CN112576862A - 一种输气管道清管器刹车调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到天然气管道清洁、检测领域一种清管器刹车调速装置，能够有效降低清管器的运行速度，防止清管器产生冲击。其调速方案：计米轮通过支撑弹簧压紧在管道内壁，编码器将测得的清管器运行速度发送给控制系统，当运行速度大于系统设定速度，控制系统发出减速指令，伺服电动缸推动活塞缸内的液体运动，进而带动刹车轮机构中的传动活塞杆做直线运动，使刹车质量块压紧刹车轮，同时使刹车轮压紧在管道内壁，从而使清管器达到减速目的。本发明还具备风力发电系统，将气体动能转换为电能储存到蓄电池当中，保证满足长输天然气管道电能消耗。本发明所述清管器刹车调速装置只需设置在清管器后侧，能够适用于多类清管器清管、检测作业。

Description

一种输气管道清管器刹车调速装置

技术领域

本发明属于天然气管道清洁、检测领域，具体涉及一种输气管道清管器刹车调速装置，能够有效降低清管器的运行速度，提高清管效率和检测结果的准确性。

背景技术

定期对天然气管道进行清管和检测已成为一种标准的行业程序。清管作业要求管道检具(清管器)以接近稳定、中等速度移动，否则可能会丢失检测数据，导致清管器故障。清管器进行清管作业时，天然气管道一般限制为2～7m/s，过高和过低的速度都不利于作业的进行；而管道内检测设备为了获得较佳的检测数据质量，要求设备运行速度低于5m/s；电磁超声检测设备则要求其运行速度低于2m/s。清管器通过大倾角和起伏管道时，速度变化较大，直接使用常规清管器不能满足速度控制要求。

清管器的速度控制方式可以是主动控制方式和被动控制方式。

主动控制方式的原理是通过自身的机构来控制清管器的运行速度。目前，主动控制的方法主要是使用内部旁通阀来控制清管器前端和尾部之间的压差，调整清管器的推动力，从而控制清管器运行速度。

被动控制方式的原理是通过控制清管作业中入口端和出口端的介质压力和流量来间接控制清管器的速度。因为气体的可压缩性，被动控制方式往往难以达到较好的速度控制效果。

国内外对于清管器刹车调速装置的研究并不是很多，其主要是通过液压系统作为驱动力带动相应机构使滚轮压紧在管道内壁，达到减速的效果。目前液压系统作为驱动力的刹车调速装置主要有以下缺点：(1)由于液压系统的漏油等因素，会污染管道，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比；(2)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂；(3)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便；(4)液压系统发生故障不易检查和排除。

目前电缸驱动，消耗电能的清管器，蓄电池电量有限，因此长距离天然气管道清管受到限制。

因此，研制适用工况更广的清管器主动控制器具有重要意义和使用前景。

发明内容

本发明的目的：为了克服液压系统作为驱动力的刹车调速装置所具有的上述缺点，以及现有清管器携带蓄电池电量有限的问题，特提出一种新的输气管道清管器刹车调速装置，降低清管器的运行速度，提高清管效率和检测结果的准确性。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种输气管道清管器刹车调速装置，包括速度采集模块、单片机控制系统模块、电动缸动力系统模块、刹车轮装置模块、风力发电系统模块、电能储存模块、支撑装置模块，其特征在于：

基座整体设计为阶梯圆筒形，通过焊接、螺栓连接方式连接成所需的舱体。

速度采集模块包括4组圆周均布的速度采集机构，其由计米轮、编码器、定位支撑杆、支撑弹簧、支撑筒等组成，其中计米轮通过销轴与编码器连接，通过定位支撑杆、支撑弹簧安装在支撑筒中，由支撑弹簧使计米轮压紧在管道内壁。速度采集模块的作用是测得清管器在管道内作业时的运行速度，并且将测得的结果传递给单片机控制系统模块。需要说明的是本模块中速度采集机构不做支撑作用。

单片机控制系统模块是由一块基于CPU的微控制器板，其内部写有相应程序，是整个装置的大脑。其作用是单片机接收到速度采集模块传递的信号后，在其内部将对接收的清管器运行速度与程序设定的速度进行关系运算，当测得的运行速度大于程序设定的速度时，控制系统将发出减速的指令，并将指令传递给电动缸动力系统模块。

