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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(nèi)螺旋導(dǎo)熱管壁的清掃工作。采用四輪接觸式吸附，能夠更好地適應(yīng)導(dǎo)熱管尺寸的不一致性;合理的傳動結(jié)構(gòu)使車體能順利通過螺旋管頂部不致脫落；自適應(yīng)曲面結(jié)構(gòu)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(yīng)用的需求。 機器人清掃效果好，工作效率高，無污染。系統(tǒng)設(shè)計可靠、操作方便、便于維護(hù)、成本低，適合實際生產(chǎn)需要，有廣闊的應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)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(shè)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(nèi)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(dǎo)熱管表面形成結(jié)焦，結(jié)焦層有時厚達(dá)3mm，空氣預(yù)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(yīng)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(guān)鍵途徑。 對于燃油導(dǎo)熱油鍋爐盤管結(jié)垢的清除，，目前主要還是靠工人進(jìn)入爐膛內(nèi)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(nèi)粉塵飛揚，工作條件非常惡劣，嚴(yán)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(jié)合實際站場工作的需求，并系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機器人技術(shù)的相關(guān)知識，參考了大量的文獻(xiàn)資料，在此基礎(chǔ)上提出利用全自動攀爬式除垢機器人完成熱媒爐內(nèi)的清掃任務(wù)。 2.攀爬式除垢機器人的設(shè)計 2.1車體設(shè)計 行走于管壁清灰除垢機器人的車體設(shè)計應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)。 車體結(jié)構(gòu)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(dāng)接觸壁面不夠光滑或是有裂紋會產(chǎn)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(qū)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(yīng)能力強，但推力裝置產(chǎn)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(shè)計的機器人采用多永磁結(jié)構(gòu)接觸式吸附。同時根據(jù)永磁體的特性優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jìn)過程中根據(jù)地形的變化調(diào)整姿態(tài)，但與接觸面的摩擦力較小容易產(chǎn)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(nèi)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(gòu)。 2.1.3動力和驅(qū)動方式 常見的驅(qū)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(qū)動大部分采用電動和氣動這兩種方式。采用電驅(qū)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(nèi)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(qū)動器控制，通過調(diào)節(jié)和控制驅(qū)動器即可控制電機輸出軸的轉(zhuǎn)速和方向。 2.2車體結(jié)構(gòu) 四輪永磁吸附式機器人本體由吸附兼行走機構(gòu)、減速機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、驅(qū)動及傳動機構(gòu)組成。電機輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器連接磁輪一級減速后由蝸桿蝸輪減速后驅(qū)動具有強磁吸附的磁輪軸，帶動磁輪結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動。磁輪與管壁吸附后依靠其產(chǎn)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(zhuǎn)動，作為前后同驅(qū)的輪式機器人機構(gòu)。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(dǎo)向機構(gòu)，此導(dǎo)向機構(gòu)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)合理布置的輪式轉(zhuǎn)動機構(gòu)。齒輪減速與蝸輪蝸桿減速的配合能夠在較小的尺寸結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)達(dá)到較高的速度比調(diào)節(jié)并能達(dá)到平穩(wěn)的傳動，適合于高速運動的機構(gòu)。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(zhǔn)確的均勻傳動比，傳動效率較高；鏈條不需要很大的張緊力，對軸壓力較小；傳遞功率大，過載能力強；能在低速重載下較好工作；能適應(yīng)惡劣環(huán)境如多塵、油污、腐蝕和高強度場合。 2.4驅(qū)動系統(tǒng) 電機選用深圳市鼎托達(dá)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(zhuǎn)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(diào)速驅(qū)動器控制電機的運轉(zhuǎn)。該驅(qū)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(jìn)行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設(shè)有PID速度調(diào)速調(diào)解器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠。 2.5自適應(yīng)曲面結(jié)構(gòu) 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(shè)計了一種能自適應(yīng)曲面行走吸附的機構(gòu)，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(yīng)曲面機構(gòu)可實現(xiàn)磁吸附機構(gòu)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(shè)計 清灰刷具體結(jié)構(gòu)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(qū)動清灰刷結(jié)構(gòu)沿機器人磁吸輪旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)增加清灰刷機構(gòu)的轉(zhuǎn)速。