一种短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其加工方法与流程

本发明涉及一种短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其加工方法。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，石油和天然气等燃料的管道输送量日益增加，管道输送过程中的一个关键问题是存在较大的输送阻力。流体在管道内流动过程中，边界层的湍流脉动是产生输送阻力的直接原因，仿生减阻表面模仿了生物进化获得的表面减阻结构形态，可以减小边界层的湍流脉动，从而降低油气的输送阻力。目前，多数油气输送管道并没有应用减阻技术，少数管线所采用的减阻技术主要包括涂层减阻和添加聚合物减阻剂两种方法。

管道涂层减阻技术是在管道内表面涂布一层减阻涂层，涂层表面仍然是光滑表面状态，在油气输送过程中边界层湍流脉动不能得到抑制，因此存在较大的湍流脉动阻力，减阻能力十分微弱。减阻剂减阻也是目前管道减阻技术研究的方法之一，与管道涂层减阻相比工艺简便，但其使用的减阻剂消耗很快，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，而且在输油系统中增加了减阻剂注入装置，使其整个系统的操作量、故障率有所提高，不利于日常操作管理。另一方面，多数减阻剂含有毒性、稳定性差、不易运输，这使该方法在工程上的可行性受到约束。

所以，没有比较好的减阻技术应用在石油、天然气等燃料的管道输送上。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。因此，为解决上述技术问题，根据石油、天然气等燃料的输送管道的结构特点，本发明提供一种短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置，对上述管线进行减阻改造可以减少沿途管道泵站的数量，从而降低能源消耗、提高管道输送的经济效益；同时降低污染排放，提高环境效益。另外，大中城市的城市管网同样需要解决减阻问题，利用本发明技术可以对城市管网进行减阻改造，同样达到减阻、节能目的。

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短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置及其加工方法。

本发明所述的一种短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置，其特征在于：包括带支撑座的支撑台、用于提供驱动力的执行机构、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，所述执行机构安装在所述支撑台上；所述行走机构与所述执行机构的移动端相连，所述加工机构与所述行走机构固接；所述执行机构以及所述加工机构均与所述控制器相应的控制端电连；

所述执行机构包括执行电机、输入轴、齿轮以及导轨，所述电机安装在所述支撑台上，所述输入轴与所述支撑座转动连接；所述执行电机的输出轴通过联轴器与输入轴的一端轴接，输入轴的另一端安装所述齿轮；所述导轨沿齿轮的滚动方向布置在齿轮正下方，并与所述支撑台固接；所述执行电机的控制端与所述控制器相应的控制端电连；

所述行走机构包括齿条轴以及至少一套行走单元，所述齿条轴分为用于与齿轮啮合的齿条段、用于安装行走单元的第一安装段以及用于安装加工机构的第二安装段，所述齿条段沿导轨轴向与所述导轨滑动连接；所述行走单元包括行走架以及万向轮，所述行走架套接在所述齿条轴的第一安装段上，所述行走架的周向均布多个与管道内径匹配的支撑杆，每根所述支撑杆的末端配有万向轮；

所述加工机构包括空心滚筒、加工电机、用于安装加工电机的电机支撑架、转叶、能沿空心滚筒径向伸缩的伸缩机构以及刀具，所述空心滚筒同轴装在齿条轴第二安装段的端部；所述电机支撑架、加工电机以及转叶设置在所述空心滚筒内，所述电机支撑架与所述齿条轴固接；所述加工电机的输出轴周向配有转叶，所述转叶的末端卡在所述空心滚筒内壁相应的沟槽内；所述伸缩机构的活塞杆穿过所述空心滚筒上的通孔，并且所述活塞杆伸出空心滚筒的末端装有刀具；所述伸缩机构的控制端与所述控制器的相应控制端电连。

所述行走机构设有两套行走单元，其中一套行走单元安装在所述齿轮轴的第一安装段，另一套行走单元通过连接轴安装在加工机构的空心滚筒末端。

所述伸缩机构为液压传动机构，包括多根活塞杆、液压缸、输油管路、液压油箱和用于控制输油管路各管路导通状态的电磁控制阀，液压缸与空心滚筒内壁固接，液压缸周向均布多根活塞杆，并且所述活塞杆的一端伸入液压缸内腔，另一端穿过空心滚筒的通孔；所述液压油箱安装在所述空心滚筒内，所述液压油箱通过输油管路与所液压缸的内腔连通，所述输油管路上装有电磁控制阀；所述刀具安装在活塞杆的末端；所述电磁控制阀的控制端与所述控制器相应的控制端电连。

