專利名稱：一種管道內壁減阻結構加工裝置及加工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種管道的加工裝置及加工方法。
背景技術：
目前，減阻技術在國內的油氣輸送管道上應用得極少且大多采用涂層減阻和減阻劑減阻兩種方法，這存在很大弊端。涂層減阻存在使用壽命不長、適用范圍較窄和工藝較為復雜的缺點，并且管道涂層減阻所能達到的效果十分微弱。 減阻劑減阻存在減阻劑消耗過快、含有毒性和不便于運輸的缺點，并且管道采用減阻劑減阻會增加減阻劑注入裝置，使其整個系統的操作量和故障率大為提高。所以，目前油氣輸送管道并沒有較好的減阻方法。國內一些研究者也進行了關于溝槽減阻的試驗研究，結果表明，V形和T形兩種溝槽面管道的減阻性能明顯優于光滑管道，其中V形的減阻性能較T形更為理想。海軍工程大學采用計算流體力學方式研究了 V形溝槽尖頂圓角半徑對減阻效果的影響，結果表明，圓角半徑越小的V形溝槽其減阻效果越好，最大減阻率可達16%左右。
發明內容
本發明的目的在于提供能夠在管道內壁保護涂層表面上加工出減阻溝槽結構的一種管道內壁減阻結構加工裝置及加工方法。本發明的目的是這樣實現的本發明一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是包括行走部分、行走部分電機、加工部分、加工部分電機，行走部分包括引導行走部分、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調節螺栓、擋板、輪支撐桿、支撐桿、調節桿、調節板、調節電機、外殼，調節螺栓連接擋板并調整擋板位置，安裝在外殼上的輪支撐桿一端被擋板卡住、另一端安裝輪，支撐桿一端安裝在外殼上、另一端安裝支撐塊，調節電機、調節板固定在外殼里，調節電機伸出的桿調整調節板在外殼里的位置，調節桿一端連接調節板、另一端連接支撐桿，前段行走部分下半部分與上半部分結構相同、沿調節電機軸線上下對稱；行走部分電機安裝在前段行走部分和后段行走部分之間，行走部分電機包括可伸縮的桿，桿連接后段行走部分，后段行走部分與前段行走部分結構相同、對稱布置；引導行走部分、加工部分與加工部分電機組成的機構、前段行走部分、行走部分電機、后段行走部分依次相連。本發明一種管道內壁減阻結構加工方法，采用本發明所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是將管道內壁減阻結構加工裝置置于管道內，驅動前段行走部分和后段行走部分的調節電機，使后段行走部分的支撐塊壓緊管道內壁、前段行走部分的支撐塊松開管道內壁，驅動行走部分電機，使行走部分電機的桿推出從而使管道內壁減阻結構加工裝置本體前進，然后驅動前段行走部分和后段行走部分的調節電機，使前段行走部分的支撐塊壓緊管道內壁、后段行走部分的支撐塊松開管道內壁，完成一步的行走過程，重復上述行走過程直至管道內壁減阻結構加工裝置本體到達預加工管道內壁的待加工位置，之后調節所有的調節螺栓、調節電機，使得所有的輪和支撐塊壓緊管道內壁，啟動加工部分電機，加工部分開始工作，完成管道內壁的加工。本發明還可以包括I、所述的引導行走部分的上半部分包括引導調節螺栓、引導擋板、引導輪支撐桿、引導外殼，引導調節螺栓連接引導擋板并調整引導擋板位置，安裝在引導外殼上的引導輪支撐桿一端被引導擋板卡住、另一端安裝引導輪；引導行走部分的下半部分與上半部分結構相同、且沿螺栓軸線上下對稱。2、所述的加工部分包括滾壓刀具、加熱棒、軸、錐齒輪，錐齒輪連接軸，軸上安裝凸輪，滾壓刀具和加熱棒均安裝在支架上，凸輪連接支架；加工部 分電機連接錐齒輪傳動軸，錐齒輪傳動軸連接第一加工部分電機錐齒輪和第二加工部分電機錐齒輪；所述的加工部分有四個，第一加工部分和第二加工部分共用第一軸并根據第一軸對稱布置，第三加工部分和第四加工部分共用第二軸并根據第二軸對稱布置，第一加工部分錐齒輪連接第一加工部分電機錐齒輪，第三加工部分錐齒輪連接第二加工部分電機錐齒輪。