самоходное устройство для перемещения в трубопроводах

Формула изобретения

1. Самоходное устройство для перемещения в трубопроводах, содержащее последовательно соединенные узлами связи звенья, в корпусе каждого из которых установлен двигатель, отличающееся тем, что оно содержит N звеньев, функционально объединенных в M коленчатых групп, каждая из которых содержит К звеньев, причем M3, K2, а узлы связи выполнены в виде цилиндрических межзвенных шарниров, каждый из которых кинематически связан с валом соответствующего двигателя через редуктор и муфту необратимого вращения и снабжен датчиком межзвенного угла, причем корпуса N-1 звеньев выполнены цельными и жесткими, а корпус одного звена, расположенного в одной из средних коленчатых групп, выполнен составным из двух частей, связанных между собой внутризвенным цилиндрическим шарниром, который подключен к двигателю этого звена через редуктор с самотормозящейся червячной парой и снабжен датчиком угла ротации частей корпуса, ось внутризвенного шарнира расположена по продольной оси этого звена, а оси тех межзвенных шарниров, которые расположены по каждую из сторон от составного звена, установлены перпендикулярно продольным осям звеньев и параллельно между собой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждое его звено снабжено подпружиненными телами качения, например роликами, выступающими за поверхность корпуса и перемещающимися внутрь его при заданном силовом воздействии на них.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено диагностической аппаратурой и чистящим оборудованием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к самоходным транспортным средствам для перемещения в трубопроводах, в частности в трубопроводах разного диаметра, содержащих различные коленчатые участки, отводы и другие стыки труб.

Известна самоходная установка для реверсивного перемещения преобразователя внутри трубопроводов как с прямыми, так и с гнутыми участками (а.c. СССР N 789724, кл. G 01 N 27/82, G 01 N 29/04, 1980, а также дополнительное к нему а.с. СССР N 849058, кл. G 01 N 27/82, G 01 N 29/04, 1981), содержащая два опорных элемента (звена), выполненных в виде стаканов, на боковой поверхности которых расположена кольцевая камера с эластичной оболочкой, а расположенный между опорными звеньями узел связи и перемещения выполнен в виде сильфона, причем внутренняя полость сильфона и полости кольцевых камер подключены к компрессору через реверсный переключатель и автоматическое устройство управления. Выполнение узла связи и перемещения в виде сильфона позволяет установке перемещаться в трубопроводах, содержащих криволинейные участки.

Данное устройство имеет следующие недостатки: а) использование воздуха для питания силовых элементов значительно ограничивает радиус действия из-за падения давления в питающей магистрали; б) ненадежность работы эластичных оболочек и трудности герметизации cильфона; в) невозможность передвижения устройства в трубопроводах, содержащих участки с большим различием диаметров, коленчатые участки с ломаной осевой линией и отводы.

Первые два указанных недостатка устранены в принятой нами в качестве прототипа установке для реверсивного перемещения преобразователя внутри трубопроводов со сгибами (a.c. СССР N 1473533, кл. G 01 N 27/82, 1990), содержащей два опорных элемента (звена), выполненных в виде электродвигателей и упругих оболочек, закрепленных на боковых поверхностях статоров и имеющих винтовую разностороннюю навивку, причем статоры должны вращаться в противоположных направлениях. Выполнение узла связи в виде цилиндрической пружины, соединяющей роторы электродвигателей, позволяет устройству перемещаться на криволинейных участках.

Недостатком этого устройства является невозможность его перемещения в трубопроводах, содержащих участки разного диаметра, коленчатые участки с ломаной осевой линией и отводы.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения реверсивного перемещения в трубопроводах разного диаметра, содержащих коленчатые участки с кривой или ломаной осевой линией, отводы и другие стыки труб.

Поставленная цель достигается тем, что самоходное устройство для перемещения в трубопроводах, выполненное в виде последовательно соединенных узлами связи звеньев, в корпусе каждого из которых установлен двигатель, содержит N звеньев, функционально объединенных в M коленчатых групп, каждая из которых содержит K звеньев, причем M 3, K 2,

