田 昊，王孫懿，侯交義，張?jiān)雒停儡?/p>

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

引言

清管作業(yè)是保證輸送管道可運(yùn)輸?shù)闹匾侄?，清管器在清管過程中具有適用管道口徑范圍廣、使用距離長(zhǎng)、無需管道停輸、可在線清管等優(yōu)點(diǎn)，引起人們廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[1]。其中，皮碗作為清管器上的重要組件，在運(yùn)作過程中，主要要求具備兩方面的功能：密封管道內(nèi)部流體形成驅(qū)動(dòng)力、緊貼管壁完成清洗并推動(dòng)污垢向前移動(dòng)[2]。實(shí)際工作中，人們主要關(guān)注清管過程中皮碗與管道之間的相互作用，因?yàn)檫@不僅關(guān)系著皮碗是否能實(shí)現(xiàn)其密封、刮削等功能，同時(shí)也決定了清管效果的好壞以及皮碗的使用壽命[3]。對(duì)于清管器，已有研究者采用實(shí)驗(yàn)與模擬的方法研究了清管過程中流體的流動(dòng)狀態(tài)以及清管器在管道中不同壓差下的運(yùn)動(dòng)模型[4-5]，包括穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、瞬態(tài)流動(dòng)以及多相流動(dòng)等，對(duì)于清管器與管道的接觸性能的研究相對(duì)很少。針對(duì)不同的工況以及清管器的特殊功能，建立模型并研發(fā)了可控速清管器、可變徑清管器、內(nèi)檢測(cè)智能清管器等。在清管器結(jié)構(gòu)方面，一般所述皮碗清管器則是利用皮碗裙邊對(duì)管道3%～5%左右的過盈量與管壁緊貼達(dá)到密封，裝置由系統(tǒng)管道壓差推動(dòng)前進(jìn)[6]。

目前，管道機(jī)器人主要依靠裝置芯管內(nèi)部旁通調(diào)速閥開口面積進(jìn)行節(jié)流調(diào)速[7]，然而這種方式直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的管道機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、裝置體積較大以及小型化困難等缺陷。實(shí)際研究與實(shí)踐表明，這種方式難以兼得隔離、清管、通行三重功能。本研究采用一種外置錯(cuò)位皮碗進(jìn)行調(diào)速設(shè)計(jì)，通過控制可回轉(zhuǎn)皮碗旋轉(zhuǎn)角度，改變皮碗重合面積，實(shí)現(xiàn)通流量及裝置兩端壓差的調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)在管道中的運(yùn)行速度。由于皮碗為柔性變形機(jī)構(gòu)，其壓力-形變規(guī)律以及通流性能無法使用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，因此，本研究將從新外置調(diào)速皮碗設(shè)計(jì)出發(fā)，建立可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)模型，開展系統(tǒng)典型工況下的流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)仿真，最終得到新型可調(diào)速皮碗設(shè)計(jì)規(guī)律。

1 可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)型管道機(jī)器人為了適應(yīng)管徑小幅度變化、管壁缺陷及雜質(zhì)堆積產(chǎn)生的不平特征，通常采用橡膠彈性材料，如圖1所示。通過與管壁過盈配合，皮碗承受管道內(nèi)流體靜壓力并轉(zhuǎn)換為機(jī)器人前進(jìn)動(dòng)力。然而，傳統(tǒng)皮碗僅能承載，不可調(diào)速，應(yīng)用靈活性不足，針對(duì)這些問題，本研究提出雙層疊片可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)的管道清洗器皮碗結(jié)構(gòu)

1.1 零曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)一種由2層直徑相同的皮碗組合而成的零曲率可調(diào)速皮碗系統(tǒng)，如圖2所示。通過控制可回轉(zhuǎn)皮碗旋轉(zhuǎn)角度，改變皮碗重合面積，實(shí)現(xiàn)通流量及裝置兩端壓差的調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)在管道中的運(yùn)行速度?？苫剞D(zhuǎn)皮碗沿圓周方向設(shè)計(jì)有U形槽，便于在可回轉(zhuǎn)皮碗與固定皮碗相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)線性調(diào)整通流口開度，實(shí)現(xiàn)流量定量調(diào)整。

圖2 零曲率可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)

1.2 邊沿變曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計(jì)

為了研究邊沿結(jié)構(gòu)對(duì)于密封性能以及皮碗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本研究設(shè)計(jì)了第二種皮碗結(jié)構(gòu)，即邊沿變曲率可調(diào)速皮碗，如圖3所示。上層為直板回轉(zhuǎn)皮碗，下層為弧度皮碗。其中，弧度皮碗沿圓周等間距開設(shè)4個(gè)徑向?qū)挾? mm、開口夾角為30°的扇形卸荷孔。兩皮碗緊密配合，通過兩皮碗相互交錯(cuò)，使阻擋流體的面積發(fā)生變化，進(jìn)而改變裝置運(yùn)行速度及位移變化情況。與零曲率可調(diào)速皮碗結(jié)構(gòu)不同，變曲率的皮碗邊沿保障了受壓變形時(shí)仍可以與管壁間保持較好接觸，相當(dāng)于增加了零曲率皮碗的徑向過盈量，可以實(shí)現(xiàn)較好保壓及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 邊沿變曲率可調(diào)速皮碗設(shè)計(jì)

