本發(fā)明涉及用于管道外壁腐蝕缺陷檢測裝置，具體涉及一種開放式環(huán)管爬行檢測裝置。

背景技術：

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用著大量管道，如化工廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管，石油、電力、制冷行業(yè)的工業(yè)管道和煤氣管道等，多數(shù)管道常年應用且維修較少又加之其安裝環(huán)境人不能直接到達或不允許人直接介入，為了進行質(zhì)量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的人工檢測法、隨機抽樣法或scada系統(tǒng)法，工程量大，準確率低，因此需要開發(fā)管道機器人來解決這些實際問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種開放式環(huán)管爬行檢測裝置，這種開放式環(huán)管爬行檢測裝置用于解決目前我國化工、石油等常用管道腐蝕缺陷檢測難題。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種開放式環(huán)管爬行檢測裝置包括驅(qū)動機構(gòu)、軌道夾持機構(gòu)、檢測機構(gòu)，軌道夾持機構(gòu)為開口環(huán)狀的，軌道夾持機構(gòu)的兩端各設置一套驅(qū)動機構(gòu)，檢測機構(gòu)固定在軌道夾持機構(gòu)內(nèi)側(cè)；軌道夾持機構(gòu)是連接環(huán)與套環(huán)間隔設置形成的環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)，連接環(huán)伸入到相鄰的套環(huán)中并通過連接環(huán)齒條與套環(huán)連接；驅(qū)動機構(gòu)包括車輪板、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、驅(qū)動車輪，車輪板上設置有鉸鏈，連接環(huán)通過鉸鏈與車輪板鉸接，驅(qū)動車輪上設置有磁鐵圈，驅(qū)動機構(gòu)在plc的控制下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和運動；檢測機構(gòu)包括內(nèi)齒條軌道、檢測電機、主動輪、超聲輪式探頭，內(nèi)齒條軌道為分塊式軌道，內(nèi)齒條軌道上設置滑動夾持座，滑動夾持座與內(nèi)齒條軌道滑動連接，檢測電機固定在滑動夾持座上，檢測電機帶動主動輪，主動輪與內(nèi)齒條軌道嚙合，超聲輪式探頭的尺寸大于主動輪的尺寸，超聲輪式探頭設置在內(nèi)齒條軌道的外側(cè)，超聲輪式探頭與管道相接觸。

上述方案中軌道夾持機構(gòu)為雙關節(jié)式結(jié)構(gòu)，由前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)的連接環(huán)一一對應設置，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)的套環(huán)一一對應設置，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)在各自的套環(huán)處通過連接桿連接，連接桿與內(nèi)齒條軌道通過連接頭連接，通過螺桿和螺栓的配合將內(nèi)齒條軌道與軌道夾持機構(gòu)固定連接。這樣，可通過連接桿在管道環(huán)向拉伸連接環(huán)和套環(huán)自由伸縮運動來改變檢測范圍，并在跨越彎管等處時，控制連接環(huán)和套環(huán)的變動，使驅(qū)動機構(gòu)和軌道夾持機構(gòu)形成合適的角度，順利通過彎管處而不被卡死。并可根據(jù)需要增加連接環(huán)與套環(huán)的數(shù)量或更換不同曲率半徑的連接環(huán)與套環(huán)，以適應不同管徑，連接環(huán)齒條的連接方便連接環(huán)與套環(huán)的伸縮。

上述方案中檢測電機連接減速箱，減速箱連接主動輪，主動輪和超聲輪式探頭分別位于減速箱的兩側(cè)，主動輪位于內(nèi)齒條軌道的中心齒條處，超聲輪式探頭通過其中心位置的輪軸與減速箱外殼相連，使超聲輪式探頭得到固定。

上述方案中超聲輪式探頭外表面為橡膠輪套，通過橡膠輪套與管道進行干耦合，超聲波探頭置于其內(nèi)部，超聲輪式探頭的輪內(nèi)空隙地方注入耦合介質(zhì)，在超聲輪式探頭內(nèi)部，設計多個探頭晶片，增加檢測范圍，向管壁的各個方向發(fā)射聲波。

上述方案中超聲輪式探頭的外表面具有一個標記平面，超聲輪式探頭上與該標記平面相對的一面為檢測面，超聲輪式探頭內(nèi)探頭晶片的方向指向檢測面，檢測面與管道相切，使得超聲輪式探頭在管道上環(huán)向平動，通過在超聲輪式探頭設置一個標記平面，可實現(xiàn)區(qū)分探頭的方向，保證探頭的方向始終垂直管道。

