Обнаружение дефектов в трубопроводах и канализациях

ВВЕДЕНИЕ

В современной промышлености и повседневной общественной жизни человечество не обходиться без трубопроводов и канализационных систем. Но со временем трубопроводы и канализационные системы засоряются, покрываются коррозией, прогнивают. Для обнаружения дефектов в трубопроводах и канализациях используют малогабаритный низкопрофильный робот «Видеокроулер» (в дальнейшемкроулер).

Визуальная оценка состояния обследуемой поверхности объекта предполагает зрительное восприятие ее изображения на некотором удалении от самого участка. Оптическое изображение у объекта дистанцируется потребителю (оператору) посредством технологических операций и технических устройств, объединенных в единую систему визуально-оптической дефектоскопии. Важными составными частями такой системы являются техника и технологии оптического обзора предметной поверхности.

При всех различиях в технике и технологиях, все виды контроля, в том числе и оптический, являются весьма ответственными и трудоемкими, требующими значительного психоэмоционального и физического напряжения. Значимость и объемы работ (например, все изделия литейного производства подвергаются стопроцентному осмотру) предъявляют повышенные эксплуатационные и эргономические требования к технике и технологиям визуального осмотра. Они для оператора должны быть сравнительно простыми, легко воспринимаемыми и производительными.

Наиболее прогрессивным направлением в оптическом виде контроля на сегодняшний день является эндоскопия, которая возникла в результате сближения и частичного слияния волоконно-линзовой оптики, с одной стороны и визуального контроля, с другой. Эта быстро развивающаяся область визуально-оптического контроля представлена большим количеством теоретических работ и многочисленными образцами оригинальных и высокотемпературных оптических систем, устройств и приборов различного назначения. Многие из этих оптических средств выпускаются промышленностью серийно. Для глубокого анализа труб используют низкопрофильные роботы кроулеры. Такие роботы способны проникнуть в трубы и помещения не доступные для человека на довольно большие расстояния. Это даёт высокие возможности проведения визуальной диагностики трубопроводов и помещений. Кроулеры обширно применяются в диагностике на большие расстояния, поэтому на рынке существует несколько модификаций таких роботов. Кроулеры нашли огромное применение в среде визуальной диагностики. Они могут быть использованы в различных сферах поиска, начиная от поиска потерянных предметов до поиска и диагностики дефектов труб. Такие низкопрофильные роботы сильно облегчили работу человека по устранению неисправностей. Дальнейшее развитие этой сферы диагностики всё больше и больше будет облегчать труд человека.

1. Известные способы и устройства диагностики состояния внутренней поверхности труб

1.1 Характеристик объекта контроля Основным объектом контроля в рамках данного курсового проекта являются стальные трубы внутренним диаметром от 110 до 500 мм. Согласно [2], трубы по наружному диаметру можно разделить на 3 группы:

— малого диаметра (от 10 мм до 114 мм);

— среднего диаметра (от 114 мм до 530 мм);

— большого диаметра (от 530 мм до 1620 мм).

Контролируемые объекты, попадают под категорию труб малых и средних диаметров. Толщина стенок, область применения, а также материал изготовления указан в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Некоторые характеристики стальных труб.

Основные дефекты, подлежащие выявлению проектируемым устройством при визуальном контроле состояния основного материала и сварных соединений трубопроводов:

— механические повреждения внутренних поверхностей;

— формоизменения изделий (деформированные участки типа выбоин и вмятин);

— поверхностные дефекты в корне сварного шва;

— выход трубы из ряда и других отклонений от первоначального расположения;

— коррозионный и эрозионный износ поверхностей.

Кроме того с помощью проектируемого устройства, в трубах можно производить поиск засоров и утерянных деталей.

К выявляемым дефектам корня сварного шва относятся следующие дефекты.

Вогнутость корня шва. Неглубокая канавка со стороны корня одностороннего сварного шва (рисунок 1.1 а).

Местное превышение проплава. Местный избыточный проплав сверх установленного значения (рисунок 1.1 б).

Наплыв. Избыток наплавленного металла сварного шва, натекший на поверхность основного металла, но не сплавленный с ним (рисунок 1.1 в).

Натёк. Металл шва, осевший от тяжести и не сплавленный с соединяемой поверхностью, нижнем или потолочном положении сварки (рисунок 1.1 г).

Непровар в корне шва. Несплошность по всей длине шва или на его отдельном участке, возникающая из-за неспособности расплавленного металла проникнуть внутрь соединения (рисунок 1.1 д).

Превышение проплава. Избыток наплавленного металла на обратной стороне стыкового шва (рисунок 1.1 е).

Рисунок 1.1 — Основные дефекты в корне сварного шва.

а — вогнутость корня шва; б — местное превышение проплава; в — наплыв; г — натёк; д — не провар в корне шва; е — превышение проплава;

1.2 Техника и технологии визуального осмотра Простейшим видом визуального контроля является традиционно выполняемый осмотр. В соответствии с нормативно-технологическими требованиями оператор (контролер) визуально оценивает фактическое состояние поверхности, отдельных ее участков и наиболее склонных к отклонениям элементов, зон и других областей. Для повышения восприимчивости потенциальных отклонений применяются оптические приборы увеличения изображений (лупы, микроскопы, бинокли).

В линзовых приборах визуального осмотра воспринимаемое изображение осматриваемого участка (зоны) формируется и передается оптической системой, построенной на элементах геометрической оптики. Посредством линзовых объективов, длиннофокусных цилиндрических световодов, оптических дефлекторов и других устройств осуществляется целенаправленное преобразование и передача всех элементов структуры осматриваемого предмета с их переносом к адекватному отображению у оператора. С помощью такой техники контролер больше и лучше видит и воспринимает увиденное и с учетом своего опыта и знаний по концептуальной модели делает заключение о дальнейшей пригодности изготовленного предмета. Такие действия осуществляются как при оценке готовой продукции, так и при определении объемов работ и его ремонтопригодности при восстановлении в процессе ремонта.

