CN105547662A - 清管器非稳态摩擦在线测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置包括：支架；水平模拟管道，设置在所述支架上，所述水平模拟管道包括：依次连接并且管径依次变小的收发球段、过渡段和主管道段；清管器，能滑动的设置在所述水平模拟管道中，所述清管器包括：清管器连接轴、以及设置在所述清管器连接轴上的皮碗；拉压传感器，连接所述清管器连接轴；伺服电动滑台，连接所述清管器连接轴并设置在所述支架上；编码器，连接所述伺服电动滑台。本发明能够研究清管器清管时皮碗所受的非稳态摩擦阻力的变化规律。通过本发明，还可在线观测清管过程，评估清管器动力学参数对清管效果的影响。

Description

清管器非稳态摩擦在线测试实验装置

技术领域

本发明涉及管道清管和检测领域，具体涉及一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置。

背景技术

近年来，随中国油气探明储量的增长以及全国油气整体供应需求的提升，油气管道的建设里程正在不断的增加。在管道运输以其不可替代的优势在全国范围内得到广泛应用的同时，管道运输的安全维护问题也逐渐得到重视。

在管道建成之初，需要利用清管器清除管道积液和管道施工所留杂质；在管道长期运营之后，则需要利用清管器清除管道内部长期运输介质所形成的积蜡、积液等污垢。同时，管道因为一些内在(管道的腐蚀、裂纹)或者外在(地震、山体滑坡等地质灾害)原因所形成的不同程度的损伤也需要定期利用智能清管器进行清管检测，及时发现和处理这些损伤，避免严重事故的发生。目前，利用清管器或者内检测器等管道机器人对管道进行清管和检测，已成为管道运营维护必不可少的流程之一。

大多数清管器属于被动型清管器，常用的清管器上配备有柔性皮碗，主要靠其密封管道内壁，并在其前后形成压差，推动自身行走。皮碗密封管道所导致的过盈配合会产生皮碗的非线性变形，这种非线性变形直接影响清管器和管壁间的接触应力，造成清管过程中清管器受到的摩擦阻力发生变化，从而影响清管器在管道中运动参数的变化。工业中，建立精确的清管动力学模型，可以在清管前有效的模拟和预测清管运动规律，指导清管作业。因此，弄清摩擦力在管道中的动态变化规律，对模型的准确性有着重要意义。

皮碗所受的非稳态摩擦阻力的变化规律受到多种因素的影响，包括管道的内壁结构和流体介质特性、清管器运行时的速度变化、皮碗的尺寸和材料等，然而已有的用于分析清管器运动的公开技术和专利内容都没有研究这些参数对摩擦力变化规律的影响，而是对摩擦力进行了简化处理，造成清管器清管动力学模拟的失真。

综上所述，现有技术中存在以下问题：现有技术难以对清管器的皮碗所受的非稳态摩擦阻力的变化规律进行准确的建模。

发明内容

本发明提供一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，以解决清管器清管非稳态摩擦模型的失真问题。

为此，本发明提出一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，用于测试清管器运行时皮碗所受非稳态摩擦阻力，以模拟清管器皮碗在管道中非稳态摩擦力的变化规律，为清管器动力学模型的构建提供理论指导,所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置包括：

支架；

水平模拟管道，设置在所述支架上，所述水平模拟管道包括：依次连接并且管径依次变小的收发球段、过渡段和主管道段；

清管器，能滑动的设置在所述水平模拟管道中，所述清管器包括：清管器连接轴、以及设置在所述清管器连接轴上的皮碗，所述皮碗的直径大于所述主管道段的管径并小于所述收发球段的管径；

