履带式自适应管道爬行器

摘要

本发明公开了一种履带式自适应管道爬行器，包括夹持单元、爬行单元和控制单元；爬行单元包括两套履带单元，两个从动锥齿轮、两个张紧轮和一个主动锥齿轮，共同与锥形齿履带传动连接，构成一套履带单元；控制单元包括电控盒，电控盒还与所有同步电机控制连接，每个同步电机分别设置有一个扭矩传感器。本发明的履带式自适应管道爬行器，解决了现有技术不能适应水平井和大位移井不同管径的电缆铺设，驱动力不足，不能克服弯曲管道的爬行，内外侧速度不一致，井段附着力差的问题。可应用于石油勘探，城市管道铺设等场合。

权利要求

1.一种履带式自适应管道爬行器，其特征在于：包括夹持单元、爬行单元和控制单元，所述的夹持单元的结构是，包括卡盘体(3)，卡盘体(3)的轴心通孔称为中间过线孔(2)，卡盘体(3)的前端面上向心安装有三组卡爪(1)，三组卡爪(1)的内圆表面一起构成弧形夹持座(25)，每组卡爪(1)设置有沉头调节螺栓(24)，三组卡爪(1)设置有卡爪驱动机构；

所述的爬行单元的结构是，包括固定在卡盘体(3)后端面的支撑筒(22)，支撑筒(22)的中段设置有凸肩，该凸肩内安装有电控盒(21)，支撑筒(22)上沿直径方向对称设置有两套履带单元，每套履带单元包括设置在支撑筒(22)前、后段外表面的两组末端固定座A(9)，每组末端固定座A(9)套装有伸缩短节(8)，伸缩短节(8)另一端套装在固定架套筒A(6)中，并且伸进固定架套筒A(6)中的伸缩短节(8)端头与固定架套筒A(6)内底之间设置有阻尼弹簧A(7)，固定架套筒A(6)的端头安装有固定架A(5)，每个固定架A(5)中设置有一个从动锥齿轮(4)；

在支撑筒(22)的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B(15)，每组末端固定座B(15)另一端与固定架套筒B(13)套接，固定架套筒B(13)与末端固定座B(15)底端之间设置有阻尼弹簧B(14)，固定架套筒B(13)另一端固定安装有固定架B(12)，每个固定架B(12)上设置有一个张紧轮(11)；

在两个末端固定座B(15)之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座(19)，电机底座(19)上安装有同步电机(18)和主动锥齿轮(17)，同步电机(18)与主动锥齿轮(17)传动连接；

至此，上述的两个从动锥齿轮(4)、两个张紧轮(11)和一个主动锥齿轮(17)，共同与锥形齿履带(10)传动连接，构成一套履带单元。

2.根据权利要求1所述的履带式自适应管道爬行器，其特征在于：所述的同步电机(18)每侧均设置有两套，四个同步电机(18)分别设置有一个扭矩传感器(20)。

3.根据权利要求1所述的履带式自适应管道爬行器，其特征在于：所述的控制单元包括电控盒(21)，电控盒(21)还与四个同步电机(18)控制连接，各个压力传感器(16)、各个扭矩传感器(20)连接均与电控盒(21)信号连接。

说明书

履带式自适应管道爬行器

技术领域

[0001] 本发明属于机械设备技术领域，涉及一种履带式自适应管道爬行器。

背景技术

[0002] 在石油钻井技术中，水平井和大位移井得到了快速的发展，但由于受到井眼工况条件限制，对于井斜度较大，水平井段较长的井段，现有的地面管道牵引器下放井下仪器测井变得很难，依靠设备自身的重力已经无法把井下仪器下到井底，迫切需要相应的技术和工装解决此问题。

[0003] 现有的地面管道牵引器已有很多，也出现了一些井下用的爬行器，但在一定程度上存在一些不足，比如变径能力差、井壁或管壁附着力小、容易打滑卡阻、适应井径范围小、驱动能力不足，越障能力差等，还有就是遇到弯曲井段内外侧对应速度不一致时，容易发生卡阻的问题。

[0004] 因此，开发灵活可靠，能够连续运动，具备一定的驱动能力的辅助工具，完成井下电缆、仪器的铺设和投放，显得十分迫切。另外，在城市的地下管道内铺设电缆，以及石油钻井设备的管道、线槽内铺设电缆等场合，对此类设备也有迫切的需求。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种履带式自适应管道爬行器，解决了现有技术不能适应水平井和大位移井不同管径的电缆铺设，驱动力不足，不能克服弯曲管道的爬行，内外侧速度不一致，井段附着力差的问题。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种履带式自适应管道爬行器，其特征在于：包括夹持单元、爬行单元和控制单元。

[0007] 本发明的履带式自适应管道爬行器，其特征还在于：

[0008] 夹持单元的结构是，包括卡盘体，卡盘体的轴心通孔称为中间过线孔，卡盘体的前端面上向心安装有三组卡爪，三组卡爪的内圆表面一起构成弧形夹持座，每组卡爪设置有沉头调节螺栓，三组卡爪设置有卡爪驱动机构。

