（安全技术及工程专业论文）管道射流清洗机器人的仿真研究.pdf

s i m u l a t i o nr e s e a r c ho np i p e l i n ej e tc l e a n i n gr o b o t a b s t r a c t t h i st e x tb a s e do l li t sa p p l i c a t i o ni nc l e a n i n g , h a sa n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n a p p l i c a t i o np r i n c i p l e a n dc o m p o s i t i o no f w a t e rj e t ，a n a l y s e dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h e m i c r u - s t u r c t u r e ，a tt h es a m et i m e ，u s e ds u c ht h e o d e sa st h eb a s i ch y d r o m e c h a n i c a le q u a t i o n 。e t c ，s t u d i e d t h em e c h a n i s mo f h i g h - i n e a s u r ew a t e r j e tm o r ed e e p l y h a v ed r a w ns o m et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f c l e a n i n g b yu s i n gh i g h - p r e s s u r eh i g h - p r e s s u r ew a t e rj e h a v eo f f e r e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rs t u d y i n go f c h a r a c t e r i s t i c ，d i s t a n c eo f t h et a r g e t ，s p r a yn o z z l es t r u c t u r eo f t h eh i g h - p r e s s u r ew a t e r j e tw h i c hu s e di n c l e a n i n g u s et h ef l u e n ts o f e w a r et od ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h en o z z l es t t u c t u r e a n d g o tt h eb e s tn o z z l es t r u c t u r ew h i c hu s i n gi nt h ep i p e l i n ec l e a n i n g , ak i n do fn e wt y p ep r o j e c to nt h ep i p e l i n ec l e a n i n gr o b o tb yu s i n gt h eh i g i l - p r e s s u r ew a t e rj e ti sp u t f o r w a r do nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n gt h et r a d i t i o n a lp i p e l i n er o b o ta n dt h er e a lc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , t h e a u t h o rp r e s e n tak i n do fb e t t e rs c h e m ea f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h es c h e m eo nt h ep i p e l i n ec l e a n i n g r o b o t 砒f i r s t , t h e nd e s i g nt h es t r u c t u r eo f t h ec l e a n i n gr o b o ta c c o r d i n gt ot h i ss c h e m ea n dc a r l yt h r o u g ht h e r e s e a r c ho nt h es t e p p e d - c h a r a c t e r i s t i co ft h er o b o t , p u tf o r w a r dt h em e t h o dt h a tm a k et h er o b o tc a l lk e e p o p e r a t i n gs t e a d i l y a tt h es a m et i