, а узлы связи выполнены в виде цилиндрических межзвенных шарниров, каждый из которых кинематически связан с валом соответствующего двигателя через редуктор и муфту необратимого вращения и снабжен датчиком межзвенного угла, причем корпуса (N 1) звеньев выполнены цельными и жесткими, а корпус одного звена, расположенного в одной из средних коленчатых групп, выполнен составным из двух частей, связанных внутризвенным цилиндрическим шарниром, который подключен к двигателю этого звена через редуктор с самотормозящейся червячной парой и снабжен датчиком угла взаимного поворота частей корпуса, ось внутризвенного шарнира расположена по продольной оси этого звена, а оси тех межзвенных шарниров, которые расположены по каждую из сторон от составного звена, установлены перпендикулярно продольным осям звеньев и параллельно между собой. При этом каждое звено устройства снабжено подпружиненными телами качения, например, роликами, выступающими за поверхность корпуса и перемещающимися внутрь его при заданном силовом воздействии на них, а устройство снабжено диагностической аппаратурой и чистящим оборудованием.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются наличие N последовательно соединенных звеньев устройства, функционально объединенных в М коленчатых групп, каждая из которых содержит к звеньев, причем М 3, К 2, , а также узлов связи, выполненных в виде цилиндрических межзвенных шарниров, каждый из которых кинематически связан с валом соответствующего двигателя через редуктор и муфту необратимого вращения и снабжен датчиком межзвенного угла, а также выполнение корпусов (N-1) звеньев цельными и жесткими, а корпуса одного звена, расположенного в одной из средних коленчатых групп, составным из двух частей, связанных внутризвенным цилиндрическим шарниром, который подключен к двигателю этого звена через редуктор с самотормозящейся червячной парой и снабжен датчиком угла взаимного поворота частей корпуса, а также расположение оси внутризвенного шарнира по продольной оси составного звена и установление осей тех межзвенных шарниров, которые расположены по каждую из сторон от составного звена, перпендикулярно продольным осям звеньев и параллельно между собой.

Таким образом, сущность изобретения состоит в создании самоходного устройства, реализующего новый способ движения благодаря заявляемой конструкции и обладающего универсальной возможностью перемещения без переналадки в трубопроводах с широким диапазоном диаметров труб, различными коленчатыми участками, отводами и другими стыками труб. Управляемая подвижность последовательно соединенных звеньев в межзвенных шарнирах вокруг осей, перпендикулярных оси трубопровода, позволяет изменять конфигурацию устройства в продольной плоскости трубопровода за счет изменения межзвенных углов, а именно позволяет образовать из нескольких звеньев согнутое колено, а затем распрямить его. Образование согнутого колена, распирающего стены трубы, обеспечивает его неподвижность путем трения и создает опору для перемещения других звеньев относительно этого опорного колена. Кроме того, изменение суммарной длины проекций звеньев согнутого и разогнутого колена на ось трубы (далее просто длина) позволяет изменять длину устройства в целом.

Совокупность звеньев, изменяющих межзвенные углы одновременно между собой и отдельно от других звеньев устройства, составляет коленчатую группу. Соответственно, полное число N звеньев объединяется в M коленчатых групп, каждая из которых содержит K звеньев. При этом любое звено входит только в одну группу, а число K может быть разным в различных группах. Поэтому . Путем изменения длины одной группы относительно другой группы, сформировавшей ранее опорное колено, и последующего формирования третьей группой нового опорного колена устройство может перемещаться в трубе. Наиболее эффективно перемещение по способу "бегущей волны", когда функции создания опоры и изменения длины совмещены и опорные колена образуются поочередно по всей длине устройства.

Объединение N звеньев устройства в M коленчатых групп, содержащих K звеньев, является конструктивным признаком, поскольку оно необходимо для создания движения устройства работой этих групп. Однако конкретное распределение N звеньев по M группам и величины чисел M и K имеют функциональный характер и зависят от условий движения. Так, для движения в трубах большего диаметра может потребоваться иное распределение тех же N звеньев между тем же числом M групп, т.е. изменение чисел K в группах. Также может потребоваться изменение числа M например, для перехода в отвод. Для независимости положения устройства от внешних сил необходимо наличие в любой момент времени хотя бы одного опорного колена. Для этого число M должно быть не менее трех.

Число K определяется формой опорного колена, которая зависит от диаметра трубы, желаемой скорости движения и требуемой силы фиксации. В чистой трубе можно построить опорное колено из двух звеньев (K 2), но в загрязненной трубе такое опорное колено может потерять устойчивость. Поэтому для реальных условий движения K 3.

Число N звеньев в устройстве также зависит от условий движения. Так при определенных диаметрах прямой или кривой трубы для перемещения достаточно N 10. В то же время для вхождения в отвод определенного диаметра нужно N 17. Кроме того, устройство может содержать дополнительную группу звеньев, используемую не для создания движения, а для транспортировки размещенного в этих звеньях оборудования, например диагностического.

