CN112856238B - 一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器及基于其的管道异常状态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器及基于其的管道异常状态检测装置，属于管道检测技术领域，该装置结构设计合理，整体对中心性好，柱塞、柱塞杆、柱塞杆连接头、活塞套处于同一轴线上，运行起来稳定，装置寿命长；柱塞在弹簧力和电机的带动下能够随着柱塞杆在活塞套内的直线运动而快速撞击膜片，利用膜片的变形产生脉冲式压力波动，然后沿着管路进行传播；膜片将流动管道内的流体与活塞套内的气体隔绝，在很高的压力下仍具有较好的密封功能。采用电机提供机械能、弹簧和飞轮积蓄能量的新型结构方式，使得整体设备能产生连续压力波；整体装置采用主体固定架定位，装置空间紧凑，携带方便，且操作容易，具有较高的人机友好性；结构简单，密封性好，运行稳定。

Description

一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器及基于其的管道异 常状态检测装置

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，涉及一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器及基于其的管道异常状态检测装置。

背景技术

在石化、能源、化工、冶金、医药、水处理等众多领域工业过程中，压力波的踪迹在工业管路系统及主要设备中流体流动时均有可能出现。压力波动的传递体现的是介质携带能量和传播信息的过程，因此有压力波发生器有诸多应用。作为传递信息的载体，压力波可用于管道异常状态包括泄漏、堵塞、异常分支、管径异常等评价。管道异常会造成的安全隐患以及间接经济效益损失，将会对人民生命安全和财产安全造成严重的影响。

目前有相关研究学者已设计出各类压力波发生器，如西安交通大学公告号CN1848626A，在电磁铁中通入交流电，通过两个导磁体之间的环形间隙形成强度和方向都交替变化的径向磁路。同时在动圈骨架的外环的直流导线中通入直流电，由安培定律可知，在交变磁场中的直流导线受到往复轴向推动力，使密闭空间内的气体体积发生周期性变化，从而产生周期性变化的压力波，压力波通过弹性膜片向工作介质传递。可以看出，此种方式产生的压力波信号是连续信号，信号强度不大，信号容易在管道中衰减，且该应用背景为气体工质环境。沈阳工业大学公告号CN106499957A提供了一种压力波信号发生器及管道内检测器实时跟踪定位方法，第一齿轮驱动第二齿轮转动，通过减速机驱动螺杆转动，运动副将旋转运动转化为直线往复运动，弹簧蓄力，驱动摆动臂向上移动，蓄力到事先已设定好的值，释放器动作，在弹簧力的驱动下，摆动臂第二支撑点回位，产生一次压力波。该压力波发生器安装在法兰上，同时随着检测器的运动产生周期性信号。该结构传动路线长，传动能量损耗大，压力波产生间隔时间大，压力波激励频率不高。发明专利公告号109236807A提出了一种基于液气压力转换的微小动态压力发生器及工作方法，该装置由振动台控制器、振动台体、振动台面、变容积液压腔体、活塞、活塞套筒、气体压力室组成，通过振动控制器将控制信号发送给振动台体，使得振动台面产生振动，带动变容积液压腔体结构伸长或压缩，从而推动活塞上下移动，改变气体压力室的容积，使气体压力发生动态改变，产生0.1kPa～10kPa的脉动压力。此种方式产生压力波幅值小，在管道中传播距离短。

综上，上述压力波发生器设计出发点不同，适用于各自本身的设计目的，但针对管道异常状态评价与检测问题，也存在不适用于液体工质场合环境，产生的压力波信号强度不大，装置本身存在泄漏，或连续压力波激发频率不可控等技术问题。因此，对压力波发生器，亟待提出新的设计和解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器及基于其的管道异常状态检测装置，可将柱塞的冲击力转化成脉冲压力波动，并在管道液体中传播.该装置密封效果好，能够在受压管道内产生较大幅值的连续压力波；装置利用直线导轨及主体固定架进行定位，具有较好的对中性，装置使用寿命较长；本装置携带自身的固定架，空间紧凑，操作简单，且携带方便。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器，包括电机和固定架，在固定架上设有传动单元和压力波发生单元；

