管道機(jī)器人取能模塊建模與幾何參數(shù)仿真分析

苗翰文, 張?jiān)雒?2, 孫 昊, 侯交義,, 弓永軍

(1.大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026;2.大連海事大學(xué) 救助與打撈工程遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116026;3.大連海事大學(xué) 海底工程技術(shù)與裝備國際聯(lián)合研究中心, 遼寧 大連 116026)

引言

管道機(jī)器人的研究早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始了,而由于自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,管道機(jī)器人的研究迅速投入生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用[1-2]。在管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)之初,多用于管道內(nèi)部的清潔。1962年,美國Knapp公司和Girard公司研制出了用于管道清洗的機(jī)器人——“管道豬”PIG[3-4]。但隨著科技的發(fā)展及實(shí)際工況的需求,管道機(jī)器人檢測和維護(hù)技術(shù)的研究就顯得迫在眉睫[5]。在滿足了檢測、建設(shè)、維護(hù)維修等方面對(duì)管道機(jī)器人需求的同時(shí),也推動(dòng)了管道機(jī)器人理論研究的快速發(fā)展[6]。

常見的管道機(jī)器人存在以下問題,拖纜式機(jī)器人受到線纜長度的影響,工作距離受到限制,而無纜式機(jī)器人由于沒有能量供給,工作時(shí)間和穩(wěn)定性不能得到保證。因此能源的長距離供應(yīng)是管道機(jī)器人開發(fā)應(yīng)首先解決的問題[7]。

楊宜民等[8]在國內(nèi)較早開展了對(duì)能源自給式管道機(jī)器人的研究。新型能源自給式管道機(jī)器人可分為三部分：發(fā)電部分、機(jī)器人本體部分和導(dǎo)向部分。發(fā)電部分是新型能源自給式管道機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn),采用葉輪發(fā)電原理,將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為蓄電池的電能,為控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)供電[9-10]。

ZHENG Hu等[11]研制出了一種新型自驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人,并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析,該管道機(jī)器人的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用了一種往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu),利用毛刷與管道內(nèi)壁的摩擦力帶動(dòng)機(jī)器人行走[12]。

目前的有纜供能方式不能滿足長距離作業(yè)的需求,而無纜供能方式受目前儲(chǔ)電技術(shù)的限制長距離作業(yè)也受限制。如何開發(fā)管道機(jī)器人的供能技術(shù)是未來研究的重難點(diǎn)。無纜自取能會(huì)是一個(gè)較好的解決方案[13-14]。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種取能模塊。為了探究取能模塊的形態(tài)以及葉輪幾何參數(shù)對(duì)取能效率的影響,本研究針對(duì)取能模塊進(jìn)行了建模,并通過CFD仿真對(duì)取能效率進(jìn)行分析。

1 葉輪傾角對(duì)扭矩影響的力學(xué)分析

假設(shè)管道內(nèi)部為理想流體,流速始終垂直于葉輪旋轉(zhuǎn)平面,軸向力在葉輪表面均勻分布,則當(dāng)流體以速度v沿內(nèi)徑為D的管道流動(dòng)時(shí),可得到單位時(shí)間內(nèi)流過的流體所具有的能量為[15]：

(1)

式中,z—— 流體具有的位勢(shì)能

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),葉輪在管內(nèi)的受力情況如圖1所示。其中,pa,pb為葉輪前后壓力;p1,p2為兩端水流靜壓;S為葉輪旋轉(zhuǎn)平面橫截面積,S= πD2/4;v1,v2為兩端水流流速。

圖1 葉輪工作時(shí)受力簡圖

再根據(jù)理想流體微元流束伯努利方程,可得：

(2)

假設(shè)葉輪前后遠(yuǎn)方的水流靜壓相等,即p1=p2;管道整體呈水平布置,z1=z2=za=zb,由式(1)、式(2)可得：

(3)

則葉輪上的軸向力：

(4)

設(shè)傳輸過程中能量傳遞效率為η,由式(4)以及能量方程,可得葉輪單位時(shí)間內(nèi)從水流中獲得的能量：

(5)

若葉輪以角速度ω勻速運(yùn)動(dòng),設(shè)葉輪的驅(qū)動(dòng)力矩為M,可知：

P0=Mω=F0R0ω

(6)

式中,R0=(R1+R2)/2,R1與R2分別為葉輪內(nèi)外環(huán)半徑;F0為葉輪切向力。若葉輪傾角為β,則可得到葉輪切向力：

(7)

可知,軸向力F相同時(shí),葉輪傾角β接近45°時(shí),sin(2β)越大,則切向力F0越大。

2 取能模塊的建模

管道機(jī)器人的取能模塊由葉輪、電機(jī)、導(dǎo)流板三部分組成。工作時(shí),管道內(nèi)部的流體沖擊葉輪使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),從而起到將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能的作用。

模擬管道流場的建模如圖2所示,管道長3 m,直徑38 cm,水從管道右側(cè)進(jìn)入,經(jīng)過取能模塊后從左側(cè)流出。其中的導(dǎo)流板長度400 mm,外徑152.4 mm,內(nèi)徑130 mm。導(dǎo)流板在整個(gè)系統(tǒng)中起到了聚集水流,增加水流沖力的作用。

