一种清管器控速装置的制作方法

本发明属于油气管道清管领域，涉及一种清管器控速装置。

背景技术：

输送石油、天然气等危险流体的管道若运行时间较长，势必存在安全隐患。为保证管道的正常运行，需要定期对管道进行清管和检测作业。清管的目的是清扫管道内的杂物、积液、积污，提高管道输送效率，减少摩阻损失，当清管与检测同时进行时，还可获得管道变形，腐蚀，裂纹等数据并对这些管道缺陷进行精确定位，为后期的管道维护提供可靠信息。

目前，主流的清管器主要依靠自身对管道内输送介质的阻滞作用所形成的压差来驱动前进，但由于管道上下游的压力存在波动，特别是近年建成的大口径、高压、高流速长输天然气管道，介质流速已经超过5m/s，瞬间速度可达到每秒十几米，使得清管器的运行速度不稳定,瞬时运行速度在0～25m/s之间变化。根据SY/T 5922-2003《天然气管道运行规范》8.7.4.1项的规定，“清管器运行速度一般宜控制在3.5m/s～5m/s。”当管道作业装备运行速度超过5m/s时，容易出现信号采集不理想,甚至出现检测不到信号的现象,无法完成管道检测任务，更有甚者,由于检测器运行速度过快,容易造成对管道及运行设备的冲击,发生重大安全事故。因此调节清管器运行速度使其运行在合理的速度范围之内,势必成为输气管道检测过程中提高管道检测精度和降低安全事故风险所面临的问题。

现有技术中，国内外主流可调节速度的清管器是通过搭载闭环控制的泄流阀实现实时控速，其原理是调节电机驱动的泄流阀的泄流面积来改变清管器的前后压差，从而控制清管器的速度。清管器的泄流阀一般采用转阀结构，由转阀动叶片和转阀静叶片组成，这种结构存在以下问题：1、当转阀阀体受到冲击变形时，叶片间容易发生干涉，使控速转阀卡住，无法调节清管器的运行速度；2、为满足转阀操作扭矩的需求，清管器需要配置大功率电机，携带大容量电池，这将占用清管器的内部空间，减小泄流通道面积，影响速度的可调性；3、转阀一般安装在清管器的端部，增加了清管器的长度，降低了清管器的弯道通过性；4、转阀静叶片后端流体的流动状态存在突变，使清管器局部绕流损失增大，同时局部绕流还会引发清管器的整体振动，这不仅增大了管道输运过程中的能量损耗，也影响到设备的正常运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种清管器控速装置，以便于调节清管器的运行速度，并降低使用过程中的能耗，提高清管器运行的平稳性。

本发明所述清管器控速装置，包括外骨架、内骨架、防撞支架、前皮碗组件、后皮碗组件、里程轮组件、控速转阀、控制系统和用于安放控制系统的密封仓。

所述控速转阀由活动翼型扇叶和周向控制机构组成；活动翼型扇叶由翼型叶片及位于翼型叶片一端的第一轴颈，位于翼型叶片另一端的轴环、第二轴颈和轴头构成，活动翼型扇叶的数量应使环形流道可处于完全封闭的状态；周向控制机构由换向轮组件、安装环、齿环和扇形齿轮组成，换向轮组件至少为三套，各套换向轮组件结构相同，均包括第一支架、第二支架、第三支架、摩擦轮、轮轴、电机、螺栓、弹簧轴、减震弹簧、从动齿轮和主动齿轮，所述电机安装在第一支架上，所述主动齿轮安装在电机轴上，所述从动齿轮与主动齿轮组成齿轮传动副，所述第二支架与从动齿轮的安装轴固连，所述第三支架通过螺栓与第二支架铰连，所述减震弹簧通过弹簧轴和螺母安装在第二支架上且第三支架套装在弹簧轴的一端并通过螺母定位，所述摩擦轮通过轮轴安装在第三支架上；安装环是由至少两个圆弧形件组合形成的圆环，齿环是由至少两个圆弧形齿件组合形成的一侧环面为齿面的圆环，所述扇形齿轮的数量与活动翼型扇叶的数量相同，各扇形齿轮的端面上设置有与活动翼型扇叶组合的通孔，各扇形齿轮与齿环的齿面组成传动副。