所述传动单元的一端与电机相连，另一端与压力波发生单元相连，传动单元用于将电机供给的机械能传递给压力波发生单元；

所述压力波发生单元，包括柱塞连接头、直线导轨、活塞套、柱塞杆、弹簧、柱塞和膜片，弹簧、柱塞杆和柱塞均位于活塞套内，弹簧缠绕柱塞杆布置，柱塞杆的一端伸出活塞套且与柱塞连接头的一端轴向固定，柱塞杆的另一端端部连接柱塞，且柱塞杆通过直线导轨径向固定，直线导轨固连在固定架上，柱塞连接头的另一端与传动单元相连；活塞套的一端固定在固定架上，另一端端面设有膜片，柱塞、柱塞杆、柱塞连接头及活塞套处于同一轴线上，柱塞能够随着柱塞杆在活塞套内的直线运动而撞击膜片，通过膜片的变形产生压力波。

优选地，所述传动单元包括传动轴、拨杆、传动杆和连杆，在传动轴上固定有用于储能的飞轮，且传动轴与固定架连接；电机转动带动传动轴转动，传动轴与拨杆一端相连且能够带动拨杆做圆周运动，拨杆的另一端与传动杆的一端相连，传动杆的另一端与连杆相连，连杆的另一端与柱塞连接头相连。

更进一步优选地，所述电机通过第一联轴器与转向器相连，转向器通过第二联轴器与传动轴相连；电机固定设置在电机座上。电机轴、联轴器、转向器轴、联轴器、传动轴依次连接，能够传递来自电机的动力。

更进一步优选地，飞轮通过第一弹性挡圈固定在传动轴上；传动轴通过第一压盖和第二压盖固连在固定架上，且传动轴通过半月体与拨杆连接；在第一压盖和第二压盖之间装有用于固定的滚动轴承。

进一步地，柱塞连接头与连杆通过销轴连接，并通过销钉固定，传动杆端面设置传动柱，拨杆通过传动柱将来自电机的动力传递给传动杆。

优选地，活塞套底部开设有排气孔，用于在排空活塞套内的空气。

优选地，直线导轨通过第一压块固定在固定架上；活塞套通过第二压块和第三压块固定在固定架上。

优选地，还包括与压力波发生单元相连的压力波传输单元，所述压力波传输单元包括流动通道和排气道；

活塞套设有膜片的一端与流动通道相连，所述膜片通过上法兰盘和下法兰盘固定在流动通道上；排气道位于流动通道侧面，且固定在下法兰盘上，排气道上设有手动球阀；在流动通道上还设有阀门。

更进一步地，膜片可用金属、橡胶、塑料等材料制作。

更进一步地，在上法兰盘和下法兰盘上开设有用于安装膜片的定位槽，上法兰盘和下法兰盘上还开有第一螺栓孔，通过与第一螺栓配合将膜片夹紧设置于上法兰盘和下法兰盘之间。上法兰盘与下法兰盘利用第一螺栓的栓紧力将膜片夹紧固定，通过膜片的面密封将流体与活塞套内的气体隔绝。

本发明还公开了基于上述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器的管道异常状态检测装置，包括与流动通道相连的三通管，三通管用于与待测流体通道相连；

压力波发生单元产生的压力波沿着流动通道、三通管传输至待测流体管道。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的机械驱动的冲击式压力波发生器装置，该装置结构设计合理，整体对中心性好，柱塞、柱塞杆、柱塞杆连接头、活塞套处于同一轴线上，运行起来稳定，装置寿命长；柱塞在弹簧力和电机的带动下能够随着柱塞杆在活塞套内的直线运动而快速撞击膜片，利用膜片的变形产生脉冲式压力波动，然后沿着管路进行传播；膜片将流动管道内的流体与活塞套内的气体隔绝，在很高的压力下仍具有较好的密封功能。采用电机提供机械能、弹簧和飞轮积蓄能量的新型结构方式，使得整体设备能产生连续压力波；整体装置采用主体固定架定位，装置空间紧凑，携带方便，且操作容易，具有较高的人机友好性；结构简单，密封性好，运行稳定，也方便定期拆装、检验、安装。本发明通过模拟实验测试本发明的压力波发生器能够产生频率可控以及幅值满足管道检测需求的压力波。

本发明基于上述压力波发生器的管道异常状态检测装置，流动管道与阀门和三通管连接，三通管可自由接入被测的管道，利用膜片的变形产生脉冲式压力波动，并沿着管路进行传播，能够实现单次冲击和多次连续冲击，能够产生连续压力波，因此操作方便、具有较好的管道耦合性，有效解决了现有管道压力波发生器的与管道耦合性差、使用不方便等问题，具有结构紧凑、稳定性高、体积小、噪音低等优点。