В каждом конкретном случае характер визуального осмотра определяется видом контроля. Например, при приемочном контроле осматривается состояние исходных комплектующих, материалов, сборочных единиц и других объектов. В операционном контроле визуально оценивается состояние изделия или полуфабриката на той или иной операции производственного процесса. При сдаточном контроле визуальный осмотр может быть некоторой составной частью всего комплекса контрольно-измерительных операций, предназначенных для установления полного соответствия фактического состояния изделия его стандартным требованиям. Т. е. сдаточный контроль для некоторого этапа производства является заключительным.

В зависимости от характера пространственного и технологического сосредоточения потенциально значимых аномальных отклонений и источников информации используются различные виды осмотра (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 — Виды визуально-оптического осмотра.

При случайном осмотре пространственно-временное положение участка может быть ограничено только имеющимися статистическими данными; как пространственные характеристики, так и качественные характеристики возможных дефектов не определены и не предсказуемы. Такая ситуация имеет место при отработке технологических режимов, выборе материалов, испытаниях и доводке конструктивных схем различных отливок и форм. Достоверность результатов определяется только статистическими данными и комбинированным применением разрушающих и неразрушающих методов контроля.

За счет ориентирования наблюдатель ведет целенаправленный осмотр технологически и конструктивно означенных мест (участков, зон). Такое ориентирование задается заранее предусмотренными технологическими точками (в авиационно-космической отрасли) или с помощью специальной технологической оснастки.

В дефектоскопии объектов со случайно распределенными по длине или в пространстве источниками информации эффективно применение сканирования предметной поверхности. Особо важное значение имеет сканирование внутренних поверхностей протяженных длинномеров с изменяющейся формой поверхности.

Выбор схемы сканирования преимущественно определяется конструктивными и габаритными особенностями объектов. Для длинномеров используются:

— сканирование вращательно-поступательным движением предметной поверхности со статически фиксированными неподвижными приемниками изображений;

— сканирование перемещающимся (вращательное, прямолинейное или совместное) приемником изображения при статически фиксированном положении предметной поверхности (рисунок 1.3).

а) б) в)

Рисунок 1.3 Схемы сканирования предметной поверхности.

Описание схем сканирования предметной поверхности:

(а) ссосредоточенными приемниками 1 на поверхности 2 объекта 3;

(б) передвижной приемник 1, поверхность 2;

(в)сканирование программное.1-сканер, 2-преобразователь,

3-канал передачи, 5 — органы управления и регулирования.

На контрольной позиции n-приемников 1 располагаются в соответствии с алгоритмом контроля и числом аппроксимированных участков по развертке предметной поверхности 2 (рисунок 1.3, а). Информация с поступательно перемещающегося и вращающегося объекта 3 считывается приемниками. Для протяженных длинномеров рациональнее схема сканирования подвижным приемником 1, перемещающимся относительно предметной поверхности объекта 2 (рисунок 1.3, б).

Посредством сканирующего устройства 1 производится непрерывное восприятие изображения предметной поверхности объектаО (рисунок

3.9, в) в различных его участках. Сканируемое оптическое изображение одновременно передается напреобразователь 2, согласующий его параметры с соответствующими параметрами канала передачи 3. Вся координация операций сканирования на первичном уровне осуществляется органами регулирования 5 и управления 4 с необходимыми механическими а, электрическими bи оптическими c связями. При необходимости наблюдатель может производить повторный (неоднократный) просмотр сомнительных мест за счет реверсивного привода.

Осмотр динамических объектов на основе метода наложения первичного изображения обследуемого места (элемента конструкции) и изображения эталона (образца) реализуется по схеме стробирования. Для обеспечения стробоскопического эффекта наблюдаемый элемент освещается частотно-фазовым регулируемым светом, передаваемым по осветительному световоду. Фиксируемое изображение по информационному световоду передается в устройство регистрации и для зрительного восприятия наблюдателем.

Посредством сканирования и стробирования значительно улучшается качество дефектоскопии, особенно труднодоступных, сложно-профильных и динамических объектов.

1.3Технические средства визуально-оптической дефектоскопии В технологическом контроле объектами дефектоскопии выступают как отдельные детали, узлы и целые конструкции, так и машины и аппараты. Выбор методов дефектоскопии и их применимость определяется результатами анализа конструкторско-технологической документации, условиями ремонтопригодности, технико-экономическими и другими показателями. Особенно для сложных объектов литейного производства эффективно применение визуально-оптических методов и технологий, позволяющих наблюдать и оценивать реальное состояние труднодоступных участков без разрушения и демонтажа.

Визуальный контроль внутренних поверхностей является весьма трудоемкой и ответственной операцией и используемые технические средства и технологии контроля должны быть сравнительно просты в пользовании. При всей своей специфичности они должны быть хорошо и быстро осваиваемыми и не требовать высокой квалификации.

Массогабаритные параметры изделий, производственная структура производственных цехов и участков зачастую ограничивают применение стационарных контрольно-измерительных комплексов. Более употребительными являются переносные, малогабаритные и эргономически удобные волоконно-оптические или жесткие эндоскопы с автономными и стационарными осветителями.

Эндоскопы или бароскопы — это смотровые приборы, построенные на базе волоконной и линзовой оптики и механических устройств.

Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта контроля с помощью специальной оптической системы (часто типа микроскоп, телескоп), позволяющей передавать изображение на значительные расстояния (до нескольких десятков метров) с отношением эффективной длины эндоскопа Lк его наружному диаметру d: L/d>>1.

Современный серийный эндоскоп является универсальным оптико-механическим прибором, обеспечивающим любой вид визуальной диагностики и контроля внутри закрытого пространства на значительную глубину (практически до 30 м).

