CN115254830A - 一种基于流体动力学的高效清管器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于流体动力学的高效清管器，包括分体式支撑轴体、前支撑皮碗组件、后密封皮碗组件、刮除机构、行速控制机构和监测机构，前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件分别设于分体式支撑轴体两端，行速控制机构和监测机构设于分体式支撑轴体上，刮除机构设于前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件之间的分体式支撑轴体上。本发明可安全高效地对管道污物进行清理，工作过程可调可控，整体结构稳定，功能性强。

Description

一种基于流体动力学的高效清管器

技术领域

本发明涉及油气管道维护技术领域，具体涉及一种基于流体动力学的高效清管器。

背景技术

管道机器人作为一种较为理想的管道检测和维护设备，广泛地应用于管道的清洗、检测、维修、焊接等诸多领域，对延长管道使用寿命，降低安全事故风险具有重要意义。清管器是管道机器人的一种，主要对管道的管壁和内部杂质进行清理，其包括皮碗式、轮式、履带式、行走式、蠕动式、支撑式和螺旋式等多种类型，其中皮碗式清管器的驱动力主要来自管道运输介质(气流)在清管器两端的压力差，在运行中不需要其他的驱动电路及电源，在足够大的运输介质推动力下，便能够有效地在浓度较高的天然气管道以及运输原油的管道等内运动，但也因此必须对管道进行加压，这样导致管内压力过大，具有波动性，实现对清管器进行运动控制较难。

现有的皮碗清管器在工作过程中由于自身结构的稳定性较差，以及管道内壁不免会有难以清除的硬质污物，时常会发生卡堵的情况，公开号为CN105195475B的中国专利公开了一种旋转冲刷解堵清管器，其包括主筒体、副筒体、压力控制阀、旋转冲刷机构及安装在清管器主轴上的刮板和皮碗构成。该清管器能够在发生卡堵故障时自动解堵，但在其整个运行过程中，由于无法对运行速度进行控制，使得其整体稳定性不高，另外由于清管器处于密闭的管道内，也不便于掌握清管器的实时运行状况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于流体动力学的高效清管器，可安全平稳地进行管道污物清理工作，工作过程可调可控，整体结构稳定，功能性强。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于流体动力学的高效清管器，包括分体式支撑轴体、前支撑皮碗组件、后密封皮碗组件、刮除机构、行速控制机构和监测机构，前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件分别设于分体式支撑轴体两端，行速控制机构和监测机构设于分体式支撑轴体上，刮除机构设于前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件之间的分体式支撑轴体上。

进一步地，分体式轴体包括前支撑皮碗轴体、后密封皮碗轴体和连接轴体，前支撑皮碗轴体为中空结构且前支撑皮碗轴体一端开口一端封闭，后密封皮碗轴体和连接轴体均为两端贯通的中空结构，前支撑皮碗轴体、连接轴体和后密封皮碗轴体前后依次可拆卸连通，前皮碗组件设于前支撑皮碗轴体上，刮除机构和后密封皮碗组件均设于后密封皮碗轴体上。

进一步地，前支撑皮碗组件包括端面皮碗、前锁紧法兰盘、第一前调整皮碗、第二前调整皮碗、钢刷、钢刷皮碗、和前支撑皮碗，端面皮碗设于前支撑皮碗轴体的前端端面，前锁紧法兰盘套设在端面皮碗上，第一前调整皮碗、第二前调整皮碗、钢刷皮碗、和前支撑皮碗均套设在前支撑皮碗轴体上，第一前调整皮碗和第二前调整皮碗分别设于前支撑皮碗轴体的前端和后端，钢刷皮碗设于第一前调整皮碗和第二前调整皮碗之间，前锁紧法兰盘和第一前调整皮碗之间、钢刷皮碗和第二前调整皮碗之间、第二前调整皮碗和连接轴体之间均设有前支撑皮碗，钢刷套设在钢刷皮碗上。

进一步地，前支撑皮碗轴体后端设有连接环台，第一前调整皮碗、第二前调整皮碗、钢刷皮碗和前支撑皮碗设于前锁紧法兰盘和连接环台之间，前锁紧法兰盘、靠近前锁紧法兰盘的前支撑皮碗和第一前调整皮碗通过螺栓串接，连接轴体与连接环台通过螺栓连接。