附图说明

图1为本发明所提供的连续冲击式压力波发生器的结构俯视图；

图2为本发明所提供的连续冲击式压力波发生器的结构剖视图；

图3为本发明所提供的柱塞及上、下法兰盘的局部剖视图；

图4为本发明所提供的传动轴及第一、第二压盖的局部剖视图；

图5为本发明所提供的电机局部放大图；

图6为本发明所提供的法兰盘三维示意图；

图7为本发明所提供的活塞套三维示意图；

图8为本发明所提供的传动杆三维示意图；

图9为本发明所提供的传动轴三维示意图；

图10为本发明所提供的排气道和手动球阀三维示意图；

图11为本发明的机械驱动的连续冲击式压力波发生器立体结构示意图；

图12为本发明的活塞套轴向结构示意图；

图13为本发明的排气道局部结构示意图；

图14为频率为50Hz的压力波时域图；

图15为频率为25Hz的压力波时域图；

图16为频率为10Hz的压力波时域图。

其中，1-电机；2-第一联轴器；3-转向器；4-固定架；5-拨杆；6-连杆；7-柱塞连接头；8-直线导轨；9-第一压块；10-第二压块；11-活塞套；12-上法兰盘；13-流动通道；14-阀门；15-三通管；16-转向器轴；17-第二联轴器；18-传动轴；19-飞轮；20-滚动轴承；21-传动杆；22-销钉；23-销轴；24-柱塞杆；25-弹簧；26-第三压块；27-下法兰盘；28-第一压盖；29-柱塞；30-膜片；31-第一螺栓；32-第二压盖；33-第一弹性挡圈；34-电机座；35-电机轴；36-第一螺栓孔；37-定位槽；38-排气孔；39-传动柱；40-半月体；41-排气道；42-手动球阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、图2、图11和图12，本发明的一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器，包括电机1和固定架4，在固定架4上设有传动单元和压力波发生单元；

所述传动单元的一端与电机1相连，另一端与压力波发生单元相连，传动单元用于将电机1供给的机械能传递给压力波发生单元；

所述压力波发生单元，包括柱塞连接头7、直线导轨8、活塞套11、柱塞杆24、弹簧25、柱塞29和膜片30；

弹簧25、柱塞杆24和柱塞29均位于活塞套11内，弹簧25缠绕柱塞杆24布置，柱塞杆24的一端伸出活塞套11且与柱塞连接头7的一端轴向固定，柱塞杆24的另一端端部连接柱塞29，柱塞29为圆柱体结构，通过柱塞杆24与柱塞连接头7连接，柱塞29位于活塞套11内，柱塞杆24部分伸出活塞套11与柱塞连接头7连接；柱塞杆24通过直线导轨8径向固定；

直线导轨8固连在固定架4上，柱塞连接头7的另一端与传动单元相连；活塞套11的一端固定在固定架4上，另一端端面设有膜片30，柱塞29、柱塞杆24、柱塞连接头7及活塞套11处于同一轴线上，柱塞29能够随着柱塞杆24在活塞套11内的直线运动而撞击膜片30，通过膜片30的变形产生压力波。

进一步，参见图1、图2、图7、图11和图12，弹簧25和柱塞29安装在活塞套11内，柱塞杆24部分安装在活塞套11内，部分伸出与柱塞连接头7连接，活塞套11底部开有排气孔38，用于排空活塞套11内的空气，柱塞杆24通过直线导轨8固定，以达到很高的对中性，直线导轨8通过第一压块9固定，活塞套11通过第二压块10和第三压块26固定，柱塞29随着柱塞杆24在活塞套11内直线运动。

进一步，参见图1、图2和图8，柱塞连接头7与连杆6通过销轴23连接，并通过销钉22固定，使得传递动力时，整个设备更加稳定，连杆6与传动杆21连接，传动杆21端面设置传动柱39，拨杆5通过传动柱39将来自电机1的动力传递给传动杆21。

参见图2和图11、所述传动单元包括传动轴18、拨杆5、传动杆21和连杆6，在传动轴18上固定有用于储能的飞轮19，且传动轴18与固定架4连接；电机1转动带动传动轴18转动，传动轴18与拨杆5一端相连且能够带动拨杆5做圆周运动，拨杆5的另一端与传动杆21的一端相连，传动杆21的另一端与连杆6相连，连杆6的另一端与柱塞连接头7相连。

