|
Potrubný mobilný stroj Fenaus
V článku je opísaný mobilný kolesový potrubný mikrostroj Feanus, schopný pohybovať sa v potrubí s vnútorným priemerom v rozsahu 34 až 36 mm. Jeho účelovou funkciou je transport systémov realizujúcich monitorovanie chýb v potrubí, zariadenie na snímanie polohy atď. Je to modulárne zariadenie, ktoré pozostáva z piatich modulov: energomodul, spojovací modul, riadiaci modul, koncový modul a pohonný modul. Jeho funkčný model bol realizovaný na Katedre automatizácie, merania a mechatroniky Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.
1. Úvod
V súčasnosti je človek obklopený rôznymi technickými zariadeniami, ktorými si uľahčuje svoj život. Na začiatku to boli jednoduché nástroje a dnes to sú už dômyselné zariadenia, ktoré vykonávajú rôzne činnosti. Mnohé z týchto zariadení obsahujú potrubné systémy (vymenníkové stanice, elektrárne, letecká technika a i.). Ide väčšinou o systémy určené predovšetkým na prepravu tekutých médií, ale výnimkou nie je ani ich aplikácia v úlohe ochranného štítu pre iné systémy (káble, iné potrubné systémy atď.).
2. Potrubné systémy
Na potrubné systémy vplýva mnoho faktorov, ktoré majú nepriaznivý dopad na ich celkovú životnosť a prevádzkyschopnosť. Ak je prepravovaným médiom látka nebezpečného charakteru, môže poškodenie potrubného systému spôsobiť omnoho väčšie škody, než je hodnota samotného potrubného systému. Dôsledky týchto katastrôf môžu nadobudnúť aj globálny charakter.
Táto skutočnosť bola impulzom pre rozvoj inšpekcie a detekcie vád potrubných systémov, resp. potrubia. Zo známych potrubných inšpekčných metód potrubia je vnútorná inšpekcia považovaná za najobjektívnejšiu metódu zisťovania vád v potrubí. Pomocou tejto metódy, ktorej vývoj vo svete prebieha už desiatky rokov, je možné zisťovať väčšinu defektov potrubia za predpokladu, že je použitý vhodný snímací systém. Najčastejšie sa táto metóda používa v zariadeniach jadrových elektrární, výmenníkových staníc a v iných špeciálnych systémoch, kde je znemožnený prístup z vonkajšej strany potrubného systému, alebo v systémoch umiestnených v prostredí, ktoré je pre človeka zdraviu škodlivé alebo životu nebezpečné. Vhodná inšpekčná metóda s následnými opatreniami, vyplývajúcimi z poznania reálneho stavu, je veľmi dôležitá a je zvyčajne ekonomicky výhodnejšia ako odstraňovanie následkov [1].
Vyvinúť univerzálne inšpekčné zariadenie pre ľubovoľné potrubie je technicky náročné a ekonomicky nevýhodne. Väčšinou je možno vopred špecifikovať, o aké potrubie pôjde. Podľa toho sa potom volí senzorový systém a spôsob jeho transportu vo vnútri potrubia. Situácia sa ešte viac komplikuje v potrubiach malých priemerov [2], [3], [4], [5].
3. Súčasný stav existujúcich riešení potrubných mobilných strojov
V súčasnosti existuje niekoľko desiatok riešení potrubných mobilných strojov [6], [7].
Z hľadiska princípu pohybu je možno pohyb potrubných strojov rozdeliť na syntetické, nebo biologicky inšpirované. Tieto je ďalej možno rozčleniť na:
- pohyb pomocou kolies (angl. wheeled principle),
- pohyb pomocou pásov (angl. crawled principle),
- pohyb pomocou nôh (angl. legged principle),
- pohyb pomocou piadivkového princípu (angl. inchworm principle),
- pohyb pomocou zotrvačného krokovacieho princípu (angl. inertial stepping principle),
- pohyb pomocou diferencie trenia – červíkový princíp (angl. worm-like principle),
- pohyb pomocou pohybujúcej sa („cestujúcej“) vlny (angl. travelling wave).