记录皮碗变形应力的应变片，设置在所述皮碗上；

拉压传感器，连接所述清管器连接轴；

伺服电动滑台，连接所述清管器连接轴并设置在所述支架上；

编码器，连接所述伺服电动滑台。

进一步地，所述皮碗在初始位置和终止位置时位于所述收发球段内，正向运行时经过所述过渡段和主管道段，到达主管道段的预定位置后反向运行回到所述收发球段内。

进一步地，所述伺服电动滑台包括：

滑座，设置在所述支架上；

导轨，设置在所述滑座上；

伺服电机，设置在所述滑座上；

滑动平台，设置在所述导轨上并连接所述伺服电机。

进一步地，所述水平模拟管道为透明管道，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置还包括：设置在所述水平模拟管道外并对所述水平模拟管道观察的显微镜和对所述显微镜拍照的摄像机。

进一步地，所述透明管道为有机玻璃管道，清管器在有机玻璃管道运行时用所述摄像机和显微镜记录皮碗的非线性变形过程，以及皮碗和管壁的接触过程。

进一步地，所述水平模拟管道与所述清管器连接轴为同轴设置。

进一步地，所述清管器还包括：套设在所述清管器连接轴中部的圆柱体、设置在所述圆柱体两端的第一圆形托盘和第二圆形托盘、分别设置在所述清管器连接轴上并位于所述第一圆形托盘和第二圆形托盘外端的第一挡板和第二挡板、设置在所述第一圆形托盘和第一挡板之间的第一压紧块、以及设置在所述第二圆形托盘和第二挡板之间的第二压紧块；其中，所述皮碗通过套在所述圆柱体上设置在所述清管器连接轴上，并且所述皮碗被所述第一压紧块和/或第二压紧块夹紧在所述清管器连接轴的轴向上。

进一步地，所述清管器连接轴与所述第一挡板通过螺纹连接。

进一步地，所述第一压紧块和第二压紧块均为圆环状。

进一步地，所述第一压紧块能拆卸的连接在所述第一挡板上，所述第二压紧块能拆卸的连接在第二挡板上。

本发明通过控制伺服电动滑台的速度来实现清管器的变速运动，由拉压传感器和应变片分别获取清管器运行时受到的摩擦力信号及变形应力信号，通过对采集的信号进行处理与分析，从而分析清管器清管过程中的摩擦力及其变化规律。

另外，本发明上还可设置高速摄像机和/或显微镜，原位观测皮碗的受力变形过程以及皮碗与管壁的接触变化规律，还可原位观测清管效果。

本发明可以研究清管器清管时皮碗所受的非稳态摩擦阻力的变化规律；

本发明可以在线观测清管过程，评估清管器动力学参数对清管效果的影响。

附图说明

图1为本发明的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置的立体结构示意图；

图2为本发明的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置的主视结构示意图；

图3为本发明的支架的结构示意图；

图4为本发明的水平模拟管道的结构示意图；

图5为本发明的伺服电动滑台的结构示意图；

图6为本发明的清管器的结构示意图；其中去除了清管器连接轴。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图1所示，本发明提出一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置100，用于测试清管器运行时皮碗所受非稳态摩擦阻力，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置包括：

支架1；

水平模拟管道2，水平的设置在所述支架1上，如图4所示，所述水平模拟管道2包括：依次连接并且管径依次变小的收发球段21、过渡段22和主管道段23；

清管器4，能滑动的设置在所述水平模拟管道2中，所述清管器4包括：清管器连接轴5、以及设置在所述清管器连接轴上的皮碗41(如图6)，所述皮碗41的直径大于所述主管道段23的管径并小于所述收发球段22的管径；

记录皮碗变形应力的应变片11，设置在所述皮碗41上；

拉压传感器6，连接所述清管器连接轴5；

伺服电动滑台9，连接所述清管器连接轴5并设置在所述支架1上；

编码器91，连接所述伺服电动滑台9。

通过控制伺服电动滑台的速度来实现清管器的变速运动，由拉压传感器和应变片分别获取清管器运行时受到的摩擦力信号及变形应力信号，通过对采集的信号进行处理与分析，从而分析清管器清管过程中的摩擦力及其变化规律。