所述外骨架为圆筒体，该圆筒体的前部段外壁设置有环绕外壁的第一安装环，后部段外壁设置有环绕外壁的第二安装环，中后部段外壁设置有与控速转阀中的安装环和齿环组合的环形导轨，在环形导轨之后，沿圆筒体周向设置有与控速转阀中活动翼型扇叶数量相同且均匀分布的凸台，各凸台的中心部位设置有供活动翼型扇叶的轴环、第二轴颈和轴头穿过的通孔。

所述内骨架由半圆形槽式支座、前端法兰、后端法兰及用于将前端法兰和后端法兰组合成一体的支撑梁构成；前端法兰的外径小于外骨架的内径，前端法兰的内孔为前小后大的阶梯孔；后端法兰的外径大于外骨架的外径，后端法兰的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔前部的大孔孔径与外骨架的外径匹配，后部的小孔孔壁上设置有安装里程轮组件的缺口；支撑梁的数量至少为三根，各支撑梁的一端环绕前端法兰的外壁等角度分布并分别与前端法兰的外壁固连，各支撑梁的另一端环绕后端法兰的小孔内壁等角度分布并分别与后端法兰的小孔内壁固连；半圆形槽式支座的数量与控速转阀中活动翼型扇叶的数量相同，各半圆形槽式支座安装在前端法兰的前环面同一圆周上且相邻半圆形槽式支座之间的夹角相等。

所述密封仓由前仓体、前盖板、后仓体和后盖板组成；前仓体为圆筒体，该圆筒体的外径小于内骨架中前端法兰的外径、内径大于或等于内骨架中前端法兰阶梯孔的小孔孔径，该圆筒体的后端沿圆筒体周向设置有与控速转阀中活动翼型扇叶数量相同的U形槽，U形槽的宽度与内骨架中半圆形槽式支座的槽径相同，相邻U形槽之间的夹角相等；后仓体为圆筒体，该圆筒体的外径与内骨架中前端法兰阶梯孔的大孔孔径匹配，该圆筒体的前端设置有安装用的连接盘。

上述各部件或构件的组合方式：

所述前皮碗组件套装在外骨架的前部段外壁上并与所述第一安装环接触，所述防撞支架的一端与外骨架的前端组合，通过螺纹连接件将防撞支架和前皮碗组件固定在外骨架的前部；

所述后皮碗组件套装在外骨架的后部段外壁上并与所述第二安装环接触，所述内骨架的前端法兰位于外骨架的内孔中，内骨架的后端法兰通过其阶梯孔前部的大孔与外骨架的后端组合，通过螺纹连接件将内骨架的后端法兰和后皮碗组件固定在外骨架后部；

所述密封仓前仓体的后端安装在内骨架前端法兰的前环面上，前仓体后端设置的各U形槽与位于前端法兰前环面上的各半圆形槽式支座分别组合成安装各活动翼型扇叶第一轴颈的孔；所述密封仓后仓体的前端插装在内骨架前端法兰阶梯孔的大孔内，通过螺纹连接件与内骨架前端法兰固连；所述前盖板安装在前仓体的前端将前仓体封闭，所述后盖板安装在后仓体的后端将后仓体封闭；

所述控速转阀中周向控制机构的安装环安装在外骨架所设导轨的前环面，周向控制机构的齿环安装在外骨架所设导轨的后环面，安装环与齿环通过螺纹连接件连接后形成整体式结构并可沿所述导轨转动；周向控制机构的各套换向轮组件分别通过该换向轮组件中的第一支架与所述安装环固连，并在安装环周向均匀布置(使用时，各换向轮组件中的摩擦轮与被清洁管道内壁滚动接触，在电机的驱动下摩擦轮可以换向)；控速转阀中各活动翼型扇叶的第一轴颈分别安装在前仓体后端所设置U形槽与位于前端法兰前环面上的半圆形槽式支座组合成的孔中，各活动翼型扇叶的轴环、第二轴颈和轴头分别插入外骨架环形导轨之后的各通孔，所述轴头伸出外骨架，各活动翼型扇叶的翼型叶片位于外骨架内壁与密封仓前仓体外壁围成的环形流道；周向控制机构的各扇形齿轮分别安装在各活动翼型扇叶的轴头上并与所述齿环组合；