Подвижность звеньев в межзвенных шарнирах позволяет устройству перемещаться в трубопроводах, содержащих совместно или раздельно кривые колена, угольники, отводы и другие стыки труб, если плоскость изменения осевой линии трубопровода перпендикулярна осям межзвенных шарниров. В том случае, когда эта плоскость не перпендикулярна осям шарниров, устройство имеет возможность повернуть с помощью звена с внутризвенным шарниром оси межзвенных шарниров так, чтобы они стали перпендикулярными плоскости изменения оси трубопровода.

Использование редукторов связано с повышением крутящих моментов, развиваемых двигателями, например малогабаритными, для создания достаточных моментов в межзвенных шарнирах для получения требуемых сил трения и во внутризвенном шарнире для преодоления возможных сил трения. Применение муфт необратимого вращения и самотормозящейся червячной пары позволяет сохранять требуемые состояния звеньев при выключенных двигателях, используемых лишь для смены состояний. Датчики межзвенных углов и внутризвенного угла необходимы для контроля соответствия реальных движений звеньев устройства в загрязненной среде требуемым движениям.

Применение подпружиненных тел качения желательно для замены трения скольжения звеньев по поверхности трубы трением качения. При этом для обеспечения фиксации опорного колена в трубе за счет сил трения необходимо перемещение этих тел качения внутрь корпуса при силовом контакте с поверхностью трубы.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 представлен фрагмент устройства в сборе на фоне продольного сечения трубопровода, на фиг.2 приведена конструкция цельного жесткого звена, на фиг.3 показана конструкция составного звена с внутризвенным шарниром, на фиг.4 показана установка тела качения (ролика) в корпусе звена, на фиг.5 иллюстрируется эффект изменения длины десятизвенного устройства, на фиг.6 поясняются схематические изображения положений звеньев устройства на примере фиг.5, на фиг.7 схематически изображены базовые конфигурации тринадцатизвенного устройства, на фиг. 8 приведены схематические диаграммы последовательных положений звеньев устройства в цикле движения в прямой трубе, на фиг.9 показаны схематические диаграммы последовательных положений звеньев устройства в цикле движения в кривой трубе, на фиг.10 схематически изображена конфигурация устройства при повороте осей межзвенных шарниров, на фиг.11 приведены схематические диаграммы последовательных положений звеньев в одном из циклов прохождения устройством прямоугольного стыка труб.

Самоходное устройство для реверсивного перемещения в трубопроводах, включающих участки с разными диаметрами труб, отводы и коленчатые участки как с кривой, так и с ломаной осевой линией, содержит N звеньев, последовательно соединенных узлами связи в виде цилиндрических межзвенных шарниров 1, оси которых перпендикулярны продольным осям звеньев. При расположении устройства вдоль трубопровода так, что продольные оси звеньев лежат в плоскости, проходящей через осевую линию трубопровода, оси шарниров 1 оказываются перпендикулярными этой плоскости. Из числа N звеньев устройства корпуса (N - 1) звеньев 2 выполнены цельными и жесткими, а корпус одного составного звена 3 выполнен из двух частей.

Каждый шарнир 1 с одной стороны кинематически связан через муфту необратимого вращения 4 и редуктор 5 с валом двигателя 6, которые составляют силовой привод межзвенного угла, расположенный в корпусе 7 каждого звена 2. С другой стороны на оси 8 шарнира 1 закреплены два водила 9 корпуса смежного звена. Силовой привод изменяет величину межзвенного угла (фиг.1), определяемого углом отклонения водил 9 от продольной плоскости симметрии корпуса 7, проходящей через геометрическую ось шарнира 1. Направление изменения межзвенного угла зависит от полярности (фазы) подключения двигателя 6 к источнику питания, расположенному на управляющей станции. Обычно изменения угла v ограничены диапазоном [-/2, /2]. Расширение этого диапазона, требуемое лишь для прохождения угольников и отводов с острым углом примыкания, достигается увеличением межосевого расстояния L (фиг.1) за счет увеличения длины водил 9. Датчик 10 межзвенного угла установлен параллельно муфте 4, причем неподвижная его часть связана с корпусом 7, а подвижная через ось 8 с водилами 9. Последнее из звеньев 2 устройства связано кабелем 11 с управляющей станцией, расположенной вне трубопровода.

