一種新型排水管道在線檢測設備的設計

李懷正，柏 蔚，邱平平，劉振華

（1.同濟大學 長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092；2.上海中為智能機器人有限公司，上海 201199）

1 引言

隨著城鎮化進程的深入，城市地下管網的規模也不斷擴大，但大批的排水管道已經接近使用年限，很多管道沒有達到使用年限就因老化而發生泄漏、破爆等事故。我國排水管道的現狀并不樂觀，修建于20世紀50年代左右的排水管道已使用了大約60年，它們在污水長年累月的侵蝕以及其他外界因素的作用下，容易破損而引起污水泄漏[1]，造成環境污染和社會經濟損失，危害不容小覷[2]。

城市地下管道一般具有以下一些特點：可接近性有限（Limited Accessibility）；空間的局限性（Constrained Volumes）；水（Water）的存在；氣體（Gases）的存在，一些排水管道里面有甲醛、H2S，需要格外注意；允許（Permission），進管檢查需要相關部門的許可；地勢（Terrain）；缺乏光亮（Absence of illumination）；與機器人的聯通是通過系繩或無線電（Communication with robot by tether or radio）等[3]。這些問題的存在使得協助和代替人類進行排水管道檢測、維修的檢測設備成為發展的必然趨勢[2]。

從80年代第一臺排水管道檢測機器設備開始，國外已有技術較成熟的產品上市，例如，英國雷迪（Radiodetection），德國伊伯克（IBAK），美國確視（CUES），加拿大因克吐恩（INUKTUN）[4，5]等，這些管道檢測設 備構造精良，成像清晰，自動化程度較高；互換性好，適應性強，均配有圖像刻錄裝置；但與此同時，其價格昂貴，維護費用高。因此，自主研發國產設備成為趨勢。

國內排水管道檢測設備的研究起步較晚，從90年代末開始研制。上海交通大學，哈爾濱工程大學等早期都對管道檢測設備進行了研制：上海交通大學的履帶式管道機器設備仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅動，設備上部裝有CCD圖像傳感器，由另一個直流伺服電機控制CCD圖像傳感器作俯仰運動，以擴大檢測范圍，此外設備上還裝有角度傳感器[6]；哈爾濱工程大學研究的城市主排水管道穿纜、檢測設備通過自主設計的結構構造，雙履帶式的行進方式能夠適應排水管里面的坡度和惡劣工作環境[7，8]。北京信息科技大學針對排水管道內壁漏損、變形、淤積等問題，將多波束聲納相控檢測技術應用于管道內壁檢測，提出采用Mills換能器交叉布陣技術通過相控旋轉掃描實現對管道內壁水下部分的二維探測掃描，基于梯度搜索法和小波變換對數據進行處理，得到良好三維成像效果[9]。

國內很多大學和研究所都對管道機器設備進行了研發，并制造出實驗樣機，但很少達到實際應用的水平。并且現有的排水管道機器設備缺少管道淤泥厚度測量模塊以及管道清洗模塊，距離方便可靠的實際應用還有一定差距。目前排水管道設備在檢測管道時需提前對管道進行清洗，以便觀察管道狀況，從而增加了檢測用時和檢測成本。針對市政排水管道檢測任務的特殊要求，通過開展新型排水管道檢測設備關鍵技術的研究，研制一套新型排水管道檢測和維護設備系統，包括具有友好人機交互界面的控制系統并達到實用程度是非常必要的[2]。我們設計的新型排水管道在線檢測設備能夠準確的測量出排水管道底部沉積淤泥的厚度，還能根據檢測過程中的需求，對需仔細觀察的管壁進行定點清洗，從而節約檢測成本和檢測時間，這也是我們研發該種設備需要解決的問題之一。該檢測設備采用世界先進的TOPJET高壓清洗噴頭的技術，對排水管道內粘附在管壁上的污物進行清洗，效果顯著。

