本发明涉及管道清洗技术领域，尤其涉及一种基于无动力管道清洗机器人的管道清洗系统及清洗方法。
背景技术：
管道作为油气长距离输送的重要载体，管内杂质的沉积、腐蚀等会对管道造成堵塞和损伤，如果不及时对管道进行清洗就会影响管道运行的效率及安全。然而管道所处的环境不易直接到达或不允许人们直接进入，清洗难度很大。
现有技术中，管道清洗主要采用高压水物理冲洗、药剂循环清洗、大管径人工清洗及管道清洗机器人等方式。高压水物理冲洗操控较难，清洗不充分；药剂循环清洗会对管道表面造成损伤，减少管道寿命；人工清洗效率低下，清洗效果不好；管道清洗机器人虽然可以清洗不同管径的管道，适用性广，但普遍存在结构复杂，需要内部驱动或外部驱动，故障率高等缺点。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于无动力管道清洗机器人的管道清洗系统及清洗方法，具体技术方案如下：
一种基于无动力管道清洗机器人的管道清洗系统，其特征在于，该系统包括无动力管道清洗机器人、水泵、存水装置、流速传感器和反馈控制系统，所述的无动力管道清洗机器人放置在待清洗管道中，所述的水泵一端与所述的待清洗管道的一端连接，另一端与所述的存水装置连接，所述的待清洗管道的另一端也通过水管与存水装置连接，所述的待清洗管道的两端均设置所述的流速传感器；所述的反馈控制系统包括变频器、plc和报警器，所述的变频器与所述的水泵和plc电连接，所述的流速传感器和报警器也与plc电连接；
所述的无动力管道清洗机器人包括轴流泵叶轮、轴流泵叶轮支撑组件、机器人外壳、变向轮机构、清洗机构、辅助轮机构和切割叶轮，所述的机器人外壳为圆柱形，所述的轴流泵叶轮和切割叶轮分别布置在所述的机器人外壳的两端，所述的变向轮机构、清洗机构、辅助轮机构依次沿轴向布置在所述的机器人外壳的圆周上；所述的机器人外壳由三个120°的相同的圆弧形外壳组装而成，每个外壳上均布置一个变向轮机构、清洗机构、辅助轮机构。
优选地，所述的机器人外壳的两端开有通孔，外壳的圆柱面向内沿轴向设置有两组带通孔的凸台，每组有三个，所述的清洗机构、辅助轮机构依次布置在两组凸台中。
优选地，所述的轴流泵叶轮支撑组件包括轴流泵叶轮轴和主轴，所述的轴流泵叶轮轴左端伸出所述的机器人外壳的通孔与轴流泵叶轮固定连接，轴流泵叶轮轴和主轴在外壳内固定连接，主轴的右端伸出外壳与切割叶轮固定连接。
优选地，所述的变向轮机构包括变向轮轮架支撑杆、变向轮轮架、变向轮和变向轮弹簧，所述的变向轮轮架一端安装变向轮，另一端可转动连接在机器人外壳上，所述的变向轮轮架支撑杆一端与机器人外壳可转动连接，所述的变相轮轮架与变向轮轮架支撑杆与所述的机器人外壳的连接点的连线与外壳的轴向方向呈设定的角度，所述的变向轮轮架支撑杆的另一端开设有滑动槽，所述的变向轮弹簧嵌入所述的滑动槽中，所述的变向轮轮架支撑杆的另一端与变向轮轮架可转动且可移动连接，且变向轮轮架支撑杆通过压缩变向轮弹簧适应不同直径的管道。
优选地，所述的清洗机构包括清洗刷、清洗杆和清洗机构弹簧，所述的清洗机构弹簧放置于所述的凸台的通孔中，下端通过端盖支撑固定；所述的清洗杆为t形，一端固定所述的清洗刷，另一端深入所述的凸台的通孔中压缩清洗机构弹簧。
优选地，所述的辅助轮机构包括辅助轮、辅助轮轮架和辅助轮弹簧，所述的辅助轮弹簧放置在所述的凸台的通孔中，所述的辅助轮轮架的一端深入通孔压缩弹簧，另一端伸出通过安装辅助轮。
优选地，所述的切割叶轮的叶片边缘安装刀片。
一种如上所述的管道清洗系统的清洗方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
s：所述的plc发出清洗指令，控制所述的水泵开启，管道清洗装置通水，水推动无动力管道清洗机器人的轴流泵叶轮的旋转，同时产生旋转轴推力推动机器人前进，同时与轴流泵叶轮同轴旋转的切割叶轮在管道中进行旋转切割；变向轮机构边前进边带动整个机器人旋转，同时清洗机构进行旋转清洗，所述的流速传感器实时监测待清洗管道的流速，并反馈给所述的plc；
s：所述的plc接收实时流速信号，并与预设参数阈值进行比较，通过计算输出调节信号，若流速在预设参数阈值之内，则维持现状不进行调节；若流速超出了预设阈值，则计算、输出调节信号；