电动缸动力系统模块是由伺服电动缸、活塞和活塞缸等组成，活塞缸里面充满液体；电动缸与活塞通过螺母进行螺纹连接，活塞缸设计在刹车调速装置的最前端，同时沿圆周均布6个定位基体用于安装刹车轮机构，每一个定位基体开设一个活塞筒用于放置刹车轮传动活塞杆，开设两个支撑筒用于放置刹车轮支撑杆，并且活塞筒与活塞缸相通。此模块的作用是，接收到控制系统发出的减速指令，伺服电动缸开始推动活塞运动，进而挤压活塞缸内的液体运动，由于定位基体上开设的活塞筒与活塞缸相通，液体向活塞筒内流动，进一步的推动刹车轮装置中的刹车轮传动活塞杆做直线运动。需要说明的是，本装置活塞缸内的液体用的是水。

刹车轮装置模块是由六组刹车轮机构组成，每组刹车轮机构由刹车轮、车轮壳、连接板、连接件、2个支撑杆、质量块滑道板、3个质量块、传动活塞杆等组成。刹车轮通过刹车轮轴安装在车轮壳上，进一步的通过连接板和连接件与支撑杆连接，并且连接件可以在连接板槽内移动增加清管器管道适应性；3个质量块通过相应的滑道连接，并且通过螺纹连接传动活塞杆作为刹车装置主要零件；2个支撑杆和传动活塞杆的另一端通过支撑弹簧、定位螺帽分别安装在定位基体支撑筒和活塞筒内。刹车轮装置模块同时具有支撑整个刹车调速装置的作用。

风力发电系统模块是由旋转叶片、传动轴、齿轮系统、发电机等组成；为了更好地受风，旋转叶片设计在整个刹车调速装置的最后端，当气体流经叶片时带动叶片转动，进一步的带动传动轴转动，通过齿轮增速快速推动内部发电机工作，从而产生电能，进一步的通过充电控制器将电能输送到蓄电池中进行储存。需要说明的是，本发明装置风力发电系统模块中设计为3个圆周均匀分布的叶片。

电能储存模块是由3块可充电的锂电池并接组成，其主要作用是提供给电动缸以及整个清管器电能，并且将发电模块产生的电能储存起来，以满足长输天然气管道清管器电能消耗。

支撑装置模块包括两组支撑轮，一组是前面所述的刹车轮，安装在定位基体上；另一组包括4个支撑机构与速度采集机构均布在同一圆周面，每一个支撑机构包括支撑轮、支撑车轮架、支撑弹簧、支撑筒和定位螺帽。

本发明具有以下有益效果：(1)本发明所述的输气管道清管器刹车调速装置驱动机构使用伺服电动缸，实现环境更环保，更节能，更干净的优点，很容易与单片机等控制系统连接，实现高精密控制，更好的实现清管器调速；(2)本发明所述的输气管道清管器刹车调速装置使用体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，抗干扰能力强，适用温度范围宽的单片机作为整个刹车装置的控制系统；(3)本发明所述的输气管道清管器刹车调速装置具有风力发电系统，更好将气体动能转换成电能储存起来，满足长输天然气管道电能消耗。(4)本发明所述的输气管道清管器刹车调速装置刹车轮机构通过由传动活塞杆带动3块滑道连接的质量块，更简单的实现清管器刹车效果；(5)本发明所述的输气管道清管器刹车调速装置只需设置在清管器后侧，能够适用于多类清管器清管、检测作业。(6)本发明中的单片机控制系统还可以同时控制清管器中的清管、检测装置进行作业。