输油管路一端与设置在液压缸的中轴线方向的进油口密封连通，另一端与液压油箱密封连通。

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第一端盖，所述第一端盖、所述套环通过螺栓与所述空心滚筒的端面固接。

所述输入轴通过支撑座水平支撑在所述支撑台上，所述支撑座为两端封口的空心箱体，其中所述支撑座的底部与所述支撑台固接，支撑座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，外配与支撑座相应端面固接的第二端盖，且所述输入轴的两端通过第二端盖以及角接触球轴承与所述支撑座转动连接。

所述行走架周向均匀分布3根支撑杆，所述支撑杆沿行走架的径向布置，两者焊接在一起，支撑杆的位于与行走架中心轴垂直的同一切面上；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活塞杆；所述空心滚筒的内壁均匀分布4条沟槽，且每个沟槽对应一个转叶。

所述第二端盖与所述输入轴之间、所述第一端盖与所述连接轴之间均夹有相应的毛垫圈。

利用本发明所述的一种短距离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，转动调节前后段行走机构各个行走架，使其径向伸长，直至行走架顶端的每个万向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)将管道内壁仿生沟槽表面加工装置置于待加工的管道内；

3)启动执行电机，带动齿轮转动，实现齿条沿导轨轴向移动，使行走机构支撑起加工机构在待加工的管道内轴向行走；

4)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，此时关闭执行电机；

5)启动伸缩机构，伸缩机构的活塞杆沿空心滚筒径向向外伸出，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，关闭伸缩机构；

6)启动加工电机，加工电机旋转带动转叶转动，转叶啮合滚筒内壁沟槽，进而使滚筒转动，从而使刀具转动，开始加工管道内壁沟槽；

7)加工完成后，通过控制伸缩机构使刀具的切割刃径向离开已加工表面；

8)重复2)～7)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：内壁切削加工时采用三把刀具同时反向旋转，避免了单刀具绕管道轴线旋转切削受到管道的切向反力，切削加工的三把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变形，保证了加工装置作业质量。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，可以加工的减阻结构形状多，精度高，对于不同的减阻结构，如V型沟槽、U型沟槽、T型沟槽等，可安装不同的刀具，完成其对应减阻结构的加工，并且绿色环保，结构简单，操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构简图。

图2为本发明结构的三维图。

图3为本发明的支撑架部分结构图。

图4为行走机构结构图。

图5为加工机构结构图。

图6为加工机构中转叶结构图。

图7为加工机构中伸缩机构结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图1～7：

结合图1所示，本发明所述的一种短距离管道内壁仿生沟槽表面加工装置，包括带支撑座11的支撑台1、用于提供驱动力的执行机构2、用于支撑在所述管道内壁面的行走机构3、用于在加工管道内壁加工仿生沟槽的加工机构4以及控制器，所述执行机构2安装在所述支撑台1上；所述行走机构3与所述执行机构2的移动端相连，所述加工机构4通过第一螺栓5与所述行走机构3固接；所述执行机构2以及所述加工机构4均与所述控制器相应的控制端电连；

所述执行机构2包括执行电机21、输入轴22、齿轮23以及导轨24，所述执行电机21的底座两边各用两个第二螺栓211安装在所述支撑台1上，所述输入轴22与所述支撑座11转动连接；所述执行电机21的输出轴通过联轴器25与输入轴22的一端轴接，并通过沿周向均匀布置的六个第三螺栓212固定，输入轴22的另一端安装所述齿轮23；所述导轨24沿齿轮23的滚动方向布置在齿轮23正下方，并与所述支撑台1固接；所述执行电机21的控制端与所述控制器相应的控制端电连；

所述行走机构3包括齿条轴31以及两套行走单元32，所述齿条轴31分为用于与齿轮23啮合的齿条段311、用于安装行走单元的第一安装段312以及用于安装加工机构的第二安装段3451，所述齿条段311沿导轨24轴向与所述导轨24滑动连接；所述行走单元32包括行走架321以及万向轮322，所述行走架321套接在所述齿条轴31的第一安装段312上，行走架321与支撑杆323通过焊接连接在一起，所述行走架321的周向均布多个与管道内径匹配的支撑杆323，每根所述支撑杆323的末端配有万向轮322；一套行走单元安装在所述齿轮轴31的第一安装段312，另一套行走单元通过连接轴33安装在加工机构4的空心滚筒末端；