s：所述的变频器实时接收plc的输出信号，对水泵的转速进行调节，当进行调节时，若水泵的转速超过额定转速的2倍，则进行停机报警操作；若转速正常，则保持正常运行，直至管道清洗结束，停机。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明巧妙的结合了高压水物理冲洗的部分原理，结合管道清洗机器人，具有管道清洗效果好、适应性强、无需内部驱动机器人、装置结构简单等特点；采用独特的旋转前进的方式，能够在前进的同时对管道内壁进行彻底清洗。
附图说明
图1为无动力管道清洗机器人的三维示意图；
图2为无动力管道清洗机器人的截面图；
图3为无动力管道清洗机器人的侧视图；
图4为一种管道清洗系统的结构图；
图5为管道清洗方法的流程图；
图中，1-无动力管道清洗机器人，2-待清洗管道，3-水泵，4-水管，5-水池，6-流速传感器，7-变频器，8-plc，9-触摸屏，10-报警器，101-轴流泵叶轮，102-轴流泵叶轮支撑组件，1021-轴端挡圈，1022-轴流泵叶轮轴，1023-主轴，103-机器人外壳，104-变向轮机构，1041-变向轮轮架支撑杆，1042-变向轮轮架，1043-变向轮，1044-变向轮弹簧，105-清洗机构，1051-清洗刷，1052-清洗杆，1053-清洗机构弹簧，106-辅助轮机构，1061-辅助轮，1062-辅助轮轮架，1063-辅助轮弹簧，107-切割叶轮。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，一种无动力管道清洗机器人，其包括轴流泵叶轮101、轴流泵叶轮支撑组件102、机器人外壳103、变向轮机构104、清洗机构105、辅助轮机构106和切割叶轮107；
机器人外壳103为圆柱形，由三个120°的相同的圆弧形外壳组装而成，两端分别开有通孔，外壳的圆柱面向内沿轴向设置有两组带通孔的凸台，每组有三个，所述的清洗机构105、辅助轮机构106依次布置在两组凸台中，因此，清洗机构105、辅助轮机构106各有三个。
轴流泵叶轮支撑组件102包括轴流泵叶轮轴1022和主轴1023，所述轴流泵叶轮轴1022和主轴1023分别通过一对圆锥滚子轴承、套杯和轴承端盖固定在通孔内，轴流泵叶轮轴1022左端伸出通孔与轴流泵叶轮101通过键连接；
轴流泵叶轮101通过轴端挡圈1021固定在轴流泵叶轮轴1022上，轴流泵叶轮轴1022右端与主轴1023通过联轴器连接；所述主轴1023右端伸出机器人外壳103，在其上套设有切割叶轮107，所述切割叶轮107右端通过轴端挡圈固定；
变向轮机构104也为3个，均匀安装在机器人外壳103上，包括变向轮轮架支撑杆1041、变向轮轮架1042、变向轮1043和变向轮弹簧1044，所述变相轮轮架1042一端铰接在机器人外壳103上，另一端通过轮轴安装有变向轮1043，所述变向轮轮架支撑杆1041一端铰接在机器人外壳103上，另一端安装在变向轮轮架1042的中段上，所述变向轮轮架支撑杆1041内安装有变向轮弹簧1044，所述变向轮轮架1042的中段上有一根细杆，此细杆穿过变向轮轮架支撑杆1041，并可压缩所述变向轮弹簧1044，使变向轮轮架1042可以进行旋转调节；
变向轮机构104偏转一定角度放置，即变相轮轮架1042与变向轮轮架支撑杆1041与所述的机器人外壳103的连接点的连线与外壳103的轴向方向呈一定的角度，这样使得变向轮1043与管道轴线成一定角度放置，顶紧管道内壁，当无动力管道清洗机器人1受力沿管道前进时，三个所述变向轮1043沿着倾斜的角度贴着管道内壁前进，整个前进线路呈螺旋线，从而在机器人前行的过程中，达到边前进边旋转的效果；在轴流泵叶轮101的推动下，可以无动力旋转前进。且当管径变化时，通过改变变向轮轮架支撑杆1041对变向轮弹簧1044的压缩程度可以控制变向轮1043的伸缩，使变向轮1043始终顶紧在待清洗管道的内壁。
