管道焊渣捕集與清理裝置研究與設(shè)計(jì)

溫 皓，賈彥杰，韓 雷，屈 銳，費(fèi)一栗

（1.國(guó)家管網(wǎng)西南管道有限責(zé)任公司，四川 成都 610000；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

管道可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)流體從生產(chǎn)基地到消費(fèi)一線的長(zhǎng)距離、大規(guī)模的運(yùn)輸，具有連續(xù)、快速、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、穩(wěn)定、高效、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的操作特點(diǎn)及投資少、占地少、成本低的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，在石油和天然氣工業(yè)應(yīng)用廣泛［1-3］。長(zhǎng)距離油氣輸送管道通常由數(shù)段管道焊接而成，焊接操作過(guò)程中產(chǎn)生的焊渣不加集中收捕會(huì)飛濺在管道外和管壁內(nèi)，或附著在內(nèi)壁防腐涂層上，存在脫落下行到管道沿線裝置上并導(dǎo)致閥門或計(jì)量?jī)x器發(fā)生故障的隱患［4-7］。針對(duì)此情況，設(shè)計(jì)了一種從源頭清除隱患的管道焊渣捕集與收集裝置，文中從設(shè)計(jì)角度介紹了其總體結(jié)構(gòu)、功能模塊、工作原理及適應(yīng)性調(diào)整方式，針對(duì)適應(yīng)性調(diào)整方式從理論研究角度進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，基于理論研究落實(shí)動(dòng)力電機(jī)選型計(jì)算過(guò)程。

1 管道焊渣捕集與收集裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

焊渣捕集與清理裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 焊渣捕集與清理裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

此焊渣捕集與清理裝置以阻止水平管道焊接過(guò)程中焊渣進(jìn)入管道內(nèi)壁為設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體分為撐開(kāi)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2大部分。撐開(kāi)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行焊渣捕集與清理的主體部分，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為撐開(kāi)機(jī)構(gòu)執(zhí)行焊渣捕集與清理提供機(jī)械動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)車輪與管壁的摩擦力帶動(dòng)整個(gè)裝置在水平和傾斜管道中移動(dòng)，到達(dá)管道焊縫所在的位置。此裝置整體長(zhǎng)度為580 mm，可以在280～320 mm內(nèi)徑的管道上自由運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊渣的捕集與清理，還可在電機(jī)馬達(dá)、傳感器的配合下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

焊渣捕集與清理裝置工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將焊渣捕集與清理裝置牽引到焊縫處，此時(shí)撐開(kāi)機(jī)構(gòu)將前端的耐高溫柔性材料利用撐傘原理?yè)伍_(kāi)，堵住焊縫，這時(shí)就可以阻止焊渣的進(jìn)入。同時(shí)，焊渣會(huì)粘附在撐開(kāi)機(jī)構(gòu)的耐高溫柔性材料上，當(dāng)焊接作業(yè)結(jié)束以后就可以將焊渣帶出管道，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊渣的清理。

1.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

焊渣捕集與清理裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式上為1個(gè)輪式管道機(jī)器人，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。

圖2 輪式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成示圖

輪式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，管道焊渣捕集與清理裝置整體的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于和管道內(nèi)壁貼合的6個(gè)車輪。并且管道焊渣捕集與清理裝置的整體重心處于其幾何中心，基于運(yùn)動(dòng)方向，前面3個(gè)為1組，后面3個(gè)為1組，共2組。驅(qū)動(dòng)輪與電機(jī)直接連接，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)支架連接在導(dǎo)軌上。每組驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)端面內(nèi)，呈120°排列，構(gòu)成三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而保證裝置運(yùn)行的平穩(wěn)。

驅(qū)動(dòng)輪支撐架的伸縮由安裝在導(dǎo)軌上的彈簧控制，通過(guò)彈簧的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)裝置的管徑自適應(yīng)功能。當(dāng)管道直徑改變時(shí)，車輪與管道內(nèi)壁接觸，車輪支架被壓縮或拉伸，導(dǎo)軌上的彈簧就能為支架提供支持力或拉伸力，從而保障支架的穩(wěn)定性。在彈簧的作用下，整個(gè)裝置四周的車輪均可以和管道內(nèi)壁保持著良好接觸，并在車輪和管道內(nèi)壁摩擦力的作用下，保證整個(gè)管道焊渣捕集與清理裝置與管道內(nèi)壁緊密貼合。