进一步地，所述皮碗41在初始位置和终止位置时位于所述收发球段21内，正向运行时经过所述过渡段22和主管道段23，到达主管道段的预定位置后反向运行回到所述收发球段内，以完成皮碗的非稳态摩擦运动。收发球段21和主管道段23例如为直筒状，过渡段22连接在收发球段21和主管道段23之间，为锥环形。

进一步地，如图5所示，所述伺服电动滑台9包括：

滑座94，设置在所述支架1上；

导轨93，设置在所述滑座94上；

伺服电机92，设置在所述滑座94上，伺服电机92连接伺服电机控制箱10，伺服电机控制箱10设置在支架上；

滑动平台95，设置在所述导轨93上并连接所述伺服电机92。这样，伺服电动滑台9用于控制清管器4的运动速度，试验时通过改变清管器4的速度模拟变速条件下清管器4的清管过程，从而得出清管器的皮碗与管壁之间的摩擦力随速度变化时的非线性响应关系，进一步将这种非线性响应关系拟合成数学模型完善清管器清管时的动力学模型。

进一步地，所述水平模拟管道2为透明管道，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置还包括：设置在所述水平模拟管道外并对所述水平模拟管道观察的显微镜和对显微镜实时成像进行记录的摄像机，原位观测不同运行速度变化下皮碗的受力变形过程以及皮碗与管壁的接触变化规律，实现可视化研究。

进一步地，所述透明管道为有机玻璃管道，清管器在有机玻璃管道运行时用高速摄像机和显微镜记录皮碗的非线性变形过程，以及皮碗和管壁的接触过程，这样，可以保证透明管道具有足够的强度，满足清管器非稳态摩擦在线模拟和测试实验。

进一步地，所述水平模拟管道2与所述清管器连接轴5为同轴设置，以实现均匀摩擦。

进一步地，如图6所示，所述清管器还包括：套设在所述清管器连接轴中部的圆柱体42、设置在所述圆柱体上并位于圆柱体两端的第一圆形托盘43和第二圆形托盘49、分别设置在所述清管器连接轴上并位于所述第一圆形托盘和第二圆形托盘外端的第一挡板47和第二挡板48、设置在所述第一圆形托盘43和第一挡板47之间的第一压紧块44、以及设置在所述第二圆形托盘49和第二挡板48之间的第二压紧块45；其中，所述皮碗41通过套在所述圆柱体42上设置在所述清管器连接轴5上，并且所述皮碗41被所述第一压紧块和/或第二压紧块夹紧在所述清管器连接轴5的轴向上。这样能够对皮碗41施加需要的压力，以便研究皮碗与管壁非线性摩擦力对于清管器相关参数的变化。

进一步地，所述清管器连接轴5与所述第一挡板47通过螺纹连接，便于拆卸。二者的连接可以为间距连接，例如清管器连接轴不直接和第一挡板进行螺纹连接，而是首先连接轴上设置的轴肩靠在第二挡板上，进而从第一挡板中心孔伸出带有螺纹的连接轴，此处连接轴螺纹的外径略小于第一挡板中心孔直径，一螺母和连接轴连接后其一端面紧靠第一挡板上，从而将清管器固定在连接轴上。

进一步地，所述第一压紧块44和第二压紧块45均为圆环状，以便安装并且压紧皮碗。

进一步地，所述第一压紧块44能拆卸的连接在所述第一挡板47上，所述第二压紧块能拆卸的连接在第二挡板48上，这样，通过换上不同过盈量和厚度的皮碗以及不同直径的和数量的压紧块可研究清管器相关参数的变化对皮碗与管壁之间非线性摩擦力的影响。

本发明的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置100可以采用按照上述结构设置的多种配合方式，为了增加实验的稳定性、可靠性、减少占地空间，进一步的本发明的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置100详细结构可以采用如下设置：

