一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置及其加工方法與流程

2024-03-28 13:23:05 2

本發明涉及一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置及其方法。

背景技術：

石油天然氣等燃料的管道輸送會產生比較大的輸送阻力，從而降低輸送效率。現階段，塗層減阻和添加聚合物減阻劑兩種方法主要應用在少數管線上。塗層減阻技術是在管道內表面塗布一層減阻塗層，但是存在較大的湍流脈動阻力，減阻能力十分微弱。而減阻劑減阻相對於塗層減阻簡便，但減阻劑消耗很快，需要不斷補充，特別是對於需要長期輸送的管道來說，由於需要大量的減阻劑，使其經濟效益不明顯。

因此，目前並沒有十分有效的減阻技術應用在油氣輸送管道上，而仿生減阻表面在充分模仿生物生活習性所具有的表面減阻結構形態，可以減小油氣輸送阻力。根據國內一些研究者對溝槽減阻的試驗研究表明：v型、間隔三角型和u型溝槽減阻特性光滑表面更優越，而v型的減阻性能最佳。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種結構簡單，操作容易，能夠在管道內壁保護塗層表面上加工出仿生溝槽結構的管道內壁仿生溝槽表面加工裝置及其加工方法。

本發明所述的一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置，其特徵在於：包括用於提供驅動力的驅動機構、用於支撐在所述管道內壁面的行走機構、用於在加工管道內壁加工仿生溝槽的加工機構以及控制器，驅動機構通過螺栓安裝在行走機構上；加工機構通過螺栓與行走機構固接；驅動機構以及所述加工機構均與控制器相應的控制端電連；

所述驅動機構包括驅動電機、蝸輪、蝸杆、支撐架、傳遞軸以及滾輪，所述驅動電機安裝在所述支撐架上；所述驅動電機的輸出軸通過聯軸器與傳遞軸相連；所述蝸輪同軸固裝在傳遞軸上；所述蝸杆與支撐架轉動連接，並與所述蝸輪嚙合；所述滾輪安裝在所述蝸杆的兩軸端；所述驅動電機的控制端與所述控制器相應的控制端電連；

所述行走機構包括支架和兩個行走單元，其中一個行走單元作為前行走單元，另一個行走單元作為後行走單元，並且兩個行走單元的結構一致，所述前行走單元、所述後行走單元分別通過相應的銜接軸安裝在加工機構的兩端，並與之轉動連接；所述支架上部與前行走單元的底部固接，下部設有用於調整支撐架縱向高度的滑槽，所述支架的下部通過卡入滑槽內的螺栓與所述支撐架一端固接，實現支撐架縱向限位；所述行走單元包括用於卡在管內壁的行走架和用於傳遞連接的銜接軸，所述行走架包括大錐齒輪、小錐齒輪、多個移動爪以及多個支撐杆，所述大錐齒輪與所述支撐架的上端固接；所述移動爪與所述支撐杆一一對應，並且支撐杆的內端分別與相應的移動爪向通過焊接相連，外端裝有用於壓在管內壁的滑輪；所述移動爪均勻布置在卡盤周向；所述銜接軸的另一端與加工機構前端轉動連接；

所述加工機構包括空心滾筒、加工電機、電機支撐架、齒輪、伸縮機構以及刀具，所述空心滾筒的前端與所述前行走單元的銜接軸轉動連接，所述空心滾筒的後端與所述後行走單元的銜接軸轉動連接；所述加工電機、電機支撐架、齒輪、伸縮機構均設置在所述空心滾筒內，所述電機支撐架與所述空心滾筒內腔前端固接，所述加工電機安裝在所述電機支撐架上，所述加工電機輸出軸安裝齒輪，所述齒輪與所述空心滾筒內壁周向設置的齒嚙合；所述伸縮機構的伸縮杆沿空心滾筒徑向移動，伸縮杆的外端貫穿空心滾筒後裝有用於加工管內壁的刀具；所述伸縮機構的控制端與所述控制器的相應控制端電連。

