基本信息
- 項目名稱：
- 攀爬式除垢機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品主要用于石油站場熱媒爐內螺旋導熱管壁的清掃工作。采用四輪接觸式吸附，能夠更好地適應導熱管尺寸的不一致性;合理的傳動結構使車體能順利通過螺旋管頂部不致脫落；自適應曲面結構使機器人穩(wěn)定有效地沿著螺旋管壁行走而不致跑偏，總體上很好地滿足了工業(yè)應用的需求。 機器人清掃效果好，工作效率高，無污染。系統(tǒng)設計可靠、操作方便、便于維護、成本低，適合實際生產需要，有廣闊的應用前景。
- 詳細介紹：
- 作品說明 :本作品已獲兩項國家科技發(fā)明專利 熱媒爐用清灰除垢機器人 ZL 2008 1 0154097.6 熱媒爐用機械式清灰裝置 ZL 2009 1 0067730.2 1.攀爬式除垢機器人提出背景 為解決高凝點、高含蠟石油原油運輸?shù)睦щy，熱媒爐被使用于原油輸送過程中。熱媒加熱爐系統(tǒng)是原油加熱系統(tǒng)整套裝置的主要組成部分。整個熱媒爐由燃燒設備、輻射段（亦稱爐膛）、過渡段、對流段（這兩部分亦稱煙道）和煙囪組成。一般熱媒爐的爐膛采用螺旋盤管式，螺旋管常用Ф154×7mm或Ф108×7mm無縫碳素鋼管彎曲焊接制成。爐體呈臥式圓筒體，內襯陶瓷纖維氈。螺旋爐管中間的圓柱形空間做爐膛（輻射室）為燃料提供燃燒室，螺旋爐管外壁與圓筒形外殼之間的環(huán)形空間為對流室。 由于熱煤爐使用的燃料中磷、硫，碘的含量很高，在燃燒過程中會在雙螺旋導熱管表面形成結焦，結焦層有時厚達3mm，空氣預熱器換熱箱板表面沉積的灰垢很多，而且比較硬，甚至造成煙氣通道堵塞。一般1 mm厚的灰垢可使煙氣排煙溫度升高40～50℃。所以灰垢越厚，排煙溫度越高，排煙熱損失就越大，相應的熱媒爐的熱效率就低。因此，努力減少灰垢，降低排煙溫度是增加熱媒爐熱效率的關鍵途徑。 對于燃油導熱油鍋爐盤管結垢的清除，，目前主要還是靠工人進入爐膛內部手工清垢和吹灰除塵完成熱媒爐的清掃。此種清灰方法簡單易行，是目前較為普遍且切實可行的清灰方案，但清灰效果有限，且定期清灰成為一項艱巨的工作。清灰過程中，爐膛內粉塵飛揚，工作條件非常惡劣，嚴重危害清灰除垢工人的身體健康。同時伴隨的吹灰也會使粉塵騰出爐外四處飛揚，也給站場造成環(huán)境污染。 我們結合實際站場工作的需求，并系統(tǒng)學習了機器人技術的相關知識，參考了大量的文獻資料，在此基礎上提出利用全自動攀爬式除垢機器人完成熱媒爐內的清掃任務。 2.攀爬式除垢機器人的設計 2.1車體設計 行走于管壁清灰除垢機器人的車體設計應具有良好的移動載體，良好的吸附和移動功能滿足車體沿管壁運動行走。車體各部分結構設計需簡單可靠，且具有良好的制造加工工藝性，便于制造與生產。 車體結構方案的確定 2.1.1吸附方式 目前機器人常見的吸附方式主要有真空吸附、磁吸附和推力吸附三種。機器人常見的吸附方式有真空吸附、磁吸附和推力吸附三種。真空吸附具有吸力強冗長性好，但當接觸壁面不夠光滑或是有裂紋會產生泄漏使吸附不可靠。永磁吸附不需要外加能量，安全性好，但磁體與壁面分離需要較大的驅動力；電磁吸附易實現(xiàn)磁體與壁面之間的離合，易實現(xiàn)快速移動但為此吸附力需要電能且電磁體本身的重量較大。推力吸附不存在泄漏問題并對壁面形狀和材料適應能力強，但推力裝置產生的噪聲大、體積大、效率低。對比這些吸附方式的特點和適用環(huán)境，為利于實現(xiàn)機器人的小型化和輕量化，本文設計的機器人采用多永磁結構接觸式吸附。同時根據(jù)永磁體的特性優(yōu)化結構及尺寸參數(shù)，使永磁體盡可能具有較大的吸附能力。 