进一步地，后密封皮碗组件包括第一密封皮碗、后调整皮碗、第二密封皮碗和后支撑皮碗，后密封皮碗轴体的外壁中部设有环槽，后支撑皮碗、第二密封皮碗、后调整皮碗和第一密封皮碗依次套设在后密封皮碗轴体上，后支撑皮碗靠近环槽设置，刮除机构设于环槽与连接轴体之间并与环槽转动连接。

进一步地，刮除机构包括涡轮、刀片、轴承和油封端盖，轴承、油封端盖和涡轮均转动套设在后密封皮碗轴体的前端，涡轮一端设有环套，涡轮另一端设有转动套，环套转动插接于环槽内，轴承套设于转动套内，油封端盖设于转动套端面并与转动套连接，涡轮的外周壁上等间距圆周分布有多个刀架，刀架顶面开设有卡槽，刀片插接与卡槽内，刀架侧壁开设有与卡槽连通的销钉孔，销钉孔内旋入有顶紧刀片的销钉，连接轴体的后端设有对涡轮进行轴向限位的限位凸肩。

进一步地，涡轮的内周壁上开设有与刀架一一对应的导流孔，卡槽的槽壁沿涡轮的径向方向下凹形成通槽，导流孔沿涡轮的径向方向延伸至卡槽槽底并与通槽连通。

进一步地，后密封皮碗轴体的后端端面设有后锁紧法兰盘，后密封皮碗轴体的后端内壁设有安装环台，安装环台和后锁紧法兰盘之间设有连接端盖，连接端盖通过螺栓与连接环台连接，后锁紧法兰盘通过螺栓与连接端盖连接，第一密封皮碗、后调整皮碗、第二密封皮碗和后支撑皮碗设于环槽和后锁紧法兰盘之间，后锁紧法兰盘、第一密封皮碗、后调整皮碗、第二密封皮碗、后支撑皮碗、后锁紧法兰盘和环槽上均开设有通孔，后锁紧法兰盘、第一密封皮碗、后调整皮碗、第二密封皮碗、后支撑皮碗和环槽通过通孔依次连通后经环套与涡轮内部空间连通。

进一步地，行速控制机构包括端面控速阀、控速电机、霍尔速度传感器和控制器，端面控速阀设于后锁紧法兰盘的外侧盘面上，端面控速阀上的阀门与后锁紧法兰盘上的通孔连通，控速电机设于后密封皮碗轴体内部并通过螺栓与连接端盖连接，控速电机的输出轴插入端面控速阀上的轴孔并通过销轴与端面控速阀连接，霍尔速度传感器设于环槽上，控制器设于后密封皮碗轴体内，控速电机、端面控速阀和霍尔速度传感器均与控制器电性连接。

进一步地，监测机构包括GPS定位模块、无线传输模块，GPS定位模块和无线传输模块均集成在控制器上。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件的设置，可在对管道进行污物清理的同时，对清管器起到平稳支撑的作用，可防止清管器在管道内出现卡死的情况，进而提升清管器的工作稳定性。

2、本发明通过刮除机构和行速控制机构的设置，使的管道内的运输介质能够经过清管器进行泄流，进而改变清管器前后的压力差，在泄流过程中利用运输介质驱动刮除机构对管道内壁附着的难以清理的硬质污物进行刮除，同时对刮除掉的污物碎屑进行冲刷，行速控制机构可根据刮除机构的运行速度对运输介质泄流时的流量进行调节，进而在调节刮除机构的运行速度的同时，可通过改变清管器前后压力差的变化大小来调节清管器的运动速度。

3、本发明的采用分体式支撑轴体采用分体式结构，可使前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件的组装和更换更为方便，进而使清管器能够适用于不同管径的管道，提升整体使用的灵活性和实用性。

4、本发明通过监测机构的设置，可对清管器的实时位置信息进行数据采集和传输，以便于对清管器的整体运行情况进行实时监测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的左视图；