所述伸縮機構包括伸縮杆、直線電機、滑臺、導軌、傳動軸、電機支撐臺、託架以及斜板，直線電機安裝在滑臺上；導軌兩端均用兩個螺栓固定在支撐臺上，支撐臺為空心滾筒內一個凸臺結構，滑臺安放在導軌上，保持直線電機沿空心滾筒的軸向作直線往復運動；傳動軸一端與滑臺相連，所述傳動軸的另一端同軸安裝用於調整伸縮杆伸出長度的斜板，且斜板的傾斜方向一致；每根伸縮杆對應一塊斜板，空心滾筒內壁上周向均勻布置多個通孔，且每個通孔對應配有一根伸縮杆，所述伸縮杆沿空心滾筒徑向貫穿空心滾筒的通孔，並且伸縮杆的內端與相應斜板滑動連接，外端安裝刀具；每個伸縮杆的頂端開有一個孔，軸向端面一側開有一個凹槽；刀具插入到孔內，在凹槽內用兩個豎直方向布置的螺栓進行固定。所述斜板可以用錐臺、圓臺等結構替換。

所述空心滾筒的兩端分別設有用於嵌入圓錐滾子軸承的安裝通孔，並且所述安裝通孔中心軸與空心滾筒的中心軸重合；所述安裝通孔內嵌有套環，且所述套環的凸肩卡在空心滾筒相應的端面處，所述套環內裝有圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承的外端面配有相應的端蓋，所述端蓋、所述套環通過螺栓與所述空心滾筒的端面固接。

所述行走單元周向均勻分布3個移動爪，3個移動爪徑向都有一個支撐杆，兩者焊接在一起；空心滾筒一端周向均勻布置3個通孔，且每個通孔對應配有一根伸縮杆；所述空心滾筒的內壁上有一個內齒輪結構，與相連在所述加工電機輸出軸的齒輪內嚙合。

所述傳遞軸為階梯狀，穿過支撐架的兩個凸臺中的軸承孔，均配有角接觸球軸承，在傳遞軸的軸端相應配有端蓋；所述蝸杆布置在支撐架的下方，支撐架的兩端面分別設有中心通孔，每個中心通孔內嵌角接觸球軸承，外配與支撐架相應端面固接的端蓋，且所述蝸杆的兩端通過端蓋以及角接觸球軸承與所述支撐架轉動連接。

整個加工裝置都在充分潤滑的條件下工作。

根據本發明所述的一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置的加工方法，包括以下步驟：

1)根據需要加工管道的管徑，轉動調節前後行走單元內六角螺母，使支撐杆徑向伸長，直至其頂端的每個滑輪能夠剛好頂住管道內壁，使加工裝置進入到管道內作業的部分受力均衡，確保其穩定性；

2)調節前走單元下方支架的螺栓，使驅動機構徑向移動，直至安裝在所述蝸杆兩端的滑輪接觸到管道內壁；

3)將管道內壁仿生溝槽表面加工裝置置於待加工的管道內；

4)啟動驅動電機，帶動蝸輪蝸杆傳動，使行走機構支撐起加工機構在待加工的管道內軸向行走；

5)待加工機構移動到管道內壁待加工的位置時，行走單元停止移動並壓緊管道內壁，此時關閉驅動電機；

6)啟動直線電機，傳動軸沿空心滾筒軸向移動，帶動刀具向待加工管道內壁靠近，待刀具到達管道內壁的待加工位置，並且刀具的切割刃與待加工的管道內壁接觸後，關閉直線電機；

7)啟動加工電機，加工電機旋轉帶動齒輪轉動，齒輪嚙合滾筒內壁齒輪，進而使滾筒轉動，從而使刀具轉動，開始加工管道內壁溝槽；

8)加工完成後，通過控制直線電機使刀具的切割刃徑向離開已加工表面；

9)重複4)～8)操作，則可實現待加工管道內仿生溝槽的連續加工。

本發明的有益效果是：採用三把刀具同時反向切削加工，可抵消三把刀具切削加工時所受到的切向反力，從而避免產生彎曲變形和扭轉變形，使加工裝置作業質量得以保證。加工裝置切削加工時使用一個動力源，藉助傳動機構來進行動力傳遞，帶動三把刀具同時實現切削加工，使加工裝置結構設計顯得緊湊。加工裝置加工管徑範圍廣，並且具有很好的定心和定位功能。同時，可安裝不同形狀的刀具，完成其對應減阻結構的加工，具有精度高，結構簡單，操作簡便。