进一步，参见图2、图4和图9，传动轴21通过第一压盖28和第二压盖32固定在固定架4上，飞轮19通过第一弹性挡圈33固定在传动轴18上，传动轴通过半月体40与拨杆5连接。

进一步，参见图5，所述电机1通过第一联轴器2与转向器3相连，转向器3通过第二联轴器17与传动轴18相连；电机1固定设置在电机座34上。电机1安装在电机座34上，电机1的电机轴35、第一联轴器2、转向器轴3、第二联轴器17以及传动轴18依次连接，传递来自电机1的动力；飞轮19通过第一弹性挡圈33固定在传动轴18上；传动轴18通过第一压盖28、第二压盖32及滚动轴承20固定在固定架4上。随着电机1的运动，飞轮19储存能量，稳定运行后，柱塞杆24提起，弹簧25积蓄机械能，柱塞29在弹簧力的作用下，撞击在膜片30上，膜片30的另一侧连接着充满着流体的管道，通过膜片30的变形，产生一个局部的压力波动，沿着管道在流体中传播。

参见图10、图11和图13，还包括与压力波发生单元相连的压力波传输单元，所述压力波传输单元包括流动通道13和排气道41；

活塞套11设有膜片30的一端与流动通道13相连，所述膜片30通过上法兰盘12和下法兰盘27固定在流动通道13上；排气道41位于流动通道13侧面，且固定在下法兰盘27上，排气道41上设有手动球阀42；在流动通道13上还设有阀门14。

进一步，参见图1、图2、图3和图6，膜片30可用金属、橡胶、塑料等材料制作，在上法兰盘12和下法兰盘27上开设有用于安装膜片30的定位槽37，上法兰盘12和下法兰盘27上还开有第一螺栓孔36，通过与第一螺栓31配合将膜片30夹紧设置于上法兰盘12和下法兰盘27之间，上法兰盘12与下法兰盘27利用第一螺栓31的栓紧力将膜片30夹紧固定，通过膜片30的面密封将流体与活塞套内的气体隔绝。

参见图1、图11和图13，本发明基于上述机械驱动的连续冲击式压力波发生器的管道异常状态检测装置，包括与流动通道13相连的三通管15，三通管15用于与待测流体通道相连；压力波发生单元产生的压力波沿着流动通道13、三通管15传输至待测流体管道。

本发明的基于上述机械驱动的连续冲击式压力波发生器的管道异常状态检测装置，在管道检测时，工作原理如下：

步骤一：三通管15接入待测管道，打开阀门14和排气道41上的手动球阀42，由于待测管道内的压力大于外界大气压，流动通道13和三通管15内部的空气通过排气道41排出外界，当有液体从排气道41中排出后，说明膜片30下侧的空气已全部排干净，液面的高度与膜片30下侧完全接触。

步骤二：当液体从排气道41中排出后，就关闭排气道41上的手动球阀42，待测管道、流动通道13、三通管15、膜片30，排气道41和手动球阀42形成了一个封闭的管道。

步骤三：启动电机1，带动传动轴18转动，同时飞轮19储存多余的能量，传动轴18带动拨杆5做圆周运动，接触到传动柱39后，带动传动杆21运动带动连杆6运动，由于直线导轨8的存在，使得柱塞29跟着柱塞杆24在活塞套11内作直线运动。

步骤四：在柱塞杆24往上运动的过程中，弹簧25蓄力，同时拨杆5带动传动杆21旋转，转过半周后，拨杆5空转，弹簧25复位，传动杆21和连杆6在弹簧力的作用下复位，柱塞29往下撞击膜片30。

步骤五：柱塞29撞击在膜片30后，膜片30向下产生一定的位移，利用流体的可压缩性，产生压力波，沿着流动通道13、三通管15和待测管道传播。

以下通过数值模拟的方式证明该本发明的装置能够产生频率可控的和幅值满足检测要求的压力波。如图14所示，通过控制膜片的运动规律，在0.2s内有信号有10个周期，每个周期为0.02s，压力波频率为50Hz，压力波幅值达到150KPa。如图15所示，通过控制膜片的运动规律，在0.2s内有信号有5个周期，每个周期为0.04s，压力波频率为25Hz，压力波幅值达到109KPa。如图16所示，通过控制膜片的运动规律，在1.35s内有信号有13.5个周期，每个周期为0.1s，压力波频率为10Hz，压力波幅值达到103.5KPa。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，包括电机(1)和固定架(4)，在固定架(4)上设有传动单元和压力波发生单元；

