САМОХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ВНУТРИ ТРУБОПРОВОДА

Полезная модель относится к области электротехники и транспортной техники и может быть использована для перемещения приборов диагностики и различных устройств внутри трубопровода.
Известен вибрационный мобильный робот, состоящий из двух твердых тел, связанных между собой упругим элементом и электромагнитным приводом. Для получения поступательного движения за счет асимметрии силы трения используется механизмы свободного хода [Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Сафаров Д.И. Исследование движения двухмассового вибрационного робота // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2006. №5. с. 32-42.].
Недостатком аналога является сложность конструкции, так как необходимы дополнительные механизмы свободного хода, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью фиксирования неподвижного положения робота в трубопроводе, что ограничивает область применения данного движителя.
Также известна микромашина (Karolina micromachine) для движения внутри трубопровода [Y.J. Yum, Н. Hwang, М. Kelemen, V. Maxim, and P. Frankovsky, "Inpipe micromachine locomotion via the inertial stepping principle," J. Mech. Sci. Technol., vol. 28, no. 8, pp. 3237-3247, 2014], содержащая электромагнит, направляющую, постоянный магнит и пружину, а также модули с гибкими наклонными щетинками, которые создают большую силу трения при движении назад по сравнению с трением при движении вперед. Для получения движения используются периодические удары постоянного магнита, движущегося по направляющей под действием электромагнита.
Недостатком аналога является невысокая надежность, так как щетинки микромашины подвержены быстрому износу при трении о внутренние стенки трубопровода.
Известен самоходное устройство для движения внутри трубопровода [патент РФ на полезную модель №96091, МПК B62D 57/00 от 30.03.2010,], которое содержит два кольца из магнитопроводящего материала, соединенные упругой связью. Оба кольца состоят из двух неупругих полуколец с пазами, при этом одно кольцо расположено так, что прорези повернуты на 90° относительно прорезей другого кольца. Полукольца одного кольца соединены неупругим не магнитным материалом, а полукольца другого кольца соединены упругим материалом. На каждом полукольце в пазе намотана катушка, которая связана с системой управления. Причем катушка уложена в пазе таким образом, чтобы не выступать за внешний радиус полукольца. Система управления проходит внутри колец и прикреплена к кольцам.
Недостатком аналога является сложность конструкции и невысокая удельная тяговая сила из-за больших воздушных зазоров и большого рассеяния в магнитной системе.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является самоходное устройство для движения внутри трубопровода [патент РФ на изобретение №2666930, СПК B62D 57/00 от 13.09.2017], которое содержит П-образный сердечник и два якоря из ферромагнитного неупругого материала, которые соединены между собой упругими элементами - продольными и поперечными пружинами, закрепленными с помощью упоров на П-образном сердечнике и якорях. К торцам обоих якорей прикреплены фрикционные колодки, соответствующие по форме сечению трубопровода. На сердечнике располагается электромагнит, который электрически соединен с системой управления. Система управления закреплена на одном основании с сердечником.
Недостатком прототипа является относительно большие массо-габаритные характеристики, а также ограниченность тяговой силы размерами поперечного сечения трубопровода.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение массо-габаритных характеристик, а также увеличение максимально возможной тяговой силы независимо от размеров поперечного сечения трубопровода.
Технический результат - повышение тяговой силы за счет существенного уменьшения магнитных потоков рассеяния в электромагнитной системе.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что самоходное устройство для движения внутри трубопровода, содержащее электромагнит, электрически связанный с системой управления, и два якоря, соединенные упругими связями, согласно полезной модели снабжено Т-образной направляющей с возможностью движения по ней ферромагнитного Т-образного сердечника и двух ферромагнитных Г-образных якорей, причем электромагнит расположен на ферромагнтном Т-образном сердечнике, а к торцам обоих ферромагнитных Г-образных якорей прикреплены фрикционные колодки, соответствующие по форме сечению трубопроводов.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства. На фиг. 2 изображена схема магнитопровода.
Самоходное устройство для движения внутри трубопровода состоит из электромагнита, включающего в себя обмотки с катушкой 1, шайбы 2 и Т-образного сердечника 3, и подвижной части, соединенной с электромагнитом продольными упругими элементами 4 и 5, состоящей из Т-образной направляющей 6, Г-образных якорей 7 и 8, фрикционных колодок 9 и 10 и поперечных упругих элементов 11, 12, 13 и 14. Упругие элементы крепятся к шайбе 2 электромагнита и поверхностям Т-образной направляющей 6 подвижной части.
Самоходное устройство для перемещения в трубопроводе работает следующим образом. Для установки устройства в трубопровод система управления 16 подает на электромагнит постоянное напряжение, обеспечивающее сжатие поперечных упругих элементов 11, 12, 13 и 14 для свободного входа устройства в трубопровод. Устройство вставляется в трубопровод Т-образным сердечником вперед и с предварительным натягом упругих элементов 4 и 5.
После установки в трубопровод система управления 16 подает на электромагнит периодически изменяющееся напряжение. При подаче напряжения в обмотке 1 нарастает электрический ток, что приводит к появлению и возрастанию магнитного потока, проходящего через Т-образный сердечник 3, Г-образные якорей 7, 8 и воздушные зазоры между ними.
Магнитный поток приводит к появлению электромагнитной силы, которая имеет две компоненты - продольную и поперечную. Продольная компонента силы стремится сократить продольный воздушный зазор, а поперечная компонента - поперечный зазор. Поперечная компонента электромагнитной силы сжимает поперечные упругие элементы 11, 12, 13 и 14, так что сила прижатия к поверхности трубопровода уменьшается, из-за чего снижается сила трения.
Одновременно продольная компонента силы притягивает Т-образный сердечник 3 и Г-образные якоря 7 и 8 друг к другу, которые, сближаясь, сжимают продольные упругие элементы 4 и 5. На Т-образный сердечник 3 практически не действуют внешние силы, а на Г-образные якоря 7 и 8 действует уменьшенное значение силы трения, направленной против его движения, т.е. назад (в сторону Г-образных якорей 7 и 8). Сила трения быстро достигает нулевого значения, так что центр масс практически остается на месте.
В общем случае, во время этого временного интервала центр масс под действием минимальной силы трения сдвигается назад. Далее напряжение и ток в обмотке уменьшаются, что приводит к разжиманию поперечных и продольных упругих элементов 11, 12, 13 и 14. При разжимании поперечных упругих элементов 11, 12, 13 и 14 сила прижатия фрикционных колодок 10 и 9 к поверхности трубопровода 15 увеличивается, а, следовательно, растет и сила трения. Продольные упругие элементы 4 и 5, разжимаясь, отталкивают Т-образный сердечник 3 и Г-образные якоря 7 и 8 друг от друга. На Г-образные якоря 7 и 8 при этом действует сила трения, направленная против его движения, т.е. в сторону Т-образного сердечника 3.
Таким образом, на этом временном интервале центр масс под действием единственной внешней силы смещается вперед (в сторону Т-образного сердечника 3). Так теперь сила трения имеет максимальное значение, то перемещение вперед оказывается большим смещения назад во время нарастания тока. Далее напряжение и ток снова нарастают по величине и цикл повторяется.
Таким образом, принцип перемещения заявляемого устройства основан на периодическом изменении силы прижатия фрикционных колодок к поверхности трубопровода.
Заявляемая полезная модель, существенно уменьшая магнитные потоки рассеяния в электромагнитной системе, позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики, увеличить максимально возможную тяговую силу независимо от размеров поперечного сечения трубопровода.