图3为本发明的右视图；

图4为本发明的剖视结构示意图；

图5为图4中A处结构放大图；

图6为本发明中涡轮与刀片的装配示意图；

图7为图6在B方向上的剖视结构示意图；

图8为本发明中涡轮的结构示意图；

图9为图8中C处结构放大图；

图10为本发明中刀片的结构示意图；

图11为本发明中刀具的网格图解；

图12为本发明中刀具的网格参数表；

图13为本发明中刀片的网格图解；

图14为本发明中刀片的网格参数表；

图15为本发明中刀具的应力云图；

图16为本发明中刀具的合位移云图；

图17为本发明中刀片的应力云图；

图18为本发明中刀片的合位移云图。

图中：1、前支撑皮碗轴体；2、后密封皮碗轴体；3、连接轴体；4、端面皮碗；5、前锁紧法兰盘；6、第一前调整皮碗；7、第二前调整皮碗；8、钢刷；9、钢刷皮碗；10、前支撑皮碗；11、连接环台；12、第一密封皮碗；13、后调整皮碗；14、第二密封皮碗；15、后支撑皮碗；16、环槽；17、涡轮；18、刀片；181、刀尖；182、刀背；19、轴承；20、油封端盖；21、环套；22、转动套；23、限位凸肩；24、后锁紧法兰盘；25、安装环台；26、连接端盖；27、通孔；28、端面控速阀；29、控速电机；30、霍尔速度传感器；31、控制器；32、销轴；35、刀架；36、卡槽；37、销钉孔；38、导流孔；39、通槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1-5所示，一种基于流体动力学的高效清管器，其包括分体式支撑轴体、前支撑皮碗组件、后密封皮碗组件和刮除机构。其中分体式轴体包括前支撑皮碗轴体1、后密封皮碗轴体2和连接轴体3。其中前支撑皮碗轴体1为中空结构且前支撑皮碗轴体1一端开口一端封闭，后密封皮碗轴体2和连接轴体3均为两端贯通的中空结构，前支撑皮碗轴体1、连接轴体3和后密封皮碗轴体2可通过螺栓前后依次连接成为一个整体，进而使三者连通。前皮碗组件设于前支撑皮碗轴体1上，刮除机构和后密封皮碗组件均设于后密封皮碗轴体2上，且刮除机构位于前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件之间。

前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件除了对清管器整体起到支撑作用外，还可用于对管道内壁附着的污物进行清理，刮除机构可对前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件无法清理的硬质污物进行刮除，以提升清管器的工作效率。

如图4所示，前支撑皮碗组件包括端面皮碗4、前锁紧法兰盘5、第一前调整皮碗6、第二前调整皮碗7、钢刷8、钢刷皮碗9、和前支撑皮碗10。端面皮碗4通过螺栓固定在前支撑皮碗轴体1的前端端面，前锁紧法兰盘5套设在端面皮碗4上，前支撑皮碗轴体1后端设有连接环台11，该环台位于前支撑皮碗轴体1的外壁并与前支撑皮碗轴体1一体成型，连接轴体3通过螺栓与连接环台11连接进而与前支撑皮碗轴体1连通。第一前调整皮碗6、第二前调整皮碗7、钢刷皮碗9和前支撑皮碗10套设在前锁紧法兰盘5和连接环台11之间的前支撑皮碗轴体1上，其中第一前调整皮碗6和第二前调整皮碗7分别设于前支撑皮碗轴体1的前端和后端，钢刷皮碗9设于第一前调整皮碗6和第二前调整皮碗7之间，前锁紧法兰盘5和第一前调整皮碗6之间、钢刷皮碗9和第二前调整皮碗7之间、第二前调整皮碗7和连接轴体3之间均设有前支撑皮碗10，钢刷8套设在钢刷皮碗9上并与钢刷皮碗9过盈配合，通过钢刷8可对管道内壁污物进行刷除。前锁紧法兰盘5、靠近前锁紧法兰盘5的前支撑皮碗10和第一前调整皮碗6通过螺栓串接，拧紧螺栓即可将前支撑皮碗10、第一前调整皮碗6、第二前调整皮碗7和钢刷皮碗9夹紧在前锁紧法兰盘5和连接环台11之间。