Existujú aj kombinácie alebo modifikácie uvedených spôsobov pohybu, ale vývoj v tejto oblasti nie je ukončený, a je teda možné vyvinúť aj ďalšie druhy potrubných pohybov.
Voľba spôsobu pohybu značne závisí na vlastnostiach potrubného systému, v ktorom sa má stroj pohybovať. Ide najmä o jeho geometrické rozmery, stav jeho vnútorného povrchu, materiál potrubia, prepravované médium a ďalšie vonkajšie vplyvy okolia [6], [7].
Z hľadiska geometrických rozmerov je možno deliť potrubia do dvoch skupín: makropotrubia a mikropotrubia. V mikropotrubí sa môžu pohybovať stroje patriace do kategórie mikrostrojov. Pod mikrostrojmi sa vo všeobecnosti chápu stroje, ktoré sa ako celok vzhľadom na svoje rozmery nachádzajú v mikrooblasti, ale zároveň aj stroje vyrobené montážou malých funkčných častí (približne 1 mm) [4], [5].
Tento článok je venovaný kategórii kolesových potrubných mikrostrojov. Kolesa sú štandardne používaným prostriedkom umožňujúcim pohyb po pevnom podklade. Vnútorná plocha potrubia však nie je ideálna a často sú v potrubí prekážky rôzneho charakteru a veľkosti, ktoré znemožňujú pohyb zariadenia pomocou kolies (redukcie prierezu, vyčnievajúce výstupky a i.). Nevýhodou kolies pre pohyb v potrubí je ich tendencia preklzávať, ale i cez tento nedostatok sa vo veľkej miere používajú [8], [9], [10], [11], [12].
Na princípe pohybu pomocou kolies je založený aj mobilný stroj Fenaus (obr. 1, obr. 2, tab. 1). Jeho funkčný model bol realizovaný na Katedre automatizácie, merania a mechatroniky Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.
Tab. 1. Technické parametre mobilného stroja Fenaus
|
Napájacie napätie |
2,4 až 6 V |
|
Vnútorný priemer potrubia |
34 až 36 mm |
|
Celková dĺžka |
280 mm |
|
Maximálna rýchlosť pohybu |
30 mm/s |
|
Rýchlosť pohybu |
plynulé nastaviteľná od 0 do 19 mm/s |
|
Minimálny polomer zakrivenia potrubia |
135 mm |
|
Celková hmotnosť |
180 g |
|
Riadiaci systém |
mikropočítač UCB/ PIC-2 |
4. Funkčný opis mobilného stroja Fenaus
Tento stroj je schopný pohybovať sa v potrubí s vnútorným priemerom v rozsahu 34 až 36 mm. Jeho účelovou funkciou je transport systémov realizujúcich monitorovanie chýb v potrubí, zariadenie na snímanie polohy atď. Fenaus predstavuje modulárne zariadenie, ktoré pozostáva z piatich druhov modulov (obr. 1, obr. 2): energomodul, spojovací modul, riadiaci modul, koncový modul a pohonný modul. Konfigurácia zariadenia sa v jednotlivých variantoch môže meniť, podľa rôznych podmienok a požiadaviek.
Energomodul (obr. 3) je tvorený plastovým puzdrom, v ktorom sú umiestnené zdroje elektrickej energie – akumulátory. Funkciou energomodulu teda je dodávať elektrickú energiu pomocou nikelkadmiových akumulátorov, ktoré sú určené pre napájanie elektromotora, a lítiummanganových článkov pre napájanie mikropočítača a ostatných elektrických komponentov.