Корпус звена 3, расположенного в средней части устройства, выполнен из двух отдельных частей 12 и 13, связанных между собой внутризвенным цилиндрическим шарниром 14. Геометрическая ось шарнира 14 расположена по продольной оси звена 3. С одной стороны шарнир 14 подключен через редуктор 15 с самотормозящейся червячной парой 16 к двигателю 17, которые составляют силовой привод ротации, расположенный в части 12 корпуса, а с другой стороны через вращающуюся обойму 18 связан с частью 13. К части 12 прикреплены водила 9 последующего звена 2, а к части 13 водила 9 предыдущего звена 2. Силовой привод ротации в зависимости от питания двигателя 17 изменяет взаимный угол поворота частей 12 и 13 корпуса звена 3 и тем самым изменяет взаимное положение осей шарниров 1, расположенных по разные стороны от звена 3. Неподвижная часть датчика 19 угла ротации связана с частью 13 корпуса, а подвижная часть с его частью 12. Диаметры d (фиг.1) боковой поверхности корпусов всех звеньев 2 и 3 одинаковы, если эти поверхности цилиндрические. В случае гранения боковых поверхностей одинаковы диаметры окружностей, описывающих нормальные сечения корпусов.

Поскольку переднее звено 2 устройства свободно от коммуникаций с отсутствующим предыдущим звеном, то в свободной части его объема могут быть размещены преобразователь дефектоскопа или миниатюрная телекамера (на чертежах не показаны) для диагностики состояния внутренней поверхности трубопровода. Кроме того, устройство может содержать дополнительную группу звеньев 2, входящую в общее число M групп, но используемую не для создания движения, а для транспортировки размещенного в ее звеньях диагностического и чистящего оборудования. Установке этого оборудования способствует допустимое уменьшение мощности, а значит, и габаритов силовых приводов межзвенного угла звеньев этой группы до уровня, достаточного для манипулирования транспортируемыми звеньями, в частности, при проведении их через угловые стыки поверхности труб.

Для замены трения скольжения звеньев, перемещающихся по поверхности трубы, трением качения каждое звено устройства может быть снабжено телами качения 20 (фиг.4), например роликами, выступающими за поверхность корпуса звена и закрепленными на толкателях 21, поджимаемых пружинами 22. Пружины 22 обеспечивают перемещение тел качения 20 внутрь корпуса при определенном силовом воздействии для фиксации опорного колена силами трения покоя. Увеличение габаритов звеньев для установки таких тел приводит к увеличению диаметров труб, доступных для перемещения устройства.

Устройство работает следующим образом. Подвижность звеньев в шарнирах 1 вокруг осей, перпендикулярных оси трубопровода, позволяет приводам шарниров 1 изменять конфигурацию устройства в продольной плоскости трубопровода путем изменения межзвенных углов, а именно позволяет образовать из нескольких звеньев согнутое колено, а затем распрямить его. Образование согнутого колена, распирающего стены трубы так, чтобы давление его звеньев на ее поверхность порождало достаточную силу трения покоя, обеспечивает неподвижность колена и создает опору для перемещения других звеньев в пространстве. Такие опорные колена могут иметь разную форму, например трапециевидную (фиг.1) или треугольную (фиг.5). Поскольку длина согнутого колена по оси трубы меньше длины той же совокупности звеньев в распрямленном состоянии, то путем сгибания и разгибания колена можно изменять длину устройства в целом (фиг.5а, б).

Совокупность звеньев, изменяющих межзвенные углы одновременно между собой и отдельно от других звеньев устройства, составляет коленчатую группу. Полное число N звеньев устройства объединяется в M коленчатых групп, каждая из которых содержит K звеньев. При этом любое звено входит лишь в одну группу, а число K может быть разным в различных группах. Соответственно, . Такое устройство может перемещаться в трубе, например, поочередно фиксируя переднюю или заднюю часть путем создания опорных колен соответствующими коленчатыми группами, а в промежутке между сменами фиксаций изменяя длину средней группы в соответствии с направлением движения. Однако этот способ перемещения устройства, являющийся разновидностью распространенного способа движения самоходных устройств в трубах, вдвое менее эффективен по скорости движения, чем способ перемещения по типу "бегущей волны", когда функции создания опоры и изменения длины совмещены и опорные колена формируются последовательно по всей длине устройства.

В то время, как объединение N звеньев устройства в M коленчатых групп, содержащих K звеньев, является конструктивным признаком, необходимым для создания движения устройства в трубопроводе работой этих групп, конкретные распределения N звеньев по M группам, как и величины чисел N, M и K, имеют функциональный характер, зависят от условий движения и рассматриваются при описании режимов перемещения устройства. Однако предварительно можно отметить следующие общие моменты.

