CN109141711A - 链轮组驱动式清管器弯管牵拉实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种链轮组驱动式清管器弯道牵拉实验装置，包括：清管器驱动系统、实验管道及管道支撑系统和拉力传感器测力系统；管道支撑系统用于支撑和固定实验管道；清管器驱动系统由一个与电动机相连的主动链轮组和两个从动链轮组与链条配合组成，用于为清管器的运行提供动力，拉力传感器测力系统包括S型拉力传感器和计算机，用于实时输出清管器运行过程中所受到的运行阻力，进而预测出清管器运行所需的驱动力。相对于现有技术，本发明置适用于全尺寸管道清管器牵拉实验，可以较真实地模拟清管器在弯管内运行过程中的受力情况，保证数据的可靠性，可以有效降低实验操作难度，控制实验成本，与真实清管作业中清管器在弯管内的受力情况一致。
Description
技术领域
本发明属于管道清洗领域，具体地，涉及一种链轮组驱动式清管器弯道牵拉实验装置及实验方法。
背景技术
清管器作为一种常用的管道维护设备，其运行的安全性和通畅性是决定清管作业成功与否的关键。根据工程现场的经验得知，当清管器在弯管内运行时，橡胶盘会受到更严重地挤压变形而引起更大的运行阻力。因此，为了避免由于驱动力不足而导致的卡堵事故，在清管作业设计初期，通过搭建室内实验平台来预测清管器运行所需的最小驱动压力是十分必要的。现阶段，常用的牵拉实验装置仅适用于直管道，因而无法测量清管器在通过弯管时的受力情况，水力驱动式清管器过弯实验装置存在实验设备要求高、流程操作复杂且数据监测困难等的问题。为了解决上述问题，亟需设计一种用于预测清管器在弯管内运行时所需驱动压力的实验装置。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种测量清管器在弯管内运行时沿程阻力的实验装置和实验方法，运用该装置可以较真实的还原清管器在弯道内的运行过程，并且合理地预测驱动清管器所需要的最小压力，为清管作业的工况设计提供可靠的数据基础，进而有效的避免卡堵事故的发生。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
链轮组驱动式清管器弯管牵拉实验装置，包括：清管器驱动系统、实验管道及管道支撑系统和拉力传感器测力系统；管道支撑系统用于支撑和固定实验管道；清管器驱动系统由一个与电动机相连的主动链轮组和两个从动链轮组与链条配合组成，用于为清管器的运行提供动力。拉力传感器测力系统包括S型拉力传感器和计算机，用于实时输出清管器运行过程中所受到的运行阻力，进而预测出清管器运行所需的驱动力。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本装置适用于全尺寸管道清管器牵拉实验，可以较真实地模拟清管器在弯管内运行过程中的受力情况，保证数据的可靠性。
2、实验使用电动机驱动装置为检测器的运行提供动力，相比于水力驱动式实验方法可以有效降低实验操作难度，控制实验成本。
3、通过在实验管道上、下侧加工清管器驱动杆运行轨道，可以解决驱动系统和清管器的连接问题。驱动系统可以为清管器在弯管内的运行持续提供动力。
4、清管器驱动杆上安装有弯道导向架，同时在管道上、下侧加工导向架轨道。运用导向架系统可以保证清管器在运行时，其芯轴轴线始终与管道轴线处于同一水平面，平稳且顺利地通过弯道。
5、驱动系统中的主动链轮半径与管道弯曲半径相同，保证施加于清管上的牵拉力方向始终与管道轴线相切，与真实清管作业中清管器在弯管内的受力情况一致。
6、实验过程中，通过控制电动机的转动频率，可以调节传动链轮的转动角速度，同时调节清管器的运行速度，实现多工况下的弯管牵拉实验。
7、通过使用拉力传感器可以接收并记录清管器在运动全程中任意时刻所受到的运行阻力，保证数据的全面性。
附图说明
图1是链轮驱动式清管器弯管牵拉实验装置的结构示意图。
图2是实验管道系统示意图。
图3是图2中的View A视图。
图4是清管器系统的连接示意图。
图5是清管器系统的结构示意图。
图6是图5中的View B视图。
