，行走部分电机包括可伸缩的杆，杆连接后段行走部分，后段行走部分与前段行走部分结构相同、对称布置；引导行走部分、加工部分与加工部分电机组成的机构、前段行走部分、行走部分电机、后段行走部分依次相连。本发明作业管径范围大，具有很好定心和定位功能，结构布局简单，易于实现。
文档编号B21D17/04GK102764804SQ201210230008
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者于伟波, 刘文博, 李照远, 汝晶, 臧东阳, 谷云庆, 赵刚, 赵洋, 郑金兴, 马长顺 申请人:哈尔滨工程大学