海洋平臺導管清洗機器人的結構設計

肖瓊，熊其興，謝忠華

（武漢職業(yè)技術學院 機電工程學院，湖北 武漢 430074）

海洋平臺是現(xiàn)代海洋石油開采的重要裝備，其導管架長時間浸泡在水下，附著大量的海生物，對鉆采平臺安全生產構成了嚴重的威脅。目前主要依賴潛水員攜帶高壓水射流設備潛入海底對其進行清洗，勞動強度大、清洗成本高、效率低且受天氣影響大。故針對目前海洋平臺清洗作業(yè)的局限，開發(fā)一種可代替人工清洗的水下導管清洗機器人，在提高清洗工作效率的同時節(jié)約成本，具有安全、可靠和效率高的優(yōu)點。

1 整體結構設計

水下管道清洗機器人包括機器人本體、行走部件、旋轉裝置和清洗裝置四大部件。總體結構示意圖如圖1所示。機器人本體是整個機器人的基座，起到安裝其他部件、吊裝等作用。行走部件主要由上下兩個夾持器和兩組升降機構組成，夾持器使機器人與導管穩(wěn)固夾持，在升降機構的推動下，機器人在導管上能爬行上升、下降。旋轉裝置包括導軌板組件和導向輪組件，導軌板組件與機器人本體相連，導向輪組件與高壓清洗頭相連，帶動高壓清洗頭繞導管作360°往復旋轉運動。清洗裝置的高壓清洗頭，在液壓缸的驅動下靠近或遠離待洗導管，避免高壓清洗頭碰觸損壞。

2 關鍵機構設計

2.1 機器人本體

機器人本體為鋼架結構，鏤空的結構減少了機器人在水中的阻力，同時節(jié)省了材料、降低了成本。鋼架結構為中空結構，沿機器人本體的腹腔中心線設有容納導管的工作區(qū)，工作區(qū)的中心線與導管的中心線重合，使得機器人平穩(wěn)的沿導管表面行走。機器人本體的上方架設有圍繞導管的環(huán)形軌道，軌道上設有可沿軌道滑動的滑片，滑片設有用于與高壓清洗頭相連的清洗管的環(huán)圈，滑片可帶動清洗管繞機器人本體移動。機器人本體的上方設有吊耳，用于連接吊裝機器人本體進出水，下部具有間隔設置的若干連接片，用于與旋轉裝置連接。

圖1 總體結構示意

2.2 行走部件

行走部件主要由上下兩個夾持器和兩組升降機構組成，結構示意圖如圖2所示。上下兩夾持器安裝于機器人本體朝向工作區(qū)的一側內壁上，夾持器的夾持中心與導管中心線重合，下夾持器與機器人本體固接，上夾持器與機器人本體通過升降機構相連，升降機構帶動上夾持器沿機器人本體內壁升降。在進行導管表面清洗作業(yè)時，下夾持器夾緊導管，升降機構驅動上夾持器上升一定距離后，換成上夾持器夾緊導管、下夾持器松開導管，升降機構帶動機器人本體上移一定距離后，下夾持器再夾緊導管，如此往復可實現(xiàn)機器人在導管上爬行上升，反之亦可以爬行下降。

圖2 升降機構結構示意圖

升降機構包括滑軌、滑塊和升降油缸，兩滑軌設于機器人本體上相對位置處構成機器人本體的一部分，滑軌朝向工作區(qū)的一側設有導向槽，滑塊部分位于滑軌內，可沿軌道滑動，升降油缸位于滑軌內部，其伸縮方向沿滑軌的長度方向延伸，且伸縮端與滑塊相連，驅動滑塊相對滑軌升降，滑塊上設有用于固定夾持器的固定板。

夾持器本體呈半弧形，且其朝向管體的一側為弧形面，在工作狀態(tài)時，該弧形面環(huán)抱于導管的表面，夾持器本體的另一側設有一對固定耳座，兩固定耳座沿夾持器本體的中心線對稱設置，且該固定耳座連接油缸的固定端。夾持器本體的上下兩側設有橡膠塊，橡膠塊位于弧形面的上下延伸面內，在工作狀態(tài)時，橡膠塊緊密貼合與導管的表面，增大夾持器本體與導管之間的摩擦力，輔助穩(wěn)固夾持。夾持臂的中部通過轉軸與夾持器本體的鉸接耳座鉸接，夾持臂包括夾持端和連接端，連接端連接油缸的伸縮端，夾持臂隨油缸的活塞桿伸縮而轉動，兩夾持臂的夾持端和夾持器本體的弧形面共圓，共同夾緊抱箍導管的表面。夾持端設有橡膠滾輪，其軸線與導管的軸線平行，增大夾持器本體與導管之間的摩擦力，保證穩(wěn)固夾持。

