CN103629477B - 一种管道行进装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种管道行进装置及其驱动方法。该装置包括蜗杆、若干组同步带-蜗轮和对应的行进机构。同步带-蜗轮轮齿的齿面包括能与蜗杆啮合的蜗轮齿面和能与同步带啮合的同步带轮齿面，同步带-蜗轮沿蜗杆圆周方向均匀分布并与蜗杆啮合；行进机构的同步带套在滑轮组外侧，远离蜗杆一侧的同步带压紧在管道内壁上。其驱动方法为：主动蜗杆转动时，驱使同步带-蜗轮转动，通过同步带-蜗轮与同步带的啮合，使行进机构中压紧在管道内壁上的同步带获得等速同向的运动，实现装置沿管道的行进。该装置传动比大，结构简单，制造、安装、维护方便，成本低廉；通过调节行进机构与管道内壁之间的正压力，可获得预期的推进力。

Description

一种管道行进装置及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种管道行进装置及其驱动方法。
背景技术
城市的自来水管、燃气管、电线电缆的布线管、污水的排水管等大多埋设于地下，构成纵横交叉、累计长度难以精确统计的地下管网***。将管道埋设于地下，虽然美化了城市环境，但也明显增加了管道使用、检查和维护的难度。
对于电线电缆的布线管及其线缆在管道中的布设，现有的常规操作方法是：将布线管预埋在地下，在线缆布设时，先在布线管中穿一根细钢丝，再通过细钢丝将需布设的线缆曳引入布线管。其中，在布线管中穿细钢丝的过程比较费时费力，并且，由于细钢丝刚度有限，在布线管中所能穿过的距离不可能很大，所以，现有的线缆布设工艺只能小距分段式的将线缆曳引入布线管，相应地，沿布线管的道路上必须相隔一小段距离留一个操作井口，既会增加道路的施工难度，又会影响道路的美感、降低车辆运行的舒适性。
自来水管经过长期运行，管道内壁总会有污垢累积，累积在管道内壁的污垢一方面会降低管道输送自来水的能力，另一方面还会影响所输送的自来水的质量，所以，自来水供水管道最好应定期疏浚。目前，去除自来水管道内壁污垢的常规操作方法是短时间的提高自来水的供水水压、增加自来水的流速。这种去污垢方法存在诸多缺陷：首先，提高水压有可能导致自来水管网薄弱部位的爆裂，引起必须停水抢修的事故；其次，高压水流冲刷下来的污垢只能从居民的用水终端排出，会影响居民的正常用水；再次，自来水加压去污的效果也不是很理想。对于内径较大的管道，还有二种可供选择的管道疏浚方法：一种是将柔性软管***管道中，通过软管用高压水对管道内壁进行冲刷；另一种是在管道中皮碗状疏通器，封闭管道，然后向管道内输入高压水或高压气，通过高压水或高压气，驱使皮碗状疏通器沿管道移动，从而实现去除管道内壁污垢的目的。这二种可选的管道疏浚方法都存在明显的缺陷：前者，软管***困难，能***的距离有限，高压水的冲刷位置和冲刷效果难控制；后者，需要产生高压水或高压气的装备，管道必须具备足够的承压能力，一旦管道爆裂，管道中的皮碗状疏通器不易取出；上述缺陷使之较难获得广泛的工程应用。另外, 为发现潜藏的自来水渗漏点或管道的可能故障位置，检查自来水管的内部情况也很重要，目前，摄像头的尺寸及功能已完全能满足管道内部检查的要求，但是，由于缺乏适当的管道行进装置来携带摄像头，所以管道的巡管检查还难以实现。燃气管道、暖气供气管道等也存在着与自来水管类似的问题。