m e ，b u i l dt h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t y sm o d e l i n go ft h es t r u c t u r eo ft h e r o b o tu s i n gs o l i d w o r k ss o f t w a r ea n dc o m p l e t et h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h em o v e m e n ts t a t ei nt h e d i s t o r t i o np o s i t i o no f t h ep i p e l i n eu s i n gd y n a m i cs i m u l a t es o f t w a r ec o s m o s m o t i o n , s ot h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g ni sp r o v e n f i n a l l yt h ea u t h o rs m d y st h es e c u r i t yp r o t e c t i o nm e a s u r e so ft h ep i p e l i n ec l e a n i n gr o b o ts y s t e mb y u s i n gt h eh i g h - p r e s s u r ew a t e r j e t a n dg i v eo u tt h eb a s i ss e c u r i t ys c h e m eo ft h ec l e a n i n gs y s t e m o nt h ec o n d i c t i o no fh i g h - p r e s s u r ea n dl a yas o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z i n gt h er o b o t - s y s t e mo f p i p e l i n ec l e a n i n g k e yw o r d s ：h i g h - p r e s s u r ew a t e r j e t ；n o z z l e ；p i p e l i n er o b o t ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；s a f e t yp r o t e c t i o n n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 日期： 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定 。 学位论文作者签名：汤鳓导师签名：埘蹭纰 日期： 加 、多、加日期：缈1 予伊 创新点摘要 1 、将机器人技术、高压水射流清洗技术相结合引入管道清洗作业中，丰富了管道 清洗的方法。 2 、提出了一种新型的管道机器人变管径自适应传动方案，增大了管道机器人管径 自适应的可变范围。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不 同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物、 腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备装 置失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺参数，进行水质处理等 措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管 道清洗行业长期以来8 0 采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效 率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方 法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。 高压水射流是一种新的清洗方法。与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质 量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。作为一种清 洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。 目前在管道清洗过程中，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行 清洗，无法根据管道的内部情况进行清洗参数的动态调整，管径的适应能力较差。为了 僻决这个问题，国外着眼于管道射流清洗机器人的研究开发，而在国内这方面研究尚属 空白。为了较好地解决管道( 束) 的清洗难题，开发和研制管道射流清洗机器人势在必 行。