图7时清管器系统的侧视图
图8时导向架与导轨的装配示意图。
图9是驱动系统的俯视示意图。
图10是清管器在弯管内运行时弯头位置的局部俯视透视图。
图中：1、实验管道系统，101、实验管道，101A、实验管道第一直管段，101B、实验管道弯管段，101C、实验管道第二直管段，102、管道支撑架，103、外侧导向轮轨道，104、驱动杆轨道，105、内侧导向轮轨道；2、清管器系统，201、清管器，201A、清管器芯轴，201B、清管器皮碗，202、清管器驱动杆，203、驱动杆导向架，203A、导向轮车架，203B、导向轮转动轴，203C、导向轮车轴、203D、外侧导向轮，203E、内侧导向轮；203F、导向架稳定弹簧3、清管器驱动系统，301、主动链轮组，301A、主动链轮，301B、主动链轮轴，302、传动链条，303、第一从动链轮组，303A、第一从动链轮，303B、第一从动链轮车轴，304、第二从动链轮组，304A、第二从动链轮、304B、第二从动链轮车轴，4、拉力传感器测力系统，401、S型拉力传感器。
箭头方向为主动链轮301A的转动方向。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，包括：实验管道系统1、清管器系统2、清管器驱动系统3以及拉力传感器测力系统4；其中：实验管道系统包括实验管道和管道支架，实验管道系统为清管器提供运行空间，清管器系统放置于实验管道内部；清管器驱动系统包括电动机和传动装置，用于为清管器的运行提供动力；拉力传感器测力系统测量并实时输出清管器运行过程中所产生的的牵拉力大小。
实验管道101由第一直管道101A、弯管段101B和第二直管道101C依次通过无缝焊接构成，其中第一直管道和第二直管道的管道轴线夹角可根据实验要求设置为90°～180°间的任意角度，本案以90°为例进行说明，实验管道101安装并固定在四个管道支架102上；实验管道101的上、下表面分别设置驱动杆轨道104，驱动杆轨道104为沿实验管道径向穿透实验管道的矩形窄槽，从实验管道起始端开始一直延伸至实验管道末端；驱动杆轨道104与实验管道101轴线处于同一垂直平面内，为保证实验管道整体结构强度和稳定性不被破坏，实验管道总长应大于驱动杆轨道104的长度，驱动杆轨道104为清管器驱动杆提供运行空间；在驱动杆轨道104左右两侧对称设置外侧导向轮轨道103和内侧导向轮轨道105，外侧导向轮轨道103和内侧导向轮轨道105均凸出管道表面；管道支架102包括两块半弧形的托板、支撑杆和底座，两块半弧形的托板对称地布置在管道截面左右两侧，半弧形的托板下方依靠支撑杆和底座进行支撑和固定，管道支架102为清管器驱动杆轨道104以及外侧导向轮轨道103和内侧导向轮轨道105留出空间。
如图4至图8所示，清管器系统2，包括：芯轴式清管器201、两个清管器驱动杆202及两个清管器导向轮组203；其中，芯轴式清管器201包括清管器芯轴201A和四个清管器密封元件201B，四个清管器密封元件201B彼此相隔一段距离安装在清管器芯轴201A上，清管器密封元件201B和芯轴201A为同心装配，清管器放置于管道内，密封元件201B与管道产生过盈配合；清管器驱动杆202穿过实验管道101的上、下表面的驱动杆轨道104垂直于清管器芯轴201A并安装于芯轴的中心位置，为防止在实验过程中产生碰撞，清管器驱动杆202的直径应稍小于驱动杆轨道104的宽度。
两根清管器驱动杆202上分别设置清管器导向轮组203；清管器导向轮组203，包括：导向轮车架203A、导向轮转动轴203B、导向轮车轴203C、外侧导向轮203D、内侧导向轮203E和导向架稳定弹簧203F，驱动杆202垂直穿过导向轮组车架203A的中心，导向轮组车架203A与驱动杆202固定连接，在导向轮车架203A两端分别设置导向轮转轴203B，导向轮转轴203B与导向轮车架203A垂直，且导向轮转轴203B可自由转动；导向轮转轴203B底端固定有导向轮车轴203C，导向轮车轴203C两端分别设置内侧导向轮203D、外侧导向轮203E，导向轮采用曲面