上述方案中探頭晶片均被固定在輪軸上，每個晶片均為自發(fā)自收形式；可設置三個探頭晶片，其中兩個為檢測探傷晶片，一個為耦合監(jiān)視晶片；耦合監(jiān)視晶片監(jiān)視耦合狀態(tài)的好壞，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施。

上述方案中車輪板為直角形的，其中一面上設置鉸鏈，另一面固定轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向電機連接轉(zhuǎn)向齒輪組，轉(zhuǎn)向齒輪組連接輪架，驅(qū)動車輪安裝在輪架內(nèi)；驅(qū)動電機固定在輪架側(cè)壁，驅(qū)動電機連接驅(qū)動齒輪組，驅(qū)動齒輪組與驅(qū)動車輪通過軸連接。

上述方案中檢測電機采用步進電機，由于本發(fā)明采用的是分塊式的軌道，需要控制主動輪在軌道上行駛的距離，以實現(xiàn)精度的較高要求。

上述方案中內(nèi)齒條軌道由兩塊內(nèi)齒條軌道連接構(gòu)成，每塊內(nèi)齒條軌道均設置有滑動夾持座、檢測電機、主動輪、超聲輪式探頭。軌道采用的是剛性材料，自身沒有變形效果而且軌道上有檢測夾持裝置，不能采用套合式的拼接軌道，為了避免在跨越障礙物時由于弧度大而導致軌道與管道之間的卡死現(xiàn)象，所以采用弧度小的分塊式軌道。

上述方案中開放式環(huán)管爬行檢測裝置在管道上的跨度為220°，可保證檢測裝置平穩(wěn)、安全在管道上運行，完成檢測的過程。

上述方案中開放式環(huán)管爬行檢測裝置具備兩種實現(xiàn)變徑的方式，變徑一：檢測之前通過預先了解被檢管道的直徑來選取不同曲率半徑的連接環(huán)與套環(huán)實現(xiàn)較大范圍的變徑，曲率半徑不同的連接環(huán)與套環(huán)對應一定范圍的管道檢測；變徑二：當檢測裝置安裝在管道上時，通過軌道夾持機構(gòu)的變形實現(xiàn)檢測裝置過異徑管。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、開放式環(huán)管爬行檢測裝置是運用可伸縮的關節(jié)式移動特性來完成運動和檢測，檢測裝置由驅(qū)動機構(gòu)、軌道夾持機構(gòu)、檢測機構(gòu)連接組成，軌道夾持機構(gòu)是由連接環(huán)與套環(huán)間隔設置形成的環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)，連接環(huán)伸入到相鄰的套環(huán)中并通過齒條與套環(huán)連接，可通過連接桿在管道環(huán)向拉伸連接環(huán)和套環(huán)自由伸縮來改變檢測范圍，并可根據(jù)需要增加連接環(huán)與套環(huán)的數(shù)量，以適應不同管徑。由于檢測機構(gòu)在檢測時進行的是環(huán)管檢測，保證對管道檢測的全面性。

2、開放式環(huán)管爬行檢測裝置的檢測機構(gòu)采用的是超聲波輪式探頭檢測技術，可以在檢測車輪中合理的增加檢測探頭以滿足檢測范圍，提高檢測效率。驅(qū)動機構(gòu)采用一種輪式行走結(jié)構(gòu)形式，輪式主體部分與管道相接觸，可以承受一定程度的載荷，可實現(xiàn)在管道軸向的快速行走，減少時間，根據(jù)管道的特性，使用輪式行走機構(gòu)也可以很好的達到過彎的目的。同時此結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，做各種合理變化設計，具有較好的經(jīng)濟技術效果。

3、開放式環(huán)管爬行檢測裝置具備兩種實現(xiàn)變徑的方式，變徑一：檢測之前通過預先了解被檢管道的直徑來選取不同曲率半徑的連接環(huán)與套環(huán)實現(xiàn)較大范圍的變徑。曲率半徑不同的連接環(huán)與套環(huán)對應一定范圍的管道檢測。變徑二：當檢測裝置安裝在管道上時，通過軌道夾持機構(gòu)的變形實現(xiàn)檢測裝置過異徑管等。開放式環(huán)管爬行檢測裝置在管道上的跨度為220°，可保證檢測裝置平穩(wěn)、安全在管道上運行，完成檢測的過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體示意圖；

圖2是本發(fā)明中驅(qū)動機構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中檢測機構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中超聲輪式探頭內(nèi)部布置示意圖；

圖5是本發(fā)明中夾持機構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明中去除前部分環(huán)向關節(jié)式結(jié)構(gòu)的夾持機構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明在管道上的跨度為220°示意圖；

