ВНУТРИТРУБНОЕ САМОХОДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
IN-PIPE SELF-PROPELLED VEHICLE

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано для проведения разнообразных работ в трубах различного сечения и конфигурации. В частности, техническое решение относится к области проведения диагностики и частичного ремонта дефектных зон внутренней поверхности трубопроводов на атомных электростанциях, в местах, где затруднена диагностика трубных систем с наружной стороны. Кроме того, устройство может быть применено для диагностики и ремонта подземной части трубных систем теплоснабжения, газоснабжения, а также других видов трубопроводного транспорта.
Известны различные внутритрубные самоходные транспортные средства. Например, известно внутритрубное самоходное транспортное средство по авторскому свидетельству СССР №789724 на изобретение под названием «Установка для дефектоскопии внутренней поверхности трубопровода» (МПК G01N 27/82, G01N 29/04). Указанное внутритрубное самоходное транспортное средство включает два опорных пояса, расположенный между ними узел связи и перемещения, компрессор и преобразователь. Кроме того, это внутритрубное самоходное транспортное средство также снабженное автоматическим устройством управления и реверсивным переключателем. Каждый опорный пояс в этой конструкции выполнен в виде стакана, на боковой поверхности которого расположена ограниченная эластичной оболочкой кольцевая камера, а узел связи и перемещения выполнен в виде укрепленного между днищами стаканов сильфона. Внутренняя полость сильфона и полости камер подключены к компрессору через реверсивный переключатель и автоматическое устройство управления, а преобразователь размещен в камере на внутренней боковой поверхности эластичной оболочки. Но этот аналог имеет ряд недостатков, в частности, довольно низкую скорость перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства на прямых участках трубной системы, на которых оно не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода.
Известно также внутритрубное самоходное транспортное средство по авторскому свидетельству СССР №1278044 на изобретение под названием «Устройство для перемещения в трубопроводе» (МПК В08В 9/04). Указанное техническое решение представляет собой двухзвенный механизм с приводом осевого возвратно-поступательного перемещения одного звена относительно другого, каждое звено которого имеет средство для фиксации в трубопроводе, состоящее из опорных надувных подушек и узла их радиального перемещения, причем узлы радиального перемещения опорных надувных подушек выполнены в виде кривошипно-ползунных механизмов, ползуны которых имеют возможность перемещения по оси звена с фиксацией в заданном положении, при этом каждая опорная надувная подушка размещена на шарнире, связывающем оба стержня диады соответствующего кривошипно-ползунного механизма, а каждый стержень состоит из двух звеньев, связанных посредствам катаракта, поршень которого подпружинен, а канал, соединяющий полости катаракта, снабжен запорным органом. Данный аналог имеет также ряд недостатков, в частности довольно низкую скорость перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства на прямых участках трубной системы, на которых оно не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода.
Вместе с тем, известно внутритрубное самоходное транспортное средство по авторскому свидетельству СССР №1427737 на изобретение по названием «Транспортное средство для перемещения внутри трубопровода» (МПК B62D 57/02, G01N 29/04). Указанное техническое решение состоит из связанных между собой двух опорных поясов, каждый из которых состоит из контактирующего с внутренней поверхностью трубопровода эластичного кольца и расположенных по обе стороны последнего пары деформирующих его стержневых электромагнитов, причем каждый электромагнит установлен по оси трубопровода и на его концах жестко закреплены диски для центрирования его в трубопроводе, а каждая пара смежных дисков соединена пружинами сжатия, причем опорные кольца установлены между торцами смежных дисков пар одного опорного пояса и выполнены в виде тороидальных камер, заполненных текучей средой. Данный аналог имеет ряд недостатков, в частности довольно низкую скорость перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства на прямых участках трубной системы, на которых устройство не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода. Также недостатком является ненадежность работы устройства, заключающаяся в высокой вероятности заклинивания внутритрубного самоходного транспортного средства в местах установки подкладных колец на внутренней поверхности труб, вследствие малых зазоров между опорными поясами и внутренней поверхностью трубы. Ненадежность работы данного устройства также состоит в том, что при его работе в режиме «назад» на вертикальных участках труб возможен его «провал» на расстояние, равное времени срабатывания аварийной системы (0,3-0,6 м) и при новом запуске режима «назад» возможен сбой ритмичности прохождения заданных циклов первого и второго опорных поясов.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков аналогом к заявленному изобретению (прототипом) является «Внутритрубное самоходное транспортное средство» по авторскому свидетельству СССР №1233399 на изобретение (МПК B62D 57/02). Данное техническое решение содержит передний и задний опорные пояса, наружные поверхности которых снабжены кольцевыми эластичными тормозными пневмокамерами, а торцовые поверхности соединены между собой приводом возвратно-поступательных перемещений, выполненным в виде пневмосильфона и расположенным на продольной оси ограничительным тросом. Это внутритрубное самоходное транспортное средство содержит систему пневмопитания тормозных камер и привода возвратно-поступательных перемещений опорных поясов. Кроме этого, оно снабжено средним опорным поясом, аналогичным переднему и заднему. Этот опорный пояс расположен в средней части сильфона, причем его левый и правый участки прикреплены к торцовым поверхностям этого среднего пояса, в котором выполнены сквозные отверстия для прохода упомянутого троса. При этом сильфон выполнен кольцевого сечения. Недостатком внутритрубного самоходного транспортного средства, являющегося прототипом является его неэффективность и ненадежность работы. Неэффективность состоит в низкой линейной скорости его перемещения на прямолинейных участках трубной системы, на которых оно не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода. А ненадежность работы прототипа состоит в зависании и провалах внутритрубного самоходного транспортного средства на вертикальных участках трубной системы.