2 數(shù)值仿真設(shè)置

2.1 皮碗模型仿真域與關(guān)鍵參數(shù)選取

為了研究提出的調(diào)速皮碗的靜力學(xué)與流體性能，建立數(shù)值仿真域如圖4所示，包含法蘭盤、芯管、亞克力玻璃管及組合皮碗(弧度皮碗、直板回轉(zhuǎn)皮碗)等裝置。其中，所用組合皮碗選用具有回彈性好、耐磨、耐老化[8]特點(diǎn)的丁苯橡膠作為材料。為了研究新設(shè)計(jì)的組合皮碗對(duì)于整個(gè)管道流體兩端壓降的影響，在靜力學(xué)仿真研究的基礎(chǔ)上，在上下兩端設(shè)置壓力、速度邊界，流體材質(zhì)設(shè)置為水，固體材質(zhì)設(shè)置為鋁合金，選擇k-ε湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真，其余仿真設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 各裝置所用材料

圖4 皮碗靜力學(xué)及流場(chǎng)仿真計(jì)算域設(shè)置

2.2 網(wǎng)格劃分

選取一段管道及其中皮碗作為計(jì)算域，劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸的大小，一方面決定著分析的結(jié)果是否精確，另一方面也關(guān)聯(lián)著測(cè)試整個(gè)試驗(yàn)裝置所用的時(shí)間。因此需要對(duì)皮碗網(wǎng)格尺寸的劃分進(jìn)行無關(guān)性檢測(cè)，以保證網(wǎng)格劃分的合理性[9]。針對(duì)改進(jìn)前的皮碗裝置，進(jìn)行網(wǎng)格尺寸無關(guān)性研究，取距皮碗中心4 cm處為位移分析基準(zhǔn)線，輸入壓力10 MPa，當(dāng)網(wǎng)格尺寸從10 mm 變至2 mm時(shí)，網(wǎng)格尺寸劃分的越細(xì)，位移結(jié)果越趨近收斂于2.20 mm。說明2～4 mm網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小，可認(rèn)為網(wǎng)格尺寸已達(dá)到無關(guān)，因此取2.5 mm的網(wǎng)格尺寸作為計(jì)算網(wǎng)格。靜力學(xué)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5a所示。流場(chǎng)模擬選用Fluent模塊，在裝置頂部及底部分別設(shè)置壓力入口、速度出口，網(wǎng)格采取自動(dòng)劃分，流場(chǎng)網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5b所示。

圖5 皮碗網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 邊界條件與初始條件

本研究中的靜力學(xué)與流場(chǎng)仿真均采用穩(wěn)態(tài)分析求解器。在靜力學(xué)研究中，邊界條件的設(shè)置保留原有試驗(yàn)裝置的法蘭盤、亞克力玻璃管及組合皮碗部分。將皮碗側(cè)面與亞克力玻璃管壁接觸，其中接觸面為皮碗側(cè)面，目標(biāo)面為亞克力玻璃管壁。接觸類型為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)定0.8。皮碗之間相互接觸區(qū)域的接觸類型為No Separation。清管器其他接觸部分，如法蘭盤與皮碗，接觸類型為Bonded。沿垂直于皮碗表面方向添加不同數(shù)值壓力，使亞克力玻璃管底部、皮碗與芯管接觸區(qū)域、法蘭盤底部及與芯管接觸區(qū)域進(jìn)行面接觸固定。

流場(chǎng)仿真中，處理器選擇壓力輸入，時(shí)長(zhǎng)選擇進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，計(jì)算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。材料選擇分為2部分：液體部分設(shè)定為水，固體部分設(shè)定為鋁合金。入口壓力參數(shù)結(jié)合靜壓測(cè)試分析設(shè)定為2～10 MPa，出口速度設(shè)定為1 m/s。

3 仿真結(jié)果

分析不同壓力下，不同厚度、不同直徑皮碗位移變化曲線，對(duì)比零曲率可調(diào)速皮碗及邊沿變曲率組合皮碗的變形規(guī)律的區(qū)別與聯(lián)系，并分析新設(shè)計(jì)的組合皮碗對(duì)于整個(gè)管道兩端壓降的影響。

3.1 皮碗結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜力學(xué)特性的影響

皮碗的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，即皮碗的直徑及厚度對(duì)于皮碗在受壓情況下的變形有著直接影響。研究中針對(duì)常見管道直徑，分別選取不同皮碗厚度及直徑，分析皮碗變形量與壓力的關(guān)系。皮碗直徑選擇100 mm，分別將皮碗的厚度設(shè)置為5,7 mm進(jìn)行仿真分析，觀察皮碗位移云圖如圖6a、圖6b所示。將皮碗厚度固定選擇5 mm，分別將皮碗的直徑設(shè)置為100,120 mm進(jìn)行仿真分析，觀察皮碗位移云圖如圖6c、圖6d。

