大型清管器橡膠皮碗厚度對其剛度特性的影響

張 行，李 慶，劉書海，張仕民

大型清管器橡膠皮碗厚度對其剛度特性的影響

張 行，李 慶，劉書海，張仕民

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

橡膠皮碗是直板清管器上的重要組件，起到建立清管器前后壓差、推出管道雜物等作用，其厚度直接影響橡膠皮碗的剛度特性。為了解大型清管器橡膠皮碗的特性，以管徑?1 016 mm、壁厚21 mm的X70管道為研究對象，建立用于清管器橡膠皮碗二維軸對稱有限元模型；計算分析橡膠皮碗在管徑?1 016 mm、厚度為8～25 mm時與管壁的接觸壓力、接觸應力、彎曲應力、軸向彎曲距離、彎曲角度和彎曲直徑的變化趨勢；擬合出了以橡膠皮碗厚度為參數的清管器橡膠皮碗等效剛度曲線。

清管器；橡膠皮碗；有限元；等效剛度

清管器、通徑儀、內檢測器等皮碗式管道機器人泛稱清管器［1］，主要由清管器本體與橡膠皮碗組成。2組橡膠皮碗分別固定在清管器前后端，主要起支撐清管器、刮削管壁、緊貼管道內壁，使清管器在管道前后壓差的作用下前進的作用。橡膠皮碗通常由聚氨酯橡膠材料制成，是清管器的重要組成部分。橡膠皮碗對于清管器的作用類似于汽車輪胎對于汽車的作用，清管器在管道中運行類似于汽車在道路上行駛；但不同于汽車道路的是，管道周向限制了清管器的自由度。清管器皮碗與管壁之間的耦合作用是引起清管器振動的主要原因［2］。橡膠皮碗的剛度特性直接影響了清管器的振動特性，而皮碗的厚度是影響橡膠皮碗剛度特性的重要因素。大型清管器在作業時由于其質量大，更易引起劇烈的振動［3-5］。為了研究與控制大型清管器在管道內運行的振動特性，提高大型清管器的使用壽命與結構的穩定性，增加大型清管器的可靠性，有必要研究皮碗厚度對大型清管器橡膠皮碗剛度特性的影響。

1 橡膠皮碗受力分析及有限元模型建立

1．1 受力分析

由于橡膠皮碗外徑相對管壁有一定的過盈量，因此橡膠皮碗在管道中運行時其周邊呈弧度彎曲，管壁對其側面有正壓力N以及摩擦力f，受力分析如圖1所示。

圖1　橡膠皮碗受力示意

由于本文主要研究橡膠皮碗的等效剛度，因此不考慮管壁對橡膠皮碗的摩擦力等影響因素。

1．2 有限元建模與計算

在ABAQUS中建立橡膠皮碗二維軸對稱模型［6-7］，如圖2所示。此模型由橡膠皮碗和管道組成。橡膠皮碗材料采用邵氏硬度為70的聚氨酯橡膠皮碗。管道材料采用X70鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0．3，管道規格為?1 016 mm×26．2 mm。其中，橡膠皮碗和管道單元形狀均為六面體，橡膠皮碗采用CAX4H單元，管道部分均采用CAX4單元［8］。按照實際工況設定邊界條件和載荷，計算結果如圖3所示。

圖2　二維軸對稱有限元模型

圖3　有限元計算　Mises應力云圖

2 不同皮碗厚度的計算結果

研究橡膠皮碗厚度變化與徑向等效剛度關系時，選擇其厚度變化范圍為8～25 mm，過盈量設定為30 mm。有限元計算主要得到了管道內壁對橡膠皮碗的正壓力N、接觸應力σ1、橡膠皮碗彎曲應力σ2、橡膠皮碗軸向彎曲距離L、彎曲角度θ、彎曲段彎曲直徑D等參數。每個測量數據在模型中的位置如圖4，其中B點對應接觸應力σ1，A點對應彎曲應力σ2。表1是厚度變化計算數據，圖5是所有厚度變化的模型計算結果。