管道射流清洗机器人是把高压水射流清洗技术与机器人技术结合起来，进行综合设 计开发，因此它的深入研究也将推动管道高压水射流清洗技术的发展。 管道射流清洗机器人技术概述 第1 章管道射流清洗机器人技术概述 从机械电子、矿山冶金、水利电力、能源石化、交通运输等国民经济的骨干与支柱 产业，到维系人民日常生活的自来水、煤气、冷暖、通讯设备等基础设施均依赖于各种 埋地管路与管线。但管线长久运用，免不了会产生锈蚀腐坏，出现污垢堵塞，引发事故。 因而必须经常对管道进行清洗与维护，但受制于现有清洗设备的局限性，管道清洗作业 遇到许多困难，期待开发出安全的、经济的、高效的、可靠的管道清洗技术。 i i 高压水射流清洗工艺的特点及其应用 “高压水射流”是指通过高压水发生装置将水加压至数百个乃至一千个大气压以 上，再通过具有细小孔径的喷射装置转换为高速的微细“水射流”。这种“水射流”的 速度一般都在一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量，可以完成不同种类的任务。将这 种高度聚能的水射流用于完成各种清洗作业的技术称为高压水射流清洗技术。 高压水射流清洗属于物理清洗方法，与传统的人工、机械及化学清洗方法相比，具 有如下优点1 “： 1 、清洗成本低：高压水射流使用的介质是取自来源广泛自来水。在清洗过程中， 不需加任何填充物及洗涤剂，故成本很低。其清洗方法属细射流喷射，所用的喷嘴直径 只有0 5 2 5 毫米，与大量耗水的消防用水不同，耗水量只有3 5 立方米d , 时，属于节 水设备。 2 、清洗品质好：以超音速运动、能量巨大的高压水射流能够完全破坏、全部剔除 管内的坚硬结垢物和堵塞物，同时又由于高压水的压力小于金属或钢筋混凝土的抗压强 度，故对管路没有任何破坏作用。 3 、清洗速度快：高压水射流充分利用冲刷、契劈、剪切、磨削等复合破碎作用。 立即将结垢物打碎脱落。它比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清 洗速度快几倍到几十倍。 4 、无环境污染：水射流清洗不像喷砂抛丸及简单机械清洗那样会产生大量的粉尘， 污染大气环境，损害人体健康；也不像化学清洗那样，产生大量酸、碱废液污染河川水 土。水射流是以无臭、无味、无毒的水为介质，喷出的射流雾化后，可使大气粉尘浓度 由采用其它方法作业时的8 0 m g m 3 降低到国家规定的安全标准2 m g m ，以下，根除硅肺 病源，消除酸碱废液流毒，实现高质量清洗。 ( 5 ) 应用面广：采用纯物理方法，故对管道无任何腐蚀作用。凡是水射流能直射 到的部位，不管是管道和容器内腔( 如铸造工件) ，还是设备表面( 如轮船) ，也不管是 坚硬结垢物，还是结实堵塞物，皆可使其迅即脱离母体，彻底清洗干净，这种清洗方法 对清洗对象的材质、特性、形状及所生成的污垢物种类均无特殊要求，故其应用范围十 2 大庆不油学院硕士研究生学位论文 分广泛。 清洗前清洗后 图1 - 1 管道清洗效果对照图 f i g 1 1c o m p a r i s o no f t h ep i p e l i n ec l e a n i n ge f f e c t 综上所述，清洗业一直是工业与民用不可或缺的重要环节。高压水射流清洗与其它 清洗方式相比，在清洗效果与效率、清洗成本、以及环保等方面具有其它方法无可比拟 的优点，对高速发展的国民经济来说高压水射流清洗的普及应用是必然趋势。 1 2 国内外管道高压水射流清洗技术的发展与现状哺1 1 “ 在传统的管道清洗作业中采用的清洗技术有：人工清洗、化学清洗、机械清洗、p i g 清洗、蒸汽清洗等几十种形式。日本、欧美等西方发达国家在二十世纪7 0 年代以前主 要采用化学方法清洗，自二十世纪7 0 年代末开始发展高压水射流清洗技术。到目前为 止，高压水射流清洗已经成为西方发达国家的主流清洗技术，占清洗业市场份额的 7 0 8 0 ，在美国已占清洗业市场份额的9 0 。高压水射流清洗技术自二十世纪8 0 年代中期传入我国后发展很快，目前在工业清洗中已超过1 0 ，并且正在迅速增长。 在各种工业生产系统中，应用于输送特定液体或气体的管道常常会结垢沉积物物 等，尤其是s i 0 2 对管道的吸附能力极强，在不长的时间内能达到2 0 3 0 m m 。这些污垢 的产生，使得有效管径减少，影响了设备运行的效益和安全。而且管内作业是十分困难 和危险的。鉴于此，人们着手开发能在管内移动作业的机器人。 1 9 7 8 年法国的j v e r t u t 研制了一种轮腿式管内机器人行走机构，成功地实现了机器 人在管内的自主行走。该机构由2 个行走轮及4 个支腿组成，支腿由电机驱动运动，以 适应不同管径的变化。二十世纪8 0 年代，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术 的发展，为管内机器人的应用研究提供了有力的技术支持。国外相继开发、研制了多种 类型的管内检测移动机器人。如日本关西电力株式会社开发出了适用于适用于 啦8 8 - 3 8 8 m m 管径、管长1 0 0 0 m 的海水管道检查用履带式机器人，该机器人通过沿径向 分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5 m m i n 。