CN109985866A - 一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于特种机器人应用技术领域,具体涉及一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人。本发明包括壳体、清洗作业模块、移动支撑模块、驱动控制***和电池:所述清洗作业模块包括一个旋转式基座和若干个毛刷式清洗作业臂,旋转式基座安装于壳体的前端面上,清洗作业臂与旋转式基座相连接;所述移动支撑模块包括若干条末端设有滚轮的支撑臂;所述驱动控制***安装于壳体通孔内部,为机器人各部件的伸缩、转动提供驱动;所述电池安装于壳体外壁的凹陷内,为机器人提供动力。本发明结构紧凑、对管道内径变化范围适应能力强,能够对核电站三级冷却水循环回路管道进行清洗作业。
Description
技术领域
本发明属于特种机器人应用技术领域,具体涉及一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人。
背景技术
核电站三级冷却水循环回路长期使用过程中,必然存在着大量的管道异物附着。采用机器人技术进行核电站管道异物的清理,是当前核电机器人领域的研究热点。对于核电站三级回路,其直径一般较大,并且由于采用开放式海水循环,导致在吸水管道内壁更易附着大量的微生物、碳水化合物、蛋白质层,以及各种海生物和贝类增殖层,造成管道内壁污垢沉积、凸凹不平,其清洗作业是核电站运行维护的一大难点。
针对核电站冷却水循环回路管道清洗的需求,传统的方法包括对循环水进行氯化处理、对循环水加入生物可降解制剂、以及机械处理等方法。机械处理包括人工进入清洗和采用管道清洗机器人两种途径。管道清洗机器人需要具备的功能主要包括:可沿管道内部自动行走;携带所需的传感器,在工作人员的遥控操作及机器人的自身控制下,进行一系列管道作业。同时,在管道转弯部位,管道内壁距离管道中轴线的距离实时性变化,也需要管道清洗机器人具有相应的适应功能。此外,该机器人还应具有管内转弯、侧翻适应的功能。
文献1“Robotic systems for cleaning and inspection of large concretepipes”(会议论文,“2010 1st International Conference on Applied Robotics forthe Power Industry”,2010,作者JoséSaenz,Norbert Elkmann,Thomas Stuerze,SvenKutzner,Heiko Althoff)提出了一种清洗和检查大直径混凝土管道的机器人***,采用高压水喷嘴的精确定位结合非破坏性的传感技术进行导航和检查。该机器人***主要包括机器人***本体(用于承载功能和运动功能的实现)、清洗作业模块、水上/水下的传感检测模块、远程图像传输和通讯、控制***和人机交互***。其中,清洗作业模块由一个三自由度机械臂和末端的高压喷水头组成。该机器人及其清洗作业模块可以适应直径Φ1.6m~Φ2.6m之间。其缺点在于机器人本体和三自由度机械臂都过于笨重;采用高压水喷洗的方法与其他物理接触式清洗相比,需要独立的高压源,并且压力大小的实时可控性差。
文献2“中央空调管道式通风***清洁机器人”(期刊,《机械科学与技术》,2011,刘莹,申超等)提出了一种针对中央空调通风管道的清洁机器人,该机器人针对现有的空调管道清洗机器人不能有效清洗截面高度在300mm以下的管道以及竖直管道,同时存在的越障困难和管道变截面难以适应等问题进行研究。机器人的清洗作业模块采用在一个圆盘上安装双滑槽摆动机构,并配合摆动机构末端安装的毛刷进行清洗作业。该机器人可以清洗的管道高度在160mm~1000mm之间。然而,由于其依靠腿足式吸附行走机构进行管道内的行走和固定,因此,对于圆形管道并不适用。同时,其双滑槽摆动机构的最大展开长度也有一定限制,不适用于超大内径的管道清洗作业。