附圖說明

圖1為本發明的結構圖。

圖2為本發明三維結構圖。

圖3為驅動機構結構圖。

圖4為行走機構三維結構圖之一。

圖5為行走機構三維結構圖之一。

圖6為加工機構結構圖。

圖7為加工機構中齒輪嚙合結構圖。

圖8為傳動軸三維結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明

參照附圖：

實施例1本發明所述的一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置，包括用於提供驅動力的驅動機構1、用於支撐在所述管道內壁面的行走機構2、用於在加工管道內壁加工仿生溝槽的加工機構3以及控制器，驅動機構1通過螺栓安裝在行走機構2上；加工機構3通過螺栓與行走機構2固接；驅動機構1以及所述加工機構3均與控制器相應的控制端電連；所述驅動機構1包括驅動電機11、蝸輪12、蝸杆13、支撐架14、傳遞軸15以及滾輪16，驅動電機11採用立式安裝，周向均勻採用4個螺栓固定在在支撐架14上；所述驅動電機11的輸出軸通過聯軸器111與傳遞軸15相連，周向均用4個螺栓與端蓋112固定；所述蝸輪12同軸固裝在傳遞軸15上；所述蝸杆13與支撐架14轉動連接，並與所述蝸輪12嚙合；所述滾輪16安裝在所述蝸杆13的兩軸端；所述驅動電機11的控制端與所述控制器相應的控制端電連；

所述行走機構2包括支架22和兩個行走單元21，其中一個行走單元作為前行走單元，另一個行走單元作為後行走單元，並且兩個行走單元的結構一致，對於加工短距離管道時，長度範圍在3-5m內，行走單元採用機械三爪卡盤結構，所述前行走單元、所述後行走單元分別通過相應的銜接軸212安裝在加工機構3的兩端，並與之轉動連接；所述支架22上部與前行走單元的底部固接，下部設有用於調整支撐架縱向高度的滑槽221，所述支架22的下部通過卡入滑槽內的螺栓與所述支撐架14一端固接，實現支撐架14縱向限位；所述行走單元21包括用於卡在管內壁的行走架211和用於傳遞連接的銜接軸212；所述行走架211為三爪卡盤，包括安裝組件、多個移動爪2111以及多個支撐杆2112，所述安裝組件與所述支撐架2112的上端固接，所述移動爪2111與所述安裝組件滑動連接；所述移動爪2111與所述支撐杆2112一一對應，並且支撐杆2112的內端分別與相應的移動爪2111固接，外端裝有用於壓在管內壁的滑輪2113；所述銜接軸212的另一端與加工機構3前端轉動連接；

對於加工短距離管道時，長度範圍在3-5m內，行走單元採用機械三爪卡盤結構，安裝組件包括大錐齒輪2115、小錐齒輪2116，所述大錐齒輪2115與所述支撐架14的上端固接；所述移動爪2111與所述支撐杆2112一一對應，並且三個支撐杆2112的內端分別與三個移動爪2111向通過焊接相連，外端裝有用於壓在管內壁的滑輪2113；三個移動爪2111周向有均勻的溝槽，並與大錐齒輪2115的環形溝槽相嚙合，使得所述支撐杆2112沿大錐齒輪2115的徑向布置；小錐齒輪2116與大錐齒輪2115相嚙合，並且小錐齒輪2116外端開有扳手插入方孔2117；所述銜接軸212的另一端與加工機構3前端轉動連接；支架22對稱布置在前行走單元的正下方，且支架22在垂直方向開有通槽，與驅動機構通過螺栓相連，通過調節連接螺栓可以使整個驅動機構徑向移動，以進入不同管徑的管道內；後行走單元結構與前行走單元相同，但是沒有支架，與空心滾筒的連接結構、配合方式相同；