2 排水管道在線檢測設備總體設計

設計的新型排水管道在線檢測設備系統主要包含遠程操控終端和移動平臺兩大基本單元，如圖1所示。

圖1 排水管道在線檢測設備

其中移動平臺由傳動裝置、攝像機、沉積物厚度測量裝置、污垢清洗裝置組成；遠程操控終端由高亮度液晶屏以及面板開關、指示燈、按鈕等組成。

用戶通過操控終端上的手柄和按鍵即可實現對設備移動平臺的運動、視頻監控、測量等控制，并實時顯示從高亮度液晶屏前端現場的移動平臺傳回的視頻圖像（圖2）。

圖2 排水管道在線檢測系統操控終端樣

3 排水管道檢測設備機械系統技術集成方案研究

3.1 傳動機構

大量研究表明[10－12]，差動驅動方式對于提高車輛的操縱穩定性和安全性起著非常大的作用，它是在車輛穩定性控制系統（VSC或稱ESP）普遍采用的差動制動的基礎上發展而來的。差動驅動相對差動制動的優勢在于，其控制實施過程車輛的縱向車速保持較好，能量損耗小。其目標就是將總的驅動力矩和需要施加的繞質心的橫擺控制力矩合理地分配到每個驅動輪上。根據該檢測設備穩定運行及盡可能減少能耗的需求，我們采用差動驅動方式作為在線檢測設備的傳動方式。

3.2 車輪

根據設備的整體要求，在比較了履帶式和輪式移動方式后，考慮到排水管道內填充物比較復雜，包括泥水、石塊、木頭、枝干等雜物，履帶式移動方式易卡死，故采用輪式移動方式。考慮到設備自身總量，同時要求車輛通過時有一定的緩沖能力，而車體自身的減震正好可以通過充氣輪胎來實現，因此，在選擇輪子時，選擇橡膠充氣輪胎（圖3）。

圖3 檢測設備車輪示意

3.3 散熱

研制的檢測設備散熱的方式是根據發熱程度、散熱空間大小以及使用可靠度進行設計。對于主動式的風冷與循環水冷散熱而言，因設備的有效散熱空間有限，同時一旦風扇或循環水泵出現問題，系統將出現熱故障。因此，在系統設計時，充分對比了主動散熱與被動接觸式散熱的特點，并根據散熱需要，采用了導熱硅膠墊接觸式的散熱方式。導熱硅膠片是以硅膠為基材，添加金屬氧化物等各種輔材，通過特殊工藝合成的一種導熱介質材料.導熱硅膠片能夠填充縫隙，完成發熱部位與散熱部位間的熱傳遞，還能起到絕緣、減震、密封等作用，滿足排水管道檢測設備小型化及超薄化的設計要求。除了傳統的PC行業，現在新的散熱方案就是去掉傳統的散熱器，將結構件和散熱器統一成散熱結構件。在PCB（Printed Circuit Board，印制線路板，簡稱印制板，電子工業的重要部件之一）布局中，將散熱芯片布局在背面或布局在正面時，在需要散熱的芯片周圍開散熱孔，將熱量通過銅箔等導到PCB背面，然后通過導熱硅膠片填充建立導熱通道導到PCB下方或側面的散熱結構件（金屬支架，金屬外殼），對整體散熱結構進行優化，同時也降低整個散熱方案的成本。因此，需散熱的器件與機箱底部通過導熱硅墊接觸實現有效散熱，電機通過散熱片與箱體連接，進行有效散熱，并通過內部溫度傳感器感覺電機溫度，通過軟件進行有效控制。

3.4 防水密封

研制的檢測設備防水密封包括驅動主軸與機箱動密封和箱體箱蓋密封，驅動主軸與機箱動密封采用帶骨架橡膠密封皮碗，箱體箱蓋密封采用橡膠密封圈。

該密封技術適用于汽車、拖拉機及其他機械，對旋轉運動起到封油的作用。由于在機械運轉時有油進入，為防止這些油從機械的間隙中泄漏，并且除了油以外還需要防止水以及塵埃及土砂從外部侵入，這時候就要用到油封的密封狀態。一是油封外緣和腔體之間為靜態密封，同時保證油封外緣在腔體之間的可靠定位。二是油封密封唇和軸之間的密封狀態，當軸旋轉時為動態密封，當軸靜止時為靜態密封。各種影響因素的綜合作用及其相互作用，都對油封的密封性能和使用壽命產生了很大影響。