[0009] 爬行单元的结构是，包括固定在卡盘体后端面的支撑筒，支撑筒的中段设置有凸肩，该凸肩内安装有电控盒，支撑筒上沿直径方向对称设置有两套履带单元，[0010] 每套履带单元包括设置在支撑筒前、后段外表面的两组末端固定座A，每组末端固定座A套装有伸缩短节，伸缩短节另一端套装在固定架套筒A中，并且伸缩短节该端头与固定架套筒A内底之间设置有阻尼弹簧A，固定架套筒A的端头安装有固定架A，每个固定架A中设置有一个从动锥齿轮；

[0011] 在支撑筒的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B，每组末端固定座B另一端与固定架套筒B套接，固定架套筒B与末端固定座B底端之间设置有阻尼弹簧B，固定架套筒B另一端固定安装有固定架B，每个固定架B上设置有一个张紧轮；

[0012] 在两个末端固定座B之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座，电机底座上安装有同步电机和主动锥齿轮，同步电机与主动锥齿轮传动连接；

[0013] 至此，上述的两个从动锥齿轮、两个张紧轮和一个主动锥齿轮，共同与锥形齿履带传动连接，构成一套履带单元。

[0014] 同步电机每侧均设置有两套，四个同步电机分别设置有一个扭矩传感器。

[0015] 控制单元包括电控盒，电控盒还与四个同步电机控制连接，各个压力传感器、各个扭矩传感器连接均与电控盒信号连接。

[0016] 本发明的有益效果是：采用可伸缩短节和阻尼弹簧设置，解决了现有的爬行器变径能力差问题，能适用水平井和大位移井变径的井眼或管道内的爬行。现有的爬行器对井壁或管壁附着力小，容易打滑卡阻，越障能力差，本发明采用履带式的爬行方式，把以往爬行器的点接触改为面接触，大大的提高了附着力，同时通过柔性的履带，几乎可以克服各种阻碍，越障能力大大提升。现有的爬行器驱动能力不足，本发明采用了两组双电机驱动模式给系统提供动力，可以很好的保证驱动力。现有的爬行器在弯曲井段内的爬行，由于弯曲井段内外侧对应速度不一致，容易卡阻等，本发明采用内外侧单独控制模式，通过控制内外侧的运动速度，很好的完成弯曲井段的过渡爬行。现有的爬行器大都没有防拉伤等保护措施，本发明安装了多个传感器，测量拉力和压力，通过内置的控制器实现了智能防护，实现自动控制调节和纠正爬行姿态，并根据传感器的信号实现防拉伤等保护。

附图说明

[0017] 图1是本发明装置的结构示意图；

[0018] 图2是本发明装置的夹持单元剖视图（图1中的A-A截面）；

[0019] 图3是本发明装置的同步电机的局部剖视图（图1中的B-B截面）。

[0020] 图中，1.卡爪，2.中间过线孔，3.卡盘体，4.从动锥齿轮，5.固定架A，6.固定架套筒A，7.阻尼弹簧A，8.伸缩短节，9.末端固定座A，10.锥形齿履带，11.张紧轮，12.固定架B，13.固定架套筒B，14.阻尼弹簧B，15.末端固定座B，16.压力传感器，17.主动锥齿轮，18.同步电机，19.电机底座，20.扭矩传感器，21.电控盒，22.支撑筒，23.加强筋，24.沉头调节螺栓，25.弧形夹持座。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0022] 本发明履带式自适应管道爬行器的结构是，包括夹持单元、爬行单元和控制单元。

[0023] 如图1、图2所示，夹持单元的结构是，包括卡盘体3，卡盘体3的轴心通孔称为中间过线孔2，卡盘体3的前端面上向心安装有三组卡爪1，三组卡爪1的内圆表面一起构成弧形夹持座25，每组卡爪1设置有沉头调节螺栓24，三组卡爪1设置有卡爪驱动机构。

[0024] 该夹持单元结构及原理同机床上的三爪卡盘类似，通过沉头调节螺栓24可以控制三组卡爪1的向心位置，适合夹持一定范围内的线缆（或设备），由于采用三爪卡盘结构，可以很好的保证对心，使得被夹持线缆（或设备）始终位于卡盘体3的轴心线。

[0025] 参照图1，爬行单元的结构是，包括固定在卡盘体3后端面的支撑筒22，被夹持线缆能够从支撑筒22内腔通孔穿过，支撑筒22的中段设置有凸肩，凸肩两端与支撑筒22设置有加强筋23，该凸肩中安装有电控盒21，支撑筒22上沿直径方向对称设置有两套履带单元，每套履带单元包括设置在支撑筒22前、后段外表面的两组末端固定座A9，每组末端固定座A9套装有可调节的伸缩短节8，伸缩短节8另一端套装在固定架套筒A6中，并且伸缩短节8该端头与固定架套筒A6内底之间设置有阻尼弹簧A7，固定架套筒A6的端头安装有固定架A5，每个固定架A5中设置有一个从动锥齿轮4；