清管器在运行过程中，前支撑皮碗10不仅对清管器起到良好的支撑作用，也能起到和钢刷8一样的清堵作用；通过更换第一前调整皮碗6和第二前调整皮碗7的自身宽度或者数量即可调节相邻两个前支撑皮碗10之间的间距，使清管器在管道内得到更好的支撑平衡，防止清管器由于自身结构发生倾斜而在管道内卡死，当前支撑皮碗10遇到硬质污物难以清除时，第一前调整皮碗6和第二前调整皮碗7也可给前支撑皮碗10提供一个很好的缓冲作用使其顺利通过，从而实现连续高效的清堵工作；当清管器在管内运行时遇到较大污物，端面皮碗4可给清管器提供安全的缓冲防护作用，使清管器在管道内进行清堵工作更加安全稳定。

如图4所示，后密封皮碗组件包括第一密封皮碗12、后调整皮碗13、第二密封皮碗14和后支撑皮碗15。在后密封皮碗轴体2的外壁中部设有环槽16，环槽16具体后密封皮碗轴体2的外壁径向延伸后再轴向延伸而成，其槽口朝向前支撑皮碗轴体1，后支撑皮碗15、第二密封皮碗14、后调整皮碗13和第一密封皮碗12依次套设在后密封皮碗轴体2上，其中后支撑皮碗15靠近环槽16设置。

清管器在运行过程中，后支撑皮碗15主要与前支撑皮碗10结合对清管器起到支撑作用，密封皮碗在与管道内壁接触时对管道起到一个密封作用，使得管道内的运输介质流通时在清管器前后形成压力差，进而借助压力差推动清管器在管道内运动；同理，后调整皮碗13可用于调节第一密封皮碗12和第二密封皮碗14之间的间距，进而使清管器得到更好的支撑平衡，其调整原理和第一前调整皮碗6、第一前调整皮碗7相同，结合前调整皮碗对前支撑皮碗10的调节，前后共同作用使清管器整体能够在管道内平稳运行，防止卡在管道内，另外后调整皮碗13也可在第一密封皮碗12和第二密封皮碗14遇到硬质污物难以清除时，给第一密封皮碗12和第二密封皮碗14提供一个很好的缓冲作用使其顺利通过，从而实现连续高效的清堵工作。

刮除机构设于环槽16与连接轴体3之间并与环槽16转动连接，具体的，如图4所示，刮除机构包括涡轮17、刀片18、轴承19和油封端盖20，其中轴承19、油封端盖20和涡轮17均转动套22设在后密封皮碗轴体2的前端，涡轮17一端一体成型有环套21，涡轮17另一端一体成型有转动套22，环套21转动插接于环槽16内，轴承19套设于转动套22内，油封端盖20设于转动套22端面并与转动套22通过螺栓连接，涡轮17转动时借助轴承19可减小旋转阻力。另外，连接轴体3的后端设有对涡轮17进行轴向限位的限位凸肩23，该限位凸肩23由连接轴体3一体成型而成。

如图6、8所示，涡轮17的外周壁上设有多个刀架35，且多个刀架35沿着涡轮17的外周壁等间距圆周分布，优选的，刀架35与涡轮17一体成型而成，以保证整体的一体性和结构刚度。刀架35顶面开设有卡槽36，刀片18插接与卡槽36内，刀架35侧壁开设有与卡槽36连通的销钉孔37，销钉孔37内旋入销钉，通过拧紧销钉将刀片18顶紧在刀片18上，进而对刀片18进行固定。

如图10所示，刀片18包括一体成型连接的刀尖181和刀背182，为进一步保证刀片18安装的稳定性，刀背182的厚度与卡槽36的槽宽一致，使得将刀片18固定在卡槽36内时，刀背182的两个侧壁面能够分别与卡槽36的两个侧壁面贴合。

由于涡轮17带动刀片18对管道内壁进行污物清理时，刀片18与硬质污物之间会有高速的接触和碰撞，刀片18将会受到很大的冲击力，冲击力过大刀片18容易崩裂甚至断掉，进而影响刀具作业。为减小刀片18受到冲击力，如图6所示，首先使卡槽36的长度方向与涡轮17的轴向方向之间形成一定的夹角，这样涡轮17带动刀具进行清理作业的过程中，即可适当减小刀片18与硬质污物碰撞时刀片18整体受到的垂直应力，即减弱硬质污物对刀片18的直接冲击；另外，由于刀片18的刀尖181与硬质污物直接接触，其受到的冲击最大，所以如图10所示，将刀片18的横截面为设置为斜梯形状，使得刀尖181的切削面与刀的侧壁面之间形成一定夹角，这样便可进一步减小刀尖181受到的垂直应力，进而再次减弱刀片18受到的冲击，以保证刀片18的乃至整个刀具的使用强度和使用寿命。