2.3 旋轉裝置

旋轉裝置由導軌板組件和導向輪組件組成，結構示意圖如圖1A放大視圖所示。導軌板組件包括環(huán)狀的第一導軌片、第二導軌片、齒輪片和第三導軌片，它們外徑相同，從上至下依次間隔設置，通過若干沿圓周方向間隔設置的螺栓連接，其間形成的圓筒狀空間與工作區(qū)貫穿，第一導軌片與機器人本體的連接片相連。導向輪組件的固定板位于導軌組件的下方，固定板的一側面板上設有連接桿和液壓馬達，連接桿上設有兩導向輪，且導向輪分別與第二導軌片和第三導軌片轉接，液壓馬達的輸出端設有與齒輪片嚙合的齒輪，固定板的另一側面板與高壓清洗頭相連。液壓馬達帶動齒輪轉動，齒輪沿與齒輪片嚙合的軌跡轉動，導向輪沿第二導軌片和第三導軌片轉動，固定板整體轉動，帶動與其相連的高壓清洗頭轉動，對導管的表面360°環(huán)繞清洗。在高壓清洗頭移動的過程中，與高壓清洗頭相連的清洗管被拖動，帶動機器人本體上方的滑片沿軌道滑動，防止清洗管扭轉打結，避免了管道憋壓爆開的情況發(fā)生。

2.4 清洗裝置

清洗裝置由高壓清洗頭、安裝基座、安裝板、液壓缸、導向槽、馬達、聯(lián)軸器、活塞桿和清洗罩等組成，結構示意圖如圖3所示。高壓清洗頭的殼體包括圓筒狀套管、前端蓋和后端蓋，前端蓋和后端蓋分別封裝與套管的前后端成一體，前端蓋、后端蓋和套管沿軸線開設有貫通的容納腔，套管中部設置有垂直于套管軸線的第一水流通道，套管內壁位于第一水流通道處設有一圈環(huán)形凹槽。旋轉軸靠近前端蓋和后端蓋處均套設有壓蓋，壓蓋的一側設有軸承，軸承連接旋轉軸和套管，旋轉軸與套管的內腔之間設置有密封組件，包括位于壓蓋旁側的直角密封環(huán)和O型密封圈，壓力越高，密封效果越好，實現(xiàn)動態(tài)密封的效果。旋轉軸沿軸線開設有第二水流通道，且旋轉軸與環(huán)形凹槽相對位置處也設置有若干腰型沉槽，腰型沉槽與環(huán)形沉槽對接形成聯(lián)通第一水流通道和第二水流通道的環(huán)形通道。旋轉軸帶動噴頭本體旋轉，噴頭本體內設有與第二水流通道聯(lián)通的第三水流通道。

安裝基座位于機器人本體下方，且與旋轉裝置的固定板的另一側面板相連，安裝基座上設有導向槽。安裝板包括位于導向槽內的上安裝板、鋼棒、下安裝板和連接板，上安裝板與下安裝板通過鋼棒相對固定連接，連接板包括一水平板和兩豎板。該水平板通過螺栓與安裝板固定連接，兩豎板相對平行設置，分別與水平板固定連接，高壓清洗頭安裝于連接板上。液壓缸與上安裝板固定連接，液壓缸的活塞桿與安裝基座固定連接，液壓缸驅動上安裝板在導向槽內相對安裝基座滑動，帶動與連接板相連的高壓清洗頭做靠近或遠離導管的徑向運動，可以防止高壓清洗頭碰觸導管表面碰觸損壞。馬達安裝于連接板的其中一豎板上，且馬達位于靠近液壓缸一側的下方，馬達的輸出端設有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器位于連接板的兩豎板之間且與豎板垂直。清洗罩安裝于連接板的另一豎板，高壓清洗頭總成于清洗罩內。

圖3 清洗裝置的結構示意圖

3 結語

水下導管清洗機器人可沿導管表面上下爬行，在爬行的同時通過清洗噴頭噴出的高壓水清洗導管表面，代替人工進行水下清洗作業(yè)，效率高且成本低。旋轉裝置帶動清洗噴頭繞導管表面旋轉，實現(xiàn)一邊旋轉一邊清洗，實現(xiàn)360°無死角清洗導管表面，清洗清潔度高。水下導管清洗機器人可應用在海洋鉆采平臺導管架清洗、大型橋梁桁架、風力發(fā)電機塔身等空間桁架機構清洗，具有一定的工程實用價值。