[0026] 在支撑筒22的凸肩前、后外表面另外设置有两组末端固定座B15，每组末端固定座B15另一端与固定架套筒B13套接，固定架套筒B13与末端固定座B15底端之间设置有阻尼弹簧B14，固定架套筒B13另一端固定安装有固定架B12，每个固定架B12上设置有一个张紧轮11；

[0027] 在两个末端固定座B15之间的凸肩外表面上还固定安装有一组电机底座19，电机底座19上安装有同步电机18和主动锥齿轮17，同步电机18与主动锥齿轮17传动连接；

[0028] 至此，上述的两个从动锥齿轮4、两个张紧轮11和一个主动锥齿轮17，共同与锥形齿履带10传动连接，构成一套履带单元；沿直径对称的两套履带单元分别与所在的井径接触，实现爬行功能。

[0029] 从动锥齿轮4通过固定架A5、固定架套筒A6、阻尼弹簧A7、可调节的伸缩短节8和末端固定座A9实现支撑及伸缩动作。伸缩短节8用来调节从动锥齿轮4的伸出长度，以适应不用孔径的需求，由于从动锥齿轮4的伸缩是柔性的，随着空间孔径的变小，从动锥齿轮4跟随固定架A5在阻尼弹簧A7的作用下在固定架套筒A6内可以自由伸缩，实现在一定范围内不均匀井径内的自动调节。

[0030] 锥形齿履带10是执行爬行的核心部件，用于附着到管壁或井壁上，实现稳定可靠的爬行。现有的轮式爬行机构，其接触为点接触，在管道中或井中遇到障碍容易卡阻，造成不必要的麻烦。而本发明为履带结构，其接触为面接触，几乎可以实现任何情况下的越障，保证稳定可靠的爬行。

[0031] 张紧轮11通过固定架B12、固定架套筒B13、阻尼弹簧B14和末端固定座B15实现支撑及伸缩动作。张紧轮11跟随固定架B12在阻尼弹簧B14的作用下在固定架套筒B13内可以自由伸缩，以自适应不同井径时锥形齿履带10均有一定预紧力，保证驱动轮和从动轮与履带的可靠接触，大大提高驱动和执行的效率。由于从动锥齿轮4为了适应不同井径需要调节高度，容易造成履带松弛，同时当遇到复杂井况时，需要大扭矩驱动爬行，如果没有张紧轮11，可能出现打滑或丢转，所以张紧轮11是本装置的关键部件。

[0032] 每侧的两套同步电机18用于提供爬行的驱动力，四个同步电机18分别设置有各自的扭矩传感器20。本发明采用两套双电机驱动的方式，两个同步电机18两端通过扭矩传感器20把扭矩传递给一个主动锥齿轮17，每个主动锥齿轮17带动一个锥形齿履带10运动实现爬行，驱动能力显著提高。

[0033] 如图3所示，控制单元的结构是，包括电控盒21，电控盒21还与四个同步电机18控制连接，四个同步电机18分别连接有一个扭矩传感器20，各个压力传感器16、各个扭矩传感器20连接均与电控盒21信号连接。四个压力传感器16用于检测四组张紧轮11承受的压力，四个扭矩传感器20用于检测四组同步电机18输出的扭矩值，提供给电控盒21实现闭环控制。特别是在弯曲井段的爬行情况，由于内外侧的井径不同，需要两个锥形齿履带10具有不同的爬行速度，否则会出现卡阻现象。当走到弯曲井段，压力传感器16检测到内外侧的张紧轮11所受的压力，压力大的一侧为内侧，此时需要电控盒21中控制模块采集到此信号后，输出驱动信号给内侧的两组同步电机18，让内侧同步电机18降低驱动转速，以实现弯曲井径内的爬行，随着内外侧的压差的变化而自适应的调节电机输出转速，当恢复到直井段，压力传感器16检测到内外侧压差趋于零，恢复两侧为同步转速，保证整个设备的平稳爬行。由于配备了扭矩传感器20，即可实现系统的防拉断保护，在控制器中预先输入允许最大输出扭矩，当爬行过程中，超过此限制，通过内部逻辑保护程序，实现停止爬行或退出等。

[0034] 另外，在控制单元中安装声光报警装置即可实现报警功能，安装存储设备即可实现故障记录和查询，系统供电根据需要选用电缆供电或电池供电。

[0035] 本发明装置工作时，首先把电缆（或需要输送的井下仪器）固定到夹持单元中，根据被牵引的电缆（或井下仪器）允许的最大牵引力，在控制单元中设定好极限牵引拉力值，根据管道或井眼直径，调节各个伸缩短节8的伸出长度，以预适应待爬行的内径尺寸；然后设定好所有同步电机18的驱动数值，即可进行下井作业。