如图4、5所示，后密封皮碗轴体2的后端端面设有后锁紧法兰盘24，后密封皮碗轴体2的后端内壁设有安装环台25，安装环台25和后锁紧法兰盘24之间设有连接端盖26，连接端盖26通过螺栓与连接环台11连接，后锁紧法兰盘24通过螺栓与连接端盖26连接，第一密封皮碗12、后调整皮碗13、第二密封皮碗14和后支撑皮碗15则设于环槽16和后锁紧法兰盘24之间，后锁紧法兰盘24、第一密封皮碗12、后调整皮碗13、第二密封皮碗14、后支撑皮碗15、后锁紧法兰盘24和环槽16上均开设有通孔27，后锁紧法兰盘24、第一密封皮碗12、后调整皮碗13、第二密封皮碗14、后支撑皮碗15和环槽16通过通孔27依次连通后经环套21与涡轮17内部空间连通，这样清管器在运动过程中管道内的运输介质则会进入到涡轮17内部，进而冲击涡轮17内部的叶片以带动涡轮17转动，最终通过涡轮17带动刀片18对管道内壁附着的硬质污物进行刮除。

为了进一步提升清管器的清洁效率，本技术方案在涡轮17的内周壁上开设有与刀架35对应的导流孔38，在管道运输介质冲击涡轮17叶片的同时，利用导流孔38将运输介质导流至卡槽36，进而对刀片18切掉的污物碎屑进行冲刷。具体的，如图7、8、9所示，导流孔38设置有多个且多个导流孔38与刀架35一一对应，由于刀片18与卡槽36侧壁贴合，所以为了实现导流孔38正常导流，使卡槽36的槽壁沿涡轮17的径向方向下凹进而形成通槽39，导流孔38则沿涡轮17的径向方向延伸至卡槽36槽底并与通槽39连通，这样运输介质便可经导流孔38和通槽39对碎屑进行冲刷，以此提升清洁效率。

为了便于对清管器的运动进行有效控制和对其运行情况进行实时监控，清管器上还配备有行速控制机构和监测机构，且两者均设于分体式支撑轴体上。通过行速控制机构可同时控制涡轮17的转速和清管器在管道内的运动速度，检测机构则对清管器的实时位置等参数进行监控，进而以便于工作人员更好的开展管道清污工作，进一步提升工作效率。

行速控制机构包括端面控速阀28、控速电机29、霍尔速度传感器30和控制器31，如图4、5所示，端面控速阀28通过螺栓安装在后锁紧法兰盘24的外侧盘面上，控速电机29设于后密封皮碗轴体2内部并通过螺栓与连接端盖26连接，控速电机29的输出轴插入端面控速阀28上的轴孔并通过销轴32与端面控速阀28连接，端面控速阀28上的阀门与后锁紧法兰盘24上的通孔27连通，通过控速电机28控制端面控速阀28的阀门开启大小，进而控制运输介质通过通孔27进入涡轮时的流量，进而控制涡轮17的转速；霍尔速度传感器30装在环槽16上，用于对涡轮17的转速进行检测；控制器31安装在后密封皮碗轴体内，控速电机29、端面控速阀28和霍尔速度传感器30均与控制器31电性连接，控制器31优选为PlC控制器，霍尔速度传感器30对涡轮17的转速进行数据采集，然后将数据传输给控制器31，由控制器31根据涡轮速度对控速电机29进行智能调控，进而通过控速电机29控制端面控速阀28的阀门开启大小，以此控制涡轮17的转速。因为导流孔38的设置，运输介质会经过导流孔38实现泄流，即清管器后端的管道运输介质会流动至清管器前端的管道内，使得清管器前后的管道压力会发生变化，进而清管器前后的压力差也会发生变化，清管器在管道内的运动速度也就随即会发生变化，所以通过对运输介质的流量的控制，也可对调节清管器前后的压力差的变化大小进行调节，进而实现对清管器运动速度的调节。