日本东京理科大学福 田敏男等研制出可以通过9 0 。弯管的管内移动机器人样机；日本大阪燃气株式会社研制 的内置磁铁轮式煤气管道检测机器人，该机器人可沿直管和弯管行走，适用管径 管道射流清洗机器人技术概述 q 1 5 0 , - 6 0 0 m m ，行走速度5 删，m i n ，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制， 还不能实现较远的行走。英国的p e a r p o i n t 有限公司开发出自来水管道检测轮式机器 人，可在以q 1 3 5 q 7 5 岫的管径内直线行走，行走速度为0 1 2 m m i n 。此外，美国c u p e r 公司也研制了用于天燃气管道检钡的机器人。在清洗机器人方面，更多是应用 图1 2s t 。n e a g e 公司管道射流清洗机器人 图l - 3 无动力管道清洗支架 f i g 1 - 2 p i p c l n 。j e t 。l 。”i n g m b o t o f s t o “g e f i g 1 3b r a c k e t w i t h n o p o w e r f o r p i p e l i n e c l e a n i n g c o m p a n y 于通风管道的清洗，应用于管道水射流清洗方面的机器人的开发研究相对较少，美国的 s t o n e , a g e 公司进行了相关的研究( 如图1 - 2 ) ，其管道射流清洗机器人采用履带驱动方式， 但管径适应能力较差，射流对中性差，清洗效果不理想。尽管常规管道机器人有的已经 实用化了，但还存在着很多问题，诸如能源供给、可靠性等问题。为了完成远距离各种 中小管径的管道作业，研制体积小、重量轻的移动载体和高效率、多功能的行走机构， 以及高效微型机载能源是管道移动机器人的关键技术和发展趋势。 我国管内机器人的研究应用还比较落后。哈尔滨工业大学目前已制做了管内机器人 实验样机。上海大学、天津大学、成都核物理所等单位也从事了这方面的研究工作。但 都是针对管道的检测及通风管道的清洗方面，尚未有研究与高压水射流清洗技术匹配的 管道清洗机器人。在现有的管道清洗设备中，更多的是采用无动力拖缆式清洗方式，如 图1 3 所示。 1 3 论文的主要研究内容、学术价值、研究方法 1 3 1 本文的研究背景 目前，我国仍有不少企业采用人工、机械的方法除垢的。这些方法导致处理质量差、 工效低、劳动强度大。也有的采用火烧、爆破或化学清洗，既污染环境又腐蚀设备。对 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 于严重堵塞的管道，用上述方法也无济于事，只有报废设备。 高压水射流清洗与机械清洗及化学清洗等方法相比，具有易于实现机械化、操作 方便和安全可靠等优点，与管道机器人结合，不仅可以较好地解决管道( 束) 的清洗难 题，特别是解决环境污染问题。1 9 9 4 年，我国率先制定并通过了中国2 1 世纪议程。 中国的清洗行业也开始逐渐淘汰o d s 清洗技术，并保证到2 0 0 6 年逐步停止使用o d s 物质口】。因此，寻求一种高效、实用的清洗方法已势在必行。高压水射流清洗具有可观 的经济和社会效益，与管道机器人技术结合，将成为值得大力推广的一种清洁、高效、 无污染的清洗技术。 1 3 2 本文的研究内容 1 、清洗方法的基础研究 对射流清洗的机理进行分析研究，深入了解各种清洗机理的使用条件，掌握射流清 洗技术的具体工作原理；对不同结构型式的喷嘴进行数值模拟计算；确定系统中的组成 组件如针式喷嘴，旋转密封装置等，并对各组成组件进行理论设计；进行自动旋转喷头 系统的基本设计计算，如通过进行自动旋转喷头的机构设计。 2 、管道射流清洗机器人的组成方案与总体设计 通过分析现有的管道机器人结构机理，根据实用设计要求的特定工作环境条件，明 确管道射流清洗机器人的适用条件；对管道射流清洗机器人的清洗系统进行可行性方案 探讨研究；进行管道射流清洗机器人的总体方案设计。 3 、管道射流清洗机器人的运动学和稳健性仿真分析 进行管道射流清洗机器人的运动学分析，包括管道射流清洗机器人行走特性的理论 研究与分析；根据确定的行走机构的参数：建立管道射流清洗机器人虚拟样机模型，输 入边界条件，进行数值模拟仿真分析，确定系统的稳健性，优化选择驱动动力源的具体 参数。 4 、管道射流清洗机器人的安全可靠性分析 根据管道射流清洗机器人的工作原理和特定的工作环境条件，对管道射流清洗机器 人的机构与装置设计、清洗作业方案等的安全可靠性进行探讨。 1 3 3 重点要解决的问题 1 、开发设计新型的高压自动旋转喷头，以获得较好的清洗效果； 2 、设计与射流清洗技术匹配的管道清洗机器人： 3 、通过对管道清洗机器人仿真研究，验证设计的合理性并优化设计； 4 、提出管道清洗机器人安全运行的可靠方案。 5 管道射流清洗机器人技术概述 1 3 4 预期达到的成果和具体学术价值 l 、达到的成果： ( 1 ) 设计完成高压自动旋转喷头的具体机构，进行全面的分析计算； ( 2 ) 设计完成管道射流清洗机器人，提出与给定条件相关的设计计算方法； ( 3 ) 完成管道射流清洗机器人的作业仿真分析和理论研究； ( 4 ) 提出管道射流清洗机器人系统的安全防护基本准则。 