Задача, которую поставили перед собой разработчики настоящего изобретения, состояла в создании такого внутритрубного самоходного транспортного средства, которое было бы более эффективно и более надежно в работе по сравнению с прототипом. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности увеличения линейной скорости перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства на прямолинейных участках трубной системы, на которых оно не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода, а также предотвращение зависания и провала внутритрубного самоходного транспортного средства на вертикальных участках трубной системы. Достижение технического результата обуславливает решение поставленной изобретателями задачи, а именно создание внутритрубного самоходного транспортного средства, которое стало более надежным и более эффективным по сравнению с прототипом.
Сущность изобретения состоит в том, что внутритрубное самоходное транспортное средство, включающее, передний и задний опорные пояса, наружные поверхности которых снабжены кольцевыми эластичными тормозными пневмокамерами, а торцовые поверхности соединены между собой приводом возвратно-поступательных перемещений, выполненным в виде пневмосильфона и расположенным на продольной оси с ограничительным тросом, систему пневмопитания тормозных камер и привода возвратно-поступательных перемещений опорных поясов, а также средний опорный пояс, расположенный в средней части пневмосильфона, левый и правый участки которого прикреплены к торцовым поверхностям среднего пояса, в котором выполнены сквозные отверстия для прохода ограничительного троса, а пневмосильфон выполнен кольцевого сечения, на переднем торце переднего опорного пояса смонтированы расположенные внутри несущего цилиндрического каркаса эксцентриковый механизм с приводом, а также система самозаклинивающихся опорных элементов, выполненных в виде продольных щеточных направляющих, отведенных от несущего каркаса пружинами и попарно связанных между собой рычагами, а каркас выполнен в виде беличьего колеса.
Вместе с тем, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве в качестве привода эксцентрикового механизма выбран электродвигатель, оснащенный регулятором вращения вала ротора и его мощности.
Кроме того, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве выполненные в виде продольных щеточных направляющих опорные элементы изготовлены обрезиненными.
Вместе с тем, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве выполненные в виде продольных щеточных направляющих опорные элементы изготовлены с композитными вставками.
Кроме того, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве композитные вставки опорных элементов выполнены как трехслойный резиновый и/или силиконовый монолит.
Вместе с тем, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве каркас, выполненный в виде беличьего колеса, смонтирован с помощью шарнирного соединения с зазором.
Кроме того, сущность изобретения состоит в том, что во внутритрубном самоходном транспортном средстве размеры системы самозаклинивающихся опорных элементов составляют:
при этом
и
а диапазон длины рычагов вычислен по формуле:
тр
где К - коэффициент трения,
у
Д - внутренний диаметр трубопровода,
n - зона эффективной работы самозаклинивающих опорных элементов по оси трубопровода,
l - фиксированная длина рычагов,
F - тяговое усилие вибрационной части,
∝ - угол наклона рычага к плоскости перпендикулярной оси трубопровода.
Изобретение поясняется графически, где:
на фиг. 1 - изображен общий вид внутритрубного самоходного транспортного средства;
на фиг. 2 - внутритрубное самоходное транспортное средство, вид спереди;
на фиг. 3 - пневматическая часть внутритрубного самоходного транспортного средства;
на фиг. 4 - вид А-А фиг. 3;
на фиг. 5 - схема системы самозаклинивающихся опорных элементов вибрационной части;
на фиг. 6 - схема расчета параметров пневматической части внутритрубного самоходного транспортного средства.
