一、成果针对问题现状（成果产生背景）
最近几年来，三维管道轨迹仪作为一种新型功能的技术出现在非开挖水平定向钻进地下竣工管道轨迹测量领域。但是，目前无论是进口的还是国内自研的管道轨迹仪，都还是以人工拉动来行进管内仪器。因而客观地存在以下两大弊端：
1、操作人员劳动强度大，长距离人工拉动难以实施。经统计，每50m管道中拉动需要40kg拉力（壮劳力方能具备），每增加50m管道长度需要增加1名拉绳人员。而人工拉动时间是和管道长度成正比的，按每50m需要8分钟的经验统计，300m长的管道需要24分钟（且需连续），这样的劳动强度过大。若再增加距离，人工拉绳严重超出合理的劳动强度标准。
2、人工拉动的速度波动大，导致轨迹测量精度下降。特别是在遇阻强拉时产生的剧烈加速振动，它是产生误差的主要来源。经实验证实，在一个百米的拉动轨迹仪的测量中，每一次这种波动占总共误差值的10%。多次的这种人工误差累计将导致轨迹测量的严重偏误。
为此，本项目研究的自动机械式收绳器是通过自动转扬机为动力，可以节省大量的人工劳力，降低劳动强度；同时，自动机械式收绳器具有拉绳速度均匀特点，可以有效减小测量误差的来源，具有重要的工程实用意义。
二、成果原理说明
该轨迹仪机械式收绳器的工作原理如图1所示。
图1 工作原理图
其主要包括动力卷扬部分、摩阻部分、测速部分、压力测定部分。动力卷扬部分包括基座、调速电机、减速器、联轴器、卷扬筒、盘绳薄钢片、绳索；摩阻部分包括盘式摩擦片、单行飞轮、摩阻基座、左摩擦副、可调右摩擦副；测速部分包括测速基座、旋转编码器；压力测定部分包括定滑轮、压力测试滑轮、压力变送器、卡绳轮。仪器分别置于管道两端，动力卷扬部分为牵引动力来源，通过电机变速后带动卷扬转动，缠绕绳索牵引仪器在管道内行进，摩阻部分在正向转动牵引仪器时无阻力，放绳时提供一定摩阻力，测速部分通过旋转编码器测定转速，计算仪器行进速度，压力测定部分测定滑轮受力间接计算绳索牵引力。通过卷扬机构牵引钢丝绳，带动仪器在管道内的行进，同时测定转速和拉力，反馈给控制机构保持稳定，在放绳时提供恒定阻力防止仪器打滑超速。
其中，动力卷扬部分通过调节电动机转速实现对卷扬筒转速的调整，进而调整卷扬筒上缠绕绳索的收放速度，调速电机和减速器为一整体，通过联轴器直接传递给卷扬筒，中间无减速机构。盘绳薄钢片为一弹性钢片，钢片与卷扬筒上绳索相切，通过弹性变形压紧卷扬筒上的绳索，起到排绳的作用。
摩阻部分为盘式碟刹机构，盘式摩擦片固定在单向飞轮上，和卷扬筒同轴，单向飞轮固定在卷扬筒轴上，当卷扬筒正向转动牵引时可不随其转动，当卷扬筒反向转动放绳时与卷扬筒同速转动，调整可调右摩擦副，调整左右摩擦副的距离，与盘式摩擦片摩擦起到提供阻力的作用。
测速部分为旋转编码器测试轴通过联轴器与卷扬筒同速转动，测量卷扬筒的旋转角速度，换算成绳索线速度。
压力测定部分通过三个滑轮组成等腰三角形，底线两个滑轮固定，三角形上顶角滑轮下方安装一压力变送器，测定上部滑轮的垂直受力，换算成绳索拉力，卡绳轮防止绳索串动。
具体结构图如图2所示，图3为收绳器沿A-A截面左视图。
图2 收绳器正视图
图3 收绳器沿A-A截面左视图
1-底座、2-调速电机、3-减速器、4-联轴器、5-卷扬筒、6-左摩擦副、7-摩阻基座、8-可调右摩擦副、9-单行飞轮、10-旋转编码器、11-测速基座、12-盘式摩擦片、13-卡绳轮、14-定滑轮、15-压力变送器、16-压力测试滑轮、17-牵引绳索、18-盘绳薄钢片。
该轨迹仪机械式收绳器的实物如下图所示：
图4 收绳器实物图
三、成果实施效果说明
电力管道轨迹仪的自动牵引装置结构简单，外形材质选用铝合金，其重量<20kg，便于运输。电源可采用交流电220V或车载12V，满足单人操作，对操作场地要求简单，需要空间少。同时可满足REDUCT轨迹仪、国产GJ-II轨迹仪在多种规格外径（Φ110mm；Φ120mm～Φ219mm；Φ220mm～Φ426mm）管道中的牵引工作，适应能力强。
依靠电力驱动和内部控制实现自动化操作，减轻了操作人员的劳动强度，最大牵引力可达1KN。可实现无极调速，可在0.3～3m/s范围内保持匀速牵引，能适应最小曲率半径为40m的管道，满足长距离管道、环境恶劣条件的测量要求。
该牵引装置采用软件控制，牵引速度平稳且波动小，能进一步减少轨迹仪的测量误差精度。同时可以实时检测、监控和记录轨迹仪运行过程中绳索的受力情况。
四、成果推广前景描述
1、降低劳动强度，节约劳动成本。
该装置采用机械式操作，代替了以往人工拉绳，使用便利，精简了测绘两端的操作人员，大大降低了劳动强度，也节约了劳动成本。
2、提高测绘精度，精确管线定位
拉绳器在运行的过程中匀速控制轨迹仪行进速度，确保采集数据的频率和准确性，避免卡顿造成的误差趋势，精确定位管线，为管线后续服务提供有效数据支撑。
3、保障测绘安全，确保管线安全运营
采用热熔连接方式的管道，焊疤处往往出现较大的突起，使用机械式收绳器可避免人力牵引非匀速避让造成的绳索弹性变形所形成的瞬间高加速度对轨迹仪造成冲击破坏或绳索断裂引起的管道报废，极大程度上消除了安全隐患，确保测绘工作的正常进行和管线的安全运营，为地下管线测量技术的广泛应用和长足发展提供保障。
五、创新点、效果归纳及专利申请或授权情况
本课题成果《一种用于电力管道轨迹仪的自动牵引装置》已申请并获得国家实用新型专利授权，专利号：ZL 2016 2 0179096.7。
装置通过卷扬机构牵引的同时测定转速和拉力，反馈给控制机构保持稳定，在放绳时提供恒定阻力防止仪器打滑超速，从而保证仪器在管道内行进速度的恒定，减小外界因素对测试的影响，提高测试精度和自动化，主要创新点：
1、电力管道轨迹仪的自动牵引装置结构简单，依靠电力驱动和内部控制实现自动化操作，从根本减轻了操作人员的劳动强度，满足长距离管道、环境恶劣条件先的测量要求。
2、该牵引装置采用软件控制，牵引速度平稳且波动小，从根本上减少了轨迹仪的测量误差精度。
3、该牵引装置实时检测、监控和记录轨迹仪运行过程中绳索的受力情况。
4、该牵引装置操作场地要求简单，需要空间少。
