面向罐車罐體內(nèi)壁清潔的電磁吸附爬壁清洗小車設(shè)計(jì)

郭自海* 陳 鍵 朱海清

（1.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 2.江南大學(xué)）

0 引言

汽車罐車是一種重要的特種運(yùn)輸車輛，在各種化工氣液體貨物運(yùn)輸領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于特殊的工作性質(zhì)與環(huán)境，罐車每年都需進(jìn)行全面檢驗(yàn)以保障運(yùn)輸安全[1]。在年度檢驗(yàn)前需對(duì)汽車罐車罐體內(nèi)部進(jìn)行清洗，其目的一是為了將罐體內(nèi)部殘留的固液體清除，降低罐體內(nèi)部固液體揮發(fā)產(chǎn)生的毒性，保障工人進(jìn)入罐體內(nèi)部作業(yè)時(shí)的安全；二是為了清除附著在罐體內(nèi)壁的鐵銹、殘留固體等影響后期罐體厚度測(cè)量的殘留物，保證罐體檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如果按每輛罐車每年清洗1.5次來計(jì)算，鑒于汽車罐車在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛，清洗工作量非常巨大，人工清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力[2]。

隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，將罐車內(nèi)部清洗的過程變得更加自動(dòng)化與智能化逐漸成為可能[3-4]。將移動(dòng)機(jī)器人與罐體內(nèi)壁清潔技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)化清潔技術(shù)已逐漸成為未來罐體內(nèi)部清潔的發(fā)展趨勢(shì)。將爬壁機(jī)器人作為高壓噴淋裝置的載體，帶動(dòng)噴淋裝置在罐體內(nèi)壁自由移動(dòng)，使其完成罐壁的全面清洗工作[5-6]。

1 小車的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 爬壁小車整體尺寸

由于承壓類汽車罐車罐體內(nèi)壁清潔難度較常壓類罐車更高，因此本文針對(duì)市面上存在的承壓類汽車罐車來設(shè)計(jì)清洗小車[7]。對(duì)某款汽車罐車罐體及其內(nèi)部構(gòu)造利用Solidworks進(jìn)行三維建模，如圖1所示。

圖1 罐車罐體三維模型圖

圖1中罐體的總體尺寸為 2 300 mm×15 000 mm，罐體內(nèi)部設(shè)置了六塊防浪板，用于減小內(nèi)部液體晃動(dòng)時(shí)帶來的沖擊，提高罐車行駛時(shí)的穩(wěn)定性。這款罐車罐體內(nèi)部的六塊防浪板間距為0.33 m，相鄰防浪板間的容積為15.48 m3，罐體的橫截面面積為4.15 m2，每塊防浪板面積為2.5 m2，防浪板上邊緣到罐體頂部的距離約為500 mm。為了使爬壁小車能夠從防浪板上邊緣穿過到達(dá)另一段罐體，爬壁清洗小車的高度應(yīng)小于500 mm。最后，罐體供人員出入的圓孔開口尺寸一般為DN 400 mm，所以爬壁清洗小車要想由該孔進(jìn)入需保證其總長(zhǎng)度與總高度都小于400 mm。由此可以確定爬壁小車的總體尺寸，具體如表1所示。

表1 清洗小車主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 清洗小車的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的汽車罐車清洗小車共包括七大部分，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 清洗小車軸測(cè)圖

（1） 承載車體

車體是容納與安裝其余六個(gè)部分的平臺(tái)。除圖2中所示的幾大機(jī)構(gòu)模塊外，車體上還安裝了防水罩。車身外殼還裝配有照明系統(tǒng)，用于清洗小車視頻拍攝的照明。

（2） 輪系驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

輪系驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來產(chǎn)生和傳遞力矩，是小車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源。清洗小車采用四輪驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向的行走方式。車輪輪軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器可測(cè)量爬壁小車的行駛速度。

（3）壁面磁力吸附機(jī)構(gòu)

壁面磁力吸附機(jī)構(gòu)主要由電磁鐵組成。安裝于底盤上的一圈電磁鐵在通電的情況下可提供足夠的吸附力，以克服在清洗及運(yùn)動(dòng)過程中使清洗小車脫離罐體壁面的作用力。

（4）壁面轉(zhuǎn)換牽引機(jī)構(gòu)

壁面轉(zhuǎn)換牽引機(jī)構(gòu)是小車在不同的工作面間完成壁面轉(zhuǎn)換的牽引機(jī)構(gòu)。

（5）清潔噴刷機(jī)構(gòu)

清潔噴刷機(jī)構(gòu)是爬壁清洗小車執(zhí)行清洗任務(wù)的機(jī)構(gòu)。

（6）視頻拍攝與傳輸模塊

視頻拍攝與傳輸模塊可監(jiān)控爬壁小車在罐體內(nèi)部的工作情況并將內(nèi)部畫面實(shí)時(shí)傳輸至罐車外部的上位機(jī)上。

（7）電力供應(yīng)與運(yùn)動(dòng)控制模塊

電力供應(yīng)與運(yùn)動(dòng)控制模塊為各種小車電力驅(qū)動(dòng)元器件進(jìn)行電力供應(yīng)。另外小車的控制單元也安裝在此模塊中，使用單片機(jī)作為下位機(jī)接收上位機(jī)指令，控制各機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與工作。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 清潔噴刷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清潔噴刷機(jī)構(gòu)是汽車罐車內(nèi)部清洗工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是整個(gè)爬壁清洗小車的核心部分之一。清潔噴刷機(jī)構(gòu)既要有高壓清洗的功能又要能夠刮刷壁面。圖3為新設(shè)計(jì)的噴刷機(jī)構(gòu)。