圖4　測量數據對應仿真結果圖中位置

表1　厚度變化測量數據

圖5　改變橡膠皮碗厚度的計算結果

圖5中a～r為橡膠皮碗厚度為8～25 mm的模型計算結果，厚度逐次增加1 mm，可以看到橡膠皮碗變形以及應力變化情況。

3 各參數與厚度的關系

3．1 正壓力

在橡膠皮碗進入管道的過程中，管道使其彎曲變形。皮碗對管壁正壓力代表了橡膠皮碗彎曲變形所需要的力，單位形變產生的力反映其徑向剛度。圖6為正壓力N和厚度h之間關系，隨著厚度h從8 mm增加到25 mm，正壓力N增加了約1 200 N，而且正壓力增大的速度越來越快。厚度為8～20 mm時，正壓力增加速度較慢；厚度增加到20 mm之后，正壓力增加速度變快，通過擬合曲線看，即曲線斜率逐漸變大。在圖6中，徑向剛度即為單位厚度正壓力的改變量，也即是擬合曲線的斜率，因此徑向剛度隨著厚度增加而逐漸增大。從擬合曲線可以看出：管壁對橡膠皮碗的正壓力N和厚度h之間呈二次多項式關系。擬合參數中，R-S為0．999 76，表明擬合效果和實際效果基本等同。擬合參數表給出了具體參數，則正壓力N和厚度h之間的表達式為

對擬合公式進行一階求導，可得到橡膠皮碗徑向等效剛度k1和厚度h之間的關系為

圖6　正壓力N和厚度h關系曲線

3．2 接觸應力

圖7為接觸應力σ1和厚度h之間關系，隨著厚度h從8 mm增加到25 mm，橡膠皮碗和管壁之間的接觸應力σ1從0．15 MPa增加到0．27 MPa。厚度在8～18 mm時接觸應力增加較慢，厚度增加到18 mm之后接觸應力增加較快。根據擬合曲線可以看出：接觸應力σ1和厚度h之間呈現二次多項式關系。通過擬合參數表可以得到接觸應力σ1和厚度h之間的關系式為

由圖6～7可以看出：接觸應力和正壓力與皮碗厚度之間都存在二次多項式關系。接觸應力和正壓力之間為比例關系，比例因子為橡膠皮碗和管道內壁接觸面積的平方，因此接觸應力和正壓力在反映橡膠皮碗徑向剛度特性這一方面有相同之處。接觸應力越大，說明在橡膠皮碗和管道接觸位置上的單位面積的力越大，意味著橡膠皮碗越難彎曲，即橡膠皮碗徑向剛度越大。

圖7　接觸應力σ1和厚度h關系

3．3 彎曲應力

圖8為彎曲應力σ2和厚度h之間關系，可以看出：厚度h從8 mm增加到25 mm的過程中，彎曲應力基本保持恒定速度增加（從0．15 MPa增加到0．35 MPa）。通過擬合曲線可以看出：橡膠皮碗彎曲應力σ2和厚度h之間符合線性變化關系。根據擬合參數表，可以得到彎曲應力σ2和厚度h之間的表達式為

圖8　彎曲應力σ2和厚度h關系

由于實際工程應用中，橡膠皮碗模型為三維立體的，彎曲位置也不是一個簡單的矩形截面，因此無法計算其彎曲剛度。本文選擇彎曲應力σ2來表達彎曲剛度特性，即材料抵抗彎曲變形的能力。在式（4）中，彎曲應力σ2和厚度h之間為線性關系，則彎曲剛度和厚度之間也為線性關系，隨著厚度值的增加而線性增加。

3．4 軸向彎曲距離

圖9為軸向彎曲距離L和厚度h之間關系，可以看出：隨著厚度h從8 mm增加到25 mm，橡膠皮碗軸向彎曲距離L保持基本恒定速度增加了20 mm左右。從擬合曲線可以看出：軸向彎曲距離L和厚度h之間呈現線性關系。根據擬合參數表，可以得到兩者之間的表達式為