骨架油封主要由密封體、加強骨架和自緊螺旋彈簧等幾部分組成。金屬骨架就如同混凝土構件里面的鋼筋，起到加強的作用，并使油封能保持形狀及張力。通常，在自由狀態下的骨架油封，其內徑比軸徑小，即具有一定的“過盈量”。因此，當油封裝入油封座和軸上之后，油封刃口的壓力和自緊螺旋彈簧的收縮力對軸產生一定的徑向緊力，經過一段時間運行后，該壓力會迅速減小乃至消失，因而，加上彈簧可以隨時補償油封自緊力。油封外緣使油封在腔體孔內固定的同時，起防止流體從油封外周面與腔體內表面的接觸面之間泄漏及侵入的作用。另外金屬骨架是當油封固定在腔體內時，起保持配合力的作用。密封唇部是柔性彈性體，設計成在機械的震動及密封流體壓力變動的影響下仍可保持穩定的密封作用，并起到保持唇部與軸表面穩定接觸狀態的作用。彈簧可提高密封唇向軸的壓緊力，起維持此壓緊力的作用。唇端部被制作成斜鍥形狀，在端部處按壓軸表面，起密封流體的作用。防塵唇是沒有與彈簧連接的副唇，起防止塵埃侵入的作用。油封外部為圓筒形，用來保證對腔體的靜態密封，采用內包金屬骨架的橡膠外緣；此類產品是經過長期開發研究的結果，油封的密封唇結構已經提高到極佳的性能，進而提高在更寬的負荷范圍內的密封可靠性。帶防塵唇的骨架油封，可防止外界污染物和灰塵的侵入。

3.5 減振措施

機箱結構上下尺寸全控制在輪子范圍內，跌落、翻轉時不直接撞擊機箱。電子板卡的固定采用導熱硅防震墊，導熱硅防震墊除了具有良好的熱傳導率、高可壓縮性、電氣絕緣的優點外，還是高性能間隙填充材料，主要用于電子設備與散熱片或產品外殼間的傳遞界面。能夠充分彌合結構工藝工差，降低散熱器以及散熱結構件的工藝工差要求。導熱硅膠片的硅膠載體決定了會有很好彈性和壓縮比，從而有很好減震效果。

4 新型排水管道檢測設備搭載裝置集成技術研究

4.1 全方位、全視角的圖像觀察技術

檢測設備端的視頻通過專用的視頻線連接到通訊與視頻壓縮傳輸模塊，然后通過有線網絡發送給遠程操作控制模塊（圖4、圖5）。

圖4 圖像觀察模塊組示意

圖5 視頻傳輸過程

從技術層面看，一體化攝像機鏡頭的自動聚焦功能、DSP和CCD決定了攝像機的性能。首先就自動聚焦功能來說，攝像機的聚焦速度、準確性和定焦效果至關重要，這也是制約一體化攝像機應用的瓶頸，關系到攝像機能否快速、清晰地捕獲到圖像。當攝像機能夠快速跟蹤、監控移動物體時，聚焦的準確性和速度會受到實時考驗；另一方面，當攝像機持續監控同一畫面時，光線變化很容易造成攝像機反復聚焦，影響到定焦效果。目前國產一體化攝像機的聚焦問題無法得到很好解決，所以只能用于中速和低速球，以減少因高速旋轉而聚焦不良的問題。本系統采用的攝像機已經很好地解決了此類問題。

本系統采用的攝像機其內在性能更具明顯特點，首先是自動聚焦功能，使得圖像非常清晰，實現快速準確的實時監控。避免出現視頻圖像模糊、拖尾等現象，并能達到很好的定焦效果。

4.2 智能遠程控制技術

操作人員通過遠程操作控制模塊發出控制命令，通過有線網絡發送給設備本體，設備本體對命令進行解析，然后將解析的命令通過工業CAN總線發送給相應的控制對象，如：設備本體移動模塊（左電機運動模塊、右電機運動模塊）、攝像機控制模塊、三自由度云臺模塊。其控制操作過程圖見圖6。

