устройство для механической очистки и обработки поверхностей "роп"

Формула изобретения

1. Устройство для механической очистки и обработки поверхностей, содержащее способный вращаться вокруг своей оси и одновременно перемещаться вдоль обрабатываемой поверхности ротор, включающий несущую конструкцию и шарнирно подвешенные к ней рычаги с присоединенными к каждому из них рабочим органом и дополнительным грузом, отличающееся тем, что несущей конструкцией служит расположенная перпендикулярно обрабатываемой поверхности ось ротора, вблизи торца которой размещены шарниры, обеспечивающие возможность качания подвешенных в них рычагов в плоскостях, параллельных оси ротора, причем рычаги крепятся в шарнирах своим концом, а на противоположном их конце нежестко закреплен рабочий орган, дополнительный груз закреплен на шатуне, подвешенном к рычагу в средней его части с помощью шатунного шарнира, ось которого перпендикулярна оси рычага, благодаря чему груз имеет возможность качаться независимо от рычага в плоскости, совпадающей с плоскостью качания рычага или параллельной ей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шатун состоит из шарнирно соединенных между собой звеньев.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что первое звено шатуна выполнено двуплечим, причем шатунный шарнир расположен между плечами, а одно из плеч шарнирно связано посредством жесткой тяги с осью ротора.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шатун выполнен в виде гибкой ленты.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий орган представляет собой зубчатый диск, например дисковую фрезу, а его крепление выполнено таким образом, что в случае резкого роста нагрузки, например, при контакте с препятствием, допускает проворот рабочего органа на некоторый угол вокруг его оси, а также его угловое отклонение и/или поперечное смещение от исходного положения с последующим возвращением в это положение при уменьшении нагрузки.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве рабочих органов используется абразивный инструмент, например шлифовальные или полировальные бруски, а их крепление выполнено таким образом, что допускает повороты брусков на некоторый угол в радиальной и тангенциальной плоскостях в соответствии с изменением углового положения обрабатываемой поверхности по траектории движения рабочего органа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике, преимущественно к нефтегазовому комплексу и машиностроению, и может быть использовано для очистки плоских и криволинейных поверхностей, в том числе поверхностей труб, от разного рода наслоений и покрытий, а также для подготовки к нанесению покрытий, шлифовки и полировки поверхностей.

Применяемые для очистки поверхностей произвольной формы песко- и дробеструйные установки, гидромониторы, электроимпульсные установки не являются аналогами предлагаемого устройства. Отдаленным аналогом могут служить машинки типа “болгарка”, рабочий орган которых - металлическая щетка или абразивный круг - в процессе работы вращается вокруг своей оси и перемещается по обрабатываемой поверхности. Другим отдаленным аналогом являются предназначенные для очистки наружной поверхности магистральных трубопроводов очистные машины ОМ и ОМЛ, а также машины по а.с. №1402380 и патентам РФ №2108875 и №2132245 (все - кл. В 08 В 9/02), включающие кольцевой ротор со скребковыми рабочими органами, прижимаемыми к очищаемой поверхности с помощью стяжного троса.

Наиболее близким аналогом служит предназначенная для той же цели машина МПП-820 Уфимского НПП “Август” (см. “Паспорт и инструкция по эксплуатации”). Ее очистное устройство содержит техническое решение, близкое к предлагаемому. Машина состоит из собственно очистного устройства - ротора, опорно-ходовой части и привода. Опорно-ходовая часть и привод обеспечивают заданное расположение ротора относительно очищаемой поверхности, его вращение и продольное перемещение. В предлагаемом устройстве опорно-ходовая часть может вообще отсутствовать, а конструкция привода не претендует на новизну. Поэтому сопоставляются только собственно очистные устройства - роторы.