Во-первых, для того, чтобы положение и перемещение устройства в трубопроводе не зависело от внешних воздействий, необходимо существование в любой момент времени хотя бы одного опорного колена. Для этого число M коленчатых групп должно быть не менее трех.

Во-вторых, число K зависит от формы образуемых колен. В идеальных условиях чистой трубы можно построить опорное колено из двух звеньев с точечными контактами с поверхностью трубы. Однако при работе смежной группы это колено будет испытывать динамические толчки и на загрязненной поверхности может потерять устойчивость. Поэтому в состав опорных колен вводится не менее одного звена, прижимаемого к трубе корпусом и имеющего линейный контакт с ее поверхностью. В частности, к таким звеньям относятся первое и последнее звенья устройства, торцовый контакт которых с трубой нежелателен из-за оснащения аппаратурой и вывода кабеля связи. Кроме того, изменяющие угловое положение звенья смежных групп разделяются звеном, также прилегающим к трубе корпусом, которое относится к одной из этих групп (фиг.5). Так обеспечивается надежность контакта опорного колена с трубой и компенсируются воздействия от работающих звеньев других групп. Поэтому, допуская возможность K 2, в реальных условиях движения для треугольных колен к K 3, а для трапециевидных колен к K 4. Соответственно, вариант устройства с N 10 (фиг.5) минимален по числу звеньев для перемещения в трубах.

В третьих, возможность перемещения устройства в конкретных условиях обусловлена сохранением опорных функций формируемыми коленами, а именно возможностью развития звеньями достаточных усилий для создания необходимых сил трения. Трапециевидные колена теряют опорные функции при достижении прямоугольной формы, что для прямых труб описывается равенством =arcsin[(D-)/L]=/2 где угол наклона продольных осей звеньев к поверхности трубы в опорном колене, а D внутренний диаметр трубы. Поэтому в прямой трубе устройство может перемещаться с помощью таких колен при j</2 или D <d + L. Треугольные колена теряют опорные функции при достижении межзвенным углом при вершине колена предельного значения. Для обычного диапазона межзвенных углов [-/2, /2] этому значению соответствует =/4, и устройство с такими коленами может перемещаться при </4 или . Отсюда следует, что при использовании треугольных колен верхняя граница диапазона диаметров прямых труб, доступных для перемещения устройства без переналадки, существенно меньше, чем при использовании трапециевидных колен, однако меньшее значение K дает в этом диапазоне свои преимущества применению первых. Нижняя граница диапазона диаметров прямых труб теоретически определяется условием >0 или D > d. Практически эффективная нижняя граница рассмотрена ниже.

В четвертых, наряду с опорными коленами, совмещающими функции фиксации устройства и изменения длины, для изменения только длины могут использоваться и согнутые неопорные колена. Эти колена используются при переориентации осей межзвенных шарниров и манипулировании звеньями, но они могут быть применены и для перемещения устройства, если имеющегося числа звеньев недостаточно для движения по способу "бегущей волны". Везде ниже предполагается достаточность числа N для реализации этого способа в описанных условиях.

Для уменьшения объема и упрощения графического материала, поясняющего работу устройства в разных условиях, целесообразно использование схематических изображений положений устройства в разных фазах движений (фиг.8 11). На таких схематических диаграммах положения звеньев в продольной плоскости сечения трубы с внутренним диаметром D обозначаются положениями в полосе ширины H D d жирных отрезков длины L (фиг.6а, б), представляющих продольные оси симметрии корпусов изображаемых звеньев и наклоненных друг к другу под межзвенным углом ). Положение звена 3 с внутризвенным шарниром обозначается жирным отрезком с перпендикулярной чертой. Границы полосы H, обозначенные тонкими линиями, определяют зону возможных положений проекций осей межзвенных шарниров 1 при изменении межзвенных углов. Эти проекции обозначаются жирными точками. Продольная линия симметрии полосы H соответствует положению осевой линии трубопровода. Границы коленчатых групп, участвующих в данном движении, указываются светлыми кружками. Направление движения "вперед", соответствующее движению от управляющей станции, расположенной за левым полем фигур, указано горизонтальной стрелкой.

Учитывая многомерность устройства с большим числом степеней свободы, при рассмотрении режимов его движения в разных условиях удобно использование базовой конфигурации, в которой коленчатыми группами сформированы все колена, применяемые в процессе движения (фиг.6а; фиг.7а, б). При движении по способу бегущей волны базовая конфигурация не воспроизводится в тактах движения, но используется при смене режима функционирования, например, при изменении формы колен или при переориентации осей шарниров 1. Для определенности далее будем называть общим термином "опорное колено" любую совокупность опорных колен (опорных элементов), формируемых одновременно одной коленчатой группой. Так в базовой конфигурации (фиг.7а) формируемая средней группой коленчатая структура из двух опорных элементов называется средним опорным коленом.

