СИСТЕМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДИАГНОСТИКИ ТРУБОПРОВОДА (УДТ) (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники, в частности, к автономным самодвижущимся рентгеновским агрегатам, предназначенным для контроля качества сварных соединений, например, магистральных газо- и нефтепроводов диаметром 600 мм и более, с их внутренней стороны, и может быть использовано в энергетической, газодобывающей, нефтедобывающей промышленности, при наземной, подводной прокладке продуктопроводов.
Уровень техники.
Известно устройство «Кроулер» производства фирмы Solus Schall (Англия) [1].
Известное устройство представляет собой внутритрубный аппарат с автономным питанием на электрическом ходу с наружным управлением посредством радиактивного источника малой активности. В целом, устройство состоит из шести основных блоков:
- аккумуляторный блок
- панель управления
- блок мотор-контроллеров
- рама с четырьмя мотор-редукторами
- рентгеновская трубка
- система управлением аппарата.
Кроулер содержит моторизованную тележку, которая позволяет агрегату двигаться вдоль трубы. На раме закреплены мотор-редукторы (двигатель, совмещенный с редуктором, в данном устройстве- червячным). Кроулеры большой модификации (24-72 дюйма) имеют мотор-редукторы, монтируемые с каждой стороны рамы, и могут иметь два или четыре ведущих колеса. Обычно используются два ведущих колеса, но могут быть использованы и четыре для лучшей проходимости (Приложение 1. Структурная схема «Кроулера» производства фирмы Solus Schall (Англия)).
Колеса крепятся непосредственно на ось редуктора и передвигают Кроулер вдоль трубы.
Каждый мотор-редуктор соединен электрически с блоком контроля моторов, состоящим из числа мотор-контроллеров, соответствующему числу ведущих колес. Блок контроля моторов выполнен в виде отдельного корпуса, расположенного под рамой между мотор-редукторами.
К недостаткам известного устройства [1] можно отнести следующее:
1. использование 4-х мотор-редукторов, что предполагает: усложнение процесса обслуживания (настройка мотор-контроллеров, проверка и замена щеток электродвигателей, замена масла редукторов); использование отдельного блока управления двигателями с четырьмя платами мотор-контроллеров с дополнительными разъемами и кабелем, существенно снижающими надежность устройства.
2. Редукторы на кроулере фирмы Solus Schall имеют разные выходы валов (выход выходного вала, на который крепится колесо, может быть с правой стороны корпуса редуктора или с левой), т.е. они не взаимозаменяемые, что создает определенные сложности при приобретении новых редукторов для замене старых.
3. Применение в мотор-редукторах коллекторных двигателей. Наличие трущихся щеток в коллекторных двигателях требует их частой замены и обслуживания в течение всего срока службы.
Известны мобильные агрегаты-кроулеры для диагностики качества стыковых сварных соединений при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов фирмы JME (США) [2, 3], содержащие самоходное полноприводное шасси с платформой, на которой размещены блок аккумуляторов, собранный на основе свинцово-кислотных батарей, источник панорамного рентгеновского излучения с блоком детекторов, расположенные на платформе, управляющий источник гамма-излучения, выполненный на базе изотопа (цезий-137) или электромагнитный передатчик, многодиапазонный генератор рентгеновской трубки, блок коммутации, блок управления, выходы которого связаны с элементами управления агрегатом (фиг.1).
Блок управления соединен с помощью кабелей с блоком аккумуляторов и с блоком детекторов, а через блок коммутации с генератором рентгеновской трубки и с мотор-редукторами. На рентгеновской трубке установлен блок детекторов, который является приемником команд, подающихся оператором снаружи трубопровода с помощью управляющего источника на базе изотопа (цезий-137) или электромагнитного передатчика (см. [2], лист 5. Блок-схема кроулера JME 24).