圖9　軸向彎曲距離L和厚度h關系

3．5 彎曲角度

圖10為彎曲角度θ和厚度h之間關系，可以看出：隨著厚度從8 mm增加到25 mm，橡膠皮碗彎曲角度從36．5°減少到32．0°，但是減少到一定程度后開始保持穩定，最終彎曲角度保持基本不變。厚度在8～13 mm時，彎曲角度減少較快，尤其是8～9 mm，彎曲角度銳減；厚度在13 mm之后，彎曲角度趨于平穩。從擬合曲線可以看出：彎曲角度θ和厚度h之間呈現冪次非線性關系。根據擬合參數表，可以得到兩者之間的關系式為

圖10　彎曲角度θ和厚度h關系

3．6 彎曲直徑

圖11為彎曲直徑D和厚度h之間關系，可以看出：隨著厚度h從8 mm增加到25 mm，橡膠皮碗彎曲直徑D增加了大約700 mm。ABAQUS有限元仿真數據存在一定波動性，這是因為針對不同的有限元模型，最適合的網格參數不同，導致仿真結果距離精確值的差距也不同。根據仿真數據形成散點圖，并以此為基礎進行曲線擬合。從擬合曲線可以看出：橡膠皮碗彎曲直徑D和厚度h之間呈現出線性關系，通過擬合參數表可以得到兩者之間的關系式為

圖11　彎曲直徑D和厚度h關系

4 結論

1)正壓力N和厚度h之間呈現二次多項式關系，即橡膠皮碗徑向剛度特性和厚度之間為二次多項式關系。

2)接觸應力σ1和正壓力N之間存在比例關系，它和厚度h之間同樣是二次多項式關系。

3)彎曲應力σ2和厚度h之間為線性關系。

4)軸向彎曲距離L和厚度h之間為線性關系。

5)彎曲角度θ和厚度h之間為冪次非線性關系。

6)彎曲直徑D和厚度h之間為線性關系。

［1］劉剛，陳雷，張國忠，等．管道清管器技術發展現狀［J］．油氣儲運，2011，30（9）：646-653．

［2］李大全，張鵬，艾慕陽，等．清管器測徑板與U型管道中彎頭撞擊分析［J］．西南石油大學學報（自然科學版），2012，34（5）：164-170．

［3］孟慶萍．輸氣管道清管器非穩態運動模型［J］．油氣儲運，2010，29（2）：90-92．

［4］曾鳴，宋尚娜，王文明，等．基于有限元法的大落差管段清管沖擊分析［J］．天然氣工業，2013，33（5）：100-103．

［5］王海蘭，辜利江，劉清友，等．井下封隔器膠筒橡膠材料力學性能試驗研究［J］．石油礦場機械，2006，35（3）：57-59．

［6］李亨濤，張仕民，趙麗爽，等．水下機械式三通密封性能分析［J］．石油礦場機械，2014，43（1）：11-13．

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［8］卜繼玲，黃友劍．軌道車輛橡膠皮碗彈性元件設計計算方法［M］．北京：中國鐵道出版社，2010．

Effect on Stiffness Characteristics of Large Bi-directional PIG’s Rubber Sealing Eisc by Its Thickness

ZHANG Hang，LI Qing，LIU Shuhai，ZHANG Shimin
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China ）

As an important component of Bi-directional PIG，rubber sealing disc can establish a pressure difference before and after the PIG，cleaning the debris in pipeline，and so on．Equivalent stiffness property is different if interference of sealing disc is different．To understand the stiffness characteristics of sealing disc during pigging，taking pipe X70 whose diameter is?1 016 mm and thickness is 21 mm as studying object．The main contents are as follows：Built a two-dimensional axisymmetric finite element model and calculate the model to get results of models whose thickness between 8 to 25 mm．The relationship between positive pressure，contacting stress，bending stress，bent axial distance relationship，bending angle，bending diameter and thickness were analyzed．The fitting formula was obtained，whose independent variables is thickness，so once you know the thickness can get access to each property value．

PIG；rubber sealing disc；finite element；equivalent stiffness

TE973．8

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．004

1001-3482（2015）04-0012-07

2014-09-29

教育部新世紀優秀人才支持計劃項目“智能天然氣管道機器人運動過程摩擦學行為及其控制技術研究”（NCET-13-1028）

張 行（1988-），男，湖北黃岡人，博士研究生，主要從事管道機器人運動規律及其動力學特性研究，E-mail：zhanghang25＠126．com。