В известной очистной машине ее ротор способен вращаться вокруг своей оси и одновременно перемещаться вдоль обрабатываемой поверхности. Ротор включает несущую конструкцию и шарнирно подвешенные к ней рычаги с присоединенными к каждому из них рабочим органом и дополнительным грузом. Причем несущая конструкция выполнена в виде расположенного соосно с обрабатываемой поверхностью полого разъемного цилиндра, по периметру которого размещены шарниры, обеспечивающие возможность качания подвешенных в них рычагов в плоскости, перпендикулярной оси ротора. Рычаги крепятся в шарнирах средней своей частью, а к их противоположным концам жестко прикреплены рабочий орган и дополнительный груз. Все рычаги соединены между собой стяжным тросом. В качестве рабочих органов используются скребки в виде толстых металлических пластин, привариваемых к рычагам, а также металлические щетки.

В процессе работы ротор с помощью опорно-ходовой части и привода вращается вокруг трубы и перемещается по ней. Вызванная вращением ротора центробежная сила дополнительных грузов передается рычагами на скребки и прижимает их к трубе. Происходит очистка ее поверхности. Ввиду большой ширины скребков центробежной силы грузов оказывается недостаточно. Дополнительное поджатие скребков обеспечивается натяжением стяжного троса.

Масса машины составляет несколько тонн. Для ее монтажа на трубе и подготовки к работе хорошо тренированной бригаде из 4-5 человек с подъемным краном требуется 2-2,5 часа. Поэтому применение таких машин оправдано лишь при сплошном ремонте больших участков труб. Между тем, только на магистральных трубопроводах АО “Транснефть” число локальных дефектов, устраняемых путем выборочного ремонта, исчисляется десятками тысяч в год (ж-л “Безопасность труда в промышленности”. 2000 г, №9. с.8). В этих случаях очистка производится вручную.

Жесткая связь элементов в системе рабочий орган - рычаг - дополнительный груз обусловливает большую инерционность этой системы. К тому же перпендикулярное поверхности положение передней грани скребка затрудняет преодоление им препятствий, например сварных швов. Все это приводит к частым случаям “срубания” швов скребком, что снижает прочность и надежность труб.

Преодолевая сварной шов, скребок по инерции пролетает некоторое расстояние, оставляя с тыльной стороны шва полоску неочищенной поверхности, которую приходится очищать вручную. В процессе работы, особенно при наличии сварных швов, происходит вытяжение стяжного троса, в результате чего ослабевает поджатие рабочих органов к поверхности и ухудшается качество очистки. Приходится останавливать машину и выполнять трудоемкую операцию регулировки натяжения троса. Такая же операция необходима для изменения усилия поджатия при изменении свойств покрытия или качества поверхности.

При очистке от пленочного покрытия, сцепление которого с поверхностью почему-либо ослаблено, скребок в своем винтовом движении вокруг трубы снимает непрерывную скручивающуюся ленту пленки. Ленты спутываются между собой и быстро образуют “бороду”, удаление которой также требует остановки машины и непроизводительных трудозатрат. Все это резко снижает достаточно высокую теоретическую производительность таких машин. Но главный их недостаток - узкая специализация, пригодность только для наружной обработки труб определенного диаметра.

Изобретение направлено на расширение области применения известного устройства и улучшение его эксплуатационных свойств. Поставленная техническая задача решается за счет изменения конструктивной схемы устройства и использования других рабочих органов. С этой целью в известном устройстве, содержащем способный вращаться вокруг своей оси и одновременно перемещаться вдоль обрабатываемой поверхности ротор, включающий несущую конструкцию и шарнирно подвешенные к ней рычаги с присоединенными к каждому из них рабочим органом и дополнительным грузом, согласно изобретению несущей конструкцией служит расположенная перпендикулярно обрабатываемой поверхности ось ротора, вблизи торца которой размещены шарниры, обеспечивающие возможность качания подвешенных в них рычагов в плоскостях, параллельных оси ротора, причем рычаги крепятся в шарнирах своим концом, а на противоположном их конце нежестко закреплен рабочий орган, дополнительный же груз закреплен на шатуне, подвешенном к рычагу в средней его части с помощью еще одного (шатунного) шарнира, ось которого перпендикулярна оси рычага, благодаря чему груз имеет возможность качаться независимо от рычага в плоскости, совпадающей с плоскостью качания рычага или параллельной ей. Возможно выполнение шатуна в виде шарнирно связанных между собой звеньев. К тому же первое звено шатуна может быть выполнено двуплечим, причем шатунный шарнир расположен между плечами, а одно из плеч шарнирно связано посредством жесткой тяги с осью ротора. Более того, шатун может быть выполнен в виде гибкой ленты. При этом рабочий орган представляет собой зубчатый диск, например дисковую фрезу, а узел его крепления выполнен таким образом, что в случае резкого роста нагрузки, например при контакте с препятствием, допускает проворот рабочего органа на некоторый угол вокруг его оси, а также его угловое отклонение и (или) смещение от исходного положения с последующим возвращением в это положение при уменьшении нагрузки. Кроме того, в качестве рабочих органов может использоваться абразивный инструмент, например шлифовальные или полировальные бруски. Причем крепление абразивных рабочих органов выполнено таким образом, что допускает их повороты на некоторый угол в радиальной и тангенциальной плоскостях в соответствии с изменением углового положения обрабатываемой поверхности по траектории движения рабочего органа.

