何基势，苏林清，赵平嘉
北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011
摘要：目前市场上关于管道输线领域还未有完善的自动化送线设备，只是有一些辅助设备，并且这些设备还存在着许多不足。为了解决这些不足本文提出了一种基于剪叉式机构的半自动智能管道送线机，该送线装置设计巧妙，实用性强有轻便易携带，操作方便及造价成本低等特点。它不仅可以为管道送线领域提供便利，提高工作效率，还填补了市场上关于管道送线自动化装置的空缺，同时也为管道作业提供了一种新思路。
关键词：管道送线；120°剪叉式连杆；高效自动化装置
关于管道作业领域，市场上存在多种辅助机器人，有管道清淤、管道清洗、管道焊接等等。管道机器人能够进入狭窄、恶劣、危险等不适宜人进入的管道环境内，进行探查、检测、维护等管内作业。现有的管道机器人在管内行走具有很大的限制因素，大多数只能在水平及倾斜管道中行走，垂直爬行能力有限，只能适用于某特定的管道，变管径管道以及弯管道适应性差，牵引力有限。随着我国社会经济的发展和机电一体技术的发展，各领域均出现多样化的机电一体化设备来解决各种难题，及提高工作效率。本文针对管道送线领域提出了一种从提高管道机器人通过性、灵活性、适应性的角度出发，在管道传统人工辅助拉线及国内外管道机器人研究现状的基础上设计出的支撑轮式的基于剪叉式机构的自动化智能管道送线机[1]。
一、基于剪叉式机构的智能管道送线机整体设计
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图1整体设计三维建模效果图
基于剪叉式机构的智能管道送线机整体设计三维效果图如图1所示。本文所述的基于剪叉式机构的智能管道送线机主要由动力能源模块、棘轮固线机构、120°剪叉式伸缩机构和触发限位开关等简单的机构进行巧妙的整合设计而成，该设计构思新颖，设计巧妙，实用性强，该设计的巧妙之处在于它利用简单的机械结构来实现了对送线过程的控制。并且该设计有可以适应多种口径管道，轻便易携带，控制方便及造价成本低，工作效率高等特点。本设计的设计思路主要来源于现如今已有的管道机器人，本文所述的管道机器主要是针对于管道输线而提出的一种设计思路，为管道输线作业提供一种新装备。
二、基于剪叉式机构的智能管道送线机工作原理
该基于剪叉式机构的智能管道送线机主要由动力能源模块、棘轮固线机构、120°三向脚剪叉式伸缩机构和触发限位开关控制模块等一起协调配合完成送线工作。首先将所需要输送的电线固定在送线机的棘轮固线机构上，然后将剪叉式机构调整至合适管道大小位置，打开电源开关，减速电机开始带动摩擦轮工作，最后将送线机放入管道中，送线机牵引电线在管道内沿管路行进，当其完全脱离出管道后支座激发触控开关关闭电源，完成整个送线工作。
三、动力设计
该设计的动力能源模块考虑到管道的形状和该送线机在管道里运动的情况，因此采用了减速电机驱动摩擦轮的方式来给该送线机提供动力，减速电机和摩擦轮的配合使用在管道内能够保证该送线机有足够的动力来完成送线工作。电源供给方面可以选用12v可充电式的大容量锂电池，选用的电池放电电压一定不能超过所选电机所能承受的最大电压。
四、机械机构设计
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图2送线机机械机构三维建模图
1.弹簧；2.摩擦轮；3.120°三向脚支座（前）;4.减速电机；5.剪叉连杆；6.触发限位开关；7.直线滑块轴承；8.棘轮固线机构
1.棘轮固线机构设计
棘轮固线机构在整个送线过程中主要是将电线固定在送线机上，其主要是由一组棘轮机构和一组导向轮组成，在该送线机工作时需要人工辅助将所需输送的电线安装到棘轮固线机构上，不同于普通夹线机构的是该机构利用导向轮和棘轮的组合可以确保电线在输送过程中不会脱离送线机，顺利的完成送线工作，并且该棘轮固线机构使得穿线拆取更加人性化，更加符合市场需求。
2.伸缩机构设计
该管道送线机设计的主要关键结构就是120°三向脚剪叉式伸缩机构，不同于现如今的管道送线机器人的是，该结构与弹簧装配使用及摩擦轮与连杆按与竖直方向成45°位置安装，这保证了送线机在管道内行进送线时驱动轮和辅助轮都能够一直紧贴管壁，防止在送线过程中送线机翻倒。还有其可以使送线机适用于多种大小管径的管道输线工作，该机构利用其可以伸缩改变送线机的体积大小来适应各种管道的大小，其可以实现从小管道过渡到大管道，从大管道进入小些许的小管道这一功能[2]。而且该机构有一定的弹性空间可以让送线机通过大于90°角的管道拐角处，避免其在遇到拐角时无法通过，保证其可以顺利的完成送线工作[3]。该结构在装配时与弹簧巧妙连接，利用弹簧的弹力提供给摩擦轮一个径向力使其紧贴着管道内壁。同时弹簧的弹力也作为在完成送线工作后牵引后支座触发限位开关的动力。该120°三向脚剪叉式伸缩机构的后支座嵌套有直线滑块滚珠轴承，是为了减少该机构在工作时与中间圆柱碳纤维杆间的摩擦力，使其更容易的伸缩变换体积大小。
3.控制模块设计
该设计的智能体现在对触发限位开关的使用，将触发限位开关固定安装在后支座一端，在该送线机工作时该触发限位开关相当于导线，当送线工作完成送线机脱离管道的时，弹簧恢复原状弹力牵引后支座触发限位开关完成电源切断，使减速电机停止工作，完成整个送线工作。
五、应用前景
该设计主要是基于现在市场已经成熟的穿线机器人所做的结构简化，及功能上的加强和扩展。该基于剪叉式机构的智能管道送线装置操作简易、适用管径范围较广、作业场合多、加工成本低，其主要应用于街道路灯杆穿线、街道地下拉线、电气工程管道穿线及信息光缆的输送等工作。该设计构思新颖，设计巧妙，实用性强对于提高管道送线工作效率及促进其他管道工作作业的发展有一定的参考应用价值。
六、结束语
为了解决现在市场上的管道机器人笨重、易倾倒、不美观、操作不方便、适应管道范围窄等问题及提高管道送线工作的效率降低工作成本更好的解放劳动力。本文针对管道送线领域提出了一种从提高管道机器人通用性、灵活性、适应性的角度出发，在管道传统人工辅助拉线及国内外管道机器人研究现状的基础上设计出的基于剪叉式机构的自动化智能管道送线机，该设计在管道送线领域有一定参考价值和意义，同时也为管道作业机械设备提供了一种新思路。
参考文献
[1]辛鹏. 主动避障式管道机器人结构设计及动力特性研究[D].沈阳工业大学,2020.
[2][1]苏毅,李著信,王鹏飞,钟雪枫.小口径管道移动机器人的研究[J].微计算机信息,2008(14):245-247.
[3][1]年四成,邓中亮,刘铁,刘金珠.一种管道机器人的结构设计与性能分析[J].机械设计与制造,2019(11):253-255+260.
基金项目：北部湾大学2020年大学生创新创业训练计划项目“基于剪叉式机构的智能管道送线机”（202011607028）
作者简介：姓名：何基势，出生年月：（1999-12），性别：男，籍贯：广西来宾人，学历：本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。