附图说明

图1刹车装置前视图；

图2刹车装置轴测视图；

图3刹车装置全剖视图；

图4刹车装置外壳示意图；

图5刹车轮机构示意图；

图6质量块局部视图；

图7刹车轮机构爆炸视图；

图8风力发电系统示意图；

图9电动缸动力系统示意图；

图10速度采集机构爆炸视图；

图11速度采集机构示意图；

图12支撑机构示意图；

图13支撑机构爆炸视图；

图中：1、刹车轮机构，2、刹车装置外壳，3、速度采集机构，4、支撑机构，5、螺栓、螺母(1)，6、风力发电系统，7、封闭舱头，8、定位基体，9、连接环，10、活塞缸，11、电动缸动力系统，12、蓄电池，13、单片机控制系统，14、螺钉(1)，15、垫片，16、螺母(2)17、螺钉(2)，18、连接板，19、质量块滑道板，20、连接件，21、传动活塞杆密封圈，22、传动活塞杆，23、支撑杆，24、螺栓、螺母(3)，25、上质量块，26、下质量块，27、车轮壳，28、刹车轮，29、刹车轮轴，30、发电机，31、大齿轮，32、旋转叶片，33、头帽，34、传动轴，35、小齿轮，36、伺服电动缸，37、活塞密封圈，38、密封法兰，39、活塞，40、螺母(4)，41、垫片，42、支撑筒(1)，43、销轴，44、支撑弹簧(1)，45、定位螺帽(1)，46、定位支撑杆(1)，47、计米轮，48、编码器，49、支撑筒(2)，50、支撑弹簧(2)，51、定位螺帽(2)，52、支撑车轮架，53、支撑车轮，54、支撑弹簧(3)，55、定位螺帽(3)，56、定位螺帽(4)，57、活塞筒。

具体实现方式

本发明不受下述实施实例的限制，可以根据本发明的技术方案和实际情况来确定具体实施方式。下面结合附图对本发明作以下描述。上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1、2、3的布局方向来确定的。

如图1、2所示，刹车轮装置模块包括6组刹车轮机构1，并且圆周均匀分布安装在定位基体8上。速度采集模块包括4组速度采集机构3，圆周均匀分布在刹车装置外壳2上。支撑模块由4组支撑机构4组成，圆周均匀分布在刹车装置外壳2上，并且与速度采集机构3呈一定角度安装在同一圆周面。封闭舱头7与刹车装置外壳2通过8个螺栓、螺母5连接。为了增加旋转叶片受力面积，风力发电系统6安装在整个刹车调速装置的后端。本发明刹车调速装置只需通过连接环9安装在清管器后侧，能够适用于多类清管器清管、检测作业。

如图3所示，是刹车装置剖视图，可以看到刹车调速装置内部布局情况，活塞缸10分布在整个刹车调速装置前端，其内充满液体，活塞缸10与定位基体8上的活塞筒57相通。活塞的运动由电动缸动力系统11驱动，并通过螺钉14安装在刹车装置外壳2内壁上。风力发电系统6安装在刹车调速装置后端，内部还分布有蓄电池12和单片机控制系统13。

如图4所示，是刹车装置外壳，可以看出活塞缸10设计在其前端，并且活塞缸上圆周均匀分布着6个定位基体，用于连接刹车轮机构。

如图5、6、7所示，是刹车轮机构示意图，从图中可以看出刹车轮28通过刹车轮轴29与车轮壳27通过垫片15、螺母16连接在一起；质量块滑道板19通过焊接安装在两刹车轮中间的车轮壳上，上质量块25与两个下质量块26通过相应的滑道连接，同时下质量块安装在质量块滑道19内，并保证上质量块的移动可以带动下质量块在滑道板内自由移动；支撑杆23通过螺栓、螺母24与连接件20连接，连接件设计在连接板18槽内，保证车轮能在一定角度内转动，连接板通过螺钉17与车轮壳27连接；支撑杆23通过支撑弹簧54、定位螺帽55安装在定位基体的支撑筒58内，传动活塞杆22通过密封圈21、定位螺帽56连接在定位基体活塞筒57内，并且活塞筒57内传动活塞杆与液体接触。

如图8所示，是风力发电系统示意图，包括旋转叶片32、头帽33、传动杆34、大齿轮31、小齿轮35和发电机，旋转叶片直接面风，当气体流经叶片时，叶片开始带动传动轴转动，经过齿轮加速后，快速推动发电机工作进而将气体动能转换为电能，通过充电控制器储存到蓄电池12中。

如图9所示，是电动缸动力系统示意图，其中伺服电动缸36与活塞39通过垫片41、螺母40连接,活塞与液体直接接触，通过密封圈37和法兰38进行密封、固定，法兰通过螺钉14固定在刹车机构外壳2内壁上。

如图10、11所示，是速度采集机构示意图，计米轮47通过销轴43与编码器48连接；编码器通过定位支撑杆46、定位螺帽45和定位弹簧44安装在支撑筒42内；整个速度采集机构通过螺纹连接在刹车装置外壳2上。