上述的在布线管内穿细钢丝以及管道的内部清污和检查等之所以困难，关键在于缺乏适当的管道行进装置。中国发明专利(CN101058095)公开了一种管道行进胀缩除垢装置，该装置有前后二个行进机，二个行进机用气缸相连，在管中行进时，当后行进机撑住管壁时，前后行进机的连接气缸伸长，推动前行进机向前运动；当连接气缸伸至最长时，前行进机撑住管壁，连接气缸缩短，带着后行进机向前运动；如此循环，实现装置在管道中的行进。显然，该装置只能在管道中间歇行进，并且为保证该装置的正常运行，还必须要有压缩气源和高压输气管，这些都阻碍该装置的工程应用。德国的iPEK公司(http://www.ipek.at/index.php?id=1&no_cache=1&L=hwbqeyrkaflm)研发了iPEK管道摄像检测***，该***以类似于普通四轮或履带式玩具车为运载工具，携带摄像和照明装置，组成管道内窥检测***，可用于内径150mm以上的管道的内窥检测。由于该***以传统的轮式或履带式车辆（缩小版）为运载工具，所以运载工具的最大推进力完全取决于***自重和轮或履带与管壁的摩擦系数；又由于为适应小管径管道的检测，***必须尽量小巧，自重必然较轻，所以该***的最大推进力非常有限，当电源线与数据线的拖曳阻力大于最大推进力时，该***就无法前行了，也就是说该***的管道检测距离是非常有限的；还由于管道内壁呈圆形，不管传统轮式或履带式车辆的车轮或履带的外形如何设计，轮或履带与管内壁的无滑动接触都仅限于一个点，其他接触位置都是有滑动接触，所以轮或履带的工作寿命以及整个***的推进力都会受影响。
由上可见，在布线管中穿细钢丝、管道的清污或检查等都有赖于管道行进装置，但到目前为止，尚未见到体积小、质量轻且推进力大的行进装置的报道，更没有相关的工程应用实例。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有技术中管道行进装置存在的体积大，推力小的不足，提供一种适合于在管道中行进的装置及其驱动方法，该装置具有结构简单，尺寸紧凑，制造、使用和维护方便，推进力可调的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种管道行进装置，它包括蜗杆、n个同步带-蜗轮和对应的n组行进机构；所述的同步带-蜗轮为一个圆柱齿轮状零件，其轮齿的齿面为部分与蜗杆啮合的蜗轮齿面、部分与同步带啮合的同步带轮齿面，n个同步带-蜗轮沿蜗杆圆周方向均布，且同时与蜗杆啮合传动；所述的行进机构分别与对应的同步带-蜗轮共面，行进机构包括由若干个滑轮组成的滑轮组、环形的同步带和滑轮架，同步带的带齿位于带节面的外侧，同步带套在滑轮组上，靠近蜗杆一侧的同步带通过滑轮绕过同步带-蜗轮并与同步带-蜗轮啮合，远离蜗杆一侧的同步带与蜗杆轴线平行；每组行进机构中远离蜗杆一侧的同步带压紧在管道内壁上。
本发明的一个优选方案是选用三个同步带-蜗轮和对应的三组行进机构；所述的蜗杆通过轴承座和轴承安装在管壳中；所述的同步带-蜗轮通过联接螺栓安装在支架上，支架固定在管壳上；所述的行进机构通过联接螺栓固定在安装架上，安装架固定在管壳上。
采用本发明所述的管道行进装置，其驱动方法是：主动蜗杆转动，通过蜗杆与同步带-蜗轮的啮合传动，驱使n个同步带-蜗轮同速转动；通过同步带-蜗轮与行进机构中的同步带的啮合传动，驱使对应的行进机构中的同步带在蜗杆轴平面内运动；行进机构中压紧在管道内壁上的同步带沿管道内壁等速同向爬行，推动管道行进装置沿管道行进。
由于上述技术方案的运用，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的管道行进装置为纯机械装置，并且结构简单，尺寸紧凑，制造、安装和维护方便，成本低廉。
2、本发明提供的管道行进装置，除主动蜗杆外，其余转动零件的支承轴均为固定心轴，可与联接螺栓制成一体，制造、安装和调整方便；滑轮架、安装同步带-蜗轮的支架及固定行进机构的安装架等都是板类零件，且尺寸精度要求不高，制造方便。