所述加工机构4包括空心滚筒41、加工电机42、用于安装加工电机的电机支撑架43、转叶44、能沿空心滚筒径向伸缩的伸缩机构45以及刀具46，所述空心滚筒41同轴装在齿条轴22第二安装段3451的端部；所述电机支撑架43、加工电机42以及转叶44设置在所述空心滚筒41内，所述电机支撑架43与所述齿条轴22固接；所述加工电机42的输出轴周向配有转叶44，所述转叶44的末端卡在所述空心滚筒41内壁相应的沟槽内；所述伸缩机构45的活塞杆451穿过所述空心滚筒41上的通孔，并且所述活塞杆451伸出空心滚筒41的末端装有刀具46；所述伸缩机构45的控制端与所述控制器的相应控制端电连。

所述伸缩机构45为液压传动机构，包括多根活塞杆451、液压缸452、输油管路453、液压油箱454和用于控制输油管路各管路导通状态的电磁控制阀，液压缸452与空心滚筒41内壁固接，液压缸452周向均布多根活塞杆451，并且所述活塞杆451的一端伸入液压缸452内腔，另一端穿过空心滚筒41的通孔；所述液压油箱454安装在所述空心滚筒41内，所述液压油箱454通过输油管路453与所液压缸452的内腔连通，所述输油管路453上装有电磁控制阀；所述刀具46安装在活塞杆451的末端；所述电磁控制阀的控制端与所述控制器相应的控制端电连。

输油管路453一端与设置在液压缸452的中轴线方向的进油口密封连通，另一端与液压油箱454密封连通。

所述空心滚筒41的两端分别设有用于嵌入圆锥滚子轴承411的安装通孔，并且所述安装通孔中心轴与空心滚筒41的中心轴重合；所述安装通孔内嵌有套环412，且所述套环412的凸肩卡在空心滚筒41相应的端面处，所述套环412内装有圆锥滚子轴承411，圆锥滚子轴承411的外端面配有相应的第一端盖4451，所述第一端盖4451、所述套环412通过螺栓与所述空心滚筒41的端面固接。

结合图3，所述输入轴22通过支撑座11水平支撑在所述支撑台1上，所述支撑座11为两端封口的空心箱体，底端不封闭，两边分别用两个第四螺栓4651将其固定在支撑台1上，这种结构易于加工且节省材料；输入轴22由于即承受转矩又承受弯矩，则选取角接触球轴承111对称布置在两端；其中所述支撑座11的底部与所述支撑台1固接，支撑座11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111，外配与支撑座111相应端面固接的第二端盖112，且所述输入轴22的两端通过第二端盖112以及角接触球轴承111与所述支撑座11转动连接；齿轮轴的第一安装段轴径大，用轴肩对第一安装段两端的角接触球轴承111的一边进行轴向定位，另一边用第二端盖112对其进行定位，则实现角接触球轴承111的双向轴向定位；与输入轴22相连的两个角接触球轴承111，其轴承内圈与输入轴22均采用过盈配合，外圈与中心通孔也采用过盈配合，则实现角接触球轴承111的周向定位；两端的第二端盖112分别用四个第五螺栓4652均匀在圆周方向进行固定，并安装毛毡圈6，起到阻挡灰尘的作用；输入轴22与齿轮23相连的轴段为一个阶梯状，轴端为一段外螺纹，通过圆键连接对齿轮23进行周向定位。轴肩对齿轮23的一边进行轴向定位，另一边，用一个螺母26拧紧对其进行定位，则完全实现了齿轮23的轴向定位。齿条轴31的齿条部分足够长，其安放在导轨24上，起到支撑作用。导轨24用螺栓固定在支撑台1上。

所述行走架321周向均匀分布3根支撑杆323，所述支撑杆323沿行走架321的径向布置，支撑杆323的位于与行走架321中心轴垂直的同一切面上；空心滚筒41一端周向均匀布置3个通孔，且每个通孔对应配有一根活塞杆451；所述空心滚筒41的内壁均匀分布4条沟槽，且每个沟槽对应一个转叶44。结合图4所示，齿条轴31的第一安装段轴径大，三个行走架321圆心角成120°均匀布在圆周方向。第一安装段上圆周方向均匀开有三个足够深度的螺纹孔，行走架321与第一安装段通过这种螺纹连接，通过转动调节行走架321，可实现其径向移动，从而可进入不同管径的管道，完成内壁加工。对不同管径的管道7，都需要通过调节行走架321的长度，因此在行走架321的顶端，通过螺纹连接安装万向滑轮322，以保证行走架321进入管道7内，方向总是沿轴向移动。