清灰刷刷毛外形圓周輪廓整好與熱媒爐內(nèi)管壁外表面相結(jié)合，通過刷子軸的快速旋轉(zhuǎn)，刷毛與管壁間產(chǎn)生的摩擦清除管壁上的積灰。 2.7 供電部分設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)生安全隱患?；诖艘蛩兀诳拷鼨C器人地方的電纜線上安裝萬向旋轉(zhuǎn)接頭。電源的正負(fù)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(jìn)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(jīng)放大濾波后進(jìn)入電壓比較器中，將此信號與電頻轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號經(jīng)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(nèi)位置的定位，如此周而復(fù)始實時檢測機器人在熱媒爐內(nèi)所處的位置。當(dāng)檢查出此時間差小于某預(yù)先設(shè)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(zhuǎn)狀態(tài)即可實現(xiàn)對整個機器人的控制。 3.總結(jié) 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(yīng)導(dǎo)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(qū)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(yīng)曲面結(jié)構(gòu)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(shè)計可靠、輕便、便于維護(hù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行，投資小、操作方便，非常適合實際生產(chǎn)的需要。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 為解決高凝點、高含鈉原油輸送的困難，熱媒爐被普遍應(yīng)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(nèi)積塵、結(jié)焦，使加熱爐內(nèi)導(dǎo)熱管外表面形成一層塵垢，厚達(dá)1～3mm，嚴(yán)重影響加熱過程的換熱效率。目前主要靠人工進(jìn)入爐膛內(nèi)部手工清灰，不僅效率低，而且惡劣的環(huán)境嚴(yán)重威脅工人的身體健康。作品結(jié)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(nèi)清掃任務(wù)的設(shè)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(yīng)導(dǎo)熱管尺寸的不一致性;②合理的傳動結(jié)構(gòu)使車體能順利通過螺旋管頂部不致脫落；③自適應(yīng)曲面結(jié)構(gòu)使機器人穩(wěn)定有效地沿著螺旋管壁行走而不致跑偏。經(jīng)輸油站場現(xiàn)場使用，機器人各方面性能滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 攀爬式除垢機器人采用四輪吸附兼具驅(qū)動的形式，與現(xiàn)有其他形式如吸盤、吊籃、輪式負(fù)壓的機器人相比，此設(shè)計立意新穎、功能實用，能夠適應(yīng)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(shè)計可靠、輕便、便于維護(hù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行，投資小、操作方便，非常適合實際生產(chǎn)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(shè)計，在熱媒爐螺旋導(dǎo)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(jié)構(gòu)表面的清掃等任務(wù)，有良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 交付用戶前
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利實施許可
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場展示；照片、視頻
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 攀爬式除垢機器人采用四輪吸附兼具驅(qū)動的永磁輪式結(jié)構(gòu)，并自帶自適應(yīng)曲面機構(gòu)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(yīng)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(nèi)原油輸油加熱場站的熱煤爐都存在結(jié)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(chǎn)帶來極大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 工業(yè)機器人已經(jīng)在眾多領(lǐng)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(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機器人已經(jīng)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(yīng)用背景，設(shè)計出一種自主攀爬式機器人，可以替代工人完成對頂棚進(jìn)行清理的高空危險性作業(yè)。其應(yīng)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(yīng)用背景，設(shè)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(xué)以清理煙囪、瓦斯槽等危險場所作業(yè)為應(yīng)用背景設(shè)計的磁鐵履帶式攀爬式機器人，受自身設(shè)計限制，只能于平面上攀爬行走，當(dāng)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(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外已經(jīng)在攀爬式作業(yè)機器人領(lǐng)域取得了不少成就，針對各種不同的應(yīng)用背景，設(shè)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(dǎo)熱管曲率半徑相對較?。ǎ?米）、導(dǎo)熱管半徑較小（100毫米）、作業(yè)面狹小、接觸面表面積灰結(jié)垢等使機器人的應(yīng)用受到限制，大多技術(shù)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(nèi)清掃任務(wù)的設(shè)想，采用四輪吸附兼具驅(qū)動的永磁輪式攀爬結(jié)構(gòu)，在熱媒爐螺旋導(dǎo)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(jié)構(gòu)表面的清掃等任務(wù)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