3、所述的前段行走部分還包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分與上半部分結構相同、分別置于前段行走部分本體的左右兩側。本發明的優勢在于內壁滾壓加工時采用多刀頭反向旋轉，避免了單刀具繞管道軸線旋轉滾壓受到的管道的切向反力，滾壓加工兩組刀具所受到的切向反力相互抵消，從而達到受力平衡，不會產生彎曲變形和扭轉移位，保證了機器人加工作業質量。加工裝置使用一個動力源，借助傳動機構來進行動力傳遞，帶動四個刀具實現輥壓動作，使加工裝置結構設計顯得緊湊。滾壓的深度通過機械結構凸輪實現，不需要額外的動力部件。管道機器人作業管徑范圍大，可在Φ440-Φ520πιπι管徑的管道內作業，并且具有很好定心和定位功能。采用絲杠螺母調節結構管徑變化對需要電機輸出的有效扭矩影響不大，結構布局簡單，易于實現。
圖I為加工裝置總體布局圖；圖2為行走機構結構圖；圖3為圖2的局部剖視圖；圖4為圖2的局部剖視圖；圖5為圖2的局部剖視圖；圖6為加工部分結構圖；圖7為圖2的局部剖視圖；圖8為圖7的局部剖視圖；圖9為圖7的局部剖視圖；圖10為圖7的局部剖視圖；圖11為本發明結構的三維圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖I 11，本發明的作業過程主要通過行走和加工兩個運動環節來完成，按其功能不同將其分為動力頭和加工組件兩大模塊。其中動力頭負責整個機器人的行走功能，加工組件只需要完成仿生減阻表面結構的加工。如圖I所示，管道加工機器人采用動力頭在前、加工組件在后、動力頭與加工組件之間采用對接卡口形式連接的總體布局形式。管道加工機器人動力頭采用蠕動式行進方式，動力頭包括前段行走部分、后段行走部分和驅動模塊三部分組成，其結構如下圖2所示。管道機器人動力頭部分主要包括推進組件、夾緊組件、支撐組件。推進組件由驅動電機18、電機固定座13、電機推桿座19、電機安裝板12組成。夾緊組件由支撐塊26、支撐桿25、支撐調節桿27支撐桿固定座22組成。調節組件由調節螺栓I、預緊螺母2、深溝球軸承17、輪支撐桿23、輪支撐桿擋板6、輪支撐桿安裝座22組成。管道加工機器人加工部分主要由驅動電機、左右兩組刀具 系統、輪系傳動系統、凸輪傳動系統等部分組成。其具體結構如下圖6所示。刀具系統由加熱棒28、光軸軸承座29、套環30、滾輪固定架31、深溝球軸承32、滾壓刀具33組成。輪系傳動系統由錐齒輪47、錐齒輪54、錐齒輪53深溝球軸承、平鍵57，錐齒輪傳動軸56和錐齒輪固定軸49組成。凸輪傳動系統主要由凸輪45、滾輪固定軸66、滑塊固定板60、直線導軌61、直線滑塊62、連接塊63、滾輪座固定板64組成。本發明由動力頭和加工組件模塊組成。動力頭由前段行走部分、驅動模塊和后段行走部分組成。輪支撐桿7通過輪支撐桿座安裝在上端板5上，滾輪安裝在輪夾持座24上，輪夾持座24通過螺栓滾定在輪支撐桿7上。滾輪通過深溝球軸承和銷軸安裝在輪夾持座上。銷軸和深溝球軸承的配合屬于過盈配合。輪支撐桿成90度分布，能有效地減小機器人與管道內壁的摩擦阻力。螺栓I和調節螺母2通過擋板6組成預緊結構，在管道加工機器人進入工作狀態之前，手動調節預緊螺母將輪支撐桿壓緊在管道內壁。支撐機構為曲柄滑塊機構，由支撐塊26、支撐桿25調節板10和調節桿27組成。支撐塊通過銷軸和深溝球軸承安裝在支撐桿25上，銷軸和深溝球軸承的配合屬于過盈配合。深溝球軸承與支撐桿的配合也屬于過盈配合。在工作過程中調節板10在驅動電機8帶動下直線滑動，滑塊帶動曲柄擺動實現支撐塊的俯仰運動，以此達到支撐塊在管道內壁加緊和松開動作。