3、本发明提供的管道行进装置，同步带兼作装置的爬行履带，其基体常为聚氨酯或氯丁橡胶，具有良好的受力形变柔性，抗拉体通常是钢丝绳或玻璃纤维绳，抗拉强度高，具有易于弯曲、耐磨性好、工作寿命长、能在有水或多尘等恶劣环境下工作等优点；并且，同步带为标准件，可市购，价格低。
4、本发明提供的管道行进装置，其行进机构沿蜗杆圆周方向均匀分布，主动蜗杆转动时，通过与蜗杆啮合传动的同步带-蜗轮，驱使行进机构中的同步带沿管道内壁等速同向爬行，运动稳定可靠，并且，仅需适当调节行进机构的径向位置，即可调节同步带与管道内壁之间的正压力，从而使装置获得预期的推进力。
5、本发明提供的管道行进装置的驱动方法是主动蜗杆旋转一周，仅沿管道行进一个同步带节距的距离，因此，传动比大，以较小的动力源即能使装置获得足够大的推进力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的标准蜗轮滚刀滚切同步带-蜗轮示意图；
图2为本发明实施例提供的同步带-蜗轮齿宽中间的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的管道行进装置沿一行进机构的轴剖图。
图4为本发明实施例提供的管道行进装置的横剖图；
图中：1、管壳；2、轴承座；3、轴承；4、蜗杆；5、支架；6、同步带-蜗轮；7、安装架；8、同步带；9、滑轮；10、滑轮架；11、联接螺栓。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
本实施例提供一种管道行进装置，主要包括蜗杆、三个同步带-蜗轮和三组行进机构。
本发明提供的同步带-蜗轮的轮齿齿面由蜗轮齿面和同步带轮齿面组成，制造该同步带-蜗轮时，先切制蜗轮齿面再切制同步带轮齿面、或先切制同步带轮齿面再切制蜗轮齿面的制造工艺都是可行的，以下为方便陈述，以先切制同步带轮齿面再切制蜗轮齿面的制造工艺为例进行说明。
参见附图1和附图2，本实施例提供的同步带-蜗轮的具体实施方案如下：为了避免制造专用滚刀、降低制造成本和保证传动质量，选用节距P b 略大于或等于标准蜗杆轴面齿距mπ的同步带轮，此同步带轮的节圆直径D略大于或等于同齿数z的蜗轮分度圆直径d，由于同步带轮的外圆直径D 0 恒小于节圆直径，外圆齿槽宽b 0 恒大于同步带节距的二分之一（P b /2），所以，为在轴线共线且蜗轮主剖面与同步带轮齿宽中间的横截面重合的情况下，使蜗轮主剖面内的齿槽与同步带轮中截面内的齿槽在同步带轮外圆处等宽，切制蜗轮齿面时必须进行适当的变位。
根据机械原理，在蜗轮蜗杆传动的主剖面内，蜗轮相当于渐开线齿轮，其在直径为d k 的任意圆上的齿厚s k 为式(1)：
                           (1)
式中，m和d是齿轮的模数和分度圆直径，x和α是齿轮的变位系数和分度圆压力角，α k 是齿轮在任意圆d k 上的压力角，可确定式(2)如下：
                                           (2)
同齿数z的同步带轮的外圆齿厚s o 为式(3)：
                                                   (3)
显然，蜗轮主剖面内的齿槽与同步带轮的齿槽在同步带轮外圆处等宽，等同于蜗轮主剖面内的齿厚与同步带轮的齿厚在同步带轮外圆D 0 处等宽，即式(4)：
                                                (4)
通过式(1)和式(4)，可解得蜗轮的变位系数x如式(5)：
                    (5)
参见附图1，在同步带轮上切制蜗轮齿面时，使蜗轮滚刀与待加工的同步带轮成90度轴错角布置，蜗轮滚刀的轴线位于同步带轮齿宽中间的横截面内，滚刀与同步带轮的中心距a′按式(6)确定：
