РОБОТ ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОЙ ДИАГНОСТИКИ
ROBOT FOR INTRATUBAL DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области диагностики, видеоинспекции, дефектоскопии магистральных и технологических газопроводов, нефтепроводов, трубопроводов сферы ЖКХ и может найти применение при работе в труднодоступных участках труб (овализация трубопровода, гофры, выпуклости, вмятины, Т-образные переходы и др. препятствия), труб любой конструкции с переменным сечением диаметра вертикальных и наклонных участков без использования траншейного метода диагностики трубопроводов.
Известна робототехническая система инспекции трубопровода, содержащая средство перемещения, выполненное с возможностью передвижения внутри трубопровода, установленные на средстве перемещения камеры, осветительное оборудование, приемопередающее устройство, входы которого соответственно связаны с выходами камер, первый выход приемопередающего устройства соединен со входом приводов ходовых механизмов средства перемещения, а второй выход -со входом осветительного оборудования, а также размещенные вне трубопровода передающеприемное устройство, блок управления, блок регистрации, монитор, вход-выход блока управления соединен с входом-выходом передающеприемного устройства, выход передающеприемного устройства соединен с входом монитора через блок регистрации, при этом передающеприемное устройство и приемопередающее устройство связаны по радиоволновому каналу. Средство перемещения выполнено в виде тележки, одна из камер, курсовая, установлена с возможностью обзора курса перемещения тележки, а другая из камер, обзорная, установлена с возможностью обозрения стенки трубы в поперечной плоскости и снабжена приводом ее поворота в плоскости, ортогональной оси трубы, вход которого соединен с третьим выходом приемопередающего устройства, вход курсовой камеры связан с четвертым выходом приемопередающего устройства, ходовые механизмы тележки снабжены энкодерами и их выход подсоединен к информационному входу приемопередающего устройства. (https://www.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=8747e096444e72a9b13af1f1cb05b20a).
Недостатками устройства являются ограничения траектории движения, кинематических и динамических характеристик средства перемещения, выполненного в виде тележки. В свою очередь, тележка обладает ходовыми механизмами - энкодерами, приводящие в движение четыре колеса вращения. Это обуславливает малую маневренность, возможность опрокидывания устройства, невозможность передвижения в наклонных, вертикальных, изгибных участках трубопроводов, а также поврежденных, имеющие дефекты стенки трубы (овализация трубопровода, гофры, выпуклости, вмятины). Известный робот не имеет возможности осуществления дефектоскопии, измерения толщины стенки трубопровода и составления карт напряженно-деформированного состояния трубопровода и перемещений.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному роботу по совокупности признаков является роботизированная платформа для внутритрубной диагностики, содержащая первое и второе несущие основания, каждое из которых содержит расположенные под углом 120° три опорные ноги с независимыми приводами с колесами с независимыми приводами, при этом первое и второе несущие основания выполнены с возможностью соединения соединительными фланцами на полноповоротном диагностическом модуле на его противоположных сторонах, а полноповоротный диагностический модуль предназначен для установки контрольно-инструментальных средств, которые выполнены с возможностью использования их в качестве сменных модулей (патент РФ №194854 от 25.12.2019 г.). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым техническим решением, - соединенные между собой несущие основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы; контрольно-инструментальные средства.
Недостатками известного робота, принятого за прототип, являются ограниченные технологические возможности, обусловленные отсутствием рабочего механизма для регулировки положения опорных ног в пространстве; громоздкостью опорных ног, позволяющих передвигаться только в ограниченном интервале диаметров трубопровода переменного сечения; возможностью застопоривания, т.к. на каждой платформе не указано положение электродвигателей, что может влиять на динамические и кинематические характеристики; наличием трех колес на каждой платформе, которых может быть недостаточным для прохождения участков трубопроводов сложной конфигурации, а также недостаточным для проведения процесса очистки; низким сцеплением колес с трубопроводом, вследствие отсутствия шипов, то есть робот не всегда может совершать перемещение; малой проходимостью в труднодоступных участках с физическим износом, осуществлением диагностического контроля определенного диаметра трубопровода; жесткостью всей конструкции, связанной с тем, что робот не может проходить сложные и изгибные участки типа: поворот, тройник, сужение и расширение диаметра, изменение наклона трубы, гофры, измерение формы трубы; отсутствием шарнирных связей между несущими основаниями; использованием «omni-колес», что может сказаться отрицательно при прохождении дефектных участков, которые робот может не проехать; громоздкостью конструкции, что позволяет работать подвеске робота в ограниченном диапазоне конфигураций трубопровода.