將徑向調節支撐機構在圓周方向上設計成空間成90°周向均勻分布的結構，兩兩相對的結構便于抵消來自固定塊壓緊管道內壁時，施加到電機絲杠上的作用反力，有效避免了電機絲杠由于受到單方向的作用反力而產生彎曲的現象。定向導軌組件由滑道光軸、直線軸承、軸支架和導軌支座幾部分組成。電機輸出軸伸長和回拉時，蠕動前關節和蠕動后關節通過直線軸承而沿著光軸導軌往復運動。管道加工機器人加工部分主要由驅動電機、左右兩組刀具、輪系傳動系統、凸輪傳動系統等部分組成。其具體結構如下圖6所示。驅動電機51滾定在擋板47、59、52上。電機軸通過平鍵55與軸56連接，軸承59與軸56過盈配合。斜齒輪54通過平鍵57與軸56配合。滾壓頭33通過連接件31連接，軸承32安裝在連接塊中，能讓滾壓頭自由滾動。套環(30)防止軸承的軸向移動。加熱頭28通過光軸支撐架35滾定，安裝完后對光軸支持坐上的緊固螺釘進行預警，防止加熱棒28的軸向移動。斜齒輪47與深溝球軸承過盈配合，安裝在軸49上，右端滾定在右端板48上，采用右端板48和套環44防止軸承的軸向運動。由于滾壓的深度為滾定值，采用凸輪45，并使用套環44滾定。外套筒46右端與斜齒輪47滾定，左端與左擋圈41連接，外套筒43與深溝球軸承42過盈配合。深溝球軸承的軸向通過擋圈41和套環44滾定。定位銷40與零件39連接達到定位的作用。位于機器人行走模塊前段的前徑向調節支撐機構下降，松開管道內壁，與此同時，位于行走模塊后段的后徑向調節支撐機構升起，壓緊管道內壁。電動推桿開始運轉，電機的推桿伸長，帶動行走模塊的前段部分向前行進。當到達預定位置后，電動推桿停止運轉，電機的推桿停止伸長，位于行走模塊前段的前徑向調節支撐機構升起，壓緊管道內壁，與此同時，位于行走模塊后段的后徑向調節支撐機構下降，松開管道內壁。電動推桿反向運轉，電機的推桿往回收縮的同時帶動管道內壁減阻結構加工機器人向前行進，當到達預定位置后，電動推桿停止運轉。
下面結合附圖11說明本發明的具體實施過程。一個加工周期包括熱滾壓加工和行走機構運動。在熱滾壓加工過程中，第一步①、④、⑦擰緊且⑤、⑥升高，頂緊內壁。第二步②順時針③逆時針方向同步旋轉240°。第三步⑥徑向下降15mm,松開內壁，電動推桿A伸長95mm。第四步⑥徑向升高15mm,頂緊內壁；⑤徑向下降15mm,松開內壁，電動推桿A回縮95mm,帶動機器人前進95_。第五步⑤徑向升高15mm,頂緊內壁；②逆時針③順時針方向同步旋轉240°。第六步重復3、4、5步兩次。在行走機構行走過程中，第一步⑥徑向下降15_，松開內壁，電動推桿A伸長95mm。第二步⑥徑向升高15mm,頂緊內壁；⑤徑向下降15mm,松開內壁，電動推桿A回縮95mm,帶動機器人前進95mm。第三步⑤徑向升高15mm,頂緊內壁。第四步重復1、2、3步三次。
權利要求
1.一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是包括行走部分、行走部分電機、加工部分、加工部分電機,行走部分包括引導行走部分、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調節螺栓、擋板、輪支撐桿、支撐桿、調節桿、調節板、調節電機、外殼，調節螺栓連接擋板并調整擋板位置，安裝在外殼上的輪支撐桿一端被擋板卡住、另一端安裝輪，支撐桿一端安裝在外殼上、另一端安裝支撐塊，調節電機、調節板固定在外殼里，調節電機伸出的桿調整調節板在外殼里的位置，調節桿一端連接調節板、另一端連接支撐桿，前段行走部分下半部分與上半部分結構相同、沿調節電機軸線上下對稱；行走部分電機安裝在前段行走部分和后段行走部分之間，行走部分電機包括可伸縮的桿，桿連接后段行走部分，后段行走部分與前段行走部分結構相同、對稱布置；引導行走部分、加工部分與加工部分電機組成的機構、前段行走部分、行走部分電機、后段行走部分依次相連。