Использование в эндоскопах холодных источников света высокой яркости открыло безопасный метод контроля поверхностей в полостях, содержащих взрывчатые материалы, жидкости или газы, а также обеспечило качественное фотографирование, киносъемку и телевизионную передачу изображения указанных поверхностей при малых размерах входного отверстия контролируемой полости.

Эффективные методы жидкого и газового охлаждения позволяют использовать эндоскопы в горячих местах ядерных реакторов, ракетных установок и металлургических печах при температуре до 2000 °C.

Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.

Линзовые (жесткие) эндоскопы.

Оптическая схема современного типичного линзового эндоскопа показана на рисунке 1.4.

Рисунок1.4Схема линзового (жесткого) эндоскопа.

Описание линзового эндоскопа: 1 — объектив; 2 — металлическая трубка; 3 — система оборачивающих линз; 4 — световод, передающий световую энергию от источника в металлическую трубку для освещения ОК; 5 — окуляр.

Освещенное, с использованием световода, изображение участка объекта контроля (ОК) передается наблюдателю по цепочке, содержащей линзы объектива, иногда и призм, систему поворачивающих линз, служащих для увеличения эффективности рабочей длины прибора, и линз окуляра. Эндоскопы этого типа снабжаются системой фокусировки, позволяющей получать резкое изображение анализируемого участка ОК как в ближней, так и в дальней зоне. Управляя поворотной ручкой, можно поворачивать трубку на угол более 360° и легко изменять анализируемый участок ОК.

Вводимые в ОК элементы линзового эндоскопа работоспособны при температурах (от -40 до +150)°С и под давлением4 атм. Водонепроницаемая конструкция трубки эндоскопа позволяет вести контроль в воде и масле. Линзовыми эндоскопами можно контролировать стены зданий, поверхности разнообразных трубопроводов, авиационные двигатели, автомобильные литые детали и т. п. и обнаруживать царапины, трещины, коррозионные пятна, выбоины и другие дефекты размерами (0,03 … 0,08) мм в изделиях длиной 10 м и диаметром (5 … 100) мм и более.

Линзовые эндоскопы обычно представляют собой жесткую конструкцию. Но уже созданы приборы, имеющие участки корпуса с гибкой оболочкой, изгибающиеся в пределах 5° … 10°[1].

Волоконно-оптические эндоскопы.

Возможности технической эндоскопии существенно расширены, благодаря созданиюволоконно-оптических элементов.

Волоконные световоды представляют собой набор тонких стеклянных светопроводящих волокон диаметром 9 мкм… 30 мкм, собранных в жгут. Каждый элементарный световод (волокно с большим показателем преломления) покрыт снаружи тонким слоем (1 мкм … 2 мкм) стекла с более низким показателем преломления.

На границе волокно-покрытие происходит полное внутреннее отражение света, входящего в основное волокно, что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением (рисунок 1.5). При значительных размерах световода число отражений бывает более 10. Это приводит к ослаблению сигнала, которое связано с длиной световода экспоненциальной зависимостью.

Рисунок1.5 — Структурные схемы волоконныхсветоводов.

а — с прямыми торцами; б — с косыми торцами; в — изогнутые; г — фокен (уменьшает размеры передаваемого изображения); д — афокен (увеличивает размеры передаваемого изображения).

Для работы в ультрафиолетовой области используют кварцевые волокна, прозрачные в диапазоне 0,2 мкм … 4 мкм.

В инфракрасном диапазоне (0,9 мкм … 10 мкм и более) применяют волокна из специальных халькогенидных бескислородных стекол.

Световоды для передачи световой энергии изготовляют из беспорядочно уложенных волокон диаметром около 30 мкм.

Для передачи изображения используют пучок волоконно-оптических элементов с упорядоченной структурой. При этом число элементарных волокон может превышать 106 на 1 см² при диаметре волокон 9 мкм. Торцы световодов полируют. При использовании световодов следует иметь в виду, что они могут сильно деполитизировать проходящий свет.

Разрешающая способность серийных световодов составляет в среднем 15ммП№…20 ммП№. Лучшие образцы могут иметь разрешающую способность до 50 ммП1.

В целом волоконные световоды, используемые в эндоскопах, пока уступают по качеству изображения линзовым системам. Однако разрабатываются меры по устранению мозаичной структуры изображения в световодах и повышению их разрешающей способности.

Волоконные световоды обладают преимуществами, делающими их незаменимыми при решении многих задач. Так, они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Высокая световая эффективность световодов используется при создании осветительных систем эндоскопов. При этом источник света располагается вне прибора, что позволяет исключить нагрев изделия.

Волоконные осветители «холодного» света могут иметь торцы любой формы, например кольцевой, что обеспечивает высокую равномерность освещения объекта.

Особенности оптических схем эндоскопов.

Технический прогресс в промышленной эндоскопии неразрывно связан с решением таких важных задач, как большое поле зрения, отсутствие искажений изображения, точная передача цветов и необходимая яркость.

Самые яркие изображения получают эндоскопами малой длины и большого диаметра. При увеличении длины эндоскопа изображение становится менее ярким из-за потерь света в дополнительных оптических элементах, устанавливаемых для передачи изображения на достаточно большие расстояния. Для минимизации таких потерь оптические элементы просветляют.

В зависимости от длины телескопического участка изображение требует горизонтального, вертикального, либо двойного перевертывания (инверсии). Такое преобразование осуществляется в окулярном устройстве с помощью корректирующих линз в эндоскопах малого диаметра или оборачивающих линз в эндоскопах большого диаметра. Часто окулярные устройства бывают сменной конструкции на различные увеличения.