min
Внутритрубное самоходное транспортное средство состоит из пневматической 1 и вибрационной 2 частей. Пневматическая часть 1 внутритрубного самоходного транспортного средства состоит из трех опорных поясов: переднего 3, среднего 4 и заднего 5. Причем на наружной поверхности каждый из опорных поясов содержит кольцевые эластичные тормозные камеры 6, 7 и 8 приводов 9 и 10 возвратно-поступательных перемещений. Приводы 9 и 10 возвратно-поступательных перемещений выполнены в виде пневмосильфона кольцевого сечения и состоящего из левого 11 и правого 12 участков, а также системы пневмопитания (на фиг. не показана). Торцевые поверхности переднего 3 и заднего 5 опорных поясов соединены между собой ограничительным тросом 13, свободно проходящим через отверстия, выполненные в торцевых поверхностях среднего опорного пояса 4. На переднем торце переднего опорного пояса 3 смонтирован цилиндрический несущий каркас 14. Цилиндрический несущий каркас 14 выполнен в виде «беличьего колеса». Внутри несущего цилиндрического каркаса 14 расположены электродвигатель 15, эксцентриковый механизм 16 и система самозаклинивающихся опорных элементов 17. Несущий цилиндрический каркаса 14 смонтирован на переднем торце опорного пояса 3 при помощи шарнирного соединения с зазором, обеспечивающим прохождение криволинейных участков трубопровода с минимальным радиусом кривизны. Например, для первого контура АЭС с водо-водяным энергетическим реактор ВВЭР-440 таким участком является гиб с радиусом кривизны по оси гиба R=620 мм. Для исключения опрокидывания опорных поясов 3, 4 и 5 пневматической части 1 ее минимальный диаметр не должен быть менее величины, которую необходимо рассчитать по формуле: h=AK, опираясь на треугольник AbK (фиг. 6):
Учитывая, что для водо-водяного энергетического реактора ВВЭР-440:
min
получим h=130 мм
min
Одновременно для обеспечения прохождения пневматической части 1 внутритрубного самоходного транспортного средства изгибов в трубопроводах его максимальный диаметр не должна превышать величины, которую необходимо рассчитать по формуле: h≤ЕД=2СД (фиг. 6). Величину СД необходимо определить из треугольника СОД:
Подставляя значения в (1), (2) и (3), получим:
СД≈170 мм
max
h=2СД=340 мм
min
max
min
n
Предельные значения h (h и h) являются неприемлемыми. Промежуточные значения h по мере их приближения к h увеличивают проходимость пневматической части 1 внутритрубного самоходного транспортного средства, но уменьшают объем его приборного отсека V. С увеличением h наблюдается обратная картина.
n
Определим V
к
где  - объем цилиндрической части приборного отсека (внутри пневматической части 1), V - объем криволинейной части, определяемой из условий отсутствия контакта выступающих частей контрольно-измерительного комплекса с поверхностью трубопровода при движении внутритрубного самоходного транспортного средства на изгибе.
min
Для вибрационной части 2 внутритрубного самоходного транспортного средства ограничивающим фактором может являться только диаметр цилиндрического несущего каркаса 14, который можно всегда уменьшить до h и увеличить длину самозаклинивающихся опорных элементов 17.
Система самозаклинивающихся опорных элементов 17 выполнена в виде продольных щеточных направляющих 18, которые отведены от несущего цилиндрического каркаса 14 пружинами 19 и попарно связаны между собой рычагами 20. Для предотвращения на внутренней поверхности трубопровода значительной вибрации при высоких оборотах работы электродвигателя 15 на продольных щеточных направляющих 18 смонтированы композитные вставки. В качестве композитных вставок продольных щеточных направляющих 18 использован трехслойный монолитный компонент из резины и/или силикона. Композитные вставки прикреплены по периметру боковой поверхности продольных щеточных направляющих 18. При значительной вибрации из-за увеличения ее амплитуды композитные вставки снижают влияние вибрационного поля на трубопровод без снижения скорости перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства. Продольные щеточные направляющие 18 отведены от цилиндрического несущего каркаса 14 пружинами 19 и попарно связаны между собой рычагами 20. Рычаги 20 предназначены для синхронизации их отвода или подвода от поверхности трубопровода или к поверхности трубопровода. Левый 11 и правый 12 участки пневмосильфона состоят из наружной 21 и внутренней 22 стенок. Причем обе стенки 21 и 22 своими концами герметично соединены с торцовыми поверхностями одного из крайних, переднего 3 или заднего 5 опорных поясов и с торцовой поверхностью среднего опорного пояса 4. Левый 11 и правый 12 участки пневмосильфона, а также кольцевые эластичные тормозные камеры 6, 7 и 8 подключены через автомат управления 23 и переключатель 24 к источнику рабочей среды 25. Самоходное вибрационное устройство 2 подключено к источнику электропитания с помощью электрокабеля.
