一种基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具

1.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力学的旋转涡轮叶片清洗刀具。


背景技术：

2.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。
3.皮碗式清管器作为目前常用的油气管道清堵设备，其驱动力主要来自管道运输介质在清管器两端的压力差，目前国内外市场上的皮碗式清管器，主要采用皮碗以及皮碗加钢刷的组合方式来对管道进行清理，对于一些油污、油垢和灰层等轻质、易脱落的杂质易于清理，但是对于管壁上陈年的硬质杂质难以达到彻底清洁的目的，特别是在对陈旧管道进行管壁及管道内杂质的清理时，清理效果更加不理想。
4.公开号为cn101653773b的专利公开了一种由清扫型清管器和发生装置组成的原油管线砂、蜡高压射流清管器，该清管器作业时由介质推动向前行走，当管道内的砂、蜡聚集的地方阻挡住了清管器的行进时，清管器后部流体对清管器的压力增大，当增大到一定值时，阀球就会被向前推动，高压的流体通过内筒末端筒壁上开的槽进入清管器内部，推动阀头向前运动，阀头上的孔与喷射头射孔后部的孔重合，高压介质通过射孔喷出，清理污垢，并将污垢带走。该清管器依靠密封皮碗或刮板进行刮削，前后截面不流通，不利于前端清除的污垢的排放，影响解堵效果，对于硬质大块蜡垢的清理效果有限，且原油中可能含有的杂物易造成喷射头射孔损坏或堵塞。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，通过管道运输介质驱动涡轮旋转进而带动刀片对附着在管壁的硬质污物进行切削，并能利用管道运输介质对切削掉的碎屑进行冲刷清理，整体结构稳定且工作效率高。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
7.一种基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，包括涡轮、刀架和刀片，刀架设于涡轮的外周壁上，刀架顶面开设有卡槽，刀片固定于卡槽内，涡轮的内周壁上开设有与刀架对应的导流孔，导流孔向刀架延伸并与卡槽连通。
8.刀架有多个且多个刀架沿着涡轮的外周壁等间距圆周分布，刀架与涡轮一体成型连接。
9.卡槽的长度方向与涡轮的轴向方向之间形成一定的夹角。
10.刀片插接于卡槽内，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。
11.导流孔有多个且多个导流孔与刀架一一对应，导流孔向对应的刀架延伸并与对应的刀架上的卡槽连通。
12.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。
13.刀片的横截面为斜梯形状，刀片包括一体成型连接的刀尖和刀背，刀背的两个侧壁面分别与卡槽的两个侧壁面贴合，销钉顶紧刀背，刀尖的切削面与刀背的侧壁面之间形成一定夹角。
14.以刀具切削力为348.3n对刀具进行有限元静力分析，卡槽顶部边沿处的应力大小为177.4mpa，卡槽顶部边沿处的刀架合位移为0.14mm，
15.以刀具切削力为348.3n对刀具进行有限元静力分析，刀尖边缘处的应力大小为154.5mpa，刀尖边缘处的刀片合位移为0.14mm。
16.本发明具有以下优点：
17.1、本发明的涡轮和刀架为一体式结构，提升了刀具整体的一体性，整体结构稳定且刚度强。
18.2、本发明利用管道内的运输介质直接作为刀具的旋转动力，进而无需额外提供动力，减少能量消耗。
19.3、本发明通过导流孔的设置，可在利用管道内的运输介质驱动刀具旋转的同时，使运输介质沿涡轮径向方向经导流口向外吹出，进而冲刷被刀具切削掉的碎屑，进一步提升刀具的清洁效率。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构示意图；
21.图2为本发明的整体结构正视图；
22.图3为图2在a方向上的剖面结构示意图；
23.图4为本发明中涡轮和刀架的整体结构示意图；
24.图5为图4中的b处结构放大图；
25.图6为本发明中刀片的整体结构示意图；
26.图7为本发明中刀具的网格图解；
27.图8为本发明中刀具的网格参数表；
28.图9为本发明中刀片的网格图解；
29.图10为本发明中刀片的网格参数表；
30.图11为本发明中刀具的应力云图；
31.图12为本发明中刀具的合位移云图；
32.图13为本发明中刀片的应力云图；
33.图14为本发明中刀片的合位移云图。
34.图中：1、涡轮；2、刀架；3、刀片；31、刀尖；32、刀背；4、卡槽；5、导流孔；6、销钉孔；7、通槽。
具体实施方式
35.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。
36.如图1-6所示，一种基于流体力学的旋转涡轮1叶片清洗刀具，包括涡轮1、刀架2和刀片3，刀架2设于涡轮1的外周壁上，刀架2顶面开设有卡槽4，刀片3固定于卡槽4内。将刀具安装在皮碗清管器上，皮碗清管器利用管道内的运输介质在管道内运动的过程中，同时利用管道内的运输介质冲击涡轮1叶片，进而带动涡轮1旋转，涡轮1旋转时即可带动刀片3对管道内壁附着的硬质污物进行切削，在充分利用能源的同时也提高了清管器的工作效率。
37.具体的，如图1、3所示，刀架2有多个且多个刀架2沿着涡轮1的外周壁等间距圆周分布，优选的，刀架2与涡轮1一体成型而成，以保证刀具的一体性和结构刚度。刀片3插接于卡槽4内，刀架2侧壁开设有与卡槽4连通的销钉孔6，销钉孔6内旋入销钉，通过拧紧销钉将刀片3顶紧在刀片3上，进而对刀片3进行固定。
38.如图6所示，刀片3包括一体成型连接的刀尖31和刀背32，为进一步保证刀片3安装的稳定性，刀背32的厚度与卡槽4的槽宽一致，使得将刀片3固定在卡槽4内时，刀背32的两个侧壁面能够分别与卡槽4的两个侧壁面贴合，销钉则顶紧刀背32。
