十字形万向节结构及测量节机械结构分析

1.皮碗的外形及功能

装置每节的前后两端都用皮碗支撑。皮碗一般由耐油橡胶或聚氨酯制成，形状像碗一样，如图2-5所示，其外径略大于管内径，可以紧紧地撑在管壁上，隔离前后两端的油，使其产生压差，从而推动检测装置前行。皮碗有一定的弹性，在弯头处会产生变形，使装置能顺利通过。

2.万向节的结构及功能

装置的各节之间采用万向节连接，其特点是前后两节之间可以绕任意方向转动。装置在管道中除了前行之外，还可沿轴向旋转，因节与节之间由电缆线连接，如果各节之间旋转的角度不同，电缆线会缠绕起来而被拉断。本装置中采用的十字形万向节结构如图2-6所示，其特点是前后两节可绕任意方向转动，而且两节在轴向上保持相同的旋转角度，防止了电缆线缠绕。

图2-5 皮碗的外形示意

图2-6 十字形万向节结构

3.测量节的机械结构

测量节中包括磁化回路和检测磁敏探头。磁化回路的结构如图2-7所示。

图2-7 磁化回路的结构

磁化回路的主体为一块圆柱筒形的衬铁，衬铁两端分别装有一周圆环形的永磁体（由若干块扇环形磁铁组成），永磁体采用钕铁硼（Nd-Fe-B）材料制成，是当前最新、各种参数最优的永磁材料。两组磁铁的磁场方向相反，磁铁外套有圆环形钢刷，钢刷两边用法兰固定。钢刷用锰钢合金丝制成，呈刷子状，使用时支撑在管道内，其外径比管道内径略大，有一定的弹性和变形量，可以与管壁充分接触，增加磁化效率。这样，由衬铁、两端的永磁体、钢刷及管道壁构成了一个封闭的磁回路，实现对管壁的磁化作用。

磁敏探头安装在两组磁铁之间，探头内的霍尔元件安装在末端紧贴管壁处，以便有效测量漏磁信号。探头壳体通过探头座固定在衬铁上，探头与座之间由活动轴连接，并通过弹簧将探头抵在管壁上，使探头既能随管壁的凸凹而活动，又能和管壁充分接触。为了使探头能够覆盖整个圆周，将探头分成两排，如图2-8所示，安装一排探头时，由于衬铁表面是弧形，探头之间有缝隙，而用两排探头错开安装，则可以覆盖整个圆周，防止漏测。

4.检测装置每节长度的选取

图2-8 探头安装示意

检测装置的长度直接影响装置是否能在管道内顺利通行，尤其是否能在弯头和三通分歧处顺利通过。装置与转弯半径的关系如图2-9所示。(www.xing528.com)

首先，检测装置每一节的长度不能太长，否则无法转过弯头。一般来说，起支撑作用的皮碗有很大的变形，约10%～15%；而测量节中钢刷的变形则相对小，约为5%。当检测器转弯时，依靠皮碗和钢刷的变形通过弯头，如图2-9a所示。装置经过弯头时，a、b、c、d四处会产生变形，装置越长，变形就越大，当变形超出皮碗和钢刷的可变范围时，检测装置就无法通过弯头。

图2-9 装置与转弯半径的关系

a）检测装置经过弯头 b）变形后的钢刷骨架尺寸

以ϕ377mm管道为例，假设弯头的转弯半径为3D，即管道轴心处的半径R为管道直径的3倍，则有

R=3D=3×377mm=1131mm（2-1）

以测量节为例进行计算，因皮碗的变形幅度范围远大于钢刷，所以不用考虑通过能力问题。计算时可考虑钢刷的幅度范围变化即可。如图2-9b所示，管道内径d=363mm，图示矩形为变形后的钢刷骨架的尺寸，如果变形为最大（5%），则钢刷两端之间的距离L最大，钢刷骨架在a、b、e点顶在管壁上，那么此时变形后的钢刷直径为

d′=363mm×95%=344.85mm （2-2）

弯头外弧半径为

则

取钢刷两端的距离为400mm，加上皮碗的厚度70mm，则该节的长度定为540mm。

同理，取皮碗的变形为10%，根据式（2-3）和式（2-4）可计算出其他两节（驱动节和测量节）的最大长度L′为613mm，实际设计中选取540mm。实际上，由于每节的中间部分都是空的，图2-9b中的e点不会顶在管壁上，理论估算的尺寸还有一些余量，使装置能更加顺利地通过弯头。

但是，检测装置每节的长度也不能过短。一般，装置的长度不能小于管道的内径。这是由管线中的三通分支点决定的。如图2-10所示，如果装置太短，经过三通分支点时，可能造成装置漏到或卡在侧面的管道中。另外，装置前后的皮碗不能密封两端的油，会造成油直接从三通处流过装置，不能形成压差而推动装置前进。

图2-10 装置通过三通示意