文献3“管道检测清洗机器人”(发明专利,专利号:200910250062.7)提出了一种管道检测清洗机器人,该机器人针对餐饮行业的油烟管道的清洗作业,不仅能够清洗水平管道,还可以清洗竖直管道。机器人具有伸缩和折叠功能,能够适应350mm-1300mm的管道直径。机器人包含机体支持机构、清洗部分和监控部分。清洗部分采用平行四杆伸缩机构实现清洗头的径向运动,同时,摄像头和清洗头的同步运动保证在不同管径中,可以监控清洗工作。该专利和文献1中的类似,都是采用高压清洗头进行喷射清洗,同时,摄像头在所处的工作环境下,成像清晰度将受到较大影响。在对管道的内径大小适应性方面,采用4组小轮进行支撑定位和管道内运动;喷头靠近管道内壁的方式采用平行四边形结构原理,由一个2级平行四边形结构实现。文献3采用的运动和支撑方案,只能实现在直管内的运动,不能适应各种角度的弯曲管道;同时,虽然喷嘴的2级平行四边形运动结构可以实现较大伸展比,但4组小轮得支撑定位结构的最大伸展度比最小伸展度要小于2倍,从而该方案对于较大的管道内径,所设计的机器人外形包络尺寸难以做到结构紧凑。
发明内容
本发明需要解决的技术问题为:本发明提出一种新型机器人,结构紧凑、对管道内径变化范围适应能力强,能够对核电站三级冷却水循环回路管道进行清洗作业。
本发明的技术方案如下所述:
一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,包括壳体、清洗作业模块、移动支撑模块、驱动控制***和电池:
所述壳体,整体呈中部设有通孔的圆柱体,圆柱体外壁设有若干个凹陷;
所述清洗作业模块,包括一个旋转式基座和若干个毛刷式清洗作业臂,旋转式基座安装于壳体的前端面上,清洗作业臂与旋转式基座相连接:旋转式基座通过自身旋转带动清洗作业臂围绕旋转式基座公转;清洗作业臂为顶端设有毛刷,当机器人处于初始状态时,清洗作业臂回收于壳体外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,清洗作业臂从壳体外壁的凹陷内向壳体前端展开,清洗作业臂的毛刷自转开展清洗作业;
所述移动支撑模块,包括若干条末端设有滚轮的支撑臂,当机器人处于初始状态时,支撑臂回收于壳体外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,支撑臂从壳体外壁的凹陷内向壳体后端展开,实现机器人在管道内壁的支撑和沿管道的运动;
所述驱动控制***,安装于壳体通孔内部,为机器人各部件的伸缩、转动提供驱动;
所述电池,安装于壳体外壁的凹陷内,为机器人提供动力。
作为优选方案:所述清洗作业臂为两级伸缩式套管结构。
作为优选方案:所述支撑臂为平行四边形伸展结构。
作为优选方案:所述驱动控制***周围填充具有防辐射功能的材料。
作为优选方案:所述驱动控制***包括若干驱动电机、滚中丝杠、涡轮蜗杆、钢丝传动机构和控制***。
作为优选方案:不同管道内径自适应通过周向分布的支撑臂和周向分布的清洗作业臂的自动调节实现:支撑臂采用平行四边形机构实现扩展和收回;清洗作业臂通过自身的伸缩功能和前倾角度的调节实现对不同管道内径的自适应。
作为优选方案:对于管道内转弯时,依靠周向分布的清洗作业臂的伸缩功能和前倾角度的调节实现,此时不同清洗作业臂顶端毛刷的转速、不同清洗作业臂与机器人中轴线的夹角均不相同。
作为优选方案:机器人在管道以外的地面运动时,依靠2条清洗作业臂和1条支撑臂进行地面支撑,前进的驱动力由清洗作业臂顶端毛刷的转动及支撑臂末端滚轮的转动提供。作为进一步的优选方案:在转弯运动时,控制2条清洗作业臂顶端的毛刷转速相反或转速不同,依靠其转速差提供转向动力。
作为优选方案:机器人在管道以外的地面作直线运动时,依靠1条清洗作业臂和2条支撑臂进行地面支撑,前进的驱动力由清洗作业臂顶端毛刷的转动及支撑臂末端滚轮的转动提供。
本发明的有益效果为:
(1)本发明的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,结构紧凑、对管道内径变化范围适应能力强,能够对核电站三级冷却水循环回路管道进行清洗作业;
(2)本发明的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,具备良好的防水防辐射性能,不仅适用于核电站三级冷却水循环回路管道的清洗,也适用于其他石油、化工、天然气等领域的管道清洗作业;
(3)本发明的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,能够对不同内径的管道自适应,具有平地行走前进、平地运动转弯、旋转式清洗作业、管道内转弯功能。