Рабочее расстояние, при котором может быть надежно визуально проконтролирован ОК при достаточной яркости изображения его поверхности, зависит от коэффициента отражения поверхности, длины эндоскопа, типа и увеличения окулярного устройства, углового поля зрения, а также типа наблюдения (обзора его поверхности). Поэтому далее коротко рассмотрим особенности эндоскопов с различными типами обзора поверхностей ОК.

Прямонаправленный (прямой) обзор. Тип I, дающий прямое (торцовое) наблюдение на угол визирования, применяется для контроля торца или дна канала, или штуцера. Эндоскопы с таким типом обзора имеют типичное угловое поле зрения около 45° (линейное поле зрения 20 мм на расстоянии 25 мм от линзы до поверхности ОК). Для освещения поверхности ОК в таких эндоскопах могут быть применены малогабаритные лампочки, расположенные по окружности, в центре которой имеется отверстие для прохождения отраженного от ОК света. Такая объективная часть не используется при малых рабочих расстояниях и при контроле небольшого участка в глухих отверстиях.

Косоприцеленный вперед обзор. Тип II, дающий наблюдение, наклонное вперед на угол визирования 25° и 45°, применяется для контроля, например, сварных швов в торце. В таких эндоскопах источники света обычно монтируются на дистальном конце эндоскопа. Размер поля контроля можно увеличивать при вращении направления визирования относительно оптической оси эндоскопа.

Боковой обзор. Тип III, обеспечивающий боковой контроль с углом визирования 90°, используется при детальном контроле стенок ОК с достаточно большим увеличением. Это эффективный прибор для визуального контроля стволов ружей, пистолетов, цилиндрических стенок или углубленных отверстий. Эндоскопы этого типа обычно снабжаются источником света, размещенным перед линзой объектива.

Ретроспективный обзор. Тип IV, обеспечивающий наклонные наблюдения назад на угол 135°, используется для контроля задних торцовых стенок, отверстий с внутренними уступами и т. п.

Панорамный (кольцевой обзор). Тип V обеспечивает высокопроизводительный осмотр цилиндрической полости сразу по всей кольцевой поверхности ОК. Объектив такого эндоскопа может обозревать цилиндрическую полосу с угловой шириной 30є по всей окружности отверстий.

Конструкции дистальных концов эндоскопов для различных типов направлений визирования показаны на рисунке 1.6.

Несмотря на свои преимущества перед жёсткими эндоскопами, гибкие волоконно-оптические эндоскопы тоже обладают некоторыми недостатками, которые особенно проявляются при контроле внутренней поверхности труб.

Во-первых, это длина гибких эндоскопов. В большинстве случаев, она составляет от 0,5 до 3 метров и этого, естественно, не достаточно для контроля объектов большой длины. С увеличением длины эндоскопа многократно возрастает его стоимость, т.к. качественное оптоволокно на сегодняшний день стоит не дёшево. К примеру, качественный эндоскоп ЭТГ 10−2,7 Российского производства с диной кабеля 2,7 м и диаметром рабочей части 10 мм, по состоянию на февраль 2010 года стоит 102 000 российских рублей (? 3200 у.е.).

Рисунок 1.6- Конструкции дистальных концов эндоскопов для различных типов направлений визирования.

I — прямонаправленный; II и III — косоприцельный и боковой; IV — ретроспективный; V — панорамный.

Во-вторых, это качество изображения. В результате многократных отражений в оптоволокне, световой сигнал испытывает ослабление, что приводит к ухудшению видимого изображения на окуляре. Для увеличения разрешающей способности изображения, требуется увеличить количество оптических волокон в кабеле, что в свою очередь ведёт к увеличению диаметра кабеля и как следствие, к удорожанию эндоскопа.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что для контроля внутренних поверхностей достаточно длинных объектов, необходимо создание иного устройства. Одним из таких устройств является «Видеокроулер». Кроулеры — это устройства, предназначенные для самостоятельного перемещения по ОК и несущие на своём борту аппаратуру для его контроля. Кроулеры, как правило, делаются на колёсном ходу, но существуют также модели и для перемещения на плаву.

Круг задач, решаемых с помощью кроулеров, следующий:

а) контроль коррозионного состояния внутренних поверхностей труб;

б) контроль задымлённости и затуманенности труб;

в) визуальный осмотр сварных швов;

г) поиск засоров.

Области применения кроулеров:

а) воздушные каналы и кабелепроводы;

б) маслои паропроводы;

в) малые сосуды высокого давления и резервуары;

г) паросборники.

1.4Обзор готовых решений, имеющихся на рынке Низкопрофильный роботROVVER 400[5]оценен во всем мире за его широкую универсальность. Система ROVVER 400 (рисунок 1.7) имеет модульную конструкцию, и максимальную адаптируемость. Обеспечивает широкий обзор в горизонтальной трубе или туннеле с помощью курсовой телевизионных камер. Обе камеры имеют дистанционно-регулируемый фокус и всегда дают четкую картинку.

Рисунок 1.7 — РоботROVVER 400.

Таблица 1.2 — Технические данные робота ROVVER 400.

Достоинства низкопрофильного робота ROVVER 400 в том, что система имеет модульную конструкцию, и максимальную адаптируемость. Обеспечивает широкий обзор в горизонтальной трубе или туннеле с помощью обзорной или курсовой телевизионных камер.

Недостатками низкопрофильного робота является жёстко закреплённая камера, невозможность заменить колёса, дистанция осмотра робота не превышает 200метров. Не имеет интеллектуального управления.

Низкопрофильный робот ROVVER 900[5] несет курсовую и обзорную цветные видео камеры, с которыми может осуществлять поиск и осмотр на расстоянии до 200 м. Эти характеристики идеально удовлетворяют многие потребности из-за его модульной конструкции и способности осмотреть внутренние трубы с диаметрами, большими, чем 225 мм. Управляемая платформа системы ROVVER (рисунок 1.8) позволяет оператору поднимать и опускать камеру, управлять фокусировкой и освещением, управлять сцеплением и направлением движения транспортера, когда на пути его движения встречаются препятствия.