Движению устройства предшествует этап введения в трубу. Устройство вводится в распрямленном состоянии при выключенных приводах и взаимно параллельных осях шарниров 1. Это состояние в шарнирах 1 поддерживается муфтами 4, а вращению в шарнире 14 препятствует червячная пара 16. Далее включаются двигатели 6 звеньев передней коленчатой группы в такой полярности (фазе), чтобы изменения межзвенных углов приводили к образованию опорного колена требуемой формы. Крутящие моменты двигателей 6, усиленные редукторами 5, расклинивают муфты 4 и далее изменяют межзвенные углы в нужных направлениях. Двигатели 6 работают до тех пор, пока звенья сгибаемого колена не упрутся во внутреннюю поверхность трубы, а в шарнирах 1 не будет создана дополнительная деформация, порождающая требуемые силы давления звеньев на трубу.

Оценка этой деформации производится по питанию двигателей 6 согласно их характеристикам. По достижении требуемой деформации двигатель 6 выключается, а полученную деформацию поддерживает заклиненная муфта 4. Процесс формирования опорного колена считается завершенным, когда все двигатели 6 передней группы оказываются выключенными. Затем так же формируется опорное колено задней группой. Подобным образом формируется любое опорное колено и в процессе движения, поэтому ниже подробности работы двигателей и приводов будут опускаться. В результате указанных операций устройство принимает конфигурацию исходного положения с двумя опорными коленами, соответствующую одному из тактов цикла движения в прямой трубе. Для устройства (фиг.6а) исходному положению соответствует фиг.8а.

Используемый для перемещения устройства потактовый режим бега волны формирования опорных колен организован так, что к опорному колену, сформированному в предыдущем такте движений звеньев и сохраняющемуся в данном такте, пристраивается вновь образуемое опорное колено, а предыдущее колено в это время распрямляется. Таким образом в каждом такте одновременно совершаются три процесса: процесс сохранения колена, процесс формирования нового колена, процесс распрямления старого колена. Такт завершается приведением звеньев в финальное положение, когда одновременно существуют два опорных колена, а предыдущее колено распрямлено. При движении вперед предыдущим для переднего колена будет заднее колено. Волна бежит в направлении, обратном направлению движения устройства.

Движение устройства в прямой трубе начинается из исходного положения и осуществляется по рекуррентному циклу из трех тактов, обозначенных далее буквами А, Б, В. На последовательных диаграммах (фиг.8а ж) перемещения варианта устройства (фиг.6а) в промежуточных положениях (фиг.8б, г, е) между финальными состояниями (фиг.8а, в, д, ж) направления изменения колен указаны вертикальными стрелками, а обозначения тактов приведены слева от диаграмм. В тактах выполняются следующие операции.

А. Распрямление задней группой опорного колена при одновременном формировании средней группой нового колена и сохранении колена, сформированного передней группой (фиг. 8б). Для распрямления опорного колена двигатели 6 включаются в полярности (фазе), обратной к использовавшейся при формировании этого колена. После расклинивания муфт 4 приводы разгибают колено до тех пор, пока каждый межзвенный угол не достигнет заданного значения, определяемого по показаниям датчика 10. Тогда соответствующий двигатель 6 выключается, а достигнутое положение поддерживается муфтой 4. Процесс разгибания колена считается завершенным, когда все двигатели 6 данной коленчатой группы оказываются выключенными. Подобным образом осуществляется распрямление любого колена. Завершение указанных операций приводит устройство в финальное положение такта А (фиг.8в).

Б. Распрямление переднего опорного колена при формировании заднего колена и сохранении среднего колена (фиг.8г, д).

В. Распрямление среднего колена при формировании переднего колена и сохранении заднего колена (фиг.8е, ж).

Переход от любого такта к следующему выполняется по факту выключения всех двигателей 6, работавших в этом такте. Реверсирование направления движения может быть осуществлено из финального положения любого такта цикла движения вперед путем инверсии последовательности тактов А Б В А -. на последовательность В Б А В -.