圖8是本發(fā)明工作示意圖；

圖9是本發(fā)明工作流程示意圖。

圖中：圖中：1車輪板，2轉(zhuǎn)向電機，3轉(zhuǎn)向齒輪組，4驅(qū)動齒輪組，5驅(qū)動電機，6驅(qū)動車輪，7磁鐵圈，8滑動夾持座，9內(nèi)齒條軌道，10減速箱，11檢測電機，12主動輪，13超聲輪式探頭，14輪軸，15耦合介質(zhì)，16檢測探傷晶片，17耦合監(jiān)視晶片，18連接環(huán)，19套環(huán)，20連接桿，21鉸鏈，22橡膠輪套，23連接環(huán)間齒條，24連接頭，25輪架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，這種開放式環(huán)管爬行檢測裝置包括驅(qū)動機構(gòu)、軌道夾持機構(gòu)、檢測機構(gòu)，軌道夾持機構(gòu)為開口環(huán)狀的，軌道夾持機構(gòu)的兩端各設置一套驅(qū)動機構(gòu)，檢測機構(gòu)固定在軌道夾持機構(gòu)內(nèi)側(cè)。開放式環(huán)管爬行檢測裝置在管道上的跨度為220°，可保證檢測裝置平穩(wěn)、安全在管道上運行，完成檢測的過程。當本發(fā)明安裝在管道上時，通過軌道夾持機構(gòu)的變形實現(xiàn)檢測儀越障、過異徑管等。

本實施方式中，軌道夾持機構(gòu)為雙關節(jié)式結(jié)構(gòu)，由前、后兩個環(huán)向可伸縮的由連接環(huán)18與套環(huán)19間隔設置形成的關節(jié)式結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)的連接環(huán)18一一對應設置，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)的套環(huán)19一一對應設置，連接環(huán)18伸入到相鄰的套環(huán)19中并通過連接環(huán)間齒條23與套環(huán)19連接，前、后兩個環(huán)向可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)在各自的套環(huán)19處通過連接桿20連接，連接桿20與內(nèi)齒條軌道9通過連接頭24連接，通過螺桿和螺栓的配合將內(nèi)齒條軌道9與軌道夾持機構(gòu)固定連接。這樣，可通過連接桿20在管道環(huán)向拉伸連接環(huán)18和套環(huán)19自由伸縮運動來改變檢測范圍，并在跨越彎管等處時，控制連接環(huán)18和套環(huán)19的變動，使驅(qū)動機構(gòu)和軌道夾持機構(gòu)形成合適的角度，順利通過彎管處而不被卡死。并可根據(jù)需要增加連接環(huán)18與套環(huán)19的數(shù)量或更換不同曲率半徑的連接環(huán)18與套環(huán)19，以適應不同管徑，連接環(huán)間齒條23的連接方便連接環(huán)18與套環(huán)19的伸縮。

驅(qū)動機構(gòu)包括車輪板1、驅(qū)動電機5、轉(zhuǎn)向電機2、轉(zhuǎn)向齒輪組3，驅(qū)動齒輪組4、驅(qū)動車輪6，車輪板1上設置有鉸鏈21，連接環(huán)18通過鉸鏈21與車輪板1鉸接，鉸鏈21讓檢測裝置在變徑時適應管道、行走時適應管道的復雜變化情況；驅(qū)動車輪上設置有磁鐵圈7，磁鐵圈7安裝在驅(qū)動車輪6的正中間部位，以鑲嵌的形式鑲嵌在驅(qū)動車輪6上。驅(qū)動機構(gòu)在plc的控制下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和運動，由于磁鐵的吸附作用，磁鐵圈7可保證驅(qū)動車輪6在水平管道與垂直管道上運動都可以使其緊貼管道，以及在過三通等結(jié)構(gòu)時亦能保證檢測裝置能吸附在管道表面。

本實施方式中車輪板1為直角形的，其中一面上設置鉸鏈21，另一面固定轉(zhuǎn)向電機2，轉(zhuǎn)向電機2連接轉(zhuǎn)向齒輪組3，轉(zhuǎn)向齒輪組3連接輪架25，驅(qū)動車輪6安裝在輪架25內(nèi)；驅(qū)動電機5固定在輪架25側(cè)壁，驅(qū)動電機5連接驅(qū)動齒輪組4，驅(qū)動齒輪組4與驅(qū)動車輪6通過軸連接。轉(zhuǎn)向電機2實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，驅(qū)動電機5實現(xiàn)整體的驅(qū)動。為了實現(xiàn)檢測裝置跨越焊縫、接管以及彎頭等，需要對電機的輸出動力進行精準的控制，驅(qū)動電機5可選擇步進電機，主要由于其點位控制性能好，沒有累積誤差，易于實現(xiàn)開環(huán)控制等多方面因素。