Мотор-редукторы состоят из коллекторных двигателей с совмещенными с ними червячными редукторами (в частности, коллекторных электродвигателей фирмы Lenze тип 56MSH-2GPF). Наличие трущихся щеток в коллекторных двигателях требует их частой замены и обслуживания в течение всего срока службы.
По совокупности признаков Кроулер JME 24 [2, 3] принят в качестве наиболее близкого аналога.
К недостаткам известного устройства относятся:
1. Недостаточная надежность управления двигателями. Это связанно с тем, что оба электродвигателя посредством параллельного соединения управляются от одного моторконтроллера. Такое подключение требует максимального совпадения электрических и механических параметров электродвигателей, что на практике происходит не всегда, особенно при работе в эмалированном трубопроводе или при отрицательных температурах, где имеет место пробуксовывание и в связи с этим резкое неравномерное перераспределение механической нагрузки между осями редукторов.
Как следствие - частый выход из строя платы мотор-контроллера и высокий процент простоя.
2. Редукторы могут поставляться или прилагаться к кроулерам с разным передаточным числом (см. [2] Лист 4 «Нестандартные редукторы») в соответствии с условиями эксплуатации (например, наличие или отсутствие подъемов). Недостатком является необходимость иметь избыточное количество редукторов (более, чем 1 комплект редукторов) для разных условий эксплуатации.
Недостатки известных устройств заключаются в недостаточно эффективном механизме перемещения из-за параллельного соединения электродвигателей с мотор-контроллером, невысокой надежности работы механизма перемещения в связи с применением в мотор-редукторах коллекторных двигателей, а также отсутствие контроля состояния зарядки аккумуляторов во время нахождения внутри трубопровода, из-за чего происходит застревание устройства внутри трубопровода.
Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение эксплуатационных качеств системы перемещения устройства диагностики трубопровода, содержащей число мотор-контроллеров по числу ведущих пар колес, за счет последовательного соединения двигателя со своим мотор-контроллером.
Технический результат достигается также за счет применения в мотор-редукторах шаговых бесколлекторных электродвигателей.
Технический результат достигается также за счет контроля состояния аккумуляторов.
Заявляемый технический результат достигается тем, что система перемещения УДТ по варианту 1, содержащая блок управления, связанный с источником панорамного рентгеновского излучения, при этом своими первым и вторым входами соединенный, соответственно, с устройством внешнего управления и блоком питания, а своими управляющими выходами соединенный с мотор-контроллерами, отличающаяся тем, что содержит мотор-контроллеры по числу ведущих пар колес, при этом блок управления соединен с каждым мотор-контроллером, каждый из которых в свою очередь двунаправлено соединен с управляемым им двигателем, совмещенным с редуктором, на оси которого установлены колеса.
При этом система перемещения содержит блок звукового оповещения разряда аккумуляторов.
Заявляемый технический результат достигается тем, что система перемещения УДТ по варианту 2, содержащая блок управления 1, содержащая блок управления, связанный с источником панорамного рентгеновского излучения, при этом своими первым и вторым входами соединенный, соответственно, с устройством внешнего управления и блоком питания, а своими управляющими выходами соединенный с мотор-контроллерами, отличающаяся тем, что содержит мотор-контроллеры по числу ведущих пар колес, при этом блок управления соединен с каждым мотор-контроллером, каждый из которых в свою очередь двунаправлено соединен с управляемым им двигателем, совмещенным с редуктором, на оси которого установлены колеса, при этом в качестве двигателей применены шаговые бесколлекторные электродвигатели.
При этом система перемещения содержит блок звукового оповещения разряда аккумуляторов.
Заявляемая система перемещения устройства диагностики трубопровода иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - конструктивная схема устройства диагностики трубопровода.