2.根據權利要求I所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是所述的引導行走部分的上半部分包括引導調節螺栓、引導擋板、引導輪支撐桿、引導外殼，引導調節螺栓連接引導擋板并調整引導擋板位置，安裝在引導外殼上的引導輪支撐桿一端被引導擋板卡住、另一端安裝引導輪；引導行走部分的下半部分與上半部分結構相同、且沿螺栓軸線上下對稱。
3.根據權利要求I或2所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是所述的加工部分包括滾壓刀具、加熱棒、軸、錐齒輪，錐齒輪連接軸，軸上安裝凸輪，滾壓刀具和加熱棒均安裝在支架上，凸輪連接支架；加工部分電機連接錐齒輪傳動軸，錐齒輪傳動軸連接第一加工部分電機錐齒輪和第二加工部分電機錐齒輪；所述的加工部分有四個，第一加工部分和第二加工部分共用第一軸并根據第一軸對稱布置，第三加工部分和第四加工部分共用第二軸并根據第二軸對稱布置，第一加工部分錐齒輪連接第一加工部分電機錐齒輪，第三加工部分錐齒輪連接第二加工部分電機錐齒輪。
4.根據權利要求I或2所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是所述的前段行走部分還包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分與上半部分結構相同、分別置于前段行走部分本體的左右兩側。
5.根據權利要求3所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是所述的前段行走部分還包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分與上半部分結構相同、分別置于前段行走部分本體的左右兩側。
6.一種管道內壁減阻結構加工方法，采用權利要求I所述的一種管道內壁減阻結構加工裝置，其特征是將管道內壁減阻結構加工裝置置于管道內，驅動前段行走部分和后段行走部分的調節電機，使后段行走部分的支撐塊壓緊管道內壁、前段行走部分的支撐塊松開管道內壁，驅動行走部分電機，使行走部分電機的桿推出從而使管道內壁減阻結構加工裝置本體前進，然后驅動前段行走部分和后段行走部分的調節電機，使前段行走部分的支撐塊壓緊管道內壁、后段行走部分的支撐塊松開管道內壁，完成一步的行走過程，重復上述行走過程直至管道內壁減阻結構加工裝置本體到達預加工管道內壁的待加工位置，之后調節所有的調節螺栓、調節電機，使得所有的輪和支撐塊壓緊管道內壁，啟動加工部分電機，力口工部分開始工作，完成管道內壁的加工。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種管道內壁減阻結構加工裝置及加工方法，包括行走部分、行走部分電機、加工部分、加工部分電機，行走部分包括引導行走部分、前段行走部分、后段行走部分，前段行走部分下半部分與上半部分結構相同；行走部分電機安裝在前段行走部分和后段行走部分之間，行走部分電機包括可伸縮的桿，桿連接后段行走部分，后段行走部分與前段行走部分結構相同、對稱布置；引導行走部分、加工部分與加工部分電機組成的機構、前段行走部分、行走部分電機、后段行走部分依次相連。本發明作業管徑范圍大，具有很好定心和定位功能，結構布局簡單，易于實現。
文檔編號B21D17/04GK102764804SQ201210230008
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者于偉波, 劉文博, 李照遠, 汝晶, 臧東陽, 谷云慶, 趙剛, 趙洋, 鄭金興, 馬長順 申請人:哈爾濱工程大學