2 、预期达到的具体学术价值： ( i ) 通过深入研究高压射流清洗理论，为管道高压水射流清洗技术的迸一步开发 提供依据； ( 2 ) 采用虚拟样机技术对管道射流清洗机器人进行仿真分析，推动管道机器人技 术的深入发展； ( 3 ) 所设计开发管道射流清洗机器人在节能与环保方面具有导向作用。 1 3 5 研究方法 l 、广泛地获取课题研究所需的国内外的资料在对比分析的基础上，提出研究思路 和总体设计方案； 2 、采用三维绘图软件建立管道射流清洗机器人精确的模型； 3 、应用f l u e n t 流体动分析软件进行喷头的数值分析； 4 、应用高压射流理论和软件分析管道射流清洗机器人的清洗机理和作用效果； 5 、应用机械动力学软件进行机构的优化分析； 6 、根据仿真得出全面结论，对高压清洗的安全可靠性提出建议。 1 3 6 课题来源 本课题来源于深圳某公司承接的广州市自来水管网更新维护工程项目。 1 4 本章小结 本章在查阅和掌握大量有关文献资料的基础上： 1 分析了高压水射流清洗技术及管道射流清洗机器人的研究现状及其发展趋势， 并介绍了有关管道射流清洗机器人的关键技术； 2 、根据实际应用的特定条件，提出了管道射流清洗机器人的课题研究方案、方法 和路线。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章管道高压水射流清洗方法的研究 2 1 射流基本参数 2 1 1 射流结构参数 描述射流特征的参数很多，其主要基本参数有产生射流的流体静压力( 简称射流压 力) 、射流流量、流速、功率及反冲力等动力学参数以及射流起始段长度、射流宽度等 结构参数。 对于连续射流，在喷嘴出口截面内外两点问应用伯努利方程，忽略两点之间的高度 差“”，可得出下列关系式： 旦+ 堕；鱼+ 堕( 2 1 ) 一 2 见 2 式中p i 、p 2 喷嘴内外静压力，h f p a h 、v 2 喷嘴内外流体平均流速，l r a i n 在两点间应用连续方程可得： 一h 4 = 岛屹。4 ( 2 - 2 ) 0 2 如果喷嘴流道为圆管形结构，即么= 万等，并假设一= 岛，由上列两式可得出： 屹= 对于工程应用水射流，由于a 死，( 甜， 最后得出射流流速简化表达式： v ，= 4 4 7 7 石 式中e 射流流速，m s5 p 射流压力，m p a 。 已知射流速度，可由口= 1 ，彳计算出射流流量， 喷嘴出口截面积，即： q l = 2 1 d | 0 p 式中吼射流流量，l m i n ； d 喷嘴出口直径，n f f n 。 ( 2 3 ) 同时将p = 9 8 8 k g m 3 代入上式， ( 2 - 4 ) 即射流流量等于射流出口速度乘以 ( 2 - 5 ) 7 管道高压水射流清洗方法的研究 应说明的是，式( 2 - 4 ) 与式( 2 - 5 ) 得出的是理论流速和流量，通过喷嘴的实际流速v 和 实际流量叮要比该值小。将实际流量口与理论流量吼的比值定义为流量系数芦，则有： g = q t ( 2 - 6 ) 式中：为经验常数，表征喷嘴的能量传输效率，取决于喷嘴的几何造型及其内部 流动状态等。可表示为： 口彳v 胪亩。石叫审吼4 b 彳 占= 一 4 v 矿2 一 v ， 式中彳射流的出口截面积，m m ； a 喷嘴的出口截面积，m m ； 占喷嘴截面收缩系数；( 表征流体经过孔口后的收缩程度) v 射流出口速度，m s ； m 射流出口理论流速，m s ； 妒喷嘴的速度系数。( 表征喷嘴孔口局部阻力及流速分布情况) 。 根据式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可得： d = 0 6 9 三 ：o 6 9 1 q _ 丁2 ( 2 - 7 ) 矿矿 式中d 喷嘴直径，珊5 g 射流体积流量，l r a i n ； 芦喷嘴流量系数； p 射流压力， v i p a 。 从前面的分析可以得出，如果不计泵出口至喷嘴入口的沿程阻力损失，则泵的确定 压力只就等于射流压力p 。如果假定管路沿程损失为锄，则 p = p i 一6 p 。 代入式( 2 - 7 ) 得： ； d = 0 6 9 1 兰二_ _ ( 2 8 ) z 2 ( 只一衄) _ 喷嘴流量系数，7 是经验常数。泵出口至喷嘴入口的沿程阻力损失舰与管路长度、 管径及管路沿程布置等有关。对高压及超高压水射流系统，沿程损失a n 般比泵压力n 小很多，即b 觇，可以忽略。 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 当射流流量及压力确定后，可由下列关系式计算出射流功率： p=1667pq(2-9) 式中p 射流功率，k w ； p 射流压力，m p a ； q 射流流量，l m i n 。 式( 2 9 ) 表明，喷嘴出1 3 的射流功率是压力和流量的函数。如果将式( 2 5 ) 代入 式( 2 9 ) 可得： 3 p = 3 5 1 d 2 口2 ( 2 1 0 ) 式中p 射流功率，k w ； p 射流压力，m p a ； d 喷嘴出口直径，1 1 1 1 1 1 。 