Благодаря отказу от цилиндрического ротора, охватывающего обрабатываемую поверхность, и переходу к ротору - “ромашке”, обращенному к поверхности своим торцом, а также независимой подвеске дополнительного груза, обеспечивается возможность обработки поверхностей самых разных форм - плоских, выпуклых и вогнутых. Накладываются лишь два ограничения: радиус кривизны обрабатываемой поверхности должен быть не меньше некоторого минимально допустимого значения; на поверхности не должно быть препятствий, высота и крутизна стенок которых превосходят допустимые пределы. Помимо сказанного, предлагаемая схема ротора исключает необходимость монтажа устройства на трубе, что резко сокращает непроизводительные трудозатраты.

Благодаря нежесткому креплению рабочего органа к рычагу при контакте с препятствием скорость и направление движения связанных с рабочим органом масс изменяются не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, что значительно снижает ударные нагрузки.

В предлагаемом устройстве рабочий орган на каждом обороте ротора преодолевает сварной шов дважды - с одной и другой стороны. Это снимает характерную для известной машины проблему неочищенной полоски с одной стороны шва. Отпадает и необходимость периодической подтяжки стяжного троса ввиду его отсутствия. Исключается, видимо, и проблема “бороды”, т.к. рабочий орган снимает покрытие только на передней полуокружности своей траектории, т.е. короткими отрезками, к тому же не лентой, а тонкой стружкой.

Шарнирная подвеска дополнительного груза с помощью шатуна обеспечивает выравнивание усилия поджатия рабочего органа к криволинейной поверхности по всей траектории его движения, а также намного уменьшает инерционность системы рабочий орган - рычаг - груз, что дополнительно снижает ударные нагрузки при “прыжках” рабочего органа через препятствие. Применение многозвенного или гибкого шатуна, а также двуплечего первого звена шатуна позволяет повысить равномерность усилия поджатия рабочего органа или же уменьшить минимально допустимый радиус кривизны обрабатываемой поверхности.

Использование рабочих органов в виде дисковой фрезы дает целый ряд преимуществ. В отличие от пластинчатого скребка, диск входит в контакт с препятствием не “в лоб”, а вскользь. Возникающая при этом сила направлена таким образом, что приподымает рычаг, облегчая тем самым преодоление препятствия. Нежестко закрепленный диск способен проворачиваться и прокатываться по препятствию, что также облегчает его преодоление. И наконец, в случае притупления или выкрашивания части зубьев нет необходимости заменять фрезу. Достаточно провернуть ее на некоторый угол. Возможность проворота, кратковременного углового отклонения или смещения дискового рабочего органа от исходного положения способствует “срезанию” пиков нагрузки за счет растягивания процесса удара во времени и трансформации энергии удара в тепло трения и упругую энергию демпфирующего элемента.

Применение в качестве рабочих органов абразивного инструмента позволяет осуществить шлифовку и полировку поверхностей, причем не только металлических, но и каменных и даже деревянных. Возможность поворотов абразивных рабочих органов на некоторый угол необходима для прилегания абразива к обрабатываемой поверхности независимо от углового положения последней.