Рисунок 1.8 — РоботROVVER 900.

Таблица 1.3 — Технические данные робота ROVVER 900.

Достоинства робота в том, что он имеет обзорную камеру.

Недостатки в том, что диаметр осмотра труб больше 225 мм, длина осмотра трубы не более 200 м. Не имеет интеллектуального управления.

Низкопрофильный робот P-200 — это комплекс на базе колёсного самоходного робота с цветной видеокамерой, имеющей функцию увеличения (10-х оптическое и 4-х цифровое). Робот (рисунок 1.9) заполняется сухим азотом для предотвращения конденсации влаги внутри корпуса и на стекле видеокамеры при работе в условиях перепада температур. Предназначен для телеинспекции трубопроводов диаметром от 250 мм до 1500 мм. Определяет профиль залегания трубопровода на основе показаний датчика тангажа. Наличие системы бортового поворота для маневрирования в трубах. Пантографический механизм подъёма видеокамеры обеспечивает расположение видеокамеры по оси трубопровода в трубах диаметром до 1200 мм.

Рисунок 1.9 — РоботP-200.

Достоинства робота в том, что он имеет обзорную камеру.

Недостатки в том, что диаметр осмотра труб больше 225 мм, длина осмотра трубы не более 200 м. Не имеет интеллектуального управления.

Низкопрофильный робот ROVVER 600[5]- мобильный и универсальный способ инспекции трубопроводов. Идеально подходит для различных применений благодаря его модульной конструкции и его способности осматривать внутренности труб с диаметрами в пределах от 150 мм до 900 мм. Это малый гусеничный робот в своем классе, что дает ему способность пройти через замусоренные трубы, большие выступы, и выдающиеся трубные швы. Дистанционное управление робота ROVVER (рисунок 1.10) дает способность контролировать фокус и освещение, а также направлять ход, когда есть препятствия, типа мусора или ответвлений.

Рисунок 1.10 РоботROVVER 600

Достоинства робота в том, что он имеет обзорную камеру.

Недостатки в том, что диаметр осмотра труб больше 225 мм, длина осмотра трубы не более 200 м. Не имеет интеллектуального управления.

Таблица 1.4 — Технические данные робота ROVVER 600.

Из вышеприведённого обзора видно, что на сегодняшний день на рынке кроулеров присутствует немало качественных разработок. Однако подавляющее большинство моделей не предназначено для контроля труб диаметром порядка 110 мм. Кроме того, все разработки имеют импортное происхождение, что ведёт к увеличению их стоимости для конечного потребителя. К примеру, цена некоторых кроулеров в полной комплектации (вместе с промышленным ноутбуком) может составлять порядка 18 000 у.е.

Поэтому возникает вопрос о целесообразности создания малогабаритного кроулера, предназначенного для контроля труб относительно небольших диаметров (от 110 до 500 мм). Готовое решение предполагается быть более простым, по сравнению со своими аналогами, однако и более доступным по цене.

2. Выбор механических и электронных устройств

2.1 Концепция построения проектируемого мехатронного устройства Разрабатываемое устройство должно иметь способность инспектировать трубы диаметром от 110 мм.

Робот должен иметь один двигатель. Для того чтобы иметь возможность поворачивать внутри трубы колёса у кроулераимеют скос, это даёт возможность повернуть в трубе диаметром 110 мм и углом поворота более 500 мм.

Камера установлена в передней части низкопрофильного робота, что не изменяет габариты кроулера.

Кроулер должен работать в сложных условиях, поэтому корпус и детали должны быть сделаны из нержавеющих деталей.

Датчики расстояния установлены под камерой, что не мешает камере.

Датчики положения установлены на внутренней части корпуса, а также на поворотных частях камеры.

2.2 Разработка структурной схемы установки контроля На начальном этапе проектирования любой установки необходимо разработать и составить структурную схему установки контроля.

Схемы структурные и функциональные предназначены для общего ознакомления с изделием и для изучения общих принципов работы изделия.

Данные схемы разрабатывают на этапах эскизного и технического проектирования. Они определяются сложностью изделия и необходимостью обеспечить исходными данными последующий этап проектирования.

На структурной схеме в виде прямоугольников должны быть изображены все основные функциональные части изделия. Допускается изображать элементы, устройства, функциональные части в виде условных графических обозначений (УГО). Основные составные части изделия изображаются, как правило, без учета их действительного расположения и подробностей. Однако графическое построение схемы должно наглядно показывать взаимодействие функциональных частей в изделии.

На схеме должны быть показаны взаимосвязи электрические и, при необходимости, механические, существующие между функциональными частями. На линиях взаимосвязи можно стрелками показывать направление хода процессов, происходящих в изделии. Графическое построение структурной схемы должно наглядно показывать взаимодействие функциональных частей в изделии.

Структурная схема применяется для изучения принципов работы при наладке, регулировке, контроле и ремонте. Структурная схема состоит из следующих блоков:

— объект контроля;

— датчик горючих газов;

— осветительное устройство;

— видеокамера;

— передвижная платформа;

— многожильный соединительный кабель;

— газоанализатор;

— блок управления;

— видеорегистратор;

— блок питания.

Структурная схема установки контроля представлена на чертеже ПРМС 76 190 000.002 С1.

2.3 Выбор структурных элементов и основные требования к ним Опишем требования и назначение для каждого блока структурной схемы и определим выбор или его дальнейшую разработку.

Датчик горючих газов предназначен для измерения объёмной концентрации углеводородов, которые находятся (метан, пропан) или могут находится в газообразном состоянии (бензин) при нормальных условиях внутри ОК.

Осветительное устройство должно обеспечивать освещённость ОК, достаточное для его визуально-оптического осмотра.