如图3所示，支架1的上层设有两列平行设置的上层纵梁101和两列平行设置的上层横梁102，上层纵梁101和上层横梁102之间通过直角连接件103连接形成支架1的上层平面，直角连接件103为等腰直角三角形形状的角铁，每列上层纵梁101分别通过三角连接件103连接上层支撑梁104和整体长支撑梁105，每列上层横梁101分别通过三角连接件103连接上层支撑梁104和整体长支撑梁105。

上层横梁101用于放置水平模拟管道2，水平模拟管道2通过一卡箍3固定在支架1上。水平模拟管道2的第一端和第二端分别与支架1的上层横梁102的第一端和第二端对应设置，在图2中，水平模拟管道2的第一端和支架1的上层纵梁101第一端朝向左边，其第二端朝向右边。

支架的中层设置有两列平行的中层横梁106，两列中层横梁106通过角连接件固定有多个中层纵梁107形成支架1的中层平面，中层纵梁107上用于放置伺服电动滑台9，每列中层横梁106分别通过三角角连接件103连接整体长支撑梁105和整体短支撑梁108，位于两列中层横梁106端部的两列中层纵梁107分别通过三角角连接件103连接整体长支撑梁105和整体短支撑梁108，两列中层横梁106和两列中层纵梁107在整体长支撑梁105及整体短支撑梁108之间都设有斜撑梁109，斜撑梁109一端通过钝角连接块110连接在中层横梁106或中层纵梁107上，另一端通过钝角连接块110连接在整体长支撑梁105或整体短支撑梁108上，钝角连接件110的结构及连接方式与三角角连接件103相似，其形状为等腰钝角三角形，两者均为现有技术中惯用的连接件。

整体支架1的底层设有两列底层横梁111，每个底层横梁111分别通过三角连接件103连接整体长支撑梁105和整体短支撑梁108，两列底层横梁111之间设有多个底层纵梁112，位于两列底层横梁111端部的两个底层纵梁112分别通过三角角连接件103连接整体长支撑梁105和整体短支撑梁108，两列底层横梁111和多个底层纵梁112形成支架1的底层平面，在多个底层纵梁112之间相互设有一固定横梁113，固定横梁113位于底层平面的中心线上，底层平面用于放置伺服电机控制箱11。

两列底层横梁111和底层纵梁112在整体长支撑梁105及整体短支撑梁108之间都设有斜撑梁109，斜撑梁109一端通过钝角连接块110连接在底层横梁111或底层纵梁112上，另一端通过钝角连接块110连接在整体长支撑梁105或整体短支撑梁108上。

清管器连接轴5的一端和清管器4的圆柱体连接，另一端和拉压传感器6左端连接；拉压传感器连接轴7的一端和拉压传感器6右端连接，另一端连接在滑台耳板8上；滑台耳板8固定连接在伺服电动滑台9上，伺服电动滑台9上安装有编码器91，编码器91用于记录清管器4在水平管道2内运行时的实时速度，可通过伺服电机控制箱10控制清管器4的速度变化，从而模拟清管器4在不同运行条件下的清管作业。

收发球段21的内径大于清管器皮碗41的外径，主管道段23的内径小于清管器皮碗41的外径，清管器皮碗41在主管道段23中运行时和主管道段23形成过盈配合。

伺服电动滑台9包括：光电编码器91、伺服电机92、导轨93、滑座94和滑动平台95，光电编码器91和伺服电机92后部伸出的传动轴连接，用于记录滑台运行时的实时速度，伺服电机92为现有技术。导轨93连接固定在滑座94上，滑座94和伺服电机92的外壳连接固定。滑动平台95上加工有一凹槽，通过凹槽和导轨93的配合放置在导轨93上，滑动平台95上固定有滑台耳板8。滑动平台95和电机92的传动轴通过滚珠丝杠配合连接，电机92转动时通过滚珠丝杠机构带动滑动平台95沿导轨93运动。