Изобретение поясняется чертежами, где схематически изображено предлагаемое устройство. На фиг.1,а рабочий орган показан в самом нижнем его положении, на фиг.1,б - в верхнем положении, например на “спинке” трубы. На фиг.2 показаны варианты устройства с двузвенным шатуном (а), с двуплечим первым звеном шатуна (б) и с шатуном в виде гибкой ленты (в).

Чертежи имеют следующие цифровые обозначения: 1 - ось ротора; 2 - основной шарнир; 3 - рычаг; 4 - узел крепления рабочего органа; 5 - рабочий орган; 6 - шатунный шарнир; 7 - шатун; 8 - дополнительный груз; 9 - пружина; 10 - защитный кожух; 11 - ручка; 12 - привод; 13 - упор; 14 - ложемент; 15 - дополнительный шарнир; 16 - жесткая тяга; 17 - гибкая лента.

Ротор устройства включает несущую конструкцию - ось 1 с основными шарнирами 2, подвешенные в этих шарнирах рычаги 3, закрепленные на рычагах с помощью узлов крепления 4 рабочие органы 5, подвешенные к рычагам посредством шатунных шарниров 6 и шатунов 7 дополнительные грузы 8 и соединенные с рычагами и осью пружины 9. Кроме ротора в состав устройства входят защитный кожух 10 с ручками 11 и механически соединенный с осью ротора привод 12. Привод может крепиться к защитному кожуху или располагаться отдельно.

Минимальное число рычагов с рабочими органами - два, но предпочтительны три или пять.

Основные конструктивные параметры ротора, а именно: соотношение масс рабочего органа (с узлом его крепления) и дополнительного груза, взаимное расположение элементов - рабочего органа, дополнительного груза, основного и шатунного шарниров, а также характеристика пружины определяются расчетным путем исходя из заданной величины усилия поджатия и условия постоянства этого усилия во всех точках траектории рабочего органа. Размеры устройства задаются исходя из его назначения и минимального радиуса кривизны обрабатываемых поверхностей. Уменьшение радиуса кривизны поверхности требует уменьшения диаметра ротора, в противном случае требование постоянства усилия поджатия не выполняется и качество обработки ухудшается. По расчетам диаметр ротора должен быть не больше радиуса кривизны поверхности.

На фиг.2 показаны варианты устройства, отличающиеся конструкцией шатуна и наличием упора 13 или профилированного ложемента 14. На фиг.2,а - вариант с двузвенным шатуном, звенья которого соединены дополнительным шарниром 15; на фиг.2,б - вариант с двузвенным шатуном, первое звено которого имеет два плеча, причем одно из них соединено посредством жесткой тяги 16 и дополнительных шарниров 15 с осью ротора 1. В варианте фиг.2,в шатун представляет собой гибкую ленту 17, имеющую возможность опираться на профилированный ложемент 14.

Могут применяться и стержневидные рабочие органы (резцы). При этом узел их крепления должен обеспечивать возможность кратковременного углового отклонения резца назад и вверх в момент удара о препятствие.

Узел крепления дисковидного рабочего органа может включать жестко соединенную с рычагом ось, фрикционную накладку и демпфер. Последний в свою очередь может содержать пластинчатую или другую пружину и упругую втулку из материала с высоким внутренним трением, например металлической резины МР. Такой узел крепления обеспечивает возможность проворота фрезы вокруг своей оси, ее кратковременного углового отклонения и (или) поперечного смещения при ударе о препятствие. Следует подчеркнуть, что крепление рабочего органа не должно быть упругим, иначе неизбежны колебания рычага и вызванное ими ухудшение качества обработки поверхности.

Узел крепления абразивного рабочего органа может включать, например, сферический шарнир и ориентирующую пружину. Для повышения качества обработки криволинейных поверхностей сам абразивный рабочий орган может выполняться секционированным, состоящим из отдельных элементов, имеющих возможность смещаться относительно друг друга.