Работает внутритрубное самоходное транспортное средство следующим образом. Включают электродвигатель 15, который смонтирован внутри несущего цилиндрического каркаса 14 вибрационной части 2 внутритрубного самоходного транспортного средства. Эксцентрик 16, получая привод от электродвигателя 15, создает вибрационное поле, необходимое для перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства с заданной скоростью. Экспериментально установлено, что скорость перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства описанной конструкции на прямолинейных участках трубной системы, на которых оно не ведет полезную работу, т.е. в режиме холостого хода, составляет от 2 до 3 м/мин, что на порядок выше, чем у известных внутритрубных самоходных транспортных средств. Вибрация поступает также на продольные щеточные направляющие 18. Под действием вибрационных сил внутритрубное самоходное транспортное средство с помощью вибрационной части 2 перемещают в заданном направлении. Передвижение внутритрубного самоходного транспортного средства вперед осуществляют благодаря возможности его обратной фиксации с помощью системы самозаклинивающихся опорных элементов 17. При необходимости увеличения скорости перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства повышают число оборотов на валу электродвигателя 15. При необходимости понижения скорости перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства число оборотов на валу электродвигателя 15 понижают. С помощью системы самозаклинивающихся опорных элементов 17 исключают возможность произвольного смещения внутритрубного самоходного транспортного средства. Одним из основных факторов работы вибрационной части 2 является фиксация его для движения в заданном направлении. Для этого используют систему самозаклинивающихся опорных элементов 17. Ниже приведены расчеты, с помощью которых возможно расчитать условия для трубопроводов различных диаметров, при которых система самозаклинивающихся опорных элементов 17, будет работать наиболее эффективно. Посредством этого внутритрубное самоходное транспортное средство удерживают в заданной схеме движения внутри трубопровода.
имеем
у
Условие (1) будет выполняться при фиксированной длине рычагов 20 в некотором диапазоне изменений Д
тр
у
где К - коэффициент трения, Д - «внутренний диаметр трубопровода, n - зона эффективной работы системы, самозаклинивающихся опорных элементов по оси трубопровода, 1 - фиксированная длина рычагов, F - тяговое усилие вибр. устройства, ∝ - угол наклона рычага к плоскости перпендикулярной оси трубопровода.
тр
С помощью описанного исполнения системы самозаклинивающихся опорных элементов 17 обеспечивают удерживание внутритрубного самоходного транспортного средства на конфузорных, а также на диффузорных участках трубопровода. При создании нормальных (α=0) усилий на систему самозаклинивающихся опорных элементов 17 внутритрубное самоходное транспортное средство будет удерживаться на участках, где выполнено условие ϕ=2arctg (α⋅К), где ϕ - угол при вершине конуса конфузора. Необходимую расчетную скорость перемещения внутритрубного самоходного транспортного средства обеспечивают за счет работы его вибрационной части 2 в режиме холостого хода. В этом случае пневматическую часть 1 отключают. При необходимости выполнения диагностики или частичного ремонта дефектных зон трубопровода вибрационную часть 2 отключают и включают пневматическую часть 1. При необходимости более быстрого перемещения, например, при перемещении на холостом ходу от одного сварного соединения трубных систем к другому, где диагностические операции не предусмотрены, включают только вибрационную часть 2, так как, если будут работать одновременно и пневматическая, и вибрационная части, пневматическая часть будет являться для вибрационной тормозом из-за разности скоростей движения этих частей. При вынужденной остановке пневматической части 1 в действие приводят вибрационную часть 2, с помощью которой буксируют внутритрубное самоходное транспортное средство до очередного участка трубной системы. После этого пневматическую часть 1 внутритрубного самоходного транспортного средства автоматически перезагружают на обычную схему движения. Передавая функции движения и всей нагрузки на вибрационную часть 2, автоматически переналаживают работу пневматической части 1 от аварийного «Стоп» к основной схеме движения. Таким образом, исключают самозаклинивание системы движения пневматической части 1, а также возможные провалы внутритрубного самоходного транспортного средства на вертикальных участках трубной системы, особенно в районе гнутых участков труб.
Заявленное изобретение позволяет исключить аварийные остановки и проваливание внутритрубного самоходного транспортного средства за счет того, что простая и надежная, схема движения вибрационной части 2 с системой самозаклинивающихся опорных элементов 17 не позволяет зависать внутритрубному самоходному транспортному средству. При испытании описанного внутритрубного самоходного транспортного средства не было зафиксировано ни одного сбоя в работе при движении его по схеме «вперед» или «назад». Внутритрубное самоходное транспортное средство имеет преимущество по сравнению с известными аналогами в том, что при его передвижении повышается надежность и увеличиваются тяговые усилия. Благодаря сочетанию пневматической части 1 и вибрационной 2 частей внутритрубного самоходного транспортного средство предотвращают случаи зависания или провала внутритрубного самоходного транспортного средства вниз при работе на вертикальных участках трубной системы. Подобные провалы приводят к срабатыванию тормозной системы, что вызывает необходимость перезапуска всего цикла движения внутритрубного самоходного транспортного средства либо к возврату устройства в место его старта.