所述里程轮组件的数量至少为两组，分别安装在内骨架后端法兰所设缺口处并与内骨架后端法兰连接；

所述控制系统安放在密封仓内，控制系统的输入端与里程轮组件连接，输出端与换向轮组件中的电机连接，控制系统将接收到的里程轮组件测定的清管器实时运行速度与清管器设定运行速度比较，根据清管器实时运行速度与清管器设定运行速度之差控制换向轮组件中电机轴的旋转方向，从而使控速转阀中的扇形齿轮与齿环的齿面组成的传动副带动活动翼型扇叶转动，以改变所述环形流道的泄流量，使清管器按设定运行速度工作。

本发明所述清管器控速装置中，所述里程轮组件由里程轮、编码器、连接架、复位弹簧和底座组成，编码器用于采集清管器的实时运行速度信号，并将实时运行速度信号转化为电信号输送给控制系统，所述连接架的一端与底座铰连，所述编码器安装在连接架的另一端，所述里程轮安装在编码器的转轴上，所述复位弹簧的一端与底座铰连，另一端与连接架铰连。

本发明所述清管器控速装置中，所述前皮碗组件由前支撑皮碗、前隔板和前驱动皮碗组成，所述后皮碗组件由后支撑皮碗、后隔板和后驱动皮碗组成。

本发明所述清管器控速装置中，所述控制系统为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)。

本发明所述清管器控速装置中，所述周向控制机构的换向轮组件中的电机优选步进电机。

本发明所述清管器控速装置的工作原理如下：

根据所清洁的管道需要，设定清管器的运行速度范围。当里程轮组件中的编码器检测到清管器的运行速度低于设定速度下限时，控制系统发出指令使控速转阀中周向控制机构的换向轮组件中的电机作顺时针转动，带动换向轮组件整体转向，在被清洁管道内做顺时针螺旋曲线运动，从而带动周向控制机构的安装环和齿环相对清管器做顺时针圆周转动，在齿环的带动下，周向控制机构的各扇形齿轮带着与其连接的活动翼型扇叶转动，将控速转阀的环形流道逐渐关闭，导致环形流道的泄流量逐渐减小，使清管器加速。当里程轮组件中的编码器检测到清管器的运行速度高于设定速度上限时，控制系统发出指令使控速转阀中周向控制机构的换向轮组件中的电机作逆时针转动，带动换向轮组件整体转向，在被清洁管道内做逆时针螺旋曲线运动，从而带动周向控制机构的安装环和齿环相对清管器做逆时针圆周转动，在齿环的带动下，周向控制机构的各扇形齿轮带着与其连接的活动翼型扇叶转动，将控速转阀的环形流道逐渐打开，导致环形流道的泄流量逐渐增大，使清管器减速。当里程轮组件中的编码器检测到清管器的运行速度介于设定速度的上限与下限之间时，控速转阀中周向控制机构的换向轮组件中的电机处于非工作状态，控速转阀中各活动翼型扇叶的开度不变，此时换向轮组件中的摩擦轮保持与被清洁管道平行的方向，靠摩擦轮的侧向摩擦力保持控速转阀中各活动翼型扇叶的开度。

本发明具有以下有益效果：

1、由于控速转阀由活动翼型扇叶和周向控制机构组成，活动翼型扇叶和周向控制机构的结构及与外骨架、内骨架、密封仓的组合方式，有效解决了现有清管器泄流阀存在的问题，控速转阀不仅工作稳定，而且在控制系统的控制下，便于调整清管器的运行速度，满足清管器的控速要求。