                                              (6)
式(6)中，d 1 是与滚刀同形的单头蜗杆的分度圆直径，d=mz是蜗轮的分度圆直径。
参见附图2，蜗轮滚刀向同步带轮径向进给以切出预期齿深时，刀齿中线沿同步带轮齿槽中线径向进给。
用上述方法切制的同步带-蜗轮的齿宽中间的横截面截形见图2。由于滚刀刀齿为螺旋齿，所以用上述方法切制的同步带-蜗轮，滚刀螺旋齿的两侧齿面会分别切入同步带轮的两侧齿面，展成蜗轮齿面，并且在同步带轮齿槽两侧展成的两片蜗轮齿面分别位于同步带轮中截面的两侧。
切制同步带-蜗轮的方法与上述方法类似，差异仅在于径向进给时，滚刀刀齿中线与同步带轮的齿槽中线不重合，使得所切制出的蜗轮齿槽中线相对于同步带轮齿槽中线偏斜了一个微小的角度δ如式(7)：
  (rad)                                (7)
式(7)中，πm为单头滚刀的导程，D 0 为同步带的外圆柱直径，φ为滚刀齿顶圆与同步带轮外圆重叠部分所对的圆心角，参见附图1。
上述偏角δ应正好使滚刀刀齿不会切入同步带轮的一侧齿面，同时切入同步带轮另一侧齿面的深度为最小，从而既使同步带轮的一侧齿面保持完整的同步带轮齿面，又使同步带轮轮齿削弱最少以保持足够的强度。
参见附图3它是本实施例提供的一种行进于管道内的装置沿一组行进机构的轴剖图；参见附图4，它是本实施例提供的管道行进装置的横剖图；由图3和4可以看出该行进装置的结构为：蜗杆4通过轴承座2和轴承3安装在管壳1中；同步带-蜗轮6通过联接螺栓11安装在支架5上，支架焊接在管壳上，行进机构包括同步带8、滑轮9、滑轮架10和联接螺栓11，滑轮用联接螺栓安装在滑轮架上，同步带套在滑轮组外侧，整个行进机构用联接螺栓固定在安装架7上，安装架焊接在管壳上。
参见附图4，本实施例采用三个同步带-蜗轮和三组行进机构，三个同步带-蜗轮沿蜗杆圆周方向间隔120°分布并与蜗杆啮合。由于此种结构，下部左、右两侧的二个行进机构的中间平面与铅垂方向的夹角φ 2 和φ 3 为式（8）所示：
                                               （8）
当把行进装置塞入管道后，设管道内壁对上部行进机构的正压力为N 1 ，若不计行进装置的自重，则管道内壁对下部左侧行进机构的正压力N 2 和对下部右侧的行进机构的正压力N 3 可确定如下：
水平方向的力平衡条件由式（9）所示：
                                        （9）
铅垂方向的力平衡条件由式（10）所示：
                                   （10）
联列式(8)、(9)和(10)，可解得式（11）：
                                            （11）
也就是说，在不考虑自重的情况下，管道内壁作用在三组行机构上的正压力相同，本发明提供的管道行进装置受力性能好。
采用单头蜗杆时，主动蜗杆转动一周，驱使同步带-蜗轮转过一个轮齿，进而通过同步带-蜗轮与同步带的啮合，驱使同步带沿管道内壁向前爬行一个同步带节距，增力效果明显。
设蜗杆转速为n(r/min),输入功率为P(W)，行进装置的传动总效率为η，同步带的节距为p b (mm)，同步带与管道内壁的摩擦第数为f，则本发明提供的管道行进装置的总推进力F可确定如下：
行进装置的行进速度v由式（12）所示：
                                 （12）
一支行进机构与管道内壁的摩擦力——爬行的推进力F i 由式（13）所示：