檢測機構(gòu)包括內(nèi)齒條軌道9、檢測電機11、主動輪12、超聲輪式探頭13，內(nèi)齒條軌道9為分塊式軌道，本實施方式中內(nèi)齒條軌道9由兩塊內(nèi)齒條軌道連接構(gòu)成，每塊內(nèi)齒條軌道均設置有滑動夾持座8、檢測電機11、主動輪12、超聲輪式探頭13?；瑒訆A持座8與內(nèi)齒條軌道9滑動連接，檢測電機11固定在滑動夾持座8上，檢測電機11連接減速箱10，減速箱10連接主動輪12，主動輪12和超聲輪式探頭13分別位于減速箱10的兩側(cè)，主動輪12位于內(nèi)齒條軌道9的中心齒條處，超聲輪式探頭13設置在內(nèi)齒條軌道的外側(cè)，超聲輪式探頭13通過其中心位置的輪軸14與減速箱10外殼相連，使超聲輪式探頭13得到固定。檢測電機11帶動主動輪12，主動輪12與內(nèi)齒條軌道9嚙合，超聲輪式探頭13的尺寸大于主動輪的尺寸，主動輪12通過齒輪嚙合沿著內(nèi)齒條軌道9運動，帶動超聲輪式探頭13在管道表面上平動，超聲輪式探頭13外表面為橡膠輪套22，通過橡膠輪套22與管道進行干耦合。超聲波探頭晶片置于其內(nèi)部，安裝在輪軸14上，超聲輪式探頭13內(nèi)空隙地方注入耦合介質(zhì)15，在超聲輪式探頭13內(nèi)部，可設計多個探頭晶片，增加檢測范圍，向管壁的各個方向發(fā)射聲波。

超聲輪式探頭13的外表面具有一個標記平面，超聲輪式探頭13上與該標記平面相對的一面為檢測面，超聲輪式探頭13內(nèi)探頭晶片的方向指向檢測面，檢測面與管道相切，使得超聲輪式探頭13在管道上環(huán)向平動，通過在超聲輪式探頭13設置一個標記平面，可實現(xiàn)區(qū)分探頭的方向，保證探頭的方向始終垂直管道。

探頭晶片均被固定在輪軸上，每個晶片均為自發(fā)自收形式；可設置三個探頭晶片，其中兩個為檢測探傷晶片16，一個為耦合監(jiān)視晶片17；亦可設計多個檢測探傷晶片，增加檢測范圍；耦合監(jiān)視晶片17監(jiān)視耦合狀態(tài)的好壞，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施。

檢測機構(gòu)通過檢測電機11的驅(qū)動、減速箱10中齒輪的傳動，帶動齒輪在內(nèi)齒條軌道上進行嚙合轉(zhuǎn)動，齒輪也是檢測機構(gòu)中的主動輪12，帶動減速箱10另一側(cè)的超聲輪式探頭13在管道表面上環(huán)管平動并檢測，以保證探頭的方向始終垂直管道。主動輪12與內(nèi)齒條軌道9齒輪嚙合轉(zhuǎn)動而不與管道接觸，超聲輪式探頭13設置在內(nèi)齒條軌道9的外側(cè)只與管道相接觸，超聲輪式探頭13的尺寸大于主動輪12的尺寸。檢測電機11采用的電機是步進電機，由于本發(fā)明采用的是分塊式的軌道，需要控制主動輪12在內(nèi)齒條軌道9上行駛的距離，以實現(xiàn)精度的較高要求。

這種開放式環(huán)管爬行檢測裝置的所有部件的運動都是通過電機進行動力傳遞，對驅(qū)動機構(gòu)和軌道夾持機構(gòu)有穩(wěn)定性好、操作方便的要求，選用可編程控制器（plc)對本發(fā)明中驅(qū)動電機5和檢測電機11進行控制。