Видеокамера выполняет роль первичного приёмника в электронно-оптической схеме. С помощью неё и осуществляется визуально-оптический осмотр внутренних поверхностей ОК.

Передвижная платформа предназначена для перемещения по ОК осветительного, измерительного, регистрирующего, и другого оборудования. Для передвижения по ОК, кроулер оснащается электроприводом, который передаёт вращение на рабочий орган (колесо или гребной винт).

Многожильный соединительный кабель служит для передачи информационных сигналов от видеокамеры и датчика горючих газов к видео регистратору и газоанализатору соответственно. От блока управления сигнал может подаваться на управление электроприводом, осветительным устройством, видеокамерой. Также через кабель происходит снабжение всех систем кроулера электроэнергией.

В качестве газоанализатора может применяться любой переносной прибор, способный работать с полупроводниковыми датчиками горючих газов. Прибор должен быть согласован с датчиком, как по типу определяемого газа, так и по диапазонам измерения.

Блок управления служит для манипуляции различными системами кроулера. Например, интенсивностью осветительных устройств, скоростью и направлением вращения электропривода.

В качестве видеорегистратора может быть использован портативный ЖК-монитор. Однако, наиболее приемлемым вариантом будет использование ноутбука с наличием видео входа. Это позволит записывать результаты контроля в видео или графический файл, для их последующего просмотра и вывода на печать.

Блок питания обеспечивает все электрические системы кроулера энергией. Он должен выдавать постоянный ток требуемого напряжения, а его мощности должно хватать для обеспечения работы кроулера в течение достаточно продолжительного времени.

2.4 Двигатели и редукторы По техническим данным максимальная длина обследуемой части трубы должна составлять 500 м. Для этого необходимо использовать многожильный кабель соответствующей длины. Для решения этой задачи был выбран 8-ми жильный кабель КСПВ производства фирмы «Паритет» (РФ). Данный тип кабеля предназначен для использования в системах сигнализации и телекоммуникации. Технические характеристики кабелей данного типа представлены ниже[11].

Таблица 2.1 — Технические характеристики кабелей КСПВ.

Из таблицы видно, что удельная масса 8-ми жильного кабеля составляет 20,62 г/м. Следовательно, масса кабеля длинной 500 м составит:

(2.1)

Кроме того предполагается, что масса самого кроулера не превысит двух килограмм. Следовательно, максимальная масса груза, которую необходимо перемещать не превысит 12,5 кг.

После предварительного эскизирования положения кроулера в трубе диаметром 110 мм, было выяснено, что для эффективного использования всего свободного пространства трубы такого диаметра, угол скоса колёс должен составлять 50°, а ширина колес 10 мм. Скос колёс нужен для того, чтобы во время продвижения по трубам с малым радиусом кривизны, кроулер всё время сохранял прямой курс. Диаметр колёс был конструктивно выбран равным 70 мм, а зазор между колесом и корпусом кроулера3 мм.

Ширина платформы видеокроулера составила при этом 50 мм. Из этого следовало, что двигатель, необходимый для передвижения кроулера с общей массой 12,5 кг, нужно располагать вдоль платформы, а для передачи вращательного движения на колёса, потребуется конический редуктор.

Основные характеристики передач:

— мощность Р1 на входе и Р2 на выходе, Вт;

— быстроходность, которая выражается частотой вращения n1 на входе и n2 на выходе, мин-1, или угловыми скоростями щ1ищ2, с-1.

Эти характеристики минимально необходимы и достаточны для проектного расчёта любой передачи.

Проведём энергетический и кинематический расчёт привода. Исходными данными для этого расчёта являются:

— максимальная масса кроулера вместе с проводом: m = 12,5 кг;

— максимальная скорость кроулераv = 0,1 м/с;

— ускорение свободного падения: g = 9.8 м/с2;

— коэффициент сопротивления перекатыванию: fk = 0.08 (приближённо);

— коэффициент сопротивления качению: Х = 10 (приближённо);

— КПД всего привода: з0 = 0.7 (конструктивно);

Вес тележки G:

(2.2)

Сила сопротивления качению F:

(2.3)

Сила сопротивления движению кроулераFc:

(2.4)

Мощность, потребляемая рабочим органом Рс:

(2.5)

Мощность, потребляемая электродвигателем Рэд:

(2.6)

Угловая скорость вращения колеса щКОЛ:

(2.7)

Частота вращения колеса nКОЛ:

(2.8)

В качестве силовой установки былопринято решение использовать коллекторный микродвигатель постоянного тока. Эти двигатели находят широкое применение в системах автоматики, телемеханики, в вычислительной технике, выполняя различные, порой уникальные функции. Электрические микромашины отличаются от машин средней и большой мощности не только малыми размерами. Для них характерны очень широкие диапазоны частоты вращения (от одного оборота в сутки для двигателя с редуктором, до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту), иное соотношение активных и индуктивных сопротивлений обмоток, относительно большое значение тока холостого хода (до 90%), мало или практически совсем не насыщенные магнитные цепи, значительно меньшие потери в стали по сравнению с потерями в обмотках, большие плотности тока в обмотках. Недостатком данных двигателей по сравнению с шаговыми приводами, является невозможность точного позиционирования вала. Вместе с тем, когда не требуется прецизионное позиционирование, а только управление скоростью, коллекторный двигатель постоянного тока с редуктором является наиболее экономичным решением, поскольку, в отличие от шаговых двигателей, не требует сложных схем управления. Это очень важно, так как стоимость схемы управления шаговым двигателем сопоставима со стоимостью самого двигателя. Кроме того проблема позиционирования вала, может частично решаться установкой оптических и магнитных энкодеров (датчиков Холла).Несмотря на скромные габариты уровень вращающего момента и допустимые скорости вращения впечатляюще высоки.

Исходя из расчётной мощности двигателя и ширины платформы, был выбран мотор-редуктор серии IG-32GM фирмы KING RIGHT MOTOR[13] (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Мотор-редуктор IG-32GM.