2.1.2 移動方式 根據(jù)機器人移動機構的特點，爬壁機器人通常采用的移動方式有車輪式和履帶式。車輪式機器人能跨越較高障礙物，常用的方法是采用被動式的懸吊機構或多節(jié)式的車體以增加機器人的自由度，能使機器人在行進過程中根據(jù)地形的變化調整姿態(tài)，但與接觸面的摩擦力較小容易產生打滑等現(xiàn)象。履帶式機器人的特點是越障性能好，能夠越過階梯、壕溝等障礙，與接觸面的摩擦力較大，但其能量消耗大且由于履帶發(fā)生滑動時不容易檢測，因此自身定位難且體積重量都較大。針對本研究對象是在熱媒爐內的螺旋管外壁，選用車輪式的移動方式，同時將具有強吸附能力的環(huán)形永磁輪作為車體的移動機構。 2.1.3動力和驅動方式 常見的驅動方式可分為氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動和機械傳動這四種，目前驅動大部分采用電動和氣動這兩種方式。采用電驅動方式可以利用其良好的控制特性，完成機器人的位置和動力的控制。機器人在螺旋管壁上的行走，只要控制機器人沿直線行走就能保證機器人能夠完成整個爐膛內部的清洗。因此，選用具有高控制特性的低壓直流無刷電機作為車體行走的動力。電機由特定的驅動器控制，通過調節(jié)和控制驅動器即可控制電機輸出軸的轉速和方向。 2.2車體結構 四輪永磁吸附式機器人本體由吸附兼行走機構、減速機構、導向機構、驅動及傳動機構組成。電機輸出軸經聯(lián)軸器連接磁輪一級減速后由蝸桿蝸輪減速后驅動具有強磁吸附的磁輪軸，帶動磁輪結構旋轉運動。磁輪與管壁吸附后依靠其產生的摩擦力克服它們之間的相對滑動，使機器人行走于管壁之上。同時為了增加磁輪與管壁間的摩擦力，使用鏈條鏈輪將前后兩磁輪軸連接并同步轉動，作為前后同驅的輪式機器人機構。為了防止機器人不能保持良好的直線行走，在本體的前后兩段安裝導向機構，此導向機構正好能卡在兩螺旋管中間凹陷位置，保證機器人可靠行使。 2.3傳動系統(tǒng) 熱媒爐清灰機器人的行走運動是一套基于對電機輸出軸轉速調節(jié)結構合理布置的輪式轉動機構。齒輪減速與蝸輪蝸桿減速的配合能夠在較小的尺寸結構范圍內達到較高的速度比調節(jié)并能達到平穩(wěn)的傳動，適合于高速運動的機構。在前后軸采用鏈傳動，其傳動的特點有：無彈性滑動和打滑等現(xiàn)象，能保持準確的均勻傳動比，傳動效率較高；鏈條不需要很大的張緊力，對軸壓力較??；傳遞功率大，過載能力強；能在低速重載下較好工作；能適應惡劣環(huán)境如多塵、油污、腐蝕和高強度場合。 2.4驅動系統(tǒng) 電機選用深圳市鼎托達機電有限公司的直流無刷電機，型號為：DBLS—01?；緟?shù)為：額定電壓24VDC；額定轉速2500r/min；額定電流4.5A；額定力矩0.4N?m；重量0.55Kg。同時選用配套的直流無刷調速驅動器控制電機的運轉。該驅動器為閉環(huán)熟讀控制器，采用IGBT和MOS功率器，利用直流無刷電機的荷爾信號倍頻后進行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設有PID速度調速調解器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠。 2.5自適應曲面結構 為解決磁吸輪吸附的兩管壁不在同一圓柱面上（即管壁排列不整齊），使磁輪與管壁不能完全有效地接觸，設計了一種能自適應曲面行走吸附的機構，能解決上述情況所帶來的弊端。具體實現(xiàn)為將支撐后軸的軸承座用彈性裝置與機器人的底板連接，使軸承座具有一定的彈性變形量，并且兩軸承座的彈性互相獨立，變形互不干擾。采用自適應曲面機構可實現(xiàn)磁吸附機構的四輪能夠同時吸附在不規(guī)則的螺旋管壁之上，使機器人任何時刻都具有最大的吸附能力。 