39.由于涡轮1带动刀片3对管道内壁进行污物清理时，刀片3与硬质污物之间会有高速的接触和碰撞，刀片3将会受到很大的冲击力，冲击力过大刀片3容易崩裂甚至断掉，进而影响刀具作业。为减小刀片3受到冲击力，如图2所示，首先使卡槽4的长度方向与涡轮1的轴向方向之间形成一定的夹角，这样涡轮1带动刀具进行清理作业的过程中，即可适当减小刀片3与硬质污物碰撞时刀片3整体受到的垂直应力，即减弱硬质污物对刀片3的直接冲击；另外，由于刀片3的刀尖31与硬质污物直接接触，其受到的冲击最大，所以如图3、6所示，将刀片3的横截面为设置为斜梯形状，使得刀尖31的切削面与刀背32的侧壁面之间形成一定夹角，这样便可进一步减小刀尖31受到的垂直应力，进而再次减弱刀片3受到的冲击，以保证刀片3的乃至整个刀具的使用强度和使用寿命。
40.为了进一步提升刀具的清洁效率，本技术方案在涡轮1的内周壁上开设有与刀架2对应的导流孔5，在管道运输介质冲击涡轮1叶片的同时，利用导流孔5将运输介质导流至卡槽4，进而对刀片3切掉的污物碎屑进行冲刷。
41.具体的，如图3、4、5所示，导流孔5设置有多个且多个导流孔5与刀架2一一对应，由于刀片3与卡槽4侧壁贴合，所以为了实现导流孔5正常导流，使卡槽4的槽壁沿涡轮1的径向方向下凹进而形成通槽7，导流孔5则沿涡轮1的径向方向延伸至卡槽4槽底并与通槽7连通，这样管道运输介质便可经导流孔5和通槽7对碎屑进行冲刷。
42.刀片3与硬质污物进行高速接触和碰撞的过程中，由于受结构和空间的影响，刀片3和刀架2会比较小，然而刀片3和刀架2又是所受切削冲击力最大的部件，所以本技术方案通过对刀片3和刀架2进行有限元静力分析以保证两者的结构强度。
43.本技术方案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：
[0044][0045]
式中：fc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。
[0046]
带入数据计算得住切削力为：fc＝348.3n。
[0047]
在实际的清洁过程中，刀片3和刀架2是随着涡轮1一起做圆周运动的，所以在对刀
片3和刀架2进行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3和刀架2静止，然后刀片3上施加载荷。
[0048]
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3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。
[0049]
具体分析前先对刀片3和刀架2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。
[0050]
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3和刀架2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7和9所示，网格参数如表8和10所示。
[0051]
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3装配在刀架2上进行应力分析，其中模型里面总共有三对面接触，刀背32两侧面和卡槽4槽壁面，刀背32底面和卡槽4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。
[0052]
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2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11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3上，特别是刀片3和刀架2侧壁结合的上边缘部分，即卡槽4顶部边沿处，其最大的应力值为177.4mpa，刀片3的材料屈服强度为620.4mpa，刀架2的材料屈服强度为320mpa，可见刀架2和刀片3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。
[0053]
在放大载荷下，整个刀具的合位移大小和分布情况，如图12所示，从该合位移云图中可以获知，刀架2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4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。
[0054]
因为刀片3是直接与硬质污物进行直接接触的，再加上刀片3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3的应力大小和分布情况如图13所示，从该应力图中可以获知，刀片3的最大应力集中在刀尖31边缘处，最大值为154.5mpa，刀片3的材料屈服强度为620.4mpa，所以满足设计要求。刀片3的合位移大小和分布情况如图14所示，从该合位移云图中可以获知，刀片3在受到满载荷下的位移形变量主要发生在刀尖31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。
[0055]
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运输介质，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。
[0056]
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。