圆台结构，且每个导向轮两侧设置轮缘，轮缘半径稍大于导向轮的半径以防止导向轮在行驶过程中脱轨；为保证导向轮组在实验过程中可以平稳运行，导向轮车架203A两端的导向轮车轴203C之间设置稳定弹簧203F；内侧导向轮203D、外侧导向轮203E分别落在内侧导向轮轨道105和外侧导向轮轨道103上，在行驶过程中，位于管道上方和管道下方的导向轮组始终与导向轮轨道贴合，当清管器出现上抬或下沉趋势时，其中一侧的轮组可通过与轨道的接触作用限制清管器的偏离趋势，使清管器在运行过程中其芯轴轴线始终位于管道轴线上，保证整体运行过程平稳，测量数据准确。为方便展示导向轮与轨道的配合细节，图8中导向轮组与管道的比例与真实情况不同，仅供示意。
如图9所示，清管器驱动系统，包括：主动链轮组301、传动链条302、第一从动链轮组303和第二从动链轮组304；其中，主动链轮组301，包括两片主动链轮301A和主动链轮车轴301B，主动链轮车轴301B垂直于主动链轮301A的平面，两片主动链轮分别安装于主动链轮车轴301B的上下两端；第一从动链轮组303，包括两片第一从动链轮303A和第一从动链轮车轴303B，第一从动链轮车轴303B垂直于第一从动链轮303A的平面，两片第一从动链轮分别安装于第一从动链轮车轴303B的上下两端；第二从动链轮组304，包括两片第二从动链轮304A和第二从动链轮车轴304B，第二从动链轮车轴304B垂直于第二从动链轮304A的平面，两片第二从动链轮分别安装于第二从动链轮车轴304B的上下两端。
实验管道101安装于主动链轮组301的两片主动链轮301A、从动链轮组303的两片从动链轮303A之间；主动链轮301A的圆心与两个从动链轮303A的圆心呈等腰直角三角形布置，其中主动链轮301A的圆心位于等腰直角三角形的直角顶点。在垂直于主动链轮301A平面的方向上，主动链轮圆心与弯管段101B的弯曲中心共线。主动链轮与从动链轮之间的传动链条302与管道中轴线处于同一垂直平面内。
电动机为主动链轮车轴301B提供动力，带动传动链条302运行；清管器驱动杆202上、下两端分别与上、下传动链条302固定连接，传动链条302通过清管器驱动杆202带动芯轴式清管器201同步运行。
S型拉力传感器401安装在两个从动链轮303A之间的传动链条302上，传感器两端分别与传动链条302上的链节首尾相连，将传感器的数据传输线与计算机相连，计算机接受牵拉力数据。
清管器弯管牵拉实验的实验方法，如图1至10所示，采用链轮驱动式清管器弯管牵拉实验装置，包括下述步骤：
1、安装主动链轮301A和从动链轮303A，并将主动链轮车轴301B和两根从动链轮车轴303B的上、下两端固定；在已经固定的三个链轮组上安装传动链条102，并在两个从动链轮301A之间的链条上安装拉力传感器401；通过调整传动链条302的长度，令链条整体处于张紧状态，不出现明显的弯曲；通过转动传动链轮，使拉力传感器401位于靠近第一从动链轮组304的位置处；
2、在实验管道101上、下两侧分别加工外侧导向轮轨道103、驱动杆轨道104和内侧导向轮轨道105，将加工完成的实验管道101安装并固定于管道支架102上，管道支架根据实验管道长度两两相隔一段距离放置以保证整体结构平稳；将组装完成的实验管道101和管道支架系统102通过地脚螺栓固定在地面上，在垂直于主动链轮301A平面的方向上，使实验管道弯管段101B的弯曲中心与主动链轮301A的圆心处于共线的状态，同时使两条实验直管道101A、101C的轴线分别与两条主、从链轮之间的传动链条302平行；
3、将电动机与主动链轮车轴301B通过内螺纹卡扣连接，为主动链轮301A提供动力；将S型拉力传感器401与计算机相连接，以接收实验数据；在实验开始前，为了消除系统内摩擦阻力对实验结果的影响，应在不连接清管器201的情况下运行该装置，通过计算机记录下实验装置内摩擦阻力的数值F0；实验完成后，通过适当的降低频率并反转电动机将实验装置复位，直至S型传感器401恢复至实验开始前的位置，关闭电动机；