Фиг.2 - бок-схема системы перемещения устройства диагностики трубопровода
Устройство диагностики трубопровода (УДТ) в общем виде изображено на фиг.1 и содержит шасси с платформой 10, источник 3 электрического питания, собранный на основе аккумуляторных батарей, источник 4 панорамного рентгеновского излучения, выполненный в виде рентгеновской трубки, блок 2 детекторов, расположенные на платформе, управляющий внешний источник (не показан), многодиапазонный генератор 11 высокой частоты, блок управления 1 агрегатом, мотор-контроллер 5, связаный с моторредуктором 6, установленным на раме. Мотор-редуктор 6 представляет собой двигатель 7, совмещенный с редуктором 8. В типовом исполнении вал двигателя входит во входной полый вал редуктора, зацепление шпоночное (Например, см. http://www.kpsk.ru/pages/reduktor01.html)
Колеса 9 крепятся непосредственно на ось редуктора и передвигают агрегат вдоль трубы.
Обычно используют два ведущих колеса, но могут быть использованы и четыре для лучшей проходимости.
Заявляемая система перемещения устройства диагностики трубопровода по варианту 1 (фиг.2) содержит блок управления 1, связанный с источником панорамного рентгеновского излучения 4. Блок 1 управления представляет собой процессор, включающий программу, обеспечивающую автоматическую работу элементов агрегата и системы его перемещения, в частности. Блок 1 управления первым 1.2 и вторым 1.3 входами соединен, соответственно, с устройством внешнего управления 2 и блоком питания 3, а своими управляющими выходами 1.5.1…1.5.n соединен с мотор-контроллерами 5.1…5.n. Система содержит мотор-контроллеры по числу ведущих пар колес 9, при этом блок 1 управления соединен с каждым мотор-контроллером 5.1…5.n. В свою очередь, каждый мотор-контроллер 5.1…5.n двунаправленной связью 1.6.1…1.6.n последовательно соединен с управляемым им двигателем 1.5.1…1.5.n, совмещенным с редуктором 1.7.1…1.7.n, на оси которого установлены колеса 9.1…9.n.
Таким образом, двигатель 7.1…7.n каждого мотор-редуктора 6.1…6.n управляется своим отдельным мотор-контроллером 5…5n.
Для шасси с двумя парами ведущих колес количество мотор-контроллеров 5 равно двум.
Мотор-контроллер 5 представляет собой блок управления двигателем 7, в качестве которого может быть применен блок управления бесколлекторным двигателем 48ZVSK30, НФП «Электропривод» (http://electroprivod.ru). Термин «мотор-контроллер» означает - блок управления двигателем, в электротехнике это распространенный термин для замены определения «блок управления двигателем», см., например: «UMC22-FBP.0 универсальный мотор-контроллер» http://www.proelectro2.ru/prices/row_176231; а также CM.:http://www.elstart.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=74<emid=71).
Пример системы для шасси с двумя ведущими парами колес. Блок управления 1 соединен выходом 1.5.1 с моторконтроллером 5.1, а выходом 1.5.2 с моторконтроллером 5.2, каждый из которых в свою очередь двунаправлено соединен с управляемым им двигателем 7.1 и 7.2, совмещенным с редуктором 8.1 и 8.2, на оси которого установлены пары колес 9.1 и 9.2, соответственно.
Двигатели. моторредукторов имеют обратную связь 1.6.1…1.6.n с моторконтроллерами для корректировки частоты вращения и измерения тока потребления.
Процессор 1 и моторконтроллеры 5 могут быть помещены в ударопрочный влагозащищенный корпус.
Заявляемая система снабжена блоком звукового оповещения разряда аккумуляторов, состоящего из измерителя напряжения и подсоединенного к нему звуковому излучателю, издающему прерывистый звуковой сигнал при снижении общего напряжения аккумуляторного блока ниже 115 вольт.