伺服电动滑台9设置有凹槽用于连接三角角连接件103，伺服电动滑台9通过三角角连接件103连接固定在支架1上。伺服电动滑台9用于控制清管器4的运动速度，试验时通过改变清管器4的速度模拟变速条件下清管器4的清管过程，从而得出清管器的皮碗与管壁之间的摩擦力随速度变化时的非线性响应关系，进一步将这种非线性响应关系拟合成数学模型完善清管器清管时的动力学模型。

如图6所示，清管器4上设置有清管器皮碗41，清管器的结构包括一骨架，该骨架的中部为圆柱体42，圆柱体42上靠近第一端和靠近第二端的位置分别加工有与其轴线垂直的第一圆形托盘43和第二圆形托盘49。第一圆形托盘43外侧的圆柱体上套设有清管器皮碗41、多个第一压紧块44，清管器4为可拆卸结构，清管器皮碗41套在第一压紧块44之间，可根据研究的需要调整清管器皮碗41的个数和第一压紧块44的个数，试验时通过设置不同的第一压紧块44和清管器皮碗41的个数得到皮碗41间距和个数对清管器清管动力学的影响。

第一挡板47位于清管器皮碗41和第一压紧块44外侧(即相对于第一圆形托盘43的另一侧)，第一圆形托盘43、清管器皮碗41、第一压紧块44和第一挡板47上对应设有圆周均匀分布的多个通孔，多个螺栓46分别穿过对应的通孔并通过螺母将清管器皮碗41和第一压紧块44夹持固定在第一圆形托盘43、第一挡板47之间。

清管器皮碗41在主管道段23中运行时和主管道段23形成过盈配合，清管器皮碗41上贴有应变片11，用于记录清管器运行时皮碗41的变形应力，通过换上不同过盈量和厚度的皮碗以及不同直径的压紧块可研究皮碗与管壁非线性摩擦力对于清管器相关参数的变化响应。第二圆形托盘49外侧的圆柱体上套设有清管器皮碗41、多个第二压紧块45，其固定连接结构与第一圆形托盘43处相同，第二挡板46位于清管器皮碗41、多个第二压紧块45外侧，清管器皮碗41、多个第二压紧块45被夹紧固定在第二圆形托盘49和第二挡板46之间。

清管器4位于收发球段21中时，第二挡板46朝向伺服电动滑台9的方向。第一挡板47和第二挡板46为圆环结构，清管器连接轴5上设有多个不同轴径的轴段，清管器连接轴5穿过第二挡板46、清管器骨架、第一挡板47，第二挡板46的内环面和清管器连接轴5上相同轴径的轴段过盈配合，第二挡板46外侧(朝向伺服电动滑台9的方向)面紧靠在清管器连接轴5上设置的轴肩上，清管器连接轴5的上设置有螺纹的一端伸出第一挡板47，通过螺母紧固连接将清管器4连接固定在螺母面和清管器连接轴5的轴肩之间。

清管器连接轴5的另一端(与车有螺纹相对的一端)连接有拉压传感器6，拉压传感器连接轴7一端连接在拉压传感器6上，拉压传感器连接轴7的另一端和滑台耳板8上的圆孔过盈配合，从滑台耳板8上伸出的连接轴设置有螺纹，通过螺母将拉压传感器连接轴7固定在滑台耳板8上。在不同条件下模拟试验时拉压传感器6能记录不同时刻下清管器4和管壁之间产生的摩擦力，结合试验条件对采集到的摩擦力信号进行处理与分析，从而研究清管器运行时的非稳态摩擦力力学模型。