4、牵拉实验开始前，将清管器201预先放置于实验管道的第一直管段101A内。在两根清管器驱动杆202上分别安装导向轮组203，把组装完成的清管器驱动杆202的一端穿过驱动杆轨道104通过螺纹与清管器芯轴201A连接，驱动杆202另一端通过螺纹与驱动链条302连接，对上、下两根驱动杆采用同样的安装方式进行安装。
5、打开电动机的控制开关，将频率调整至固定值，清管器201在驱动链条302的带动下以稳定的速度依次通过实验管道第一直管段101A、实验管道弯管段101B以及实验管道第二直管段101C；连接S型传感器301的计算机302实时输出清管器在实验管道内运行全过程中的摩擦阻力值Ff；
利用计算公式F测量＝Ff－F0即可得到清管器在实验管道内运行时所受的的真实摩擦阻力大小。
Claims (10)
1.一种链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，包括：实验管道系统、清管器系统、清管器驱动系统以及拉力传感器测力系统；其特征在于：实验管道系统包括实验管道和管道支架，实验管道系统为清管器提供运行空间，清管器系统放置于实验管道内部；清管器驱动系统包括电动机和传动装置，用于为清管器的运行提供动力；拉力传感器测力系统测量并实时输出清管器运行过程中所产生的的牵拉力大小。
2.根据权利要求1所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：实验管道由第一直管道、弯管段和第二直管道依次通过无缝焊接构成，实验管道安装并固定在四个管道支架上；实验管道的上、下表面分别设置驱动杆轨道，驱动杆轨道为沿实验管道径向穿透实验管道的矩形窄槽，从实验管道起始端开始一直延伸至实验管道末端；驱动杆轨道与实验管道轴线处于同一垂直平面内，在驱动杆轨道左右两侧对称设置外侧导向轮轨道和内侧导向轮轨道，外侧导向轮轨道和内侧导向轮轨道均凸出管道表面。
3.根据权利要求1-2所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：清管器系统，包括：芯轴式清管器、两个清管器驱动杆及两个清管器导向轮组；其中，芯轴式清管器包括清管器芯轴A和四个清管器密封元件，四个清管器密封元件彼此相隔一段距离安装在清管器芯轴上，清管器密封元件和芯轴为同心装配，清管器放置于管道内，密封元件与管道产生过盈配合；清管器驱动杆穿过实验管道的上、下表面的驱动杆轨道垂直于清管器芯轴并安装于芯轴的中心位置，清管器驱动杆的直径应小于驱动杆轨道的宽度。
4.根据权利要求1-3所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：两根清管器驱动杆上分别设置清管器导向轮组；清管器导向轮组，包括：导向轮车架、导向轮转动轴、导向轮车轴、外侧导向轮、内侧导向轮和导向架稳定弹簧，驱动杆垂直穿过导向轮组车架的中心，导向轮组车架与驱动杆固定连接，在导向轮车架两端分别设置导向轮转轴，导向轮转轴与导向轮车架垂直，且导向轮转轴可自由转动；导向轮转轴底端固定有导向轮车轴，导向轮车轴两端分别设置内侧导向轮、外侧导向轮，导向轮采用曲面圆台结构，且每个导向轮两侧设置轮缘，轮缘半径稍大于导向轮的半径以防止导向轮在行驶过程中脱轨；导向轮车架两端的导向轮车轴之间设置稳定弹簧；内侧导向轮、外侧导向轮分别落在内侧导向轮轨道和外侧导向轮轨道上，在行驶过程中，位于管道上方和管道下方的导向轮组始终与导向轮轨道贴合，当清管器出现上抬或下沉趋势时，其中一侧的轮组可通过与轨道的接触作用限制清管器的偏离趋势，使清管器在运行过程中其芯轴轴线始终位于管道轴线上，保证整体运行过程平稳，测量数据准确。
5.根据权利要求1-4所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：清管器驱动系统，包括：主动链轮组、传动链条、第一从动链轮组和第二从动链轮组；其中，主动链轮组，包括两片主动链轮和主动链轮车轴，主动链轮车轴垂直于主动链轮的平面，两片主动链轮分别安装于主动链轮车轴的上下两端；第一从动链轮组，包括两片第一从动链轮和第一从动链轮车轴，第一从动链轮车轴垂直于第一从动链轮的平面，两片第一从动链轮分别安装于第一从动链轮车轴的上下两端；第二从动链轮组，包括两片第二从动链轮和第二从动链轮车轴，第二从动链轮车轴垂直于第二从动链轮的平面，两片第二从动链轮分别安装于第二从动链轮车轴的上下两端。