监测机构具体包括GPS定位模块和无线传输模块，GPS定位模块和无线传输模块均集成在控制器31上，通过无线传输模块可搭建Web服务器，控制器31接收GPS定位模块采集的定位信息以及霍尔速度传感器13采集的速度参数，然后将数据通过无线传输模块传输并显示在网页上，以供操作人员观测。

根据上述结构描述，发明中的分体式支撑轴体、前支撑皮碗组件、后密封皮碗组件、刮除机构、行速控制机构和监测机构均是可拆卸的，所以可通过拆卸后进行更换，特别是前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件，通过对前支撑皮碗10、后支撑皮碗15等更换后，可使得清管器能够适用于不同管径的管道，进而提升清管器结构的灵活性和使用的实用性。

根据上述清管器的结构描述，刮除机构对于清管器的清洁效率具有很大的提升效果，那么在涡轮17带动刀架35对硬质污物进行刮除时，刀片18与硬质污物会进行高速接触和碰撞，这样对于涡轮17、刀片18和刀架35的结构强度和刚度来说要求是很高的，必须要得到保证才能提升整个刮除机构乃至整个清管器的使用寿命，而由于受结构和空间的影响，刀片18和刀架35会比较小，然而刀片18和刀架35又是所受切削冲击力最大的部件，所以本技术方案还采用了对刀片18和刀架35进行有限元静力分析来保证两者的结构强度。

具体的，我们将涡轮17、刀架35和刀片18作为一个刀具整体，刀具的切削力方向为涡轮径向方向，根据上述设计要求和已有的工作条件查《切削用量手册》得刀具的切削力公式如下：

式中：F_c为主切削力；C_Fc为主切削力条件系数，取：180；

为背吃刀量，取：0.5mm；f^Fc为进给量，取：0.3mm/r；

为切削速度，取：1.315r/s；K_Fc为修正系数，取：1。

带入数据计算得住切削力为：F_c＝348.3N。

在实际的清洁过程中，刀片18和刀架35是随着涡轮17一起做圆周运动的，所以在对刀片18和刀架35做静强度分析的时候需要对模型的受力进行简化，采取的方法是假设刀片18和刀架35静止，然后刀片18上施加载荷。

在分析加载载荷的时候，因为刀具在进行切削作业时是处于运动当中的，所以在校核刀具强度时，我们要考虑到刀具的动载荷，在加载载荷时就需要对刀具的受力进行适当的放大处理，主要是将整个刀片18受到的力移到刀具的边缘处，通过增大阻力矩的方式对其受力进行一个放大处理。

具体分析前先对刀片18和刀架35进行材料选型，然后对刀具整体进行建模。具体的，刀片3材料优选为合金钢ss，刀架2材料优选为铝合金EN-AW5182，本技术方案采用SolidWorks软件对刀具进行装配建模，然后驱动SolidWorks自带的有限元分析插件Simulation，对刀具装配体进行有限元静强度分析。

对模型进行有限元分析一般采用壳单元和实体单元对模型进行网格划分。由于壳单元是假设被分析的模型各处的厚度均匀且相等，显然这不符合对装配体进行静强度分析，分析的精度也会很差。而实体单元包括四面体单元和六面体单元两种网格划分，其中六面体网格的精度要高于四面体网格，但是刀具模型结构复杂，一些零部件比如刀片18和刀架35结构还比较小，所以划分难度大，并且计算量也会大为增加，所以为了同时保证可进行网格划分和保证一定的分析精度，本技术方案最终采用四面体单元对模型进行网格划分，为了保证计算和网格的精度，零件体统一采用2mm的精度网格尺寸，装配体采用3mm对模型进行网格划分，网格划分完成的装配组件和零件体如图11和13所示，网格参数如表12和14所示。

为了节约时间减少计算量，本技术方案在分析时进行了简化，只取一片刀片18装配在刀架35上进行应力分析，其中模型里面总共有三对面接触，刀背182两侧面和卡槽36槽壁面，刀背182底面和卡槽36底面，这些接触面可以通过耦合两圆柱面上节点的所有自由度来进行模拟。