                                （13）
行进装置的总推进力F等于三支行进机构的爬行推进力F i 之和，即为式（14）所示：
                                        （14）
行进装置的行进总功率Q为由式（15）所示：
                              （15）
行进装置的效率η由式（16）所示：
                                  （16）
为获得行进装置的推进力F，主动蜗杆所需的输入功率P由式（17）所示：
                                         （17）
为获得行进装置的推进力F，管道内壁对行进机构所需施加的正压力N为式（18）所示：
                                                 （18）
由式(10)可见，即使整个装置的传动效率η较低（因为包含蜗杆传动），但由于同步带的节距p b 也较小，所以，仅需较小的驱动功率P即可获较大的推进力F。例： p b =5.08mm、η=0.2、n=150rpm时，获得F=50（N）的推进力所需的的驱动功率仅P=3.175（W）：
由式(18)可见，由于本发明提供的管道行进装置的三组行进机构都能产生驱动力，所以，与其他驱动方式相比较，本装置仅需较小的压紧力N即可获得较大的推进力F。
当主动蜗杆转动时，通过蜗杆与同步带-蜗轮的啮合传动，驱使三个同步带-蜗轮同速转动；通过同步带-蜗轮与行进机构中的同步带的啮合传动，驱使对应的行进机构中的同步带在蜗杆轴平面内运动；各行进机构中远离蜗杆一侧的同步带与蜗杆轴线平行，通过结构尺寸的设计及弹簧等加压元件，使三组行进机构中远离蜗杆一侧的同步带压紧在管道内壁上。当主动蜗杆通过三个同步带-蜗轮驱使三组行进机构的同步带运动时，三组行进机构中压紧在管道内壁上的同步带沿管道内壁等速同向爬行，推动管道行进装置沿管道行进。

Claims (6)

1.一种管道行进装置，其特征在于：它包括蜗杆、n个同步带-蜗轮和对应的n组行进机构；所述的同步带-蜗轮为一个圆柱齿轮状零件，其轮齿的齿面为部分与蜗杆啮合的蜗轮齿面、部分与同步带啮合的同步带轮齿面，n个同步带-蜗轮沿蜗杆圆周方向均布，且同时与蜗杆啮合传动；所述的行进机构分别与对应的同步带-蜗轮共面，行进机构包括由若干个滑轮组成的滑轮组、环形的同步带和滑轮架，同步带的带齿位于带节面的外侧，同步带套在滑轮组上，靠近蜗杆一侧的同步带通过滑轮绕过同步带-蜗轮并与同步带-蜗轮啮合，远离蜗杆一侧的同步带与蜗杆轴线平行；每组行进机构中远离蜗杆一侧的同步带压紧在管道内壁上。
2.根据权利要求1所述的一种管道行进装置，其特征在于：它包括三个同步带-蜗轮和对应的三组行进机构。
3.根据权利要求1所述的一种管道行进装置，其特征在于：所述的蜗杆通过轴承座和轴承安装在管壳中。
4.根据权利要求1所述的一种管道行进装置，其特征在于：所述的同步带-蜗轮通过联接螺栓安装在支架上，支架固定在管壳上。
5.根据权利要求1所述的一种管道行进装置，其特征在于：所述的行进机构通过联接螺栓固定在安装架上，安装架固定在管壳上。
6.一种权利要求1所述的管道行进装置的驱动方法，其特征在于：蜗杆转动，通过蜗杆与同步带-蜗轮的啮合传动，驱使n个同步带-蜗轮同速转动；通过同步带-蜗轮与行进机构中的同步带的啮合传动，驱使对应的行进机构中的同步带在蜗杆轴平面内运动；行进机构中压紧在管道内壁上的同步带沿管道内壁等速同向爬行，推动管道行进装置沿管道行进。
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