Задача изобретения - создание более простого робота с широким спектром технологических возможностей, способного осуществлять видео-, телеинспецию, дефектоскопию трубопроводов любого геометрического расположения в пространстве и конфигурации любой сложности, с выявлением повреждений, измерением толщины стенки трубопровода, прогнозированием остаточного ресурса, построением карт напряжений, деформаций и перемещений стенок конструкции в процессе эксплуатации.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный робот для внутритрубной диагностики, включающий соединенные между собой несущие основания с опорными ногами с опорными колесами, имеющими приводы, контрольно-инструментальные средства, согласно изобретению содержит по меньшей мере два несущих основания, каждое из которых содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга, выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма, каждая опорная нога соединена с опорным колесом посредством платформы, опорные колеса выполнены с шипами, при этом по меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами, установленными по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе.
Кроме того, шипы на опорных колесах изготовлены из ферромагнитного материала.
Кроме того, на платформе установлен электродвигатель вращения.
Признаки заявляемого технического решения, являющиеся отличительными от прототипа, - содержит по меньшей мере два несущих основания; каждое из которых содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга, выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма; каждая опорная нога соединена с опорным колесом посредством платформы; опорные колеса выполнены с шипами; по меньшей мере в одном несущем основании установлена система анализа, соединенная с контрольно-инструментальными средствами; контрольно-инструментальные средства установлены по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе; шипы на опорных колесах изготовлены из ферромагнитного материала; на платформе установлен электродвигатель вращения.
Наличие по меньшей мере двух несущих оснований, каждое из которых содержит четыре опорные ноги позволяет принять роботу устойчивое положение внутри трубопровода.
Выполнение опорных ног в виде шарнирно-пружинного механизма позволяет роботу перемещаться в трубопроводах любой конфигурации и геометрического расположения в пространстве: наклонных, вертикальных, горизонтальных, с отводами, тройниками, со сложными поворотами и в широком диапазоне изменения поперечного сечения диаметра трубопровода. Кроме того, благодаря растяжению-сжатию пружин и подвижности шарнирных соединений, обеспечивается высокая проходимость на участках с физическим износом, наличием дефектом (овализации поперечного сечения трубопровода, гофр, вмятин и т.д.), по труднодоступным участкам, что позволяет «подстраиваться» под каждую особенность участка трубопровода и проезжать любые дефектные места.
Расположение опорных ног под углом не менее 60 градусов относительно друг друга позволяет принять роботу положение по центру трубопровода.
Соединение каждой опорной ноги с опорным колесом посредством платформы позволяет равномерно распределить нагрузку на колесо вращения. Благодаря этому робот перемещается по трубопроводам сложной геометрии и с наличием выпуклостей во внутритрубном пространстве.
Наличие протектора в виде шипов на каждом колесе улучшает силу сцепления с поверхностью трубопровода.
Установка системы анализа по меньшей мере в одном несущем основании, соединенной с контрольно-инструментальными средствами, позволяет обрабатывать информацию с датчиков и измерять толщину стенки трубопровода и прогнозировать остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.
Установка контрольно-инструментальных средств по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями и/или на платформе позволяет проводить ремонтно-диагностические работы внутри трубопровода.
Изготовление шипов на опорных колесах из ферромагнитного материала позволяет перемешаться по наклонным и вертикальным участкам трубопровода.
Установка на платформе электродвигателя вращения позволяет преодолевать труднодоступные участки за счет вращения несущего основания вокруг своей оси.
Робот обладает лучшими кинематическими и динамическими характеристиками вследствие использования по меньшей мере четырех колес, с расположенными на них протекторами в виде шипов.
Робот имеет простую конструкцию для его изготовления и применения. Эксплуатация робота возможна в трубопроводах с наличием транспортируемой среды.
Предлагаемый робот иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен робот на виде спереди, на фиг. 2 - робот на виде справа, на фиг 3 - общий вид робота (3D-модель).
Робот для внутритрубной диагностики содержит, по меньшей мере, два соединенных между собой несущих основания с опорными ногами. Каждое несущее основание содержит четыре опорные ноги, расположенные под углом не менее 60 градусов относительно друг друга и выполненные в виде шарнирно-пружинного механизма.