圖2 管道整體建模圖

葉輪的建模如圖3所示,葉輪是整個(gè)取能模塊的核心部分,對(duì)葉輪的傾角進(jìn)行更改并仿真,探究葉輪的傾角對(duì)整個(gè)取能模塊的效率是否存在影響。根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果可知,當(dāng)葉輪傾角為45°時(shí),葉片所受的切向力最大,故針對(duì)此條件進(jìn)行葉輪的建模。

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)

本研究所選用的葉輪模型,葉輪厚度為5.08 mm,葉輪外徑127 mm,葉片厚度2 mm,扇葉數(shù)為5,扇葉傾角分別選用為40°,45°,50°,材料為鋁。

3 取能模塊的仿真分析

根據(jù)建模模型進(jìn)行仿真,管道內(nèi)部流體設(shè)定為水。其中入口邊界條件為恒定速度10 m/s,出口邊界條件設(shè)為恒定壓力1 MPa。取能模塊材料定義為硬鋁2A11,通過固定約束限制其在Z軸上的位移,使其只能在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí),通過流固耦合模塊使管道流體和取能模塊進(jìn)行耦合。

3.1 仿真結(jié)果

如圖4所示為葉輪的仿真結(jié)果。整理數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真結(jié)果分析Tab.1 Analysis of simulation results

圖4 葉輪仿真結(jié)果

根據(jù)表1可以看出,葉輪在傾角45°時(shí),管道內(nèi)流體流速達(dá)到最大值,為43.94 m/s,位置集中在葉輪葉片的前后,葉輪所受的最大應(yīng)力為413.10 MPa,位置為葉輪與水流正面接觸的表面;葉輪傾角為40°時(shí),流體的最大流速為26.37 m/s,葉輪所受的最大應(yīng)力為133.77 MPa;傾角為50°時(shí),流體的最大流速為31.91 m/s,葉輪所受的最大應(yīng)力為131.26 MPa。流體最大流速及葉輪最大應(yīng)力的位置無變化,但數(shù)值均小于葉輪45°的狀態(tài)。

根據(jù)分析結(jié)果可以看出,在流場中只有葉輪的情況下,管道內(nèi)流體最大流速為43.94 m/s,葉輪所受的最大應(yīng)力為413.10 MPa。而根據(jù)GB 150.2—2011可知,硬鋁2A11的許用應(yīng)力[σ]=370 MPa。可以看出流體流速較高,但葉輪承受壓力較大,已經(jīng)超出了材料的應(yīng)力極限。

3.2 葉輪效率提升

為了進(jìn)一步提升葉輪的效率,以葉輪40°為例,在葉輪外側(cè)加裝了導(dǎo)流板,如圖5所示。在裝有導(dǎo)流板的仿真中,流體的最大速度為27.50 m/s,整個(gè)模塊所受的最大應(yīng)力為187.36 MPa。除了葉輪正面之外,導(dǎo)流板進(jìn)水端也承受了較大的壓力。

圖5 葉輪(有導(dǎo)流)仿真結(jié)果

為了保證旋轉(zhuǎn)軸的密封,需在葉輪的進(jìn)水端增加一個(gè)端蓋。圖6為增加端蓋后的仿真結(jié)果,可看出,增加端蓋后,流體的最大流速為28.28 m/s,整個(gè)模塊所受的最大應(yīng)力為193.67 MPa。最大流速及壓力均有上升,壓力集中在導(dǎo)流板進(jìn)水端及端蓋處。

圖6 葉輪(導(dǎo)流、端蓋)仿真結(jié)果

3.3 扭矩分析

通過對(duì)葉輪與水的接觸面進(jìn)行面積分,將接觸面承受的壓力與面上各個(gè)單元距離旋轉(zhuǎn)中心的距離相乘,即可求得葉輪所承受的扭矩,如表2所示。

表2 葉輪在工作時(shí)所受扭矩Tab.2 Torque to which impeller is subjected during operation

由仿真結(jié)果可知,葉輪傾角為45°時(shí),計(jì)算得出的扭矩最大,為0.509 N·m。傾角為40°,50°時(shí),扭矩分別為0.452 N·m,0.442 N·m,均小于45°時(shí)的扭矩。扭矩計(jì)算結(jié)果與力學(xué)分析結(jié)果相符合。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)管道及取能模塊進(jìn)行建模并通過CFD仿真分析葉輪參數(shù)對(duì)取能效率的影響,通過仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1) 裝有導(dǎo)流板及端蓋的模塊,在取能效果上要優(yōu)于未裝導(dǎo)流板的模塊,同時(shí),葉輪傾角在45°時(shí),流場最大流速、模塊所受最大應(yīng)力以及葉輪所承受的扭矩均處于最大值,與力學(xué)分析推導(dǎo)出的結(jié)果相符合;

(2) 葉輪傾角對(duì)取能模塊的取能效率有著較大的影響,但由于材料本身的強(qiáng)度限制,葉輪傾角為45°時(shí)所承受的最大應(yīng)力大于其許用應(yīng)力,易導(dǎo)致葉輪葉片根部發(fā)生斷裂,后續(xù)可以通過改變?nèi)~輪材料或?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)來解決;

(3) 本研究只考慮理想狀態(tài)下的力學(xué)分析,但取能模塊實(shí)際工作時(shí),葉輪與流體之間會(huì)受到流體摩擦力的影響,故實(shí)際生產(chǎn)中,葉輪傾角需根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。