采用上述本发明的技术方案，实验时将清管器4位于水平模拟管道2的收发球段21内，预先在伺服电机控制箱10中设置好伺服电动滑台9的速度、加速度和运行位移等运动参数后启动电源，伺服电动滑台9以预设的速度和加速度正向牵引清管器4通过过渡段22后进入主管道段23，到达主管道段23的预设位置后停止运行，通过伺服电机控制箱10反向驱动清管器4回到管道收发球段21。清管器4在主管道段23的正向运动中，拉压传感器6能够实时采集清管器皮碗41和管道内壁之间产生的摩擦力，应变片11能够采集在此过程中皮碗的变形应力，光电编码器91能够采集清管器4运行时的实时速度。通过改变清管器4的结构和清管器皮碗41规格以及伺服电动滑台9的运行速度和加速度，可模拟不同条件下清管器与管道产生的非稳态摩擦变化规律，为进一步分析清管器清管过程的动力学模型提供理论指导。

本发明能够研究清管器清管时皮碗所受的非稳态摩擦阻力的变化规律，通过设置多种不同的参数研究皮碗与管壁之间的摩擦阻力对于相关参数的动态响应，清管器运行时的参数变化包括管道的结构、运行时的速度变化、皮碗的过盈量、皮碗的分布、清管器自身的结构等，通过对采集的信号进行处理与分析，一方面在现有的基础上构建包含清管器皮碗非线性变形等因素的动力学模型，另一方面用于评估清管器的参数变化对于清管效果的影响，从而为清管器的实际清管作业提供指导意见。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，用于测试清管器运行时皮碗所受非稳态摩擦阻力，其特征在于，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置包括：

支架；

水平模拟管道，设置在所述支架上，所述水平模拟管道包括：依次连接并且管径依次变小的收发球段、过渡段和主管道段；

清管器，能滑动的设置在所述水平模拟管道中，所述清管器包括：清管器连接轴、以及设置在所述清管器连接轴上的皮碗，所述皮碗的直径大于所述主管道段的管径并小于所述收发球段的管径；

记录皮碗变形应力的应变片，设置在所述皮碗上；

拉压传感器，连接所述清管器连接轴；

伺服电动滑台，连接所述清管器连接轴并设置在所述支架上；

编码器，连接所述伺服电动滑台。

2.如权利要求1所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述皮碗在初始位置和终止位置时位于所述收发球段内，正向运行时经过所述过渡段和主管道段，到达主管道段的预定位置后反向运行回到所述收发球段内。

3.如权利要求1所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述伺服电动滑台包括：

滑座，设置在所述支架上；

导轨，设置在所述滑座上；

伺服电机，设置在所述滑座上；

滑动平台，设置在所述导轨上并连接所述伺服电机。

4.如权利要求1所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述水平模拟管道为透明管道，所述清管器非稳态摩擦在线测试实验装置还包括：设置在所述水平模拟管道外并对所述水平模拟管道观察的显微镜和对所述显微镜成像进行记录的摄像机。

5.如权利要求4所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述透明管道为有机玻璃管道，清管器在有机玻璃管道运行时用所述摄像机和显微镜记录皮碗的非线性变形过程，以及皮碗和管壁的接触过程。

6.如权利要求1所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述水平模拟管道与所述清管器连接轴为同轴设置。

7.如权利要求1所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述清管器还包括：套设在所述清管器连接轴中部的圆柱体、设置在所述圆柱体两端的第一圆形托盘和第二圆形托盘、分别设置在所述清管器连接轴上并位于所述第一圆形托盘和第二圆形托盘外端的第一挡板和第二挡板、设置在所述第一圆形托盘和第一挡板之间的第一压紧块、以及设置在所述第二圆形托盘和第二挡板之间的第二压紧块；其中，所述皮碗通过套在所述圆柱体上设置在所述清管器连接轴上，并且所述皮碗被所述第一压紧块和/或第二压紧块夹紧在所述清管器连接轴的轴向上。

8.如权利要求7所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述清管器连接轴与所述第一挡板通过螺纹连接。

9.如权利要求7所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述第一压紧块和第二压紧块均为圆环状。

10.如权利要求7所述的清管器非稳态摩擦在线测试实验装置，其特征在于，所述第一压紧块能拆卸的连接在所述第一挡板上，所述第二压紧块能拆卸的连接在第二挡板上。