2.6除塵刷設計 清灰刷具體結構如圖所示，在同一個軸上安裝兩清灰刷用于除塵。清灰刷在機器人本體兩邊，機器人行走時同時驅動清灰刷結構沿機器人磁吸輪旋轉方向旋轉，旋轉角速度高于磁吸輪，將清灰刷與管壁間的相互摩擦力作為機器人行走動力的一部分。清灰刷的動力由機器人前軸通過鏈輪鏈條傳動，同時通過差速結構增加清灰刷機構的轉速。清灰刷刷毛外形圓周輪廓整好與熱媒爐內管壁外表面相結合，通過刷子軸的快速旋轉，刷毛與管壁間產生的摩擦清除管壁上的積灰。 2.7 供電部分設計 供電部分指的是對機器人行走運動的動力源部分。由于熱媒爐結構及尺寸的影響，機器人行走采用外電源供電，會拖拽近10m的電纜，同時機器人在爐內的行走會使電纜不停地扭曲。如果直接將電纜連接在機器人本體上，長期使用勢必會影響電纜的使用壽命，甚至產生安全隱患?；诖艘蛩?，在靠近機器人地方的電纜線上安裝萬向旋轉接頭。電源的正負極通過圓環(huán)的接觸面?zhèn)鬟f電流，萬向接頭可有效的消除由于機器人的運動行走給電纜帶來的扭曲現(xiàn)象。 2.8控制部分的執(zhí)行原理 整個控制系統(tǒng)以ATMEL公司推出的mega8單片機和超聲測距模塊為控制核心對機器人進行控制以及定位檢測，將整個控制系統(tǒng)安裝于機器人本體上。系統(tǒng)工作時超聲發(fā)射裝置發(fā)射超聲波。超聲波遇熱媒爐爐膛端面后將超聲波反射，超聲波接受裝置接受到反射的超聲波信號并經放大濾波后進入電壓比較器中，將此信號與電頻轉換裝置輸出的信號經電壓比較器后返回CPU中，CPU計算出超聲波發(fā)射到接收的時間。通過從發(fā)射到接受的時間差即可計算出機器人距熱媒爐端面的距離，實現(xiàn)機器人在爐膛內位置的定位，如此周而復始實時檢測機器人在熱媒爐內所處的位置。當檢查出此時間差小于某預先設置的閾值時，CPU通過改變輸出口的電壓控制機器人電機的旋轉狀態(tài)即可實現(xiàn)對整個機器人的控制。 3.總結 機器人主要由攀爬裝置、除垢裝置和自動控制系統(tǒng)三部分組成。攀爬裝置采用接觸式吸附，能夠更好地適應導熱管尺寸的不一致性；合理地傳動系統(tǒng)巧妙地找到了磁性吸附力驅動力和重力的平衡點，使車體能順利地通過螺旋管頂部不致脫落；自適應曲面結構使機器人能夠有效地沿著螺旋管壁穩(wěn)定地行走而不致跑偏。 系統(tǒng)設計可靠、輕便、便于維護，結構設計合理可行，投資小、操作方便，非常適合實際生產的需要。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 為解決高凝點、高含鈉原油輸送的困難，熱媒爐被普遍應用于原油輸送過程。熱煤爐使用原油作為燃料，燃燒過程中由于不完全燃燒造成的爐膛內積塵、結焦，使加熱爐內導熱管外表面形成一層塵垢，厚達1～3mm，嚴重影響加熱過程的換熱效率。目前主要靠人工進入爐膛內部手工清灰，不僅效率低，而且惡劣的環(huán)境嚴重威脅工人的身體健康。作品結合實際站場工作的需求，提出全自動攀爬式機器人完成熱媒爐內清掃任務的設想。 機器人主要由攀爬裝置、除垢裝置和自動控制系統(tǒng)三部分組成。該裝置的創(chuàng)新點有：①攀爬裝置采用接觸式吸附，能夠更好地適應導熱管尺寸的不一致性;②合理的傳動結構使車體能順利通過螺旋管頂部不致脫落；③自適應曲面結構使機器人穩(wěn)定有效地沿著螺旋管壁行走而不致跑偏。經輸油站場現(xiàn)場使用，機器人各方面性能滿足工業(yè)應用的需要。
科學性、先進性