При передвижении кроулеров на большие расстояния (2 км. и более) часто возникает проблема критичного разряда аккумуляторов, после чего не хватает заряда для возвращения к началу трубы. Наступление этой проблемы зависит от многих факторов: температура воздуха, диаметр трубопровода, время экспозиции (зависит от толщины стенки и диаметра трубы), параметров аккумуляторов (зависят от времени их использования со дня изготовления и проведенных циклов заряд-разрядов). Звуковое оповещение разряда аккумуляторов позволяет заблаговременно вернуть устройство на начало трубы для зарядки аккумуляторов, исключив вероятность разрезания трубы и связанных с этим проблем.
Заявляемая система перемещения устройства диагностики трубопровода по варианту (фиг.2) содержит блок управления 1, связанный с источником панорамного рентгеновского излучения 4. Блок 1 управления представляет собой процессор, включающий программу, обеспечивающую автоматическую работу элементов агрегата и системы его перемещения, в частности. Блок 1 управления первым 1.2 и вторым 1.3 входами соединен, соответственно, с устройством внешнего управления 2 и блоком питания 3, а своими управляющими выходами 1.5.1…1.5.n соединен с мотор-контроллерами 5.1…5.n. Система содержит мотор-контроллеры по числу ведущих пар колес 9, при этом блок 1 управления соединен с каждым мотор-контроллером 5.1…5.n. В свою очередь, каждый мотор-контроллер 5.1…5.n двунаправленной связью 1.6.1…1.6.n последовательно соединен с управляемым им двигателем 1.5.1…1.5.n, совмещенным с редуктором 1.7.1…1.7.n, на оси которого установлены колеса 9.1…9.n.
Таким образом, двигатель 7.1…7.n каждого мотор-редуктора 6.1…6.n управляется своим отдельным мотор-контроллером 5…5n. Для шасси с двумя парами ведущих колес количество мотор-контроллеров 5 равно двум.
Двигатели моторредукторов имеют обратную связь 1.6.1…1.6.n с моторконтроллерами для корректировки частоты вращения и измерения тока потребления. Процессор 1 и моторконтроллеры 5 могут быть помещены в ударопрочный влагозащищенный корпус.
Для повышения эксплуатационных качеств системы перемещения в качестве двигателей использованы шаговые бесколлекторные электродвигатели.
Как известно, КПД редуктора уменьшается при увеличении передаточного числа. В существующих устройствах (кроулерах) это число составляет от 30 до 43. Передаточное число выбирается, исходя из поставленных условий: при больших подъемах оно выбирается максимальным, при этом увеличивается крутящий момент выходного вала, но возрастает потребление энергии аккумуляторных батарей. При применении на объектах с прямыми участками трубопровода это число выбирается минимальным, для сохранения потребления энергии. Коллекторные электродвигатели, применяемые в описанных аналогах имеют максимальный вращающий момент в интервале 0,8-1,1 Nм. Бесколлекторный двигатель (например, FL86BLS98) имеет максимальный вращающий момент 4,2 Nм, что позволяет применить редуктор с передаточным числом в 4 раза меньше, имеющий более высокий КПД.
Таблица 1 демонстрирует зависимость КПД редуктора от скорости на выходном валу по отношению к входной скорости (передаточного числа).
Таблица 1
Передаточное число
КПД редуктора
7
82
10
80
14
79
18
75
26
69
36
69
43
66
60
58
68
57
80
54
100
50
Для червячных редукторов с межосевым смещением 50 мм (именно такие применяются в прототипе (JME), при передаточном числе от 30 до 100 сервис-фактор не превышает значения 1, 2 при межосевом расстоянии 50 мм. (см. данные Таблицы 2)
Опыт работы в трассовых условиях показывает, что это значение недостаточно для обеспечения бесперебойного технологического процесса диагностики трубопровода. Для пояснения зависимость сервис-фактора (fs) редуктора от условий эксплуатации приведена Таблице 3.