Мотор-редуктор серии IG-32GM состоит из реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока и планетарного редуктора. Электродвигатель необслуживаемый. Двигатель может снабжаться энкодером. Передаточные числа редукторов 5~721. Количество ступеней 1~4. Температурный диапазон эксплуатации от -10°С до +50°С. Модуль зубчатых колес 0,5 мм. Радиальное биение выходного вала редуктора не более 0,05 мм, осевое биение не более 0,3 мм.

Рисунок2.2 — Габаритные и присоединительные размеры мотор-редуктора IG-32GM.

Напряжение питания двигателя 12 В. Выходная мощность 20 Вт. Номинальная частота вращения данного двигателя nЭДсоставляет5300 мин-1. Следовательно, общее передаточное число всего привода U0:

(2.9)

Передаточное отношение следует разделить на 2 ступени. Первой ступенью будет являться планетарный редуктор, который встраивается в мотор-редуктор IG-32GM, а второй ступенью будет являться конический редуктор. Исходя из габаритных характеристик, из поставляемых к данному электродвигателю понижающих передач, был выбран планетарный редуктор с передаточным числом равным U1 = 14. Следовательно, передаточное отношение конического редуктораU2 должно составлять:

(2.10)

Исходя из габаритных характеристик (ширина платформы) и передаточного отношения, был выбран конический редуктор с двумя выходными валами фирмы SHAYANG YE INDUSTRIAL (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Конический редуктор с двумя выходными валами.

Некоторые характеристики данного устройства:

— передаточное отношение U = 12;

— масса m = 210 г;

— номинальный срок службы t = 12 000 ч.

Для детального осмотра поверхности труб удобнее использовать вращающуюся камеру. Из этого условия выходит, что камера должна вращается в двух плоскостях, а это значит, что поворотный механизм имеет два двигателя. Так как механизм должен поворачиваться на определённый угол то для поворота используют шаговый двигатель.

Проведём энергетический и кинематический расчёт поворотного механизма для поворота камеры в плоскости перпендикулярной оси кроулера. Исходными данными для этого расчёта являются:

— максимальная масса поворотного механизма: m = 500 г =0,5 кг;

— максимальная скорость поворотного механизмаv = 0,03м/с;

— ускорение свободного падения: g = 9.8 м/с2;

— коэффициент сопротивления перекатыванию: fk = 0.08 (приближённо);

— коэффициент сопротивления качению: Х = 10 (приближённо);

— КПД всего поворотного механизма: з0 = 0.7 (конструктивно).

Вес поворотного механизма G:

(2.11)

Сила сопротивления качению F:

(2.12)

Сила сопротивления движению поворотного механизмаFС:

(2.13)

Мощность, потребляемая рабочим органом РС:

(2.14)

Мощность, потребляемая электродвигателем Рэд:

(2.15)

Угловая скорость вращения камеры щКОЛ:

(2.16)

Частота вращения колеса nКОЛ:

(2.17)

По данным расчёта для поворота камеры перпендикулярно плоскости робота используем двигатель серии 25BYT24−01.

Электродвигатели 25BYT24−01 — серия наиболее удобных в эксплуатации шаговых двигателей. Для большинства из них напряжение питания в квазистатическом режиме составляет 9 В.

Это обуславливает их широкое распространение в дисководах, факсимильных аппаратах, принтерах, копировальных машинах и бытовой технике. Весьма востребованным является исполнение с минимальным осевым габаритом (длина 20 мм).

Таблица 2.2 Характеристика шагового привода 25BYT24−01.

Рисунок 2.4 — Схема двигателя 25BYT24−01.

Для передачи движения с двигателя на поворотный механизм воспользуемся зубчатой передачей с коэффициентом передачи равным 1. Это даёт возможность пропустить через крышку поворотного механизма электрические проводники, а также облегчить соединение с двигателем.

Первый вопрос, возникающий при построении зубчатого колеса — правильное построение профиля зуба.

Размеры зубьев с эвольвентным профилем определяют параметры, характеризующие положение любой точки эвольвенты. Эвольвента представляет собой развертку основной окружности диаметром Db в виде траектории точки прямой, перекатывающейся без скольжения по этой окружности.

Исходными данными для расчета, как эвольвенты, так и зубчатого колеса являются следующие параметры: m =1 — модуль, часть диаметра делительной окружности приходящаяся на один зуб.

Модуль — стандартная величина и определяется по справочникам.

z — количество зубьев колеса.

б — угол профиля исходного контура.

Угол является величиной стандартной и равной 20°.

Для нашего редуктора возьмем следующие данные:

m = 1;

z = 15;

б = 20°.

Делительный диаметр — это диаметр стандартного шага, модуля, и угла профиля. Он определяется по формуле:

D = m · z. (2.18)

т.е.

D=1· 15=15 мм.

Определим кривые ограничивающие эвольвенту. Этими кривыми являются: диаметр вершин зубьев и диаметр впадин зубьев.

Диаметр вершин зубьев определяется по формуле:

Da = D+2· m. (2.19)

т.е.

Da = 15+(2· 1) = 17 мм.

Диаметр впадин зубьев определяется по формуле:

Df = D — 2· (c + m) (2.20)

где с — радиальный зазор пары исходных контуров.

Он определяется по формуле:

с = 0,25· m. (2.21)

т.е.

с = 0,25· 1 = 0,25.

Соответственно:

Df = 15 — 2· (0,25 + 1) = 12,5 мм. (2.22)

Диаметр основной окружности, развертка которой и будет составлять эвольвенту, определяется по формуле:

Db = cos б · D. (2.23)

т.е.

Db = cos 20° · 15 = 14,095 мм.