从式( 2 1 0 ) 可以看出，喷嘴出口的射流功率就是产生射流的压力与喷嘴尺寸的函 数，式( 2 - 1 0 ) 还表明射流功率与喷嘴直径的平方、压力的3 2 次幂成正比变化，即射 流功率对喷嘴直径的变化要比对压力的变化敏感得多。 2 1 2 射流反冲力 在射流清洗应用中，射流反冲力是一个主基本参数。在喷嘴出口截面内外两点间应 用动量定理得： f a t = m y 2 一研e ( 2 - 1 1 ) 式中f 单位时间内作用在单位体积流体上的力，n ； f 力f 作用于单位体积流体上的时间，s ； m 单位题记流体质量，k g ； h 喷嘴出1 ：3 截面内流体平均流速，m s ； m 喷嘴出口截面外流体平均流速，n t i s 。 由作用力等与反作用力原理可知，上式中f 值即为射流反冲力值。 脚印v 2 由于( 署 2 ，并将式c z t ，代入上式，可得： f = 0 7 4 5 q p 式中f 射流反冲力，n ： p 射流压力，m p a ； q 射流流量，l m i n 。 经推导后可得： ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 9 管道高压水射流清洗方法的研究 从式( 2 - 1 3 ) 可以看出，射流反冲力与射流流量及射流压力的平方根成正比，也就 是说，射流反冲力对射流流量的变化要比对射流压力的变化敏感得多。 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 1 3 ) 可得出射流反冲力的另一种表达式： f = 1 5 6 d 2 p ( 2 - 1 4 ) 式中，射流反冲力，n ； p 射流压力，m p a ； d 喷嘴出口直径，l n l t l 。 2 1 3 射流打击力 射流作用于物体表面，其原有的速度和方向均发生改变，即其动量发生变化。而这 种动量的改变，是由于射流与物体间的相互作用引起的。假设射流作用于物体表面，反 射后速度大小不变，根据动量定理，可得到射流对物体表面的总打击力； f = p q o ( 1 一c o s p ) ( 2 - 1 5 ) 式中f 射流作用在物体上的打击力，n ； p 流体密度，k g m 3 ； 口射流体积流量，m 3 s ； p 射流流速，a f f s ； 口射流方向变化的角度，。；见图2 1 。 图2 - i 射流作用于物体表面后的不同反射方向 f i g 2 1d i f f e r e mr c n e c t sd i r e c t i o n 加w a 士e r j e ta c t i n go ns u r f a c eo f o b j c c l 从式( 2 1 5 ) 可以看出，当z 1 8 0 。时，即射魄完全反射时( 如图2 - l c 所示) ，总打 击力f 达到最大值，即f = 2 p q o ，经整理后可得到： f = 蒯2 p ( 2 - 1 6 ) 式中f 射流打击力，n ： 1 0 p彪彤爹 0l，ilz个毒 荡 p 矗，、 lllii，rtp。，t小扬 大庆石油学院硕士研究生学位论文 j 喷嘴直径，姗； p 射流压力，m p a 。 很显然，式( 2 - 1 6 ) 得出的只是射流作用于物体表面上的理论最大打击力，它仅反映 了打击力与射流基本参数间的定性关系。由于射流的扩散及空气阻力等因素的影响，射 流作用于物体上的实际打击力要远比最大理论打击力小。它不仅取决于射流基本参数， 同时也取决于喷嘴与物体表面间的距离即最佳靶距。 2 1 4 最佳靶距 研究射流打击力与射流基本参数及靶距问的变化关系，对于研究射流性能参数尤为 重要。通常把射流对物体表面的打击力最大时的靶距称为最佳靶距k 。了解最佳靶距 与射流基本参数间的关系，有利于确定射流作业的最佳工况。经过试验研究，射流打击 力、靶距与射流基本参数间的关系可由下列经验关系式n 盯表示： ，耐= 9 9 7 ( p 1 0 0 ) 一 格d ” ( 2 1 7 ) 最。= 1 2 0 ( p 1 0 0 ) 。”d 1 + ” ( 2 1 8 ) 式中 o 最佳靶距，m i l l ； f 傩最大射流打击力，n ； p 射流压力，m p a ； d 喷嘴出口直径，m m 。 其中f 嘣一般为( o 6 - o 8 5 ) f ，射流压力大、喷嘴直径小时，取较大值；反之，取 较小值。 在实际工作中喷嘴作清洗平移运动时，因受持续作用时间t 、能量散布要求等因素 制约，实际理想靶距比对应的理论值要小，可在理论理想靶距乙内侧附近，通过少量 的对比试验选定。为提高清洗平移速度时，可适当缩短清洗靶距。 式( 2 一1 8 ) 求出的是射流冲击物体时的总作用力，它还不能直接表征射流对物体的破 坏能力。真正起决定性作用的是射流做用于物体表面时单位面积上的作用力，即压强， 称之为打击压力( 轴向动压力) 。 连续射流冲击物体时总存在一作用范围，对垂直冲击而言，作用范围是一圆形区域。 在这一作用区域的中心处，打击压力为滞止压力，即射流的轴心动压。随着距中心 径向距离的增大，物体所受射流的作用压力逐渐减小，直至作用区域外的环境压力( 即 常压) 。在理想状态下，射流作用区域半径r 与射流半径，成正比。