2、控速转阀中周向控制机构的结构使控速转阀的操作力矩大大提升，同时减少了运行过程中的电力损耗，使清管器在大口径、高压长输天然气管道中的速度控制效率明显提高。

3、控速转阀中活动翼型扇叶使流体的绕流阻力大大减小，不仅降低了清管过程中的能量损耗，同时也减小了局部振动，使清管器的运行更加平稳。

4、由于内骨架位于外骨架的内孔中，密封仓安装在内骨架上，控制系统安放在密封仓内，因而减小了清管器的长度，提高了清管器的弯道通过性。

附图说明

图1为本发明所述清管器控速装置的外形结构三维示意图。

图2为本发明所述清管器控速装置的剖视图，该图还表示出了清管器控速装置在被清洁管道中的放置方式。

图3为本发明所述清管器控速装置中控速转阀的三维爆炸视图。

图4为本发明所述清管器控速装置中里程轮组件的结构示意图。

图5为本发明所述清管器控速装置中换向轮组件的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为本发明所述清管器控速装置中控速转阀的活动翼型扇叶的结构示意图。

图8为图7的侧视图。

图9为图7的俯视图。

图10为本发明所述清管器控速装置中内骨架的结构示意图。

图11为本发明所述清管器控速装置中密封仓的前仓体的结构示意图。

图12为本发明所述清管器控速装置的控制框图。

图13为本发明所述清管器控速装置中控速转阀的环形流道处于完全打开状态的示意图。

图14为本发明所述清管器控速装置中控速转阀的环形流道处于部分打开状态的示意图。

图15为本发明所述清管器控速装置中控速转阀的环形流道处于完全关闭状态的示意图。

图中，1-防撞支架；2-前支撑皮碗；3-前驱动皮碗；4-外骨架；4-1-第一安装环；4-2-第二安装环；4-3-环形导轨；4-4-通孔；5-换向轮组件；6-扇形齿轮；7-后支撑皮碗；8-后驱动皮碗；9-里程轮组件；9-1-里程轮；9-2-编码器；9-3-连接架；9-4-复位弹簧；9-5-底座；10-前隔板；11-活动翼型扇叶；11-1-轴头；11-2-第二轴颈；11-3-轴环；11-4-翼型叶片；11-5-第一轴颈；12-后隔板；13-内骨架；13-1-半圆形槽式支座；13-2-前端法兰；13-3-支撑梁；13-4-后端法兰；13-5-缺口；14-被清洁管道；15-前盖板；16-前仓体；16-1-U型槽；17-后仓体；18-控制系统；19-后盖板；20-安装环；21-齿环；22-第一支架；23-第二支架；24-摩擦轮；25-轮轴；26-第三支架；27-螺栓；28-电机；29-弹簧轴；30-螺母；31-减震弹簧；32-从动齿轮；33-主动齿轮；34-电机轴。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明说书清管器控速装置的结构作进一步说明。下述实施例中，可编程逻辑控制器、编码器、步进电机通过市场购买。

本实施例中，清管器控速装置如图1、图2所示，包括外骨架4、内骨架13、防撞支架1、前皮碗组件、后皮碗组件、里程轮组件9、控速转阀、控制系统18和用于安放控制系统的密封仓。