6.根据权利要求1-5所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：实验管道安装于主动链轮组的两片主动链轮、从动链轮组的两片从动链轮之间；主动链轮的圆心与两个从动链轮的圆心呈等腰直角三角形布置，其中主动链轮的圆心位于等腰直角三角形的直角顶点；在垂直于主动链轮平面的方向上，主动链轮圆心与弯管段的弯曲中心共线；主动链轮与从动链轮之间的传动链条与管道中轴线处于同一垂直平面内；电动机为主动链轮车轴提供动力，带动传动链条运行；清管器驱动杆上、下两端分别与上、下传动链条固定连接，传动链条通过清管器驱动杆带动芯轴式清管器同步运行。
7.根据权利要求1-6所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：管道支架包括两块半弧形的托板、支撑杆和底座，两块半弧形的托板对称地布置在管道截面左右两侧，半弧形的托板下方依靠支撑杆和底座进行支撑和固定，管道支架为清管器驱动杆轨道以及外侧导向轮轨道和内侧导向轮轨道留出空间。
8.根据权利要求1-7所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：S型拉力传感器安装在两个从动链轮之间的传动链条上，传感器两端分别与传动链条上的链节首尾相连，将传感器的数据传输线与计算机相连，计算机接受牵拉力数据。
9.根据权利要求1-8所述的链轮驱动式清管器弯道牵拉实验装置，其特征在于：第一直管道和第二直管道的管道轴线夹角可根据实验要求设置为90°-180°间的任意角度。
10.一种清管器弯管牵拉实验的实验方法，采用权利要求1-9之一所述的链轮驱动式清管器弯管牵拉实验装置，其特征在于，包括下述步骤：
(1)安装主动链轮和从动链轮，并将主动链轮车轴和两根从动链轮车轴的上、下两端固定；在已经固定的三个链轮组上安装传动链条，并在两个从动链轮之间的链条上安装拉力传感器；通过调整传动链条的长度，令链条整体处于张紧状态，不出现明显的弯曲；通过转动传动链轮，使拉力传感器位于靠近第一从动链轮组的位置处；
(2)在实验管道上、下两侧分别加工外侧导向轮轨道、驱动杆轨道和内侧导向轮轨道，将加工完成的实验管道安装并固定于管道支架上，管道支架根据实验管道长度两两相隔一段距离放置以保证整体结构平稳；将组装完成的实验管道和管道支架系统通过地脚螺栓固定在地面上，在垂直于主动链轮平面的方向上，使实验管道弯管段的弯曲中心与主动链轮的圆心处于共线的状态，同时使两条实验直管道的轴线分别与两条主、从链轮之间的传动链条平行；
(3)将电动机与主动链轮车轴通过内螺纹卡扣连接，为主动链轮提供动力；将S型拉力传感器与计算机相连接，以接收实验数据；在实验开始前，为了消除系统内摩擦阻力对实验结果的影响，应在不连接清管器的情况下运行该装置，通过计算机记录下实验装置内摩擦阻力的数值F0；实验完成后，通过适当的降低频率并反转电动机将实验装置复位，直至S型传感器恢复至实验开始前的位置，关闭电动机；
(4)牵拉实验开始前，将清管器预先放置于实验管道的第一直管段内；在两根清管器驱动杆上分别安装导向轮组，把组装完成的清管器驱动杆的一端穿过驱动杆轨道通过螺纹与清管器芯轴连接，驱动杆另一端通过螺纹与驱动链条连接，对上、下两根驱动杆采用同样的安装方式进行安装；
(5)打开电动机的控制开关，将频率调整至固定值，清管器在驱动链条的带动下以稳定的速度依次通过实验管道第一直管段、实验管道弯管段以及实验管道第二直管段；连接S型传感器的计算机实时输出清管器在实验管道内运行全过程中的摩擦阻力值Ff；
利用计算公式F测量＝Ff－F0即可得到清管器在实验管道内运行时所受的的真实摩擦阻力大小。
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