附图说明
图1为本发明的机器人在初始状态下的结构示意图;
图2为本发明的机器人在清洗作业状态下的结构示意图;
图3(a)、(b)、(c)描述了本发明的机器人对不同管道内径的适应性;
图4为本发明的机器人在弯曲管道内的运动方式示意图;
图5为本发明的机器人在非管道路面上的运动方式示意图;
图6(a)、(b)为本发明的机器人的壳体结构示意图。
图中,1-旋转式基座,2-壳体,3-清洗作业臂,4-支撑臂,5-电缆,6-支撑点,7-支撑臂安装位置,8-清洗作业臂安装位置,9-驱动控制***安装位置,10-电池安装位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人进行详细说明。
实施例1
本实施例中的核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人采用电缆拖动远程操控方式,包括壳体2、清洗作业模块、移动支撑模块、驱动控制***和电池。
如图6所示,所述壳体2整体呈中部设有通孔的圆柱体,圆柱体外壁设有若干个凹陷。
如图1、图2所示,所述清洗作业模块包括一个旋转式基座1和若干个毛刷式清洗作业臂3,旋转式基座1安装于壳体2的前端面上,清洗作业臂3与旋转式基座1相连接。具体而言,旋转式基座1为圆柱形结构,通过自身旋转带动清洗作业臂3围绕旋转式基座1慢速公转;清洗作业臂3为顶端设有毛刷的套管形结构,当机器人处于初始状态时,清洗作业臂3回收于壳体2外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,清洗作业臂3从壳体2外壁的凹陷内向壳体2前端展开,清洗作业臂3的顶端毛刷高速自转开展清洗作业。
所述移动支撑模块包括若干条末端设有滚轮的支撑臂4,当机器人处于初始状态时,支撑臂4回收于壳体2外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,支撑臂4从壳体2外壁的凹陷内向壳体2后端展开,用于实现在管道内壁的支撑和沿管道的运动。
所述驱动控制***安装于壳体2通孔内部,以实现防水防辐射功能。驱动控制***包括若干驱动电机、滚中丝杠、涡轮蜗杆、钢丝传动机构和控制***,如对驱动旋转式基座1自身旋转的驱动电机、使清洗作业臂3从壳体2凹陷展开/回收的驱动电机、使清洗作业臂3的套管伸长/缩回的驱动电机、使清洗作业臂3的顶端毛刷自转的驱动电机、使支撑臂4从壳体2凹陷展开/回收的驱动电机、使支撑臂4末端滚轮转动的驱动电机等。
所述电池安装于壳体2外壁的凹陷内,为机器人的水下运行提供动力。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于:
所述壳体2的尺寸为直径Φ500mm的圆柱体。
如图2所示,所述清洗作业臂3的数量和所述支撑臂4的数量均为3条,当机器人从初始状态转换到清洗作业状态时,3条清洗作业臂3从壳体2外壁凹陷处向前翻转,3条支撑臂4同步向后方外侧伸展。其中,清洗作业臂3的展开依靠其自身的两级伸缩式套管结构实现,支撑臂4的展开依靠其自身的双平行四边形伸展结构实现。
所述驱动控制***周围填充钽纤维材料或铅橡胶等具有防辐射功能的改性复合材料,用以提高机器人在辐射环境下的生存性能。驱动控制***内的所有驱动电机通过密封轴引出,然后采用滚珠丝杠、钢丝绳、涡轮蜗杆等形式驱动相应的关节或滚轮、毛刷的转动。
对不同管道内径及转弯部位的适应方式:如图3所示,不同管道内径自适应主要通过3条周向分布的支撑臂4和3条周向分布的毛刷式清洗作业臂3的自动调节来实现,本实施例设计的管道内径适应范围为Φ700mm~3000mm(考虑与管道内壁保留一定的间隙,便于毛刷的清洗作业)。其中,支撑臂4采用平行四边形机构实现扩展和收回;毛刷式清洗作业臂3通过自身的伸缩功能和前倾角度的调节实现对不同管道内径的自适应。如图4所示,对于管道内转弯时,由于机器人中轴线距离管道内壁的距离实时变化,此时主要依靠3条周向分布的毛刷式清洗作业臂3的伸缩功能和前倾角度的调节实现。此时毛刷的转速、不同毛刷式清洗作业臂3与机器人中轴线的夹角均不相同。