圖3 噴刷機(jī)構(gòu)爆炸視圖

清潔噴刷機(jī)構(gòu)由高壓噴頭零部件、行星輪傳動(dòng)零部件和清潔鋼絲組件三個(gè)部分共同組成。在高壓噴頭部分，其一周安裝有3個(gè)噴頭，為了實(shí)現(xiàn)噴刷機(jī)構(gòu)邊沖刷邊旋轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)使噴嘴噴出的高壓水流與壁面呈一定角度，在這3個(gè)噴嘴噴出水流產(chǎn)生的切向反沖力矩的作用下，噴頭組件進(jìn)行自旋運(yùn)動(dòng)。鋼絲刷組件安裝在行星輪軸上，旋轉(zhuǎn)力矩通過行星輪傳遞到行星輪軸上，帶動(dòng)鋼絲刷旋轉(zhuǎn)從而清潔罐體內(nèi)壁表面。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)清洗小車實(shí)現(xiàn)邊沖刷邊清洗的作業(yè)工況。

2.2 俯仰牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高小車對(duì)罐體內(nèi)壁的清潔質(zhì)量，避免罐體內(nèi)部壁面角度對(duì)于清潔工作的阻礙，爬壁清洗小車在罐體內(nèi)部工作時(shí)需要經(jīng)常進(jìn)行壁面轉(zhuǎn)換，從而清潔罐體內(nèi)壁與內(nèi)部防浪板，因此對(duì)小車的壁面轉(zhuǎn)換輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。圖4為清洗小車的俯仰牽引機(jī)構(gòu)。

圖4 俯仰牽引機(jī)構(gòu)爆炸視圖

牽引導(dǎo)向磁輪、磁輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、牽引連桿、電機(jī)防水罩和俯仰舵機(jī)等共同組成了俯仰牽引機(jī)構(gòu)。在俯仰牽引機(jī)構(gòu)中安裝有俯仰舵機(jī)，可提供機(jī)構(gòu)俯仰旋轉(zhuǎn)所需動(dòng)力。其中，磁輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)可為產(chǎn)生力矩提供磁輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。為彌補(bǔ)清洗小車在壁面轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生吸附磁力的損失，牽引導(dǎo)向輪采用電磁鐵制造，在壁面轉(zhuǎn)換時(shí)利用電磁鐵通斷電來控制導(dǎo)向磁輪的磁性，以保障小車壁面轉(zhuǎn)換的平順性。圖 5為爬壁小車壁面轉(zhuǎn)換過程，其中俯仰牽引機(jī)構(gòu)起到了至關(guān)重要的作用。

圖5 壁面轉(zhuǎn)換流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

清洗小車的前進(jìn)速度是設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)，其大小關(guān)系著清潔質(zhì)量的好壞。速度過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致單位面積的清潔時(shí)間短，清潔質(zhì)量差；速度過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致清潔速度過慢，清潔效率低下。因此對(duì)清洗小車設(shè)置合適的速度十分重要。為檢驗(yàn)爬壁小車的清洗性能，現(xiàn)采用ADAMS軟件對(duì)車體與噴刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。

在ADAMS中將噴頭部分模型簡(jiǎn)化為圓柱，車身簡(jiǎn)化為矩形塊，如圖6所示。噴頭與車身間有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此在噴頭和車身間設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副“JOINT1”；同樣，在車體與地面間的相對(duì)滑動(dòng)處設(shè)置滑動(dòng)副“JOINT2”；為3個(gè)噴嘴出口處添加3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)并分別命名為MARKER9，MARKER10，MARKER11。還需對(duì)這個(gè)模型添加運(yùn)動(dòng)條件：設(shè)計(jì)的噴刷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為2 r/s；故為轉(zhuǎn)動(dòng)副“JOINT1”添加720°/s的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)“MOTION1”；噴刷機(jī)構(gòu)清洗的有效覆蓋寬度約為7.5 mm；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)為 “JOINT2”添加平移速度為75 mm/s的平動(dòng)“MOTION2”；最后將仿真的時(shí)間設(shè)置為3 s，并設(shè)置計(jì)算步驟為1 000步后，進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖6 仿真模型圖

在ADAMS軟件中測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)MARKER9，MARKER10，MARKER11相對(duì)于地面的位移，并繪制軌跡圖，并將結(jié)果導(dǎo)入到Origin軟件中，將數(shù)據(jù)合成后畫出各自的軌跡，如圖7所示。

圖7 仿真軌跡圖

由圖7可以看出，當(dāng)v=75 mm/s時(shí)，清洗軌跡確保了清潔區(qū)域的全部覆蓋。由此驗(yàn)證了爬壁清洗小車的清洗功能。

4 結(jié)論

本文為解決高壓罐車罐體內(nèi)部清潔困難的問題設(shè)計(jì)了一款爬壁清洗小車，并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)小車的清潔性能進(jìn)行了驗(yàn)證。爬壁清洗小車有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）該爬壁清洗小車考慮到了罐車罐體內(nèi)部具體情況，可在罐體內(nèi)部存在不同工作面的情況下，通過俯仰牽引機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壁面轉(zhuǎn)換，完成不同工作面的清潔任務(wù)；（2）設(shè)計(jì)的清洗機(jī)構(gòu)可邊沖邊刷，能源消耗低，操作便利； （3）本小車可實(shí)現(xiàn)罐車罐體內(nèi)壁清潔的智能化，降低了清潔人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了清潔的效率與安全性。