对于在非淹没连续水 射流基本段中动压的分布特性，英国学者归纳出下列经验公式1 1 7 ： p = 小2 ( 小2 弘 管道高压水射流清洗方法的研究 式中p 射流断面上任意一点的动压，m p a ； 射流断面轴心上的动压，m p a ； ，射流半径，l p a n ； 足射流作用区域半径，胁； 由于轴向动压是由轴向速度在靶件上滞止而产生的，因此各学者经过试验并计算出 射流轴心速度的分布曲线即叱= ，( x ，) ，见图2 - 2 。最后又总结出了更为实用的轴心动 压及截面动压分布两个经验计算公式“”： 盟：f 生丫倒 。) p ox 式中口试验常数，取0 2 7 ，适用于基本段； b 试验常数，取7 5 x 1 0 4 ，适用于基本段。 在射流起始段内，风等于风，即口+ 6 【毒j 2o o 在射流起始段混合区及基本段全部区域内，流动是相似的，任意截面上的轴向动压 分布表达式如下； 卫：p 一吲 ( 2 2 1 ) 风 删胂( 言) 扎， c z - z z ， 式中力指数，对于正态分布取4 ，其它分布函数取1 5 7 。 2 2 水射流清洗管道污垢的机理分析 水射流对污垢的冲洗过程颇为复杂，它涉及到水在污垢内渗透、裂纹的扩散、压缩 与剪切破碎、成坑和水楔作用等造成的大规模裂缝扩张，这一系列现象的持续时间仅为 几分之一微秒，清洗时高压水射流的动力学效应也就是在这段时间内完成的“叭剐。污垢 的成分和结构多种多样，因此它的硬度、密度、强度千差万别，对应不同的污垢，上述 过程也不尽相同。但概括起来有两种比“：一种是以水在污垢内的渗透为主的包括裂纹扩 散、压缩与剪切作用、成坑和水楔等过程的破碎方式，即水能渗入垢粒之间的孔隙，并 对垢粒施加压力，当此压力大于颗粒之间引力时，产生裂纹且裂纹一步一步的扩散，后 面的射流又直接起压缩、剪切和水楔作用，从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部剥落；另 一种是以压缩与剪切为主的包括裂纹的扩散、成坑和水楔等过程的破碎方式，即通过水 压力直接压缩和剪切引起破碎应力。当该应力按照一定的规律超过污垢的强度极限时。 污垢产生裂纹、裂缝，在后续水射流的水楔等作用下扩张成坑，最后达到污垢的全部破 裂并被冲洗干净 大庆石油学院硕士研究生学位论文 下面从理论上来分析管道内表面污垢被清洗掉的机理。先做如下假设： 1 、高压水射流为理想不可压缩流体； 2 、将水射流清洗管道内表面视为射流冲击平板，因为高压水射流在管道内表面的 作用面积相对管道来说很细； 3 、如图2 3 所示，在截面4 、4 和4 的流速均匀； 4 、流动是绝热、定常流动，且质量可忽略不计。 设高压水射流以速度v 射向平板污垢a b ，采用固结于平板a b 上的绝对坐标系，坐 标原点取在射流中心线与平板a b 的交点o 上，取图中的虚线所示为控制面( 如图2 3 所 示) 。 f i a - - 。i 】 f 。 - ，1 蕊滴糖 图2 - 2 射流速度分布曲线 ( 射流压力1 5 0 m p a ，喷嘴直径0 5 9 5 删) f i g 2 2d i s t r i b u t i n gg u r v eo f w a t e r j e ts p e e d ( j e tp r e s s u r e1 5 0 m p a ，n o z z l ed i a m e t e ro 5 9 5 ) 图2 3 水射流冲洗平板污垢示意图 f i g 2 - 3f o u l i n gc l e a n e db yw a t e r j e t 应用能量方程： ( 磊南譬+ j p 彻础= o ( z - 2 3 ) 显然，截面4 与4 的压力与大气压p 口相等，即p 2 = p 3 = p o 。 式中，u 为单位质量势能，南为控制面的外法向单位向量，矿为液体的平均流速， p 为液体的密度。 则有： k = 巧= k ( 2 - 2 4 ) 应用连续性方程： 一 竺望塑兰查壁塑翌兰塑垩堕! ! 墨一 - _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 。_ 。_ _ 。_ 。- 。1 。一 工尸( ) 谢= 一昙础( 2 - 2 5 ) 并考虑不可压缩流体的定常流动，则有： 4 = 4 + 4 ( 2 2 0 ) 由于不紧贴平板污垢那部分控制面上的压力均为大气压儿，而紧贴平板污垢的部分 上的压力是变化的，它可表示为： p = 见+ ( p 一以) ( 2 - 2 7 ) 于是作用在控制面上全部表面力的合力为： i i 跏= 一k 忡，枷 毫+ + 戋墨麓涮弘 e ， 2 一土 + + + ) 致以一k 阼l 儿+ 【p 一见川础 r 9 9 r 、 ， r ，-rf ，、，j 一k 心 忡 ) 弛谢一j 疗l p 一见j 础 = ，( p - p 口) 烈 若以壹表示控制面彳上全面表面力的合力，而句表示平板污垢上受到的全部外力 寺= 一匆= j l ( p 一见) 以( 2 - 2 9 ) f = 一乃= ，j ( p 一见) 以 由于不考虑质量力，因此作用在控制体f ( 所谓控制体是指流体流动空间中任一固 定不变的体积，流体可以自由地流经它。选取控制体来研究流体流动过程，就是将着眼 点放在某固定空间。从而可以了解流体流经空间每一点时的流体力学性质，进而掌握 整个流体的运动状况。这种研究方法是由欧拉提出的，称为欧拉法) 上的质量力为零。 