技术特征：
1.一种基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：包括涡轮(1)、刀架(2)和刀片(3)，刀架(2)设于涡轮(1)的外周壁上，刀架(2)顶面开设有卡槽(4)，刀片(3)固定于卡槽(4)内，涡轮(1)的内周壁上开设有与刀架(2)对应的导流孔(5)，导流孔(5)向刀架(2)延伸并与卡槽(4)连通。2.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：刀架(2)有多个且多个刀架(2)沿着涡轮(1)的外周壁等间距圆周分布，刀架(2)与涡轮(1)一体成型连接。3.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：卡槽(4)的长度方向与涡轮(1)的轴向方向之间形成一定的夹角。4.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：刀片(3)插接于卡槽(4)内，刀架(2)侧壁开设有与卡槽(4)连通的销钉孔(6)，销钉孔(6)内旋入有顶紧刀片(3)的销钉。5.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：导流孔(5)有多个且多个导流孔(5)与刀架(2)一一对应，导流孔(5)向对应的刀架(2)延伸并与对应的刀架(2)上的卡槽(4)连通。6.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：卡槽(4)的槽壁沿涡轮(1)的径向方向下凹形成通槽(7)，导流孔(5)沿涡轮(1)的径向方向延伸至卡槽(4)槽底并与通槽(7)连通。7.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：刀片(3)的横截面为斜梯形状，刀片(3)包括一体成型连接的刀尖(31)和刀背(32)，刀背(32)的两个侧壁面分别与卡槽(4)的两个侧壁面贴合，销钉顶紧刀背(32)，刀尖(31)的切削面与刀背(32)的侧壁面之间形成一定夹角。8.根据权利要求1所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：以刀具切削力为348.3n对刀具进行有限元静力分析，卡槽(4)顶部边沿处的应力大小为177.4mpa，卡槽(4)顶部边沿处的刀架(2)合位移为0.14mm。9.根据权利要求7所述的基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，其特征在于：以刀具切削力为348.3n对刀具进行有限元静力分析，刀尖(31)边缘处的应力大小为154.5mpa，刀尖(31)边缘处的刀片(3)合位移为0.14mm。

技术总结
本发明涉及一种基于流体力学的旋转涡轮叶片清洗刀具，包括涡轮、刀架和刀片，刀架设于涡轮的外周壁上，刀架顶面开设有卡槽，刀片固定于卡槽内，涡轮的内周壁上开设有与刀架对应的导流孔，导流孔向刀架延伸并与卡槽连通。本发明通过管道运输介质驱动涡轮旋转进而带动刀片对附着在管壁的硬质污物进行切削，并能同时利用管道运输介质对切削掉的碎屑进行冲刷清理，整体结构稳定且工作效率高。整体结构稳定且工作效率高。整体结构稳定且工作效率高。


技术研发人员：张旭 陈现涛 刘航鑫 赵晨曦 陶皖
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1