所述控速转阀如图3所示，由活动翼型扇叶11和周向控制机构组成；活动翼型扇叶11如图7、图8、图9所示，由翼型叶片11-4及位于翼型叶片11-4一端的第一轴颈11-5，位于翼型叶片11-4另一端的轴环11-3、第二轴颈11-2和轴头11-1构成，翼型叶片11-4呈扇形展开，截面采用NACA0012对称翼型，活动翼型扇叶11的数量为十二个；周向控制机构由换向轮组件5、安装环20、齿环21和扇形齿轮6组成(见图3)，换向轮组件5为六套，各套换向轮组件结构相同，均包括第一支架22、第二支架23、第三支架26、摩擦轮24、轮轴25、电机28、螺栓27、弹簧轴29、减震弹簧31、从动齿轮32和主动齿轮33(见图5、图6)，所述电机28为步进电机，安装在第一支架22上，所述主动齿轮33安装在电机轴34上，所述从动齿轮32与主动齿轮33组成齿轮传动副，所述第二支架23与从动齿轮32的安装轴固连，所述第三支架26通过螺栓27与第二支架23铰连，所述减震弹簧31通过弹簧轴29和螺母30安装在第二支架23上且第三支架26套装在弹簧轴的一端并通过螺母定位，所述摩擦轮24通过轮轴25安装在第三支架26上；安装环20是由三个圆弧形件组合形成的圆环，齿环21是由两个圆弧形齿件组合形成的一侧环面为齿面的圆环，扇形齿轮6的数量与活动翼型扇叶11的数量相同，各扇形齿轮6的端面上设置有与活动翼型扇叶11组合的通孔，各扇形齿轮6与齿环21的齿面组成传动副。

所述外骨架4为圆筒体(见图1、图2)，总长为1000mm、内径为430mm、外径为470mm，该圆筒体的前部段外壁焊接有环绕外壁的第一安装环4-1，后部段外壁焊接有环绕外壁的第二安装环4-2，中后部段外壁焊接有与控速转阀中的安装环20和齿环21组合的环形导轨4-3，在环形导轨4-3之后，沿圆筒体周向设置有与控速转阀中活动翼型扇叶11数量相同且均匀分布的凸台，各凸台的中心部位设置有供活动翼型扇叶11的轴环11-3、第二轴颈11-2和轴头11-1穿过的通孔4-4。

所述内骨架13如图10所示，由半圆形槽式支座13-1、前端法兰13-2、后端法兰13-4及用于将前端法兰13-2和后端法兰13-4组合成一体的支撑梁13-3构成；前端法兰13-2的外径小于外骨架13的内径，前端法兰13-2的内孔为前小后大的阶梯孔；后端法兰13-4的外径大于外骨架4的外径，后端法兰13-4的内孔为前大后小的阶梯孔，该阶梯孔前部的大孔孔径与外骨架4的外径匹配，后部的小孔孔壁上设置有安装里程轮组件9的缺口13-5；支撑梁13-3的数量为三根，各支撑梁的一端环绕前端法兰13-2的外壁等角度分布并分别与前端法兰13-2的外壁通过焊接固连，各支撑梁13-3的另一端环绕后端法兰13-4的小孔内壁等角度分布并分别与后端法兰13-4的小孔内壁通过焊接固连；半圆形槽式支座13-1的数量与控速转阀中活动翼型扇叶11的数量相同，各半圆形槽式支座13-1安装在前端法兰13-2的前环面同一圆周上且相邻半圆形槽式支座13-1之间的夹角相等。

所述密封仓如图2所示，由前仓体16、前盖板15、后仓体17和后盖板19组成；前仓体16如图11所示，为圆筒体，该圆筒体的外径小于内骨架13中前端法兰13-2的外径、内径等于内骨架中前端法兰13-2阶梯孔的小孔孔径，该圆筒体的后端沿圆筒体周向设置有与控速转阀中活动翼型扇叶11数量相同的U形槽16-1，U形槽16-1的宽度与内骨架13中半圆形槽式支座13-1的槽径相同，相邻U形槽16-1之间的夹角相等；后仓体17为圆筒体(见图2)，该圆筒体的外径与内骨架13中前端法兰13-2阶梯孔的大孔孔径匹配，该圆筒体的前端设置有安装用的连接盘。

所述里程轮组件9为三组，各组里程轮组件9结构相同，均由里程轮9-1、编码器9-2、连接架9-3、复位弹簧9-4和底座9-5组成(见图4)，所述连接架9-3杆状体，其一端与底座9-5铰连，所述编码器9-2安装在连接架9-3的另一端(自由端)，所述里程轮9-1安装在编码器9-2的转轴上，所述复位弹簧9-4的一端与底座9-5铰连，另一端与连接架9-3靠近里程轮的部位铰连。