清洗机构105包括清洗刷1051、清洗杆1052和清洗机构弹簧1053，清洗机构弹簧1053放置在通孔内，下端通过端盖支撑固定，清洗杆1052安装在机器人外壳103外，一端穿过通孔并压缩清洗机构弹簧1053，清洗杆1052的另一端固定清洗刷1051；辅助轮机构106包括辅助轮1061、辅助轮轮架1062和辅助轮弹簧1063，辅助轮弹簧1063放置在通孔内，辅助轮轮架1062的一端穿过通孔并压缩辅助轮弹簧1063，辅助轮轮架1062的另一端通过轮轴安装有辅助轮1061。
所述的切割叶轮107的叶片边缘带有刀片，可以对管道内的缠绕物进行切割。
所述无动力管道机器人工作步骤如下：
管道内流体输送推动轴流泵叶轮101的旋转，同时产生旋转轴推力推动机器人前进，同时与所述轴流泵叶轮101同轴的切割叶轮107在管道中进行旋转切割；所述变向轮机构104边前进边带动整个机器人旋转，同时清洗机构105在旋转的同时对管道内壁进行清洗。
如图4所示，一种管道清洗系统，该系统包括上述的无动力管道清洗机器人1、水泵3、水池5、流速传感器6和反馈控制系统，无动力管道清洗机器人1放置在待清洗管道2中，水泵3一端与待清洗管道2的一端连接，另一端与水池5，待清洗管道2的另一端也通过水管4与水池5连接，待清洗管道2的两端均设置流速传感器6；反馈控制系统包括变频器7、plc8、触摸屏9和报警器10，变频器7与水泵3和plc8电连接，流速传感器6和报警器10也与plc8电连接。
管道的清洗效果与管道内流体的流动速率和雷诺数有关；当冲洗速率大于2m/s，且雷诺数大于4000时，管道的清洗效果最佳。而雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。re＝ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。当管道直径不变和管道内流体种类不变时，雷诺数就与流体的流速有关，通过控制流速就可以改变雷诺数。
管道内的流速与泵的转速有关：
得到：
由
由(2)、(3)可以推导出：
同时需满足：
所以，由(4)、(5)式，在泵工作时，其工作的转速n需同时满足两个条件
可以通过调节泵的转速对流量进行控制，从而控制管道内流体的流速。当雷诺数re≤4000或流速ν≤2m/s，泵转速n将增大，re和ν随之增大；当雷诺数re≥4000或流速ν≥2m/s，泵转速n将减小，re和ν随之减小。
plc8自带pid调节器功能，使用指令向导即可完成pid编程，通过编程软件的pid调节控制面板在线调试功能可以整定出合适的pid参数，从而获得良好的闭环调节效果，使用非常方便。流速传感器6将采集到的管道内的流速传送到模拟量输入模块，该模块完成a/d转换后将数字量存储到指定位置，由中央处理器提取数据进行pid运算、状态分析及其他处理，pid计算出控制量通过模拟量输出模块传送给变频器7；所述变频器7通过电线与水泵3相连，根据接收到的数据对转速进行实时调节；所述触摸屏9实现人机交互，实时显示管道内流速的状态信息，监控人员还可以通过触摸屏9设置各种参数，对工作状态进行修改，并进行启动、停止等操作；所述报警器10，在装置出现不能自动调节修复时，触发报警并实施强制停机操作。
该管道清洗系统的清洗方法具体包括如下步骤(如图5所示)：
s1：所述的plc8发出清洗指令，控制所述的水泵3开启，管道清洗装置通水，水推动无动力管道清洗机器人1的轴流泵叶轮101的旋转，同时产生旋转轴推力推动机器人前进，同时与轴流泵叶轮101同轴旋转的切割叶轮107在管道中进行旋转切割；变向轮机构104边前进边带动整个机器人旋转，同时清洗机构105进行旋转清洗，所述的流速传感器6实时监测待清洗管道的流速，并反馈给所述的plc8；
s2：所述的plc8接收实时流速信号，并与预设参数阈值进行比较，通过计算输出调节信号，若流速在预设参数阈值之内，则维持现状不进行调节；若流速超出了预设阈值，则计算、输出调节信号；
s3：所述的变频器7实时接收plc8的输出信号，对水泵3的转速进行调节，当进行调节时，若水泵3的转速超过额定转速的2倍，则进行停机报警操作，若水泵转速过高，会造成电机与水泵的超负荷运载，造成振动加剧，效率降低，使用寿命缩短等危害；若转速正常，则保持正常运行，直至管道清洗结束，停机。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。