机器人在非管道路面的运动方式:如图5所示,在管道以外的地面运动时,依靠2条清洗作业臂3和1条支撑臂4进行地面支撑,前进的驱动力由清洗作业臂3顶端毛刷的转动及支撑臂4末端滚轮的转动提供。需要注意的是,若仅作直线运动时,也可以依靠1条毛刷式清洗作业臂3和2条周向分布支撑臂4进行地面支撑,前进的驱动力同样由清洗作业臂3顶端毛刷的转动及支撑臂4末端滚轮的转动提供;在转弯运动时,由于每一个毛刷的转动分别由独立的电机驱动,因此,控制2个毛刷的电机转速相反或转速不同,依靠其转速差提供转向的动力。
Claims (10)
1.一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,包括壳体(2)、清洗作业模块、移动支撑模块、驱动控制***和电池,其特征在于:
所述壳体(2),整体呈中部设有通孔的圆柱体,圆柱体外壁设有若干个凹陷;
所述清洗作业模块,包括一个旋转式基座(1)和若干个毛刷式清洗作业臂(3),旋转式基座(1)安装于壳体(2)的前端面上,清洗作业臂(3)与旋转式基座(1)相连接:旋转式基座(1)通过自身旋转带动清洗作业臂(3)围绕旋转式基座(1)公转;清洗作业臂(3)为顶端设有毛刷,当机器人处于初始状态时,清洗作业臂(3)回收于壳体(2)外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,清洗作业臂(3)从壳体(2)外壁的凹陷内向壳体(2)前端展开,清洗作业臂(3)的毛刷自转开展清洗作业;
所述移动支撑模块,包括若干条末端设有滚轮的支撑臂(4),当机器人处于初始状态时,支撑臂(4)回收于壳体(2)外壁的凹陷内,当机器人处于清洗作业状态时,支撑臂(4)从壳体(2)外壁的凹陷内向壳体(2)后端展开,实现机器人在管道内壁的支撑和沿管道的运动;
所述驱动控制***,安装于壳体(2)通孔内部,为机器人各部件的伸缩、转动提供驱动;
所述电池,安装于壳体(2)外壁的凹陷内,为机器人提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:所述清洗作业臂(3)为两级伸缩式套管结构。
3.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:所述支撑臂(4)为平行四边形伸展结构。
4.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:所述驱动控制***周围填充具有防辐射功能的材料。
5.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:所述驱动控制***包括若干驱动电机、滚中丝杠、涡轮蜗杆、钢丝传动机构和控制***。
6.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:不同管道内径自适应通过周向分布的支撑臂(4)和周向分布的清洗作业臂(3)的自动调节实现:支撑臂(4)采用平行四边形机构实现扩展和收回;清洗作业臂(3)通过自身的伸缩功能和前倾角度的调节实现对不同管道内径的自适应。
7.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:对于管道内转弯时,依靠周向分布的清洗作业臂(3)的伸缩功能和前倾角度的调节实现,此时不同清洗作业臂(3)顶端毛刷的转速、不同清洗作业臂(3)与机器人中轴线的夹角均不相同。
8.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:机器人在管道以外的地面运动时,依靠2条清洗作业臂(3)和1条支撑臂(4)进行地面支撑,前进的驱动力由清洗作业臂(3)顶端毛刷的转动及支撑臂(4)末端滚轮的转动提供。
9.根据权利要求8所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:在转弯运动时,控制2条清洗作业臂(3)顶端的毛刷转速相反或转速不同,依靠其转速差提供转向动力。
10.根据权利要求1所述的一种核电站三级冷却水循环回路管道清洗机器人,其特征在于:机器人在管道以外的地面作直线运动时,依靠1条清洗作业臂(3)和2条支撑臂(4)进行地面支撑,前进的驱动力由清洗作业臂(3)顶端毛刷的转动及支撑臂(4)末端滚轮的转动提供。
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