- 攀爬式除垢機器人采用四輪吸附兼具驅動的形式，與現(xiàn)有其他形式如吸盤、吊籃、輪式負壓的機器人相比，此設計立意新穎、功能實用，能夠適應惡劣環(huán)境如多塵、油污、腐蝕、高危險和高強度場合，代替人工完成除垢作業(yè)，極大地提高工作效率，同時也減少了除垢工作對工人的身體損害，避免了清灰過程中造成的環(huán)境污染。 攀爬式機器人通過一套嵌入式控制系統(tǒng)實現(xiàn)除垢過程中的全自動運行。系統(tǒng)設計可靠、輕便、便于維護，結構設計合理可行，投資小、操作方便，非常適合實際生產的需要。攀爬式除垢機器人主要為原油輸送站場的熱煤爐爐膛清灰除垢設計，在熱媒爐螺旋導熱管壁上爬行并同時清除管壁上的灰垢，提高熱煤爐的熱交換效率。也可用于平面、立面、球面和其他結構表面的清掃等任務，有良好的社會、經濟效益和推廣應用前景。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 交付用戶前
技術轉讓方式
- 專利實施許可
作品可展示的形式
- 實物、產品；現(xiàn)場展示；照片、視頻
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 攀爬式除垢機器人采用四輪吸附兼具驅動的永磁輪式結構，并自帶自適應曲面機構可實現(xiàn)在不規(guī)則分布螺旋管壁上的正常運行。機器人可以有效的清除熱煤爐爐膛中的灰垢，保證熱煤爐高效、穩(wěn)定地運行。此外機器人還能夠適應多種惡劣環(huán)境如多塵、油污、腐蝕、高危險和高強度場合來代替人工完成一些艱難性的清掃工作。 國內原油輸油加熱場站的熱煤爐都存在結焦的問題，攀爬式除垢機器人可以極大的提高熱煤爐清灰工作的效率，減輕工人的勞動強度，減少清灰工作對環(huán)境造成的影響，為社會生產帶來極大的社會和經濟效益。
同類課題研究水平概述
- 工業(yè)機器人已經在眾多領域中投入使用，如汽車，冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機器人領域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務機器人已經出現(xiàn)。許多可以替代工人完成危險性作業(yè)的攀爬式機器人已逐漸走入人們的視線。某課題小組曾以國家大劇院橢球殼體清理為應用背景，設計出一種自主攀爬式機器人，可以替代工人完成對頂棚進行清理的高空危險性作業(yè)。其應用場地為曲率半徑相對較大（100—200米）的曲面。也有研究者同樣曾以船舶鋼甲板上作業(yè)為應用背景，設計出一款蠕動攀爬式機器人，用于檢修保養(yǎng)大型船舶船體。該機器人仍只能吸附于豎直、倒置的甲板平面，無法在曲面上吸附運動。臺灣某大學以清理煙囪、瓦斯槽等危險場所作業(yè)為應用背景設計的磁鐵履帶式攀爬式機器人，受自身設計限制，只能于平面上攀爬行走，當表面擁有一定曲率時，由于部分履帶“架空”，車體無法牢靠的吸附在工作表面。諸如此類，經過多年的研究，國內外已經在攀爬式作業(yè)機器人領域取得了不少成就，針對各種不同的應用背景，設計并實現(xiàn)了具有實用價值的各種類型的機器人，以替代工人完成高危險性、高危害性作業(yè)。然而，熱煤爐中螺旋導熱管曲率半徑相對較?。ǎ?米）、導熱管半徑較?。?00毫米）、作業(yè)面狹小、接觸面表面積灰結垢等使機器人的應用受到限制，大多技術水平相對成熟的攀爬式機器人無法勝任這種工作場所的攀爬作業(yè)。 針對原油管道輸油站場熱煤爐清灰除垢的實際需求，作品提出全自動攀爬式機器人完成熱媒爐內清掃任務的設想，采用四輪吸附兼具驅動的永磁輪式攀爬結構，在熱媒爐螺旋導熱管壁上爬行并同時清除管壁上的灰垢，可以極大的提高熱煤爐清灰工作的效率，減輕工人的勞動強度。也可用于平面、球面和面、立其他結構表面的清掃等任務，具有廣闊的推廣應用前景。