所述前皮碗组件由前支撑皮碗2、前隔板10和前驱动皮碗3组成(见图2)，所述后皮碗组件由后支撑皮碗7、后隔板12和后驱动皮碗8组成(见图2)，所述控制系统18为可编程逻辑控制器。

上述各部件或构件的组合方式：

所述前支撑皮碗2、前隔板10和前驱动皮碗3从前至后依次套装在外骨架4的前部段外壁上，前驱动皮碗3与第一安装环4-1接触，所述防撞支架1的一端与外骨架4的前端组合，通过螺纹连接件将防撞支架1和前支撑皮碗2、前隔板10、前驱动皮碗3固定在外骨架4的前部；

所述后支撑皮碗7、后隔板12和后驱动皮碗8从前至后一次套装在外骨架(4)的后部段外壁上，后驱动皮碗8与第二安装环4-2接触，内骨架13的前端法兰13-2位于外骨架4的后部段内孔中，内骨架13的后端法兰13-4通过其阶梯孔前部的大孔与外骨架4的后端组合，通过螺纹连接件将内骨架13的后端法兰13-4和后支撑皮碗7、后隔板12、后驱动皮碗8固定在外骨架4后部；

所述密封仓前仓体16的后端安装在内骨架前端法兰13-2的前环面上，前仓体16后端设置的各U形槽16-1与位于前端法兰前环面上的各半圆形槽式支座13-1分别组合成安装各活动翼型扇叶第一轴颈11-5的孔；所述密封仓后仓体17的前端插装在内骨架前端法兰13-2阶梯孔的大孔内，通过螺纹连接件与内骨架13前端法兰13-2固连；所述前盖板15安装在前仓体16的前端将前仓体16封闭，所述后盖板19安装在后仓体17的后端将后仓体17封闭；

所述控速转阀中周向控制机构的安装环20安装在外骨架4所设导轨4-3的前环面，周向控制机构的齿环21安装在外骨架4所设导轨4-3的后环面，安装环20与齿环21通过螺纹连接件连接后形成整体式结构并可沿所述导轨4-3转动；周向控制机构的六套换向轮组件5分别通过该换向轮组件5中的第一支架22与所述安装环20固连，并在安装环20周向均匀布置；控速转阀中各活动翼型扇叶11的第一轴颈11-5分别安装在前仓体16后端所设置U形槽16-1与位于前端法兰13-2前环面上的半圆形槽式支座13-1组合成的孔中，各活动翼型扇叶11的轴环11-3、第二轴颈11-2和轴头11-1分别插入外骨架4环形导轨4-3之后的各通孔4-4，且轴头11-1伸出外骨架4，各活动翼型扇叶11的翼型叶片11-4位于外骨架4内壁与密封仓前仓体16外壁围成的环形流道；周向控制机构的各扇形齿轮6分别安装在各活动翼型扇叶11的轴头11-1上并与齿环21组合；

所述三组里程轮组件9分别安装在内骨架13后端法兰13-4所设缺口13-5处并与内骨架13后端法兰13-4连接；

所述控制系统18安放在密封仓内，控制系统18的输入端与里程轮组件9中的编码器9-2连接，输出端与换向轮组件5中的电机28连接。

本实施例中，外骨架4、内骨架13和防撞支架1的制作材料为不锈钢；控速转阀中活动翼型扇叶11的制作材料为不锈钢，安装环20、齿环21和扇形齿轮6的制作材料为普通碳钢，摩擦轮24的制作材料为聚氨酯橡胶；密封仓中前仓体16和后仓体17的制作材料为不锈钢，里程轮组件中里程轮9-1的制作材料为不锈钢；前皮碗组件中前支撑皮碗2和前驱动皮碗3及后皮碗组件中后支撑皮碗7和后驱动皮碗8的制作材料为聚氨酯橡胶，前隔板10和后隔板12的制作材料为聚氨酯橡胶。