1.3 撐開(kāi)機(jī)構(gòu)

撐開(kāi)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 撐開(kāi)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

撐開(kāi)機(jī)構(gòu)應(yīng)用雨傘原理設(shè)計(jì)，主要組件包括液壓馬達(dá)、推桿、連桿。推桿為桿結(jié)構(gòu)，連桿為平行四邊形結(jié)構(gòu)，液壓馬達(dá)、連桿分別與推桿兩端相連。焊渣捕集與清理裝置工作時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推桿向后移動(dòng)撐開(kāi)連桿平行四邊形，推桿向前移動(dòng)連桿平行四邊形自動(dòng)收攏。推桿前進(jìn)時(shí)撐開(kāi)連桿上的耐高溫陶瓷材料，使陶瓷材料緊貼管道內(nèi)壁，從而實(shí)現(xiàn)封閉管道內(nèi)壁縫隙、阻止焊渣進(jìn)入的目的。此操作過(guò)程中，液壓馬達(dá)位置固定不變，撐開(kāi)機(jī)構(gòu)的端點(diǎn)與輪式管道機(jī)器人的距離也不變，因此可通過(guò)推桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)撐開(kāi)機(jī)構(gòu)如雨傘般開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。此設(shè)計(jì)可以從源頭阻止焊渣進(jìn)入管道內(nèi)壁。

2 焊渣捕集與清理裝置變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì)

焊渣捕集與清理裝置具有管道自適應(yīng)能力，能夠較好適應(yīng)管道直徑變化和管道形狀變化。車輪后部設(shè)計(jì)了可伸縮彈簧，管道直徑變小時(shí)，車輪通過(guò)滑套（滑套與連桿機(jī)構(gòu)相連）壓縮彈簧，可使焊渣捕集與清理裝置整體外部輪廓相應(yīng)變小，適應(yīng)管徑的改變并從而實(shí)現(xiàn)管道焊渣的捕集與清理工作。設(shè)計(jì)了2種調(diào)整方式，一種是各支撐架單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，另一種則是支撐架整體進(jìn)行調(diào)整。

2.1 各支撐架單獨(dú)調(diào)整方式

針對(duì)焊渣捕集與清理裝置在管道中移動(dòng)時(shí)從動(dòng)輪一側(cè)遇到的管道直徑變化，設(shè)計(jì)了各支撐架單獨(dú)調(diào)整方式。

其原理是，利用從動(dòng)輪支撐架的調(diào)整彈簧改變從動(dòng)輪的支架長(zhǎng)度，從而達(dá)到讓從動(dòng)輪和管道內(nèi)壁始終保持著有效接觸的目的。

在這一過(guò)程中，彈簧還可以起到簡(jiǎn)單的緩沖作用（圖4），有利于保持整個(gè)裝置的穩(wěn)定性。

圖4 各支撐架單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整時(shí)的狀態(tài)對(duì)比

如果管道直徑發(fā)生了較大的變化，各支撐架單獨(dú)調(diào)整將不再適合，這個(gè)時(shí)候可以將其更換為支撐架整體調(diào)整的方式。

2.2 支撐架整體調(diào)整方式

支撐架整體調(diào)整方式通過(guò)壓力傳感器、絲桿螺母、軸套共同調(diào)節(jié)車輪的伸縮［8-10］，對(duì)其進(jìn)行的結(jié)構(gòu)受力分析見(jiàn)圖5。

圖5 支撐架整體調(diào)整方式及受力

圖5 中，AB桿與CD桿相連，CD桿與軸套相連，軸套滑動(dòng)于固定連桿之上，其中A點(diǎn)為固定端，B點(diǎn)、C點(diǎn)和D點(diǎn)為滑動(dòng)端。當(dāng)管道內(nèi)徑發(fā)生改變時(shí)，外側(cè)車輪由于與管道內(nèi)壁接觸，會(huì)隨著管徑的變大或者變小而帶動(dòng)AB桿逆時(shí)針或者順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)適應(yīng)管道管徑的改變，由于車輪通過(guò)與連桿AB連接，AB桿又與CD桿相連接，因此AB桿轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)讓CD連桿壓縮或者帶動(dòng)傳感器向前移動(dòng)，傳感器接收到此信號(hào)時(shí)，對(duì)動(dòng)力端發(fā)出指令，進(jìn)一步控制車輪的移動(dòng)方式，使整個(gè)裝置適應(yīng)管道內(nèi)徑的變化，到達(dá)指定的位置。

