САМОХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВНУТРИ ТРУБОПРОВОДОВ
SELF-MOVING DEVICE FOR MOVING INSIDE PIPELINES

Изобретение относится к области электротехники и транспортной техники и может быть использовано для перемещения приборов диагностики и различных устройств внутри трубопроводов.
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 данного движителя является сложность конструкции, так необходимы дополнительные механизмы свободного хода, а также невозможность 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 , "In-pipe 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 микромашины является невысокая надежность, так как щетинки подвержены быстрому износу при трении о внутренние стенки трубопровода.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является самоходное устройство для движения внутри трубопровода [патент РФ на полезную модель №96091 от 30.03.2010, МПК B62D 57/00], 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 закреплена к кольцам.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и невысокая удельная тяговая сила из-за больших воздушных зазоров и большого рассеяния в магнитной системе.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции.
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 перемещения внутри трубопроводов, содержащее катушку с обмоткой, электрически связанную с системой управления, в отличие от прототипа, снабжено соединенными упругими связями ферромагнитным П-образным сердечником и двумя ферромагнитнымих якорями, причем катушка с обмоткой расположена на П-образном сердечнике, а к торцам обоих якорей прикреплены фрикционные колодки, соответствующие по форме сечению трубопровода.
Существо изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 - общий вид электромагнитной подсистемы.
Самоходное устройство для движения внутри трубопровода содержит ферромагнитный П-образный сердечник 1, на котором расположена катушка с обмоткой 2 (Фиг. 1 и Фиг. 2). Два ферромагнитных якоря 3 и 4 соединены между собой с помощью поперечных упругих элементов 5 и с П-образным сердечником 1 с помощью продольных упругих элементов 6 (Фиг. 1). Концы упругих элементов закреплены на П-образном сердечнике 1 и якорях 3 и 4 с помощью упоров 7. К торцам обоих якорей 3 и 4 прикреплены фрикционные колодки 8 (на Фиг. 1 для наглядности одна из колодок не показана), соответствующие по форме сечению трубопровода 9. Обмотка 2 электрически соединена с системой управления 10. Система управления закреплена на одном основании с П-образным сердечником 1.
Самоходное устройство для перемещения в трубопроводах работает следующим образом.
Для установки устройства в трубопровод система управления 10 подает на обмотку 2 постоянное напряжение, обеспечивающее сжатие поперечных упругих элементов 5 для свободного входа устройства в трубопровод 9. Устройство вставляется в трубопровод П-образным сердечником 1 вперед и с предварительным натягом поперечных упругих элементов 5.
После установки в трубопровод система управления 10 подает на обмотку 2 периодически изменяющееся напряжение. При подаче напряжения в обмотке 2 нарастает электрический ток, что приводит к появлению и возрастанию магнитного потока, проходящего через сердечник 1, подвижные якоря 3 и 4 и воздушные зазоры между ними (Фиг. 2). Магнитный поток приводит к появлению электромагнитной силы, которая имеет две компоненты - продольную и поперечную. Продольная компонента силы стремиться сократить продольный воздушный зазор, а поперечная компонента - поперечный зазор. Поперечная компонента электромагнитной силы сжимает поперечные упругие элементы 5, так что сила прижатия к поверхности трубопровода уменьшается, из-за чего снижается сила трения. Одновременно продольная компонента силы притягивает сердечник 1 и якоря 3 и 4 друг к другу, которые, сближаясь, сжимают продольные упругие элементы 6. На сердечник 1 практически не действуют внешние силы, а на якоря 3 и 4 действует уменьшенное значение силы трения, направленной против его движения, т.е. назад (в сторону якорей). 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 5 и 6. При разжимании поперечных упругих элементов 5 сила прижатия фрикционных колодок 8 к поверхности трубопровода 9 увеличивается, а следовательно, растет и сила трения. Продольные упругие элементы 6, разжимаясь, отталкивают сердечник 1 и якоря 3 и 4 друг от друга. На якоря 3 и 4 при этом действует сила трения, направленная против его движения, т.е. в сторону сердечника 1. Таким образом, на этом временном интервале центр масс под действием единственной внешней силы смещается вперед (в сторону П-образного сердечника 1). 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 (Behn С., Zeidis I., Zimmermann K. Mechanics of Terrestrial Locomotion. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2009).
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает перемещение устройства по трубопроводу с большей тяговой силой за счет ферромагнитного П-образного сердечника и якорей.