對於長距離管道，長度範圍在5m以上，行走單元選用氣壓三爪卡盤，安裝組件包括空心主軸214、帶氣缸的卡盤215、氣管216、主軸連接套217以及帶儀表219的氣壓控制器218，空心主軸214一端連接卡盤215，二者周向固定；另一端與主軸連接套217相連，主軸連接套217後端連有氣壓控制器218；氣管216置於空心主軸214中，一端連通卡盤215，另一端穿過主軸214連接套連接在氣壓控制器218上；所述移動爪2111與卡盤215連通，通過氣壓控制器218可以三個移動爪2111同時徑向移動，進入不同管徑的管道，完成內壁加工。

所述加工機構3包括空心滾筒31、加工電機32、電機支撐架33、齒輪34、伸縮機構35以及刀具36，所述空心滾筒31的前端與所述前行走單元的銜接軸212轉動連接，所述空心滾筒31的後端與所述後行走單元的銜接軸轉動連接；所述加工電機32、電機支撐架33、齒輪34、伸縮機構35均設置在所述空心滾筒31內，所述電機支撐架33與所述空心滾筒31內腔前端固接，所述加工電機32安裝在所述電機支撐架33上，所述加工電機32輸出軸安裝齒輪34，所述齒輪34與所述空心滾筒31內壁周向設置的內齒輪嚙合，並且內齒輪軸向右端有一個環形擋板，與滾筒為一個整體結構，可對齒輪34的一邊進行軸向定位，齒輪34的另一邊用套筒38進行定位，通過鍵連接來實現齒輪34的周向定位；所述伸縮機構35的伸縮杆沿空心滾筒徑向移動，伸縮杆的外端貫穿空心滾筒後裝有用於加工管內壁的刀具；所述伸縮機構的控制端與所述控制器的相應控制端電連。

所述伸縮機構35包括伸縮杆351、直線電機352、滑臺353、導軌354、傳動軸355、電機支撐臺356以及斜板357，直線電機352周向均勻用4個螺栓安裝在滑臺353上；導軌354兩端均用兩個螺栓固定在支撐臺356上，支撐臺356為空心滾筒內一個凸臺結構，僅起到支撐導軌354的作用，滑臺353安放在導軌354上，保持直線電機352沿空心滾筒31的軸向作直線往復運動；傳動軸355一端與滑臺353相連，；所述傳動軸355的另一端同軸安裝用於調整伸縮杆伸出長度的斜板357，且斜板357的傾斜方向一致；每根伸縮杆351對應一塊斜板357，空心滾筒31內壁上周向均勻布置3個通孔，且每個通孔對應配有一根伸縮杆351，所述伸縮杆351沿空心滾筒31徑向貫穿空心滾筒的通孔，並且伸縮杆351的內端與相應斜板357滑動連接，外端安裝刀具36；三個伸縮杆351與斜板357相接合的位置開有溝槽，兩端並有擋板，可防止其在滾筒36轉動過程出現竄動；這種結構可以實現三個伸縮杆351同時徑向移動，每個伸縮杆351的頂端開有一個孔，軸向端面一側開有一個凹槽；刀具36安放時，將刀具36插入到孔內，在凹槽內用兩個豎直方向布置的螺栓進行固定，可防止其進行切削加工時發生轉動。加工時，加工電機32轉速較慢，則刀具36切削時產生的切削力較大，所以刀具選用硬脂合金刀，保證其有足夠的強度。且刀具36採用特殊製作，通過安裝不同形狀的刀具36可加工不同的溝槽結構。

加工機構的空心滾筒31為了便於製造和安裝其他零件，則採用中開式，分為兩半，兩邊分別用三個螺栓將其拼合在一起；行走單元第二段與空心滾筒31通過軸承連接。加工裝置在管道內行走時，空心滾筒31受到銜接軸212較大的軸向力，同時加工時，自身旋轉會產生徑向力，所以選擇安裝兩個圓錐滾子軸承381對稱布置。其一端都由軸肩進行軸向定位，另一端，一個是通過端蓋37進行軸向定位，另一個是通過套筒38進行軸向定位，從而實現軸承兩端軸向定位。圓錐滾子軸承381內外圈分別與行走單元第二段和套筒38採用過盈配合工藝，從而實現軸承的軸向定位。同時，兩個軸承採用正裝方式，這種結構簡單，裝拆調整方便。空心滾筒31兩端周向均布螺栓，將端蓋37與套筒38固定在空心滾筒31上，同時為了阻擋灰塵，安裝毛氈圈39。