以A點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，AB兩點(diǎn)的距離為L(zhǎng)1，當(dāng)A、B桿繞A點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度β時(shí)，B點(diǎn)就到了B′點(diǎn)，A、D兩點(diǎn)的距離為L(zhǎng)2，C、D 兩點(diǎn)的距離為L(zhǎng)3，CD與固定連桿之間的夾角為α，AD與固定連桿之間的夾角為β，F(xiàn)為作用在CD桿上的水平力，T為作用在固定連桿上的有效扭矩，T0則為動(dòng)力源施加在車輪上的扭矩。

坐標(biāo)系xoy中，存在幾何關(guān)系：

對(duì)式（1）中的3個(gè)等式分別求關(guān)于角度的微分,得到下面的公式：

由式（2）導(dǎo)出：

由虛功原理［11-12］得：

對(duì)式（4）進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到：

同理，由虛位移原理［13-15］可得：

合并整合上兩式得：

式（1）～式（8）中，yB為AB桿轉(zhuǎn)動(dòng)到B′點(diǎn)時(shí)B點(diǎn)的y軸坐標(biāo)；xc為C點(diǎn)的x軸坐標(biāo)；β、α都為旋轉(zhuǎn)角度,φ為旋轉(zhuǎn)角度，（o）；δ表示關(guān)于角度的微分符號(hào)。NGi為焊渣捕集與清理裝置輪子的負(fù)載，N；Ph為絲杠螺母導(dǎo)程，mm；η為滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。

由式（8）便可以得到控制絲杠的傳動(dòng)所需的扭矩大小的理論計(jì)算公式，為電機(jī)的選擇提供理論依據(jù)。當(dāng)管徑變化較大時(shí)彈簧就不足以提供所需的壓力和拉伸力，此時(shí)選擇絲杠螺母的方式便可以較好地實(shí)現(xiàn)管徑自適應(yīng)功能。

3 焊渣捕集與清理裝置動(dòng)力計(jì)算與電機(jī)選擇

焊渣捕集與清理裝置在管道內(nèi)壁之中行進(jìn)需要克服的摩擦力為：

對(duì)于圖5所示結(jié)構(gòu)，式（9）可分段表示為：

式（9）～式（10）中，f為管道內(nèi)壁的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；NG為焊渣捕集與清理裝置輪子負(fù)載，N；m為焊渣捕集與清理裝置的質(zhì)量，kg。

當(dāng)焊渣捕集與清理裝置與管道中心軸線的夾角分別為60°或者-60°時(shí)，管道焊渣捕集與清理裝置所受到的阻力最大。

預(yù)設(shè)摩擦因數(shù)f為0.5，已知焊渣捕集與清理裝置質(zhì)量m=4.68 kg，取重力加速度g=9.8 m/s2,則有：∑ NG=mgcos（-60°）=229.32 N，F(xiàn)=fNG=114.66 N。

所以，單個(gè)車輪所受到的阻力F/3=38.2 N。

根據(jù)管徑情況，設(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑r=40 mm，則總阻力矩M=∑Fr=38.2×0.04=15.29（N·m）。

已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，則系統(tǒng)傳動(dòng)比is=n/nw=1 500/11.94=125.63。

考慮焊渣捕集與清理裝置在管道內(nèi)行進(jìn)時(shí)可能的不安全因素，取安全系數(shù)為2，則電機(jī)的額定功率為68 W，通過(guò)查電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)于電機(jī)選用YS5624型。通過(guò)表格得到Y(jié)S5624型電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定功率為90 W，額定電流為0.39 A，效率為58%，功率因數(shù)為0.61，額定轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)目前的管道焊渣清理和處理的方式進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)還沒(méi)有較為完善的處理方法。提出了一種新型的管道焊渣捕集和清理方法，設(shè)計(jì)了一款新型的管道焊渣捕集和收集裝置，該裝置能夠很好地進(jìn)行管道焊渣的捕集和清理，為以后的相關(guān)研究提供了新思路。對(duì)裝置的管徑自適應(yīng)能力方案進(jìn)行了分析和研究，提出了2種不同的方案，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，為以后的具體應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。對(duì)裝置所需的動(dòng)力大小進(jìn)行了理論計(jì)算，選出了能滿足該裝置動(dòng)力的電機(jī)，為以后的研究提供了理論計(jì)算方法。