本發(fā)明中首先通過plc控制驅(qū)動車輪6中的步進驅(qū)動電機5工作，通過驅(qū)動車輪6上的磁鐵圈7吸附在管道表面上，電機輸出軸帶動驅(qū)動車輪6轉(zhuǎn)動，通過車輪板1上的鉸鏈21帶動整體裝置沿管道軸向運動，當驅(qū)動車輪6運動一段距離后停止運動，此時檢測機構(gòu)中的主動輪12在檢測電機11的帶動下，繞內(nèi)齒條軌道9轉(zhuǎn)動，帶動超聲輪式探頭13在管道表面上繞著管道環(huán)向進行平動，進行管道腐蝕探傷。如此過程一直循環(huán)，直到將被檢管道檢查完畢。設計的開放式環(huán)管爬行檢測裝置在管道上做有序的循環(huán)運動，包括電機轉(zhuǎn)動與停止以及每一個關節(jié)的運動都受到控制系統(tǒng)的控制，檢測裝置在管道上運動檢測的工作流程參閱圖9。

這種開放式環(huán)管爬行檢測裝置的實驗使用方法：

1、工作原理

開放式環(huán)管爬行檢測裝置采用分段式檢測形式，其基本原理是驅(qū)動機構(gòu)帶動整體裝置先是沿著管道軸向運動一段距離后停止運動，然后檢測機構(gòu)在管道上環(huán)管運動并進行檢測。重復這樣的運動形式，來使整體檢測裝置向著指定方向移動。軌道夾持機構(gòu)為開口環(huán)狀的，檢測機構(gòu)設置在軌道夾持機構(gòu)內(nèi)側(cè)，軌道夾持機構(gòu)通過鉸鏈與驅(qū)動機構(gòu)鉸接。檢測機構(gòu)中的探頭為超聲輪式探頭，超聲波探頭置于輪式探頭內(nèi)，可根據(jù)需要在輪式探頭中合理的增加檢測探頭以滿足檢測范圍，提高檢測效率。驅(qū)動機構(gòu)和檢測機構(gòu)互不干擾，驅(qū)動機構(gòu)的運動即是實現(xiàn)整體檢測裝置的運動，同時也是給檢測機構(gòu)鋪設檢測范圍。通過連接環(huán)與套環(huán)間隔設置形成的可伸縮的關節(jié)式結(jié)構(gòu)的環(huán)向自由伸縮實驗變徑、越障等運動。通過鉸鏈連接使夾持機構(gòu)隨著驅(qū)動機構(gòu)運動，并可在檢測機構(gòu)過彎時自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向。

2、檢測過程

本發(fā)明采用的檢測技術為超聲無損檢測，采用的探頭為超聲輪式探頭，其外表面為橡膠輪套，超聲波探頭置于輪式探頭內(nèi)，向輪內(nèi)空隙地方注入機油作為耦合介質(zhì)，整個輪式探頭直接與被檢管道干耦合接觸。根據(jù)所使用的檢測手段，設計的檢測裝置由主動輪作為驅(qū)動，超聲輪式探頭作為檢測，超聲輪式探頭在管道表面上環(huán)管平動并檢測，保證探頭的方向始終垂直管道。

其檢測過程如下：

（1）plc控制驅(qū)動車輪6中的步進驅(qū)動電機5工作，通過驅(qū)動車輪6上的磁鐵圈7吸附在管道表面上，電機輸出軸帶動驅(qū)動車輪6轉(zhuǎn)動，驅(qū)動車輪6帶動整體裝置沿著管道軸向運動，在plc控制系統(tǒng)的控制下運動到指定位置，運動的這段距離為檢測時抽樣查取的運動距離，運動到指定位置后驅(qū)動車輪6停止運動。

（2）當驅(qū)動車輪6運動了指定距離停止后，此時在plc控制系統(tǒng)的控制下，檢測機構(gòu)通過檢測電機11的驅(qū)動、減速箱10中齒輪的傳動，帶動主動輪12在內(nèi)齒條軌道9上進行嚙合轉(zhuǎn)動，帶動減速箱10另一側(cè)的超聲輪式探頭13在管道表面上繞著管道環(huán)向進行平動并檢測，使檢測探頭的檢測面始終垂直管道。

（3）當主動輪12從在內(nèi)齒條軌道9的一端沿管道環(huán)向運動到軌道的另一端時停止運動，此時再在plc控制系統(tǒng)的控制下繼續(xù)驅(qū)動車輪6沿管道軸向運動。

（4）一直循環(huán)以上的步驟，直到檢測結(jié)束。

3．越障過程，例如：繞過三通

（1）檢測裝置驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)向電機2帶動轉(zhuǎn)向齒輪組3運轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)驅(qū)動車輪6轉(zhuǎn)向，緊接著驅(qū)動電機5運轉(zhuǎn)，這樣檢測裝置將整體在管道上移動，完成位置的調(diào)整。

（2）驅(qū)動電機5轉(zhuǎn)動帶動車輪的轉(zhuǎn)動整個檢測裝置可平穩(wěn)的通過三通。