圖6 控制操作過程

4.3 智能遠程供電技術

為了保證長時間的作業，避免充電帶來的不便，采用交流供電。遠程220V的電源，通過有線盤供給檢測設備。在檢測設備端安裝了智能開關電源。開關電源將電壓控制在24V。然后通過能源管理模塊給各個功能模塊供電，其系統能源供應圖如圖7。

圖7 系統能源供應

4.4 排水管道沉積厚度測量技術

排水管道沉積物厚度的測量在排水管道檢測中一直是個難點，傳統的量泥斗法只能粗略的測量，設備比較落后，逐漸將被淘汰。目前常用的有以下幾種方法：①圖像法：通過對圖像進行判斷，可以了解管道中沉積物的大致厚度，這是一種定性的方法；②超聲波測量法：超聲波在兩種物質的界面反射波有明顯的變化，以此來測量沉積物的厚度，相對準確。但是超聲波最大的問題是排水管道中沉積物并不均勻，同時水中也有各種漂浮物直接影響超聲波探頭的使用；另外如果考慮被測物體表面涂層、耦合劑、沉積物、材料缺陷及溫度等因素對超聲波測量的影響，測量誤差將會比較大。為此，本研究提出了一種新型沉積物厚度測量方法，利用已有的壓力傳感器技術來進行厚度測量（圖8）。

圖8 壓力桿測量沉積物厚度示意

在管道中，我們直接測量沉積物的厚度相對比較困難，因此采用間接測量方式，測量沉積物上面的高度。由于管道的直徑是已知的，我們能夠通過反算得到待測沉積物的厚度。按示意圖，可得沉積物的厚度：

其中：管道直徑為D；PSD測量距離為H1；沉積物測量模塊高度為H2；沉積物測量探頭伸出距離為H3。

沉積物測量探頭由壓力桿組成，其原理是壓力桿在空氣、水和污泥這幾種不同介質中行進時所受的阻力不同，其端面受到的壓力也不同，通過其壓力的變化值來判斷水面、泥面的位置，從而通過上述計算公式確定排水管道污泥的厚度。

4.5 排水管道在線檢測設備高壓清洗系統

常見的管道清洗方式包括化學清洗、超聲波清洗、干冰清洗和高壓水射流清洗等等，其中高壓水射流清洗具有清洗效率高、適用范圍廣、無污染等諸多優點，因此，高壓清洗機逐漸成為管道清洗的主要手段。

高壓噴頭是高壓清洗機的一個重要的工作配件，是清洗原理中的最終的執行元件。高壓噴頭分為幾種，不同的清洗環境和要求下，如何選擇適當的高壓噴頭非常的重要。合適的噴頭能達到提高清洗效率和提升清洗效果的目的（圖9）。

圖9 管道清洗示意

常見的管道清洗噴頭包括扇形噴頭、柱形噴頭、錐形噴頭、旋轉噴頭等，通過國內外不同種類的噴頭篩選[13～15]，選用TOPJET高壓旋轉噴頭，符合工程需要，可以達到預計清洗效果。

該產品具有獨特的噴頭設計，阻力位最小，打擊力高于同類其他產品；同時節省投資，其較高的作業效率最大發揮了主設備的效益，節省了項目投資。

5 排水管道在線檢測設備技術指標

通過在管徑為600mm的城市排水管道內進行一系列的性能測試，得出該種排水管道在線監測設備的行進速度保持在0～0.5m／s，并且速度可調。由于排水管道等環境比較復雜，檢測設備需要一定的越障能力，通過在管道內加設障礙物進行測量，我們得出輪徑200mm的最大越障高度為6cm；同時，將其置于4m深的河道里進行防水能力的測試，得出其防水能力滿足4m水深要求；此外，該產品具有優良的視覺觀測系統，使用方便、觀測圖像清晰。通過設置不同的水深、泥厚工況，通過檢測設備上壓力傳感器對沉積物厚度的檢測，該設備實現了沉積物厚度檢測精度小于10mm的目標。

該種新型排水管道在線檢測設備的設計思路是集成國內外應用效果最優的模塊組件，包括良好的機械系統和圖像檢測系統，并設計了管道沉積物厚度檢測和高壓清洗的功能，設計思路超前，具有很好的推廣意義。

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