所述行走單元周向均勻分布3個移動爪2111，3個移動爪2111徑向都有一個支撐杆2112，兩者焊接在一起；空心滾筒31一端周向均勻布置3個通孔，且每個通孔對應配有一根伸縮杆351；所述空心滾筒31的內壁上有一個內齒輪結構，與相連在所述加工電機32輸出軸的齒輪內嚙合。

傳遞軸15為三段式階梯軸，蝸輪12安裝在傳遞軸15第一段上，其一端通過傳遞軸15軸肩實現軸向定位，另一端通過第一套環151實現定位，並通過鍵連接實現蝸輪12的周向定位；傳遞軸15軸端通過第一角接觸球軸承152與支撐架14相連，第一套環151對角接觸球軸承152的一端進行軸向定位，外端並配有端蓋37對第一角接觸球軸承152另一端進行定位，用6個螺栓對端蓋37進行固定；傳遞軸15第二段穿過支撐架14的通孔裡裝有第二角接觸球軸承153，一端通過第二套環154定位，另一端通過傳遞軸15軸肩定位；傳遞軸15第三段安裝到聯軸器111上；蝸杆13布置在蝸輪12轉動方向的正下方，並與支撐架14相連，支撐架14與蝸輪12向配合的位置對稱開有兩個軸承孔，相應地有兩個第二角接觸球軸承153，外面都有軸承端蓋，第二角接觸球軸承153的兩端分別用蝸杆12軸肩和軸承端蓋進行定位，軸承端蓋軸向均用6個螺栓進行固定；支撐架14通過兩個水平對稱布置的螺栓固定在行走結構上；滾輪16安裝在蝸杆13兩端，通過螺紋擰緊；

整個加工裝置都在充分潤滑的條件下工作。

實施例2根據實施例1所述的一種管道內壁仿生溝槽表面加工裝置的加工方法，包括以下步驟：

1)根據需要加工管道的管徑，調節前後段行走機構，使三個移動爪同時移動從而帶動三個支撐杆徑向伸長，直至滾輪能夠剛好接觸到管道內壁，確保整個加工裝置進入到管道內作業的部分受力均衡，保證其穩定性；

2)調節前行走單元下方支架的螺栓，使驅動機構徑向移動，直至安裝在所述蝸杆兩端的滾輪接觸到管道內壁；

3)將管道內壁仿生溝槽表面加工裝置完全置於待加工的管道內，確實其穩定性；

4)啟動驅動電機，通過控制，帶動蝸輪嚙合蝸杆轉動，從而連接在蝸杆兩端的滾輪轉動，進而使前後端的行走單元支撐起加工部分向前移動60mm，使行走機構支撐起加工機構在待加工的管道內軸向行走；

5)待加工機構移動到管道內壁待加工的位置時，通過控制關閉驅動電機，使行走單元停止移動，同時使支撐杆適當徑向伸長壓緊管道內壁，確保加工裝置在加工過程中出現顫動；

6)啟動直線電機，通過控制使傳動軸沿空心滾筒軸向移動15mm，從而三根伸縮杆沿空心滾筒徑向向外伸長20mm，帶動刀具向待加工管道內壁靠近，待刀具到達管道內壁的待加工位置，並且刀具的切割刃與待加工的管道內壁接觸後，關閉直線電機；

7)啟動加工電機，加工電機旋轉帶動齒輪轉動，通過控制使其旋轉120°，同時與加工電機相連的齒輪也帶動滾筒轉動120°，每把刀具同時相應地在管壁待加工位置轉動120°完成一圈仿生溝槽結構地加工；

8)加工完成後，通過控制直線電機使刀具的切割刃徑向收縮15mm，使其離開已加工表面；

9)重複4)～8)操作，直至管道加工完成。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。