Основные данные необходимые для построения эвольвенты получены. Теперь получим уравнение эвольвенты в полярных координатах. Уравнение представляется двумя параметрами: Текущим радиусом — вектором и эвольвентным углом. Определим эти параметры. Для определения эвольвентного угла (inv бt) нам необходимо задаться углом профиля зуба (бt) в торцевом сечении.

invбt = tgбt — бt. (2.24)

Рассчитаем значение эвольвентного угла (inv бt) для угла профиля зуба (бt) в педеле от 1° до 50°. При расчете значения угла задаются в радианах. 1 радиана составляет 57,3°.

Например, для 20° профиля зуба эвольвентный угол будет составлять:

inv бt = (tg (20°/57,3°)-(20°/57,3°))· 57,3° = 0,8538°.

Подобным способом рассчитывается эвольвентный угол для любого угла профиля зуба.

Рассчитаем теперь текущий радиус — вектор. Он рассчитывается по формуле:

R = (0,5· Db) / cos бt.(2.25)

Для бt = 1°:

R = (0,5· 14,095)/ cos20° = 7,5 мм.

Подобным образом рассчитывается текущий радиус — вектор для любого заданного угла профиля зуба бt в диапазоне от 1° до 50°.

Полученные значения эвольвентного угла и текущего радиус — вектора задают координаты точек эвольвенты относительно центра строящегося колеса.

Эвольвента ограничивается рассчитанными ранее диаметрами вершин зубьев и впадин зубьев. Для построения всего профиля зуба необходимо знать толщину зуба по делительной окружности. Толщину зуба можно определить по формуле:

S = m· ((3,14/2)+(2·х·tg б)). (2.26)

где хкоэффициент смещения зубчатого колеса. Выбирается исходя из конструктивных соображений х = 0.

Тогда:

S = 1· ((3,14/2) + (2· 0·tg 20°)) = 1,57 мм.

Зубчатые колёса крепятся стопорными винтами на валах двигателя и крышки держателя камеры.

Зубчатые колёса разработаны по ГОСТ 1643–81 диаметром 15 мм и числом зубьевZ = 15.

Рисунок 2.5 Зубчатое колесо для крепления на валу двигателя.

Рисунок 2.6Зубчатое колесо для крепления на валу крышки поворотного механизма.

Проведём энергетический и кинематический расчёт поворотного механизма для поворота камеры в плоскости оси кроулера. Исходными данными для этого расчёта являются:

— максимальная масса поворотного механизма: m = 120 г =0,12 кг;

— максимальная скорость поворотного механизма v = 0,03м/с;

— ускорение свободного падения: g = 9.8 м/с2;

— коэффициент сопротивления перекатыванию: fk = 0.08 (приближённо);

— коэффициент сопротивления качению: Х = 10 (приближённо);

— КПД всего поворотного механизма: з0 = 0.7 (конструктивно).

Вес поворотного механизма G:

(2.27)

Сила сопротивления качению F:

(2.28)

Сила сопротивления движению поворотного механизма Fc:

(2.29)

Мощность, потребляемая рабочим органом Рс:

(2.30)

Мощность, потребляемая электродвигателем Рэд:

(2.31)

Угловая скорость вращения камеры щКОЛ:

(2.32)

Частота вращения колеса nКОЛ:

(2.33)

По данным расчёта для поворота механизма в плоскости осикроулера используем двигатель мирки Steppermotor 3 VDC 42PM100S01−02B.

Steppermotor 3 VDC 42PM100S01−02B — биполярный шаговый двигатель с ротором из постоянного магнита. Двигатель имеет два подшипника скольжения для стабилизации нержавеющего вала. Двигатель имеет низкий уровень шума и продолжительный срок службы. Небольшой размер, подходит для тесных пространств. Можно управлять целым шагом, половиной шага и микро шагом. Поставляется с фланцем и кабелем с разъемами, 300 мм.

Таблица 2.3 Характеристика шагового привода Steppermotor 3 VDC 42PM100S01−02B.

Рисунок 2.7 — СхемадвигателяSteppermotor 3 VDC 42PM100S01−02B.

Двигатель устанавливается в корпусе поворотного механизма, а корпус камеры крепиться на валу двигателя стопорным винтом на расстоянии 2 мм. Это даёт возможность на прямую управлять поворотом камеры.

После моделирования видеокроулера в системе Kompas 3D, расчет МЦХ модели показал, что масса устройства без провода составила 1404 грамма. Т. е. у силовой установки кроулера есть достаточный запас по мощности.

2.5 Видеокамера Для получения хорошей картинкиизображения разрешающая способность видеокамеры должна составлять не менее 420 ТВ линий. Исходя из этого, была взята миникорпусная камера KPC-VSN700PHB (рисунок 2.8) фирмы KT&C (Южная Корея).

Рисунок 2.8 — Миникорпусная камера KPC-VSN700PHB.

Технические характеристики данного устройства представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 — Технические характеристики камеры KPC-VSN700PHB.

2.6 Подсветка видеокамеры поверхность труба осмотр редуктор Для освещения были выбраны светодиоды марки КИПД 80Э20-Б1-П. Они имеют высокую яркость, и малый диаметр (5 мм). Производитель ОАО «Протон» (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 — Светодиоды серии КИПД.

Основные характеристики светодиодов марки КИПД 80Э20-Б1-П представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 — Характеристики светодиодов КИПД 80Э20-Б1-П.

Светодиоды следует включать в цепь через балластные сопротивления, т.к. напряжение питания источника превышает прямое напряжение светодиодов. Кол-во светодиодов, используемых для освещения 7 штук. Диоды будем включать в цепь по следующей схеме (рисунок 2.10)

Рисунок 2.10 — Схема включения светодиодов в электрическую цепь.

Произведём расчёт балластных сопротивлений. Исходными данными для расчёта являются:

UПИТ = 12 В, Uf= 3,5 В, If= 20 мА = 0.02 А.