Spojovací modul (obr. 4) tvorí kotúč, na ktorom sú po stranách na odpružených ramenách pojazdové kolesá. Spojovací modul je z oboch strán pripevnený k ďalším modulom pomocou medzimodulových skrutkových pružín, umožňujúcich výkyv pripojených modulov v priestore. Pojazdové kolesá sú uložené v guličkových ložiskách. Kontakt kolies s potrubím je zabezpečený prostredníctvom gumených krúžkov. Prítlak kolies je vyvodený pomocou skrutkových pružín, aby bol zabezpečený ich trvalý kontakt s potrubím (eliminovanie nerovnosti povrchu a geometrických odchýlok potrubného systému, zamedzenie efektu preklzávania kolies pri pohybe).
Riadiaci modul (obr. 5) pozostáva z nosného rámu, kde je umiestnený mikropočítač UCB/PIC-2, vyhodnocovacie zariadenie a ovládanie elektromotora. Tento systém zabezpečuje riadenie chodu elektromotora, kontrolu stavu akumulátorov a ďalšie dôležité funkcie. Jeho súčasťou je aj rozhranie pre pripojenie akumulátorov k nabíjačke.
Koncový modul (obr. 6) je v podstate polovica spojovacieho modulu. Umožňuje pripevnenie ďalších prídavných prvkov (senzory pre snímanie povrchových chýb, CCD kamera, snímač prejdenej dráhy a i.). Je možné vytvoriť viac rôznych variantov koncového modulu, v závislosti od vlastností potrubia a účelu použitia stroja.
Základné časti pohonného modulu (obr. 7) sú elektromotor a čelnozávitovková prevodovka. Použitý je elektromotor SmCo s napájacím napätím 2,4 V a odberom prúdu 200 mA. Výstupné otáčky elektromotora v nezaťaženom stave sú 8 000 min–1. Prevodovka je tvorená dvojstupňovým čelným prevodom a jednostupňovým závitovkovým prevodom, výkon je rozdeľovaný na tri pohonné kolesá, rozmiestnené symetricky po obvode závitovky. Moduly použitých ozubení sú 0,4 mm. Nosná konštrukcia je vyrobená z duralu a na oboch koncoch má miesta pre pripojenie medzimodulových skrutkových pružín, ktorými sú všetky moduly navzájom pospájané. Tieto pružiny zabezpečujú výkyv jednotlivých modulov v priestore a tým je aj umožnené prekonávanie vnútorných oblúkov a zakrivení potrubia.
5. Záver
V pôvodnom návrhu stroja bolo uvažované, že napájanie všetkých komponentov bude zabezpečené z akumulátorov, ktoré budú súčasťou stroja. V priebehu realizácie a prvých experimentov sa ukázalo, že pre dosiahnutie vyššej trakčnej sily je možné zmeniť konfiguráciu stroja vynechaním energomodulu, riadiaceho modulu a jedného spojovacieho modulu (skrátená verzia Short Fenaus) (obr. 8). Vynechaním uvedených modulov sa zníži celková hmotnosť stroja o 80 g (t. j. o 44 %), ale oproti tomu je potrebné zabezpečiť tok energie a informácií pomocou káblov z externého zdroja energie a riadiaceho systému.
Pri ďalšej miniaturizácii Fenausa by bolo veľmi náročne zabezpečiť energetický zdroj, ktorý by mohol byť jeho súčasťou, a zároveň klesá účinnosť použitých konvenčných pohonov. Pri „skrátenej verzii“ Short Fenausa sa vynára aj problém vedenia káblov v potrubí. Napríklad pri spätnom pohybe by došlo k zamotaniu káblov do modulov. Tento problém je možné riešiť aplikáciou navíjacieho zariadenia, ktoré by bolo zosynchronizované s pohybom Fenausa.
Ďalšími problémami pri aplikácii Fenausa sú aj spôsob jeho zavedenia a vyberania z potrubia, zabezpečenie proti spriečeniu modulov, prechádzanie prekážok v potrubí a výmena gumených krúžkov, ktoré zabezpečujú styk stroja s povrchom potrubia, v prípade jeho aplikácie do iného prostredia.