膨f = o ( 2 _ 3 0 ) l 矽( 步磊p = l p k c o s 口k ( 一；) 棚+ i i ，s i n 口k 矧r + ：彬 r 知+ i i ，粥( 一 ) 嵋枷( 煳1 )+ j i ：彬 膨+ k 粥嵋枷( 2 3 1 ：一p v a c o s e + p v , ：a s i n o ；+ 棚4 一棚4 f r 。 ：一彬：( 4 4 4 c o s 刃；+ 朋2 as i n o ； f 鼍( ) 拓o ( 2 - 3 2 ) f 廊+ l p d 4 一l p ( 声磊灿= o = 昙) 咖( 2 - 3 3 ) 1 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 可得： f = p k 2 ( 4 4 4c o s s ) ；+ p k 2 4s i n 8 ， ( 2 3 4 ) 同时由于假定是理想流体，射流作用在平板污垢上的力只能与其垂直，因此有： 乃= i t i - p 巧2 4 s i n # ( 2 3 5 ) 由于水射流的直径很小，当射流冲击平板污垢时，实际污垢受力面积近似等于射流 断面面积4 ，因此污垢单位面积受力为： f 仃，= 二上= p k 2s i n 0 ( 2 3 6 ) 彳l 式中p 流体的密度，k g m 3 ； k 射流出口的速度，m s ； 口射流轴线与平板污垢的夹角，。 若高压水射流作用在污垢上的应力盯，大于污垢本身的耐压强度极限应力盯。，污垢 就会破裂，进而脱离物体表面，达到除垢的目的。因此，高压水射流清除污垢的基本机 理是：当高压水射流作用在污垢上的应力大于污垢本身的耐压强度极限应力时，。污垢即 开始破裂，在射流的继续作用下，污垢便脱离物体表面，从而完成除垢作业。 从式( 2 - 3 6 ) 可知，高压水射流作用在污垢上的应力盯，与流体的密度、射流出口的 速度、射流轴线与平板污垢的夹角有关。适当提高流速与夹角均能提高清洗能力。而又 由式( 2 - 4 ) 可知，射流出口的速度是与喷射压力的平方根成正比的，因此，适当增大喷 射压力可增强清洗效果。具体选择射流压力时，要根据被清洗附着层及其粘附强度、清 洗方式综合考虑。 2 3 本章小结 l 、本章首先阐述了高压水射流的特性，通过分析指出：射流功率与喷嘴直径的平 方、压力的3 2 次幂成正比变化，即喷嘴直径的变化对射流功率影响较大。由于射流 的扩散及空气阻力等因素的影响，射流实际打击力不仅取决于射流基本参数，同时也取 决最佳靶距。对比试验表明，为提高清洗平移速度，可适当缩短清洗靶距； 2 、水射流对污垢的冲洗过程可概括为：以水在污垢内的渗透为主的包括裂纹扩散、 压缩与剪切作用、成坑和水楔等过程和以压缩与剪切为主的包括裂纹的扩散、成坑和水 楔等过程两种破碎方式： 3 、连续射流冲击物体时总存在一作用范围，对垂直冲击而言，作用范围是一圆形 区域。在这一作用区域的中心处，随着距中心径向距离的增大，物体所受射流的作用压 力逐渐减小。适当提高流速与射流轴线夹角，适当增大喷射压力均能提高清洗效果。 管道射流清洗机器人系统的组成方案与总体设计 第3 章管道射流清洗机器人系统的组成方案与总体设计 3 1 管道射流清洗机器人系统的组成 管道射流清洗机器人系统主要由六部分组成，如图3 - 1 所示，各部分的组成及功能 如下： 一“5 5 m p a 11 0 k w 高压泵组卜 - 一 监控系统 卜 控 制 ；帆黔 一射流清洗机爨入本体卜一 柜 ；癸囊 i 及+ 毳鎏 手 - - t水射流执行机构 一 控 装 洗 - q 信号线、电缆线、商压软管卜一 置 t “h” t 。+ 。收，赦线机构。卜一 图3 - 1 管道高压水射流清洗系统组成示意图 f i g 3 1c o m p o n e n to f p i p e l i n ew a t e r j e tc l e a n i n gs y s t e m 在该系统中各部分参数的匹配和接口，亦即各部件可变参数要互相适应，要解决以 下问题：泵与喷嘴的匹配能产生所期望的工况，同时适应机器人的行进速度；机器人的 行进可以远控协调，并与高压软管、电缆线的收放相协调，避免高压软管、电缆线承受 较大的力；机器人动力要克服各种阻力，并根据管道内部情况调整行进速度，以达到最 高效的清洗效果。下面重点介绍在本设计中各组成部分的结构及相应的参数。 3 1 1 高压泵组 高压泵机组包括动力装置、高压水泵、气动调压阀、安全阀、配管与连接、前置泵 与过滤系统、控制柜等。其构成如图3 2 所示。 至喷臂 图3 - 2 泵机组的构成示意图 f i g 3 - 2s t r u c t u r eo f p u m pg r o u p s 1 、动力机组 动力源通常为柴油机或电动机。针对地下管道清洗，考虑到作业的移动性能，动力 大庆石油学院硕上研究生学位论文 源选用电动机或柴油机，其机组功率一般比泵的有效功率大( 1 0 - 2 0 ) 。 2 、高压水泵 ( 1 ) 高压水泵类型的确定 高压水泵是高压水射流清洗装置中关键的部件。高压水泵的类型很多，大致可分为 动力式泵( 又称离心泵) 和容积式泵两大类。因水射流的工作介质是水，水的粘度低、润 滑性能差，又在高压下工作，故对泵的密封性能要求较高。在柱塞泵中，柱塞是在防漏 的填料函内移动，不与泵筒内壁接触。柱塞泵只有一个固定的密封( 填料函) 便于维护， 其传动系统和输液系统