如图12、13所示，是支撑机构示意图，支撑机构类似于速度采集机构，支撑车轮53安装在支撑车轮架52上，进一步的通过支撑弹簧50、定位螺帽51安装在支撑筒49内；整个支撑机构通过螺纹连接在刹车装置外壳2上。

根据说明书附图，本发明整体实现方式为：速度采集模块将测得的清管器运行速度传递给单片机控制系统13，并进行数据加工处理，当运行速度大于单片机内部设置的速度时，控制系统发出减速的指令给电动缸动力系统11，电动缸开始工作，并带动活塞挤压活塞缸内部液体，间接的驱动传动活塞杆22带动上质量块25做直线运动，进一步的带动下质量块26在质量块滑道19内移动进而摩擦刹车轮，同时传动活塞杆会传递一个活塞杆轴线方向的力给刹车轮，将其压紧在管道内壁，从而实现清管器速度的控制。

Claims (8)

1.一种输气管道清管器刹车调速装置，包括速度采集模块、风力发电系统模块、电能储存模块、单片机控制系统模块、电动缸动力系统模块、刹车轮装置模块、支撑装置模块其特征在于：

本清管器刹车调速装置整体为阶梯圆筒形状，速度采集模块测得清管器运行速度，并将测得的结果传给单片机控制系统；控制系统将对数据进行加工处理，当运行速度大于设定速度时，控制系统会做出减速的指令，并将指令传递给电动缸动力系统模块；伺服电动缸接收到控制系统传递的减速指令后，电动缸驱动活塞挤压活塞缸内的液体，间接驱动刹车轮机构中的传动活塞杆运动，进一步带动刹车质量块压紧刹车轮，并使刹车轮压紧在管道内壁，防止刹车轮打滑，从而使得清管器达到减速的效果；本发明装置还配置了电能储存模块和风力发电系统模块。

2.根据权利要求1所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：速度采集模块设计为四组速度采集机构沿圆周均布安装在刹车装置外壳上，每组由计米轮、编码器、定位支撑杆、支撑弹簧、定位螺帽和支撑筒等组成；计米轮通过支撑弹簧始终压紧在管道内壁，用于检测清管器在管道内运行时的速度，然后将测得的清管器运行速度通过编码器传给单片机控制系统。

3.根据权利要求1所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：风力发电系统模块包括旋转叶片、传动轴、齿轮系统、发电机；为了更好地受风，旋转叶片设计为3个，并安装在本发明装置的最后端，当气体流经叶片时叶片带动传动轴转动，通过齿轮增速快速推动内部发电机工作，从而产生电能，进一步的通过充电控制器将电能输送到蓄电池中进行储存。

4.根据权利要求1和权利要求3所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：电能储存模块为了增加电能储存容量，满足长距离输送管道清管器作业用电需求，设计为3块耐用性较强，消耗慢，体积相对较小的锂电池并联。

5.根据权利要求1和权利要求2所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：单片机控制系统模块是一块基于CPU的微控制器板，其内部写有程序，是整个刹车调速装置的大脑。

6.根据权利要求1所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：刹车轮装置模块设计有6组刹车轮机构，圆周均布安装在定位基体上，每组刹车轮机构包括刹车轮、三个刹车质量块、质量块滑道、传动活塞杆、两个支撑杆、支撑弹簧、定位螺帽、车轮壳、连接块和连接板；上刹车质量块与传动杆螺纹连接，下质量块放置在质量块滑道内与上质量块之间通过滑道连接在一起，并且保证下质量块随着上质量块的移动在质量块滑道内可以自由移动；质量块滑道安装在两车轮之间，车轮壳与支撑杆通过连接块与连接板连接，并通过螺钉连接在车轮壳上。

7.根据权利要求1和权利要求6所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：电动缸动力系统模块包括一个伺服电动缸、活塞和活塞缸，活塞缸里面充满液体；电动缸与活塞通过螺母进行螺纹连接，活塞缸设计在刹车调速装置的最前端，同时沿活塞缸圆周均布六组定位基体用于安装刹车轮机构，每一个定位基体开设一个活塞筒用于放置刹车轮传动活塞杆，开设两个支撑筒用于放置刹车轮支撑杆，并且活塞筒与活塞缸相通。

8.根据权利要求1和权利要求6所述的输气管道清管器刹车调速装置，其特征在于：支撑装置模块设计有两组，前一组是上面所述的刹车轮机构；另一组设计4组支撑机构与速度采集机构均布在同一圆周面。

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