На фиг. 1-3 представлен пример робота с тремя несущими основаниями 1-3, каждое из которых содержит четыре опорных ноги.
Шарнирно-пружинный механизм включает шарнир 4, закрепленный к несущему основанию 1, к шарниру 4 прикреплена пара опорных штанг 5, концы штанг 5 соединены свободными шарнирами 6 к пружине 7. Пружина 7 тем же образом соединена при помощи второй пары опорных штанг 8 и прикреплена к платформе 9. Платформа 9 содержит конструкцию крепления колеса вращения 10, на которой закреплен электродвигатель вращения опорного колеса 11 и соответственно колесо 12. Платформа 9 может быть соединена при помощи вала с электродвигателем вращения 13 платформы 9, на которой возможна установка мехатронных датчиков или сенсеров.
Опорные колеса выполнены с шипами, которые могут быть изготовлены из ферромагнитного материала.
Несущие основания 1, 2, 3, соединены между собой, например, с помощью сферических шарниров 14, 15 (фиг. 2-3). Робот снабжен контрольно-инструментальными средствами, установленными по меньшей мере на одном несущем основании и/или между основаниями, например на раме, расположенной между несущими основаниями. На фиг. 1-3 на несущем основании 3 при помощи сферического шарнира 15 расположена видеокамера с возможностью перемещения в пространстве относительно несущего основания 3 с функцией идентификации дефектов 16, со светодиодными прожекторами 17, оптическими датчиками 18. Между несущими основаниями 1 и 2 расположена рама 19 для установки ультразвуковых, магнитных или других инструментов для диагностики трубопровода.
Робот снабжен системой анализа (на чертеже не показана), соединенной с контрольно-инструментальными средствами и установленной по меньшей мере в одном несущем основании. Система анализа позволяет измерять толщину стенки трубопровода и прогнозировать остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.
По меньшей мере в одном несущем основании расположен по меньшей мере один источник питания (на чертеже не показан) в зависимости от поставленной задачи исследования.
Робот осуществляет свою работу следующим образом.
В исследуемый трубопровод, например через фланцевое соединение, устанавливается робот, который работает автономно при помощи процессора, соединенного с источником питания, расположенным, например, в несущем основании 1 (фиг. 2, 3). Процессор после обработки сигнала координирует работу электродвигателей - 11, 13, а также видеокамеры 16, оптических датчиков 18 (фиг. 2, 3). Электродвигатели 11 приводят в движение колеса 12, создавая при этом поступательное движение робота внутри трубопровода. Шарнирно-пружинный механизм и сферическое шарнирное соединение 14, 15 обеспечивают прохождение изгибных участков трубопровода, дефектных участков, участков с наличием резкого изменения поперечного сечения вследствие деформаций трубопровода, а шарнир 4 и пружина 7 позволяют всей подвеске робота сохранять симметричное положение в пространстве. При обнаружении дефектного участка с помощью идентификации изображения видеокамеры 16 (фиг. 1, 2, 3), система анализа самостоятельно рассчитывает траекторию робота, чтобы преодолеть опасные участки или записывает их местоположение. Оптические датчики 18 определяют кривизну трубопровода, диаметр и т.д. Акселометры и гироскоп, расположенные, например, в несущем основании 1, позволяют определить отклонение центра тяжести робота. Датчики ультразвуковой или электромагнитной дефектоскопии определяют толщину стенки трубопровода и измеряет его диаметр. Данная информация позволяет прогнозировать толщину стенки трубопровода и остаточный ресурс трубопровода, строить карты напряжений, деформаций, перемещений.
Таким образом, с помощью заявляемого робота можно осуществлять диагностику труб любого диаметра, труб с наличием внутренних и внешних дефектов в виде овализации, вмятин, трещин, изменением поперечного сечения трубопровода.
Предлагаемый робот в отличие от робота по прототипу является более простым, динамичным, надежным и многофункциональным в работе. Он свободно перемещается в сложно-изгибных участках трубопроводов, в широком диапазоне изменения поперечного сечения диаметра трубопровода, по труднодоступным участкам, а также имеет возможность принимать более устойчивое положение в пространстве. Робот позволяет определить остаточный ресурс и спрогнозировать остаточную толщину стенки трубопровода, построить карты напряжений, перемещений и деформаций, чтобы определить опасный участок трубопровода. С его помощью можно осуществлять диагностику, видеоинспекцию труб любой конфигурации.