圖6 皮碗位移云圖

如圖7所示，零曲率皮碗可以保證在0～5 MPa下進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)作，5 mm厚皮碗最大承載壓力位移為2.66 mm，7 mm厚皮碗最大承載壓力位移為1.16 mm。同時(shí)，零曲率皮碗在承壓3 MPa以上時(shí)，承載壓力位移出現(xiàn)陡增的趨勢(shì)(以5 mm厚皮碗為例,3 MPa：0.60 mm；4 MPa：1.64 mm；5 MPa：2.66 mm)。采用邊沿變曲率設(shè)計(jì)的皮碗可以保證在0～7.5 MPa下進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)作，5 mm厚最大承載壓力位移為1.96 mm，7 mm 厚最大承載壓力位移為1.34 mm。同時(shí)，邊沿變曲率皮碗在承壓3 MPa以上時(shí)，承載壓力位移曲線的變化有了明顯的改善(以5 mm厚皮碗為例，3 MPa：0.57 mm；4 MPa：0.75 mm；5 MPa：1.12 mm)。

圖7 不同厚度皮碗位移對(duì)比圖

如圖8所示，零曲率皮碗可以保證在0～3MPa下進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)作，φ100皮碗最大承載壓力位移為0.60 mm，φ120皮碗最大承載壓力位移為2.34 mm(2.0 MPa：0.76 mm；2.5 MPa：1.23 mm；3.0 MPa：2.34 mm)。邊沿變曲率設(shè)計(jì)的皮碗可以保證在0～4 MPa 下進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)作，φ100最大承載壓力位移為0.75 mm，φ120最大承載壓力位移為2.56 mm(2.0 MPa：0.88 mm；2.5 MPa：1.08 mm；3.0 MPa：1.42 mm)。

圖8 不同直徑皮碗位移對(duì)比圖

結(jié)合圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)，相較于零曲率皮碗而言，新設(shè)計(jì)的邊沿變曲率皮碗由于自身邊沿的存在，當(dāng)發(fā)生受壓變形時(shí)仍可以與管壁間保持較好接觸，相當(dāng)于增加了零曲率皮碗的徑向過盈量，在承載壓力和抵抗受壓變形方面均有所提高，實(shí)現(xiàn)較好保壓及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 皮碗開度與流場(chǎng)分析

由3.1節(jié)皮碗變形仿真結(jié)果可知，在工作壓力設(shè)定范圍內(nèi)，邊沿變曲率皮碗始終能夠保持皮碗邊沿與管道相接觸，且最大變形量在3 mm以內(nèi)，相比于皮碗與管道所組成的控制體的長(zhǎng)度320 mm，皮碗形位變化對(duì)于流場(chǎng)整體體積的影響可以忽略不計(jì)，因此，在本節(jié)中采用固定皮碗結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析。依據(jù)2.3節(jié)所述試驗(yàn)及接觸條件來模擬皮碗裝置流場(chǎng)，取皮碗厚度、皮碗直徑、管道入口壓力3個(gè)變量并觀察流場(chǎng)中管道壓力及流體流速變化，結(jié)果如圖9所示。卸荷孔的存在使皮碗兩端壓差變化明顯，卸荷作用效果較好，同時(shí)，由流場(chǎng)流速線可以看出，整個(gè)裝置在皮碗卸荷孔處流速最大。

圖9 皮碗流場(chǎng)壓力流線圖(開口100%)

入口壓力恒定為2 MPa，速度出口設(shè)定范圍0.5～3 m/s，觀察扇形卸荷孔分別在開口25%,50%,75%,100%時(shí)不同出口速度下的皮碗受力曲線，見圖10a。出口速度恒定為1 m/s，壓力入口設(shè)定范圍2～10 MPa，觀察扇形卸荷孔分別在開口25%,50%,75%,100%時(shí)不同進(jìn)口壓力的皮碗受力曲線，見圖10b。

由圖10可知，在卸荷開口大小一致且出口速度保持不變的情況下，入口壓力的變化對(duì)于整體皮碗的受力變化影響可忽略不計(jì)。而當(dāng)保持入口壓力不變，調(diào)整出口速度變化時(shí)，皮碗的受力隨著出口速度的增大而增大。

圖10 流場(chǎng)仿真皮碗受力曲線

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)一種新型外置調(diào)速皮碗并與原整體式皮碗結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，闡述了該新型外置調(diào)速皮碗的特點(diǎn)。對(duì)新型外置調(diào)速皮碗進(jìn)行不同壓力環(huán)境下位移分析，結(jié)果表明，其在受壓情況下位移變化較為均勻。對(duì)比原整體式皮碗，無論是改變皮碗厚度還是直徑，新型外置調(diào)速皮碗在承載壓力方面均有改善。扇形卸荷孔的存在使管道通流性能得以提高，扇形孔的卸荷面積越大，壓降越明顯?；贔luent流場(chǎng)試驗(yàn)得出，在扇形卸荷孔開口不變的情況下，進(jìn)口壓力的變化不會(huì)改變皮碗受力大小，而出口速度的變化會(huì)導(dǎo)致皮碗受力近似成正比增長(zhǎng)。