在放大载荷工作时，刀具切削力为348.3N，网格划分采用3mm网格单元大小，雅克比为4，公差为0.15mm，网格品质图解为高，分析时，对刀架35进行几何固定约束。在放大载荷下，整个刀具的应力大小和分布情况如图15所示，从该应力云图中可以获知，整个刀具的应力值很小，刀具模型的应力主要集中在刀片18上，特别是刀片18和刀架35侧壁结合的上边缘部分，即卡槽36顶部边沿处，其最大的应力值为177.4MPa，而刀片18和刀架35的材料屈服强度分别为620.4MPa和320MPa，可见刀架35和刀片18的形变应力值远小于材料的屈服强度，故满足设计要求，针对设计屈服强度有较多的富余，可适当的对模型设计进行轻量化，以达到减少成本的目的。

在放大载荷下，整个刀具的合位移大小和分布情况，如图16所示，从该合位移云图中可以获知，刀架35在满载荷的条件下，合位移的最大值为0.14mm，最大合位移量出现卡槽36顶部边沿处。另外从图中可知，所有的位移变形量都比较小，是满足设计要求和精度的。

因为刀片18是直接与硬质污物进行直接接触的，再加上刀片18结构本身比较单薄，所以本技术方案对其单独做静力分析。刀片18的应力大小和分布情况如图所示，从该应力图中可以获知，刀片18的最大应力集中在刀尖181边缘处，最大值为154.5MPa，而材料的屈服力为620.4MPa，所以满足设计要求。刀片18的合位移大小和分布情况如图18所示，从该合位移云图中可以获知，刀片18在受到满载荷下的位移形变量主要发生在刀尖181的边缘部分，最大值为0.01685mm，可见其变形量很小，是满足设计要求。

综上，本技术方案通过对刀具的整体结构设计和有限元分析，使得通过本技术方案制造出的刀具，用在清管器上时不仅能够提升清管器的清洁效率，而且能够充分有效利用管道气流，减少额外能量消耗，刀具整体的结构稳定性和刚度也能得到有效保障，大大提升了刀具以及清管器的使用寿命。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：包括分体式支撑轴体、前支撑皮碗组件、后密封皮碗组件、刮除机构、行速控制机构和监测机构，前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件分别设于分体式支撑轴体两端，行速控制机构和监测机构设于分体式支撑轴体上，刮除机构设于前支撑皮碗组件和后密封皮碗组件之间的分体式支撑轴体上。

2.根据权利要求1所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：分体式轴体包括前支撑皮碗轴体(1)、后密封皮碗轴体(2)和连接轴体(3)，前支撑皮碗轴体(1)为中空结构且前支撑皮碗轴体(1)一端开口一端封闭，后密封皮碗轴体(2)和连接轴体(3)均为两端贯通的中空结构，前支撑皮碗轴体(1)、连接轴体(3)和后密封皮碗轴体(2)前后依次可拆卸连通，前皮碗组件设于前支撑皮碗轴体(1)上，刮除机构和后密封皮碗组件均设于后密封皮碗轴体(2)上。

3.根据权利要求2所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：前支撑皮碗组件包括端面皮碗(4)、前锁紧法兰盘(5)、第一前调整皮碗(6)、第二前调整皮碗(7)、钢刷(8)、钢刷皮碗(9)、和前支撑皮碗(10)，端面皮碗(4)设于前支撑皮碗轴体(1)的前端端面，前锁紧法兰盘(5)套设在端面皮碗(4)上，第一前调整皮碗(6)、第二前调整皮碗(7)、钢刷皮碗(9)、和前支撑皮碗(10)均套设在前支撑皮碗轴体(1)上，第一前调整皮碗(6)和第二前调整皮碗(7)分别设于前支撑皮碗轴体(1)的前端和后端，钢刷皮碗(9)设于第一前调整皮碗(6)和第二前调整皮碗(7)之间，前锁紧法兰盘(5)和第一前调整皮碗(6)之间、钢刷皮碗(9)和第二前调整皮碗(7)之间、第二前调整皮碗(7)和连接轴体(3)之间均设有前支撑皮碗(10)，钢刷(8)套设在钢刷皮碗(9)上。