所述第二端盖112与所述输入轴22之间、所述第一端盖4451与所述连接轴33之间均夹有相应的毛垫圈6。

结合图5所示，加工机构4的空心滚筒41为了便于制造和安装其他零件，则采用中开式，分为两半，两边分别用三个第六螺栓412将其拼合在一起。齿条轴31与空心滚筒41通过轴承连接。加工装置在管道内行走时，空心滚筒41受到输入轴22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411对称布置。其一端都由轴肩进行轴向定位，另一端，一个是通过第一端盖4451进行轴向定位，另一个是通过套环412进行轴向定位，从而实现轴承两端轴向定位。圆锥滚子轴承411内外圈分别与齿条轴22和套环412采用过盈配合工艺，从而实现轴承的周向定位。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41两端周向均布第七螺栓4121，将第一端盖4451与套环412固定在空心滚筒41上，同时为了阻挡灰尘，安装毛毡圈6。

在齿条轴31轴端，安装一个电机支撑架43，其底端开有一个沉头孔，用一个第八螺栓431将其固定。加工电机42安放在电机支撑架43内，加工电机42主轴与转叶44通过圆键相连接，则实现转叶44的周向定位。

结合图6所示，空心滚筒41内壁与转叶44相接合的位置，开有4个沟槽。有两个沟槽各均分为两半，且分别与两半空心滚筒41为一个整体结构，这两个沟槽轴向两端各有一个挡板，且也与沟槽为一个整体结构。当转叶44分别与4个沟槽相啮合时，可对转叶44进行轴向定位。

结合图7所示，液压缸452圆周方向，均布有3个活塞杆451运动管道。液压缸452每个活塞杆451管道两边伸出两个机翼状结构，与空心滚筒41内壁相贴合，相应地在空心滚筒41外壁上分别开有两个圆形的凹槽，分别用一个第九螺栓47将空心滚筒41和液压缸452固定在一起，可防止在加工过程中，液压缸452出现周向窜动。活塞杆451可完全收缩进液压缸452内，便于液压缸452的装拆与调整。每个活塞杆451的顶端开有一个孔，轴向端面一侧开有一个凹槽。刀具46安放时，将刀具46插入到孔内，在凹槽内用两个竖直方向布置的第九螺栓47将刀具进行固定，可防止其进行切削加工时发生转动。加工时，加工电机42转速较慢，则刀具46切削时产生的切削力较大，所以刀具46选用硬脂合金刀，保证其有足够的强度。且刀具46采用特殊制作，若加工V型槽，则刀具前角做成倒V形；若加工U形槽，则刀具前角做成一个U形等，通过安装不同形状的刀具46可加工不同的沟槽结构。液压缸452一端为开口结构，用一个液压缸端盖4521，并装上密封圈，圆周方向均布三个第十螺栓48将其固定，此结构方便加工、节省材料且装拆方便。输油管路453，一端通过螺纹连接拧进液压缸端盖4521内，并装上密封圈，保证其密封效果。另一端插入到液压油箱454内。液压油箱454用两个第十一螺栓49固定在空心滚筒41内壁上，整个液压传动系统通过电来实现控制。

后段的行走单元与前段的行走单元相同，和空心滚筒41的连接结构、配合方式与输入轴22和空心滚筒41的连接结构、配合方式一样。

实施例2利用实施例1所述的一种短距离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，转动调节前后段行走机构各个行走架，使其径向伸长，直至行走架顶端的每个万向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)将管道内壁仿生沟槽表面加工装置置于待加工的管道7内；

3)启动执行电机21，带动齿轮23转动，实现齿条段311沿导轨24轴向移动80mm，进而前后端的行走单元支撑起加工部分也向前移动80mm，使行走机构3支撑起加工机构4在待加工的管道7内轴向行走；

4)待加工机构4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，此时关闭执行电机；

5)启动伸缩机构，伸缩机构的活塞杆沿空心滚筒径向向外伸出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，关闭伸缩机构；

6)启动加工电机，加工电机旋转带动转叶转动，通过控制使其旋转120°，同时与加工电机相连的转叶也带动滚筒转动120°，每把刀具同时相应在管壁待加工位置转动120°完成一圈加工，形成仿生沟槽结构，开始加工管道内壁沟槽；

7)加工完成后，通过控制伸缩机构使刀具的切割刃径向收缩15mm，使其离开已加工表面；

8)重复1)～6)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。