В качестве привода устройства возможно использование электрических, пневматических или гидравлических двигателей, а также двигателей внутреннего сгорания, в том числе роторных. С целью уменьшения воспринимаемой оператором нагрузки от веса устройства привод может размещаться отдельно от него и соединяться с ротором гибким валом. В этом случае привод крепится либо на специальном подвесе, либо непосредственно к обрабатываемой или другой поверхности с помощью, например, магнитных присосок.

Кожух устройства для улучшения его защитных свойств может быть снабжен гибким фартуком, системой подвижных шторок или другим легко деформируемым кольцевым экраном, размещенным по периметру кожуха и отслеживающим изгибы обрабатываемой поверхности при перемещении устройства.

Для компенсации реактивного момента, вызванного сопротивлением вращению ротора, целесообразно с помощью шарниров (петель) соединять два устройства в конструкцию “чемоданного” типа. Направление вращения роторов должно быть противоположным. В случае частичного взаимного перекрытия роторов необходима синхронизация их вращения, например, с помощью зубчатого ремня или общего привода.

С целью повышения производительности устройства без увеличения размеров ротора и связанного с этим увеличения минимально допустимого радиуса кривизны поверхности возможно соединение нескольких роторов в одном агрегате. Такой многороторный агрегат должен иметь общую раму, форма которой определяется формой обрабатываемых поверхностей. Рама может быть разъемной, иметь опорно-ходовую часть и устройства для независимого изменения положения роторов.

В зависимости от веса и габаритов устройства возможно его выполнение в ручном, подвесном или навесном вариантах. Ручной вариант показан на фиг.1. Подвесной предполагает подвеску устройства на талях, стреле и т.п. с целью разгрузить оператора от веса устройства. Навесной вариант монтируется на обрабатываемой поверхности, например трубе.

Возможность применения предлагаемого устройства для очистки и обработки криволинейных поверхностей основана на том, что при всех допустимых в работе положениях рычага 3 момент от центробежной силы дополнительного груза 8 направлен противоположно моменту от суммы двух сил: центробежной силы рабочего органа 5 с узлом его крепления 4 и силы инерции этих же элементов в их поперечных колебаниях при круговом движении по неплоской поверхности. Оба этих момента приложены к рычагу и частично компенсируют друг и друга. Некоторую дополнительную компенсацию обеспечивает пружина 9. Нескомпенсированная разность моментов создает усилие поджатая рабочего органа к обрабатываемой поверхности. При правильном выборе конструктивных параметров ротора она почти постоянна по траектории движения рабочего органа.

В показанных на фиг.2 вариантах устройства с деформируемым шатуном положение точки приложения поперечной составляющей центобежной силы дополнительного груза 8 циклически меняется. Соответственно меняется и величина компенсирующего момента от этой силы. Это позволяет добиться более точного согласования двух моментов, особенно при малых радиусах кривизны обрабатываемых поверхностей. Величина силы поджатия рабочего органа зависит, в числе прочего, от расстояния между основными шарнирами 2 и поверхностью: чем оно меньше, тем сильнее поджатие, и наоборот. Поэтому регулирование усилия поджатия достигается простым осевым перемещением устройства.

Наименьшая величина колебаний усилия поджатия достигается в том случае, когда ось вращения ротора перпендикулярна обрабатываемой поверхности, точнее некоторой фиктивной плоскости, осредняющей данную криволинейную поверхность. Отклонение от перпендикулярности усиливает поджатие с той стороны, куда наклонена ось, и ослабляет с противоположной. Благодаря этой разности усилий возникает восстанавливающий момент, приложенный к ротору и стремящийся вернуть его ось к перпендикуляру. Устройство само приводится в положение, близкое к оптимальному, что упрощает работу оператора. Более того, зависимость усилия пожатия от наклона ротора может использоваться для местного улучшения обработки поверхности.

В процессе работы ротор вращается вокруг своей оси и вместе со всем устройством перемещается по обрабатываемой поверхности. Для ручного и подвесного вариантов их перемещение по поверхности, регулирование положения ротора и усилия поджатия осуществляются вручную; для навесного варианта - либо вручную, либо с помощью специального привода и автоматических или полуавтоматических регулировочных устройств.