4.根据权利要求2所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：前支撑皮碗轴体(1)后端设有连接环台(11)，第一前调整皮碗(6)、第二前调整皮碗(7)、钢刷皮碗(9)和前支撑皮碗(10)设于前锁紧法兰盘(5)和连接环台(11)之间，前锁紧法兰盘(5)、靠近前锁紧法兰盘(5)的前支撑皮碗(10)和第一前调整皮碗(6)通过螺栓串接，连接轴体(3)与连接环台(11)通过螺栓连接。

5.根据权利要求2所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：后密封皮碗组件包括第一密封皮碗(12)、后调整皮碗(13)、第二密封皮碗(14)和后支撑皮碗(15)，后密封皮碗轴体(2)的外壁中部设有环槽(16)，后支撑皮碗(15)、第二密封皮碗(14)、后调整皮碗(13)和第一密封皮碗(12)依次套设在后密封皮碗轴体(2)上，后支撑皮碗(15)靠近环槽(16)设置，刮除机构设于环槽(16)与连接轴体(3)之间并与环槽(16)转动连接。

6.根据权利要求5所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：刮除机构包括涡轮(17)、刀片(18)、轴承(19)和油封端盖(20)，轴承(19)、油封端盖(20)和涡轮(17)均转动套(22)设在后密封皮碗轴体(2)的前端，涡轮(17)一端设有环套(21)，涡轮(17)另一端设有转动套(22)，环套(21)转动插接于环槽(16)内，轴承(19)套设于转动套(22)内，油封端盖(20)设于转动套(22)端面并与转动套(22)连接，涡轮(17)的外周壁上等间距圆周分布有多个刀架(35)，刀架(35)顶面开设有卡槽(36)，刀片(18)插接与卡槽(36)内，刀架(35)侧壁开设有与卡槽(36)连通的销钉孔(37)，销钉孔(37)内旋入有顶紧刀片(18)的销钉，连接轴体(3)的后端设有对涡轮(17)进行轴向限位的限位凸肩(23)。

7.根据权利要求6所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：涡轮(17)的内周壁上开设有与刀架(35)一一对应的导流孔(38)，卡槽(36)的槽壁沿涡轮(17)的径向方向下凹形成通槽(39)，导流孔(38)沿涡轮(17)的径向方向延伸至卡槽(36)槽底并与通槽(39)连通。

8.根据权利要求6所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：后密封皮碗轴体(2)的后端端面设有后锁紧法兰盘(24)，后密封皮碗轴体(2)的后端内壁设有安装环台(25)，安装环台(25)和后锁紧法兰盘(24)之间设有连接端盖(26)，连接端盖(26)通过螺栓与连接环台(11)连接，后锁紧法兰盘(24)通过螺栓与连接端盖(26)连接，第一密封皮碗(12)、后调整皮碗(13)、第二密封皮碗(14)和后支撑皮碗(15)设于环槽(16)和后锁紧法兰盘(24)之间，后锁紧法兰盘(24)、第一密封皮碗(12)、后调整皮碗(13)、第二密封皮碗(14)、后支撑皮碗(15)、后锁紧法兰盘(24)和环槽(16)上均开设有通孔(27)，后锁紧法兰盘(24)、第一密封皮碗(12)、后调整皮碗(13)、第二密封皮碗(14)、后支撑皮碗(15)和环槽(16)通过通孔(27)依次连通后经环套(21)与涡轮(17)内部空间连通。

9.根据权利要求8所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：行速控制机构包括端面控速阀(28)、控速电机(29)、霍尔速度传感器(30)和控制器(31)，端面控速阀(28)设于后锁紧法兰盘(24)的外侧盘面上，端面控速阀(28)上的阀门与后锁紧法兰盘(24)上的通孔(27)连通，控速电机(29)设于后密封皮碗轴体(2)内部并通过螺栓与连接端盖(26)连接，控速电机(29)的输出轴插入端面控速阀(28)上的轴孔并通过销轴(32)与端面控速阀(28)连接，霍尔速度传感器(30)设于环槽(16)上，控制器(31)设于后密封皮碗轴体(2)内，控速电机(29)、端面控速阀(28)和霍尔速度传感器(30)均与控制器(31)电性连接。

10.根据权利要求1所述的基于流体动力学的高效清管器，其特征在于：监测机构包括GPS定位模块、无线传输模块，GPS定位模块和无线传输模块均集成在控制器(31)上。

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