所述传动单元的一端与电机(1)相连，另一端与压力波发生单元相连，传动单元用于将电机(1)供给的机械能传递给压力波发生单元；

所述压力波发生单元，包括柱塞连接头(7)、直线导轨(8)、活塞套(11)、柱塞杆(24)、弹簧(25)、柱塞(29)和膜片(30)，弹簧(25)、柱塞杆(24)和柱塞(29)均位于活塞套(11)内，弹簧(25)缠绕柱塞杆(24)布置，柱塞杆(24)的一端伸出活塞套(11)且与柱塞连接头(7)的一端轴向固定，柱塞杆(24)的另一端端部连接柱塞(29)，且柱塞杆(24)通过直线导轨(8)径向固定，直线导轨(8)固连在固定架(4)上，柱塞连接头(7)的另一端与传动单元相连；活塞套(11)的一端固定在固定架(4)上，另一端端面设有膜片(30)，柱塞(29)、柱塞杆(24)、柱塞连接头(7)及活塞套(11)处于同一轴线上，柱塞(29)能够随着柱塞杆(24)在活塞套(11)内的直线运动而撞击膜片(30)，通过膜片(30)的变形产生压力波；

所述传动单元包括传动轴(18)、拨杆(5)、传动杆(21)和连杆(6)，在传动轴(18)上固定有用于储能的飞轮(19)，且传动轴(18)与固定架(4)连接；电机(1)转动带动传动轴(18)转动，传动轴(18)与拨杆(5)一端相连且能够带动拨杆(5)做圆周运动，拨杆(5)的另一端与传动杆(21)的一端相连，传动杆(21)的另一端与连杆(6)相连，连杆(6)的另一端与柱塞连接头(7)相连。

2.根据权利要求1所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，所述电机(1)通过第一联轴器(2)与转向器(3)相连，转向器(3)通过第二联轴器(17)与传动轴(18)相连；电机(1)固定设置在电机座(34)上。

3.根据权利要求1所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，飞轮(19)通过第一弹性挡圈(33)固定在传动轴(18)上；传动轴(18)通过第一压盖(28)和第二压盖(32)固连在固定架(4)上，且传动轴(18)通过半月体(40)与拨杆(5)连接；在第一压盖(28)和第二压盖(32)之间装有用于固定的滚动轴承(20)。

4.根据权利要求1所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，柱塞连接头(7)与连杆(6)通过销轴(23)连接，并通过销钉(22)固定，传动杆(21)端面设置传动柱(39)，拨杆(5)通过传动柱(39)将来自电机(1)的动力传递给传动杆(21)。

5.根据权利要求1所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，活塞套(11)底部开设有排气孔(38)。

6.根据权利要求1所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，直线导轨(8)通过第一压块(9)固定在固定架(4)上；活塞套(11)通过第二压块(10)和第三压块(26)固定在固定架(4)上。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，还包括与压力波发生单元相连的压力波传输单元，所述压力波传输单元包括流动通道(13)和排气道(41)；

活塞套(11)设有膜片(30)的一端与流动通道(13)相连，所述膜片(30)通过上法兰盘(12)和下法兰盘(27)固定在流动通道(13)上；排气道(41)位于流动通道(13)侧面，且固定在下法兰盘(27)上，排气道(41)上设有手动球阀(42)；在流动通道(13)上还设有阀门(14)。

8.根据权利要求7所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器，其特征在于，在上法兰盘(12)和下法兰盘(27)上开设有用于安装膜片(30)的定位槽(37)，上法兰盘(12)和下法兰盘(27)上还开有第一螺栓孔(36)，通过与第一螺栓(31)配合将膜片(30)夹紧设置于上法兰盘(12)和下法兰盘(27)之间。

9.基于权利要求7或8所述的机械驱动的连续冲击式压力波发生器的管道异常状态检测装置，其特征在于，包括与流动通道(13)相连的三通管(15)，三通管(15)用于与待测流体通道相连；

压力波发生单元产生的压力波沿着流动通道(13)、三通管(15)传输至待测流体通道。

Images