С помощью диаграмм, подобных приведенным на фиг.8, легко показать, что перемещение тринадцатизвенного устройства с трапециевидными коленами (фиг. 7б) за один цикл равно перемещению за цикл десятизвенного устройства с треугольными коленами (фиг.8) при тех же величинах d и L и том же диаметре , а перемещение тринадцатизвенного устройства с треугольными коленами (фиг.7а) в тех же условиях вдвое больше. Это является следствием того, что величина перемещения S устройства за цикл определяется изменениями длины средней коленчатой группы и в случае прямой трубы равна mL(1-cos), а средняя скорость движения (при одинаковых приводах межзвенного угла) пропорциональна величине , где m число звеньев в среднем опорном колене, наклоненных под углом к поверхности трубы. Отсюда следует, что при использование базовой конфигурации (фиг.7а) эффективнее, чем базовой конфигурации (фиг.7б). Поэтому при переходе тринадцатизвенного устройства с участков прямого трубопровода, где < d + L, на участки, где , полезно сменить конфигурацию (фиг.7б) на конфигурацию (фиг.7а). Сказанное относится и к другим базовым конфигурациям устройства с N > 13. С другой стороны, одинаковое увеличение числа опорных элементов в коленах, формируемых каждой коленчатой группой, за счет увеличения числа N кратно повышает силу фиксации и тяговую силу устройства, что важно, например, для перемещения в вертикальных трубах.

Используя указанные зависимости, можно оценить из соображений эффективности нижнюю границу диаметров прямых труб, приемлемую для перемещения устройства. Например, если в качестве меры эффективности скорости движения принять величину , где точка отсчета E 1 соответствует предельной средней скорости устройства (фиг.7б) при /2, то при приемлемости величины E 0,1 для движения устройства минимальное значение D для конфигурации (фиг. 7б) будет равно d + 0,14L, а для конфигурации (фиг.7а) d + 0,07L. Возможны и другие оценки.

Подвижность звеньев устройства в межзвенных шарнирах 1 позволяет устройству перемещаться на криволинейных участках трубопровода, если плоскость изгиба его оси перпендикулярна осям шарниров 1. При "распрямлении" колена в кривой трубе продольные оси звеньев образуют ломаную линию, поэтому здесь и во всех других случаях с изменением направления оси трубопровода такое колено более правильно называть "расправленным". Межзвенные углы между звеньями расправленного колена зависят от диаметра D трубы, радиуса R кривизны ее оси и параметров устройства. Звенья расправленного колена целесообразно откладывать по ближней к центру кривизны стороне трубопровода, поскольку путь по ней короче. В этом случае величина v определяется формулой v=-2arctg[(2R-H)/L].

В отличие от прямых труб возможность построения опорного колена в кривой трубе дополнительно зависит от радиуса R. При обычном диапазоне межзвенных углов [-/2, /2] трапециевидное опорное колено может быть построено в условиях, когда межосевое расстояние L удовлетворяет неравенствам

,

где R 0,96H. Здесь левая часть порождается ограничениями на межзвенный угол. Правая часть обусловлена сохранением опорной функции колена, для чего в данном случае необходимо, чтобы была больше сумма углов d и b (фиг.9б), образуемых осью звена, составляющего боковой элемент колена, и осью звена, прилегающего к ближней к центру кривизны стороне трубы, с радиусом-вектором, проведенным из центра кривизны 0 к оси соединяющего эти звенья шарнира 1. Из аналогичных соображений для треугольного опорного колена

,

где R 2,92H. По этим неравенствам для конкретных значений параметров L и d можно определить доступные для перемещения диапазоны диаметров труб в зависимости от любой кривизны их.

В условиях выполнения этих ограничений перемещение устройства в трубопроводах с криволинейной осью осуществляется с помощью тех же базовых конфигураций устройства, как и для прямых труб и по такому же трехтактному циклу (фиг.9а г). Отличие от движения в прямой трубе состоит в том, что процесс расправления колена в кривой трубе завершается тогда, когда все углы между звеньями соответствующей коленчатой группы достигнут указанного выше значения согласно показаниям датчиков 10. Как и в прямой трубе, реверсирование направления движения осуществляется инверсией цикла движения.

В случае, когда плоскость изгиба оси трубопровода изменяет положение в пространстве от некоторой точки на оси, устройство теряет возможность перемещения за эту точку из-за неперпендикулярности осей межзвенных шарниров плоскости изгиба. С помощью звена 3 можно повернуть оси шарниров 1, для чего устройство переводится в базовую конфигурацию на определенном расстоянии до указанной точки. Затем, опираясь на заднее колено, звено 3 ставится вдоль оси трубопровода, а предшествующие ему звенья собираются в неопорные треугольные колена (фиг.10) (формирование неопорного колена завершается выключением двигателей 6 при достижении заданных углов).