За 1 час работы устройство делает до 30 остановок, общее время движения может доходить до 4-х часов. Исходя из данных, приведенных в табл.3, рекомендуемый сервис-фактор редуктора выбираем равным 1,5. Возможность сокращения в 4 раза передаточного числа редуктора за счет применения бесколлекторного двигателя (например, FL86BLS9) позволяет применить вместо редуктора с передаточным числом 43 редуктор с передаточным числом 10 и межосевым расстоянием 45 мм. (см. Таблицу 2). Все данные взяты из технических характеристик редукторов одного из ведущих мировых производителей INNOVARI (Италия).
Применение бесколлекторных двигателей (например, FL86BLS98, НФП «Электропривод»), имеющих вращающий момент 4,2 Nм, позволяет использовать редукторы с передаточным числом от 5 до 10, имеющих КПД 82% вместо 66% для редукторов с передаточным числом 43.
Заявляемая система реализована на бесколлекторных шаговых двигателях FL86LS98 (НФП «Электропривод), имеющие высокую надежность и повышенный срок необслуживаемой эксплуатации, т.к. единственными частями, подверженными силе трения, являются опорные подшипники ротора.
Редукторы могут использоваться любые, исходя из рекомендуемого сервис-фактора (fs) производителя.
Пример выполнения заявляемой системы по варианту 2 для шасси с двумя ведущими парами колес. Блок управления 1 соединен выходом 1.5.1 с моторконтроллером 5.1, а выходом 1.5.2 с моторконтроллером 5.2, каждый из которых в свою очередь двунаправлено соединен с управляемым им двигателем 7.1 и 7.2, совмещенным с редуктором 8.1 и 8.2, на оси которого установлены пары колес 9.1 и 9.2, соответственно. В качестве двигателей применены шаговые бесколлекторные электродвигатели с крутящим моментом не менее 4,2 Nм.
Система перемещения содержит блок звукового оповещения разряда аккумуляторов аналогично варианту 1.
Работа заявляемой системы по вариантам 1 и 2.
Команды управления оператора подаются на обработку процессору 1. В зависимости от принятых команд с процессора 1 подаются сигналы управления на моторконтроллеры 5, которые, в свою очередь, управляют двигателями 7 моторредукторов для осуществления процесса перемещения:
- движение вперед
- остановка
- движение назад
- излучение,
или на генератор 11 рентгеновской трубки 4 для запуска процесса излучения рентгеновской трубки.
Обратная связь 1.6 двигателей с моторконтроллерами позволяет производить корректировку частоты вращения и измерение тока потребления.
При снижении общего напряжения аккумуляторного блока ниже 115 вольт звуковой излучатель, издает прерывистый звуковой сигнал, что позволяет заблаговременно вернуть устройство на начало трубы для зарядки аккумуляторов, исключив вероятность разрезания трубы и связанных с этим проблем.
Заявляемая система по вариантам 1 и 2 позволяет отказаться от использования редукторов с разными передаточными числами в зависимости от условий эксплуатации.
Редукторы с передаточным числом 10 в сочетании с шаговыми бесколлекторными электродвигателями (вариант 2), имеющими крутящий момент не менее 4,2 Nм, обеспечивают работу агрегата при любых условиях эксплуатации, сохраняя при этом высокое значение КПД. Отсутствие трущихся щеток в бесколлекторных двигателях обеспечивает продолжительный срок эксплуатации и не требует обслуживания в течение всего срока службы.
Источники информации.
1. Устройство «Кроулер» производства фирмы Solus Schall (Англия). Описание. (Приложение 1. Структурная схема «Кроулера»), 2004 г.
2. Рентгенографические кроулеры JME 24. http://www.tkc-ntd.ru (Приложение 2) - наиболее близкий аналог.
3. Проспект фирмы JME (Англия) Кроулеры, Представительство фирмы в России ООО "Русско-Британское Предприятие "Спектрум НТД"], 2005.
Таблица 2. Выбор редукторов. Каталог фирмы INNOVARI (Италия) http://www.maxprofi.su/HTML/lnnovari/cherevych.html.
Таблица 3. Зависимость сервис-фактора (fs) редуктора от условий эксплуатации.