Pri použití stroja pre iný priemer potrubia je potrebné zabezpečiť malé konštrukčné úpravy, pozostávajúce zo zmeny priemeru pojazdových a hnacích kolies a predĺžení pák nesúcich pojazdové kolesá.
Autori ďakujú Slovenskej grantovej agentúre pre vedu (grant VEGA 1/7645/20 „Funkčný model minimechanizmu pre účely snímania povrchových vád vnútornej steny tenkého potrubia“) za čiastkovú podporu tejto práce.
Literatúra:
[1] KRŠŠÁK, T.: Diagnostika potrubných systémov líniovej časti tranzitnej sústavy. Proceedings of the 9th International Conference Corrosion of Underground Structures ’97, 1997, Košice, s. 52-57.
[2] GMITERKO, A. – DOVICA, M.: Dependence of the Body Sensitivity Function on Geometrical Size for the Mechatronic System. International Conference Mechatronics and Robotics ’97. 29. 9. až 2. 10. 1997, Brno, Czech Republic, s. 27-30.
[3] DOVICA, M. – GMITERKO, A.: To some Questions of Components and Modules of Mini and Micromechanisms. Mechanics ’98. Proceedings of the International Scientific Conference. Volume I, Rzeszow University of Technology, Poland, June 1998, pp.191-198.
[4] SLIMÁK, I. – DOVICA, M. – GMITERKO, A.: K niektorým otázkam komponentov a modulov mini a mikromechanizmov. Acta Mechanica Slovaca. 1997, č. 2, s. 65-77.
[5] KELEMEN, M. – GMITERKO, A. – DOVICA, M. – CAPÁK, M.: Mili, mikro a nanostroje. AT&P Journal 9/1999, s. 63-65.
[6] NAGY, E. – DOVICA, M. – GMITERKO, A.: Konštrukcia minimechanizmu pre pohyb v tenkom potrubí. Zborník referátov z Medzinárodnej XXXVIII. konferencie katedier časti, mechanizmov a strojov. 8. 9. až 10. 9. 1997 Bratislava-Gabčíkovo, s. 399-402.
[7] DOVICA, M. – GMITERKO, A.: Mechanism for Moving in Thin Tube. Proceedings of 12th International Conference on Process Control and Simulation ASRTP ’96. Volume I. Koçice September 10 – 13, 1996, pp. 69-73.
[8] DOVICA, M. – GMITERKO, A., M. – FILICKÝ, F. – CHLEBÁK, R.: Minimechanizmus pre pohyb vo vodorovných potrubiach malých rozmerov. Zborník z pracovnej konferencie o mini a mikro mechanizmoch s medzinárodnou účasťou mini mikro TECH ’96. Košice, 1996.
[9] GMITERKO, A. – DOVICA, M.: A mobile miniature mechanism for moving inside tubes with small diameter. International XI Symposium on Micromachines and Servodrivers. Vol. II. Malbork 14 až 18. 9. 1998, pp. 371-377.
[10] DOVICA, M. – GMITERKO, A. – HENRICZYOVÁ, T.: Basic Study of the Mobile Minimechanism for Moving inside the Tubes with Small Diameter. 16. Internationales Kolloquium Feinwerktechnik. 1. až 3. 10. 1997, Budapest, Hungary.
[11] DOVICA, M. – GMITERKO, A. – HOMIŠIN, J. – JURČO, M.: Základná štúdia mobilného minimechanizmu pre pohyb v potrubiach s malým priemerom. Strojnícky časopis. 49, 1998, č. 2, s. 124-140.
[12] GMITERKO, A. – DOVICA, M.: A Mobile Miniature Mechanism for Moving Inside Tubes with Small Diameter. Proceedings of Electrotechnical Institute. 201/99, pp. 19-29. Warszawa, Poland. ISSN-0032-6216.
Ing. Tatiana Maťašovská, Ing. Michal Kelemen,
Technická univerzita v Košiciach, Strojnícka fakulta,
Katedra automatizácie, merania a mechatroniky
(michal.kelemen@tuke.sk)
|