Затем включается двигатель 17 так, чтобы передняя часть звена 3 поворачивалась вокруг оси шарнира 14 вместе с предшествующими звеньями 2 до тех пор, пока оси предшествующих шарниров 1 не примут требуемое угловое положение. После этого двигатель 17 выключается и угол поворота поддерживается червячной парой 16. Процесс поворота контролируется по показаниям датчика 19. Последовательно поворачивая переднюю часть звена 3 и расправляя неопорные колена, устройство вводит за указанную точку такое количество звеньев, которое позволяют темп изменения плоскости изгиба и кривизна изгиба.

Далее формируется переднее опорное колено либо за точкой изменения плоскости изгиба, если введенных звеньев достаточно для этого, либо в окрестности ее, что также возможно при гладкости изменений поверхности трубы. После этого расфиксируется заднее опорное колено и формируется среднее опорное колено, перемещающее заднюю группу к этой точке. Затем вновь формируется заднее опорное колено и повторяется описанный процесс до тех пор, пока звено 3 не пройдет указанную точку. Положения устройства, число вводимых звеньев за цикл поворота и число таких циклов могут быть определены для конкретных параметров трубопровода и устройства. После прохождения звеном 3 этой точки выполняется поворот осей шарниров 1 звеньев, следующих за звеном 3, сочетаемый теперь с перемещениями передней группы. После прохождения этой точки устройство далее перемещается обычным образом.

Угловая подвижность звеньев в шарнирах 1 позволяет устройству перемещаться в трубопроводах, где осевая линия ломается под углом, а внутренняя поверхность изменяется скачком как в угольниках и отводах. Далее для участков с изломом оси будем различать первую и вторую их части, разделенные изломом и пронумерованные по направлению движения устройства. При перпендикулярности плоскости излома осям межзвенных шарниров устройство может ввести во вторую часть нужное число звеньев для образования в ней опорного колена, если оно может перемещаться в первой части, не используя эти звенья. Для этого необходимо либо оснащение устройства дополнительной четвертой коленчатой группой, либо выделение такой группы из имеющихся звеньев, если число N и диаметр угольника (отвода) позволяют это. Например, в базовой конфигурации (фиг. 7а) можно разделить среднюю коленчатую группу на две группы, проведя границу этих групп по любому концу звена 3. Напротив, базовая конфигурация (фиг.7б) требует оснащения дополнительной коленчатой группой, при этом число N возрастает до 17.

Тогда устройство может переходить из первой во вторую часть, используя для перемещения три коленчатые группы, находящиеся по разные стороны от стыка труб, и транспортируя звенья группы, находящейся в данный момент в области стыка. При этом процесс перемещения волны опорных колен организован так, что волна пропускает транспортируемую группу. Поэтому число тактов в рекуррентном цикле перемещения устройства также равно трем, а звенья транспортируемой группы должны лишь образовывать такие углы, чтобы звено, проходящее стык, не цеплялось за угол поверхности (фиг.11).

В том наиболее частом случае, когда угол примыкания отвода или другой стыкуемой трубы является прямым, возможность такого проведения звена определяется неравенством



где D1 и D2 внутренние диаметры стыкуемых труб, а arctg(D2/D1). Если корпуса звеньев оснащены телами качения, то в неравенстве нужно заменить величину d диаметра корпуса звена на величину диаметра d_p поверхности, описывающей корпус с телами качения. Для прямого стыка труб разных диаметров, когда оси труб параллельны, преодоление устройством ступени поверхности осуществляется так же, как и углового стыка. В этом случае ограничения на условия перемещения устройства те же, что и для прямых труб. После прохождения стыка труб устройство объединяет звенья второй и третьей групп в единую группу для продолжения движения обычным образом.

В том случае, когда плоскость излома осевой линии трубопровода не перпендикулярна осям шарниров 1, производится процедура по переориентации осей этих шарниров, подобная описанной для кривых труб. Поскольку в прямой трубе можно выполнить любой поворот осей шарниров, то переориентация осей выполняется за один цикл перед введением звеньев во вторую часть стыка труб.

Подобно тому, как одна из коленчатых групп не использовалась при прохождении устройством стыка труб, устройство может быть оснащено дополнительной передней коленчатой группой звеньев, которая входит в общее число M коленчатых групп устройства, а ее звенья входят в число (N 1) цельных и жестких звеньев. Тогда звенья этой группы могут использоваться не для перемещения устройства, а для транспортировки размещенного в них диагностического и чистящего оборудования и, совместно с другими звеньями, использоваться для манипулирования им. 2 4 6 8