特種高壓清洗機器人多行業(yè)應用技術研究

張培銘

（廣西機械工業(yè)研究院有限責任公司，廣西南寧 530007）

高壓清洗技術作為環(huán)保的新興技術已經(jīng)逐漸取代污染環(huán)境的化學清洗，在制糖、酒精、氧化鋁等行業(yè)開始廣泛應用，然而傳統(tǒng)的高壓清洗作業(yè)往往依靠人工，特別在換熱器清洗行業(yè)，勞動強度大、工作單調(diào)重復，超高壓水射流壓力一般為60～240 MPa，經(jīng)常發(fā)生工人操作高壓水槍不慎導致傷亡的安全事故，存在很大的安全隱患[1]。特種高壓清洗機器人的成功研發(fā)解決了高壓清洗領域機器換人的問題，并率先在制糖行業(yè)進行了示范應用[2]，并受到關注，逐步進入了酒精和氧化鋁行業(yè)。特種高壓清洗機器人系統(tǒng)在這些行業(yè)應用需解決以下難題：流程型生產(chǎn)用戶對清洗時間要求非?？量蹋貏e是氧化鋁行業(yè)，要求清洗時間非常短，往往需要多設備協(xié)同作業(yè)，清洗時間過長容易引起其生產(chǎn)的不穩(wěn)定。制糖、酒精和氧化鋁行業(yè)生產(chǎn)工藝不同，不同工藝產(chǎn)生的積垢不同，特別是在酒精和氧化鋁行業(yè)，極易產(chǎn)生厚度大于3 mm 的積垢，存在大量的半堵塞和全堵塞列管，需要根據(jù)積垢不同研究確定不同的清洗工藝，對特種高壓清洗機器人控制、高壓水射流壓力系統(tǒng)有更高的要求。

文章介紹特種高壓清洗機器人在制糖、酒精、氧化鋁行業(yè)應用中的一些關鍵技術研究，為高壓水射流清洗機器換人的應用研究提供參考。

1 特種高壓水清洗機器人組成和原理

特種高壓清洗機器人為XY 平臺式或關節(jié)式結構，其中關節(jié)式高壓清洗機器人由基座、中央旋轉臂、動臂、擺臂和高壓水槍輸送裝置組成，如圖1，采用機器視覺系統(tǒng)進行列管坐標數(shù)據(jù)的采集，采用數(shù)據(jù)庫技術記錄和優(yōu)化清洗路徑，通過上位機下達指令控制關節(jié)臂系統(tǒng)帶動高壓水槍輸送裝置至所需清洗列管，并準確帶動高壓水槍往復運動，實現(xiàn)對列管的清洗除垢作業(yè)。

圖1 關節(jié)式特種高壓清洗機器人結構示意圖

2 高壓水系統(tǒng)

高壓水系統(tǒng)是清洗效果的關鍵因素，其由高壓泵站、水循環(huán)處理單元、高壓連接管和噴嘴組成，水循環(huán)處理單元主要提供持續(xù)和干凈的水源，高壓泵站將水加壓成指定壓力的高壓水，高壓連接管作為高壓水傳輸?shù)闹薪?，噴嘴將高壓水射流直接作用于清洗工作表面，實現(xiàn)對積垢的清洗。

糖廠、酒精廠等行業(yè)的高壓水系統(tǒng)通常由簡易水箱和泵組成，需要派駐專門的人員時刻關注設備的運行狀態(tài)，如有沒有水，泵壓力是否下降等，工人工作環(huán)境惡劣，效率低，時常出現(xiàn)因為對高壓水系統(tǒng)監(jiān)控和處置不及時，清洗效果差等情況。為了改變這種情況，文章設計了一套智能化程度比較高的高壓水系統(tǒng)，通過PLC 實時采集水量、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并結合特種高壓清洗機器人的工作狀態(tài)，建立相關的診斷分析模型，實現(xiàn)高壓水系統(tǒng)的智能化管理。其能夠對水循環(huán)單元進行水量控制，通過分析水量的變化波動，分析水循環(huán)中的過濾系統(tǒng)或噴嘴是否堵塞等；通過檢測水系統(tǒng)的壓力和水流量變化，分析高壓連接管和噴嘴是否工作正常等。

根據(jù)不同清洗工況，設計和選擇合適的噴嘴是獲得低能耗的清洗效果的關鍵。為了獲得最佳的低能耗清洗效果，首先要根據(jù)不同的清洗對象設計和選取不同功能的噴嘴。例如，在清洗平面時，應選擇平面清洗噴嘴，同時還要綜合考慮清洗效率和清洗成本，在追求高效率的清洗條件下，可以選擇平面清洗旋轉噴嘴；在追求低成本的條件下，可以選擇普通平面清洗噴嘴。又如，在管道清洗中，應根據(jù)直徑大小選用大直徑清洗用噴嘴或小直徑清洗用噴嘴。本文主要對制糖、酒精、氧化鋁等列管式加熱器清洗固定噴嘴和旋轉噴嘴進行了研究和優(yōu)化。

3 特種高壓水清洗機器人多行業(yè)應用共性難點問題研究與探討

3.1 多機協(xié)同作業(yè)和清洗路徑優(yōu)化研究

酒精、氧化鋁行業(yè)因為沒有進行冗余設計，對高壓清洗作業(yè)的時效性要求很高，一旦耽誤時間將延誤整個流水線的工作，因此多機協(xié)同作業(yè)能最大發(fā)揮清洗優(yōu)勢。完成多機協(xié)同作業(yè)面臨的技術難點是：實現(xiàn)多機協(xié)同快速提取清洗目標數(shù)據(jù)并建立相關數(shù)據(jù)庫；開發(fā)多機協(xié)同系統(tǒng)，能夠避免相互干涉、同時自動選擇清洗模式和根據(jù)情況進行清洗路徑優(yōu)化；多機協(xié)同操作系統(tǒng)研究開發(fā)。

多機協(xié)同作業(yè)根據(jù)不同的清洗界面設計不同的多機協(xié)同清洗方案，如在開蓋的立式加熱器上，可以將高壓清洗機器人設置在加熱器的邊緣，需要對加熱器進行清洗時，只需要將罐蓋吊裝走，清洗機器人即可開始自動清洗作業(yè)，如圖1。

如在有些封閉式的蒸發(fā)罐，設置了如圖1左邊所示的特種高壓清洗機器人進行雙機協(xié)同作業(yè)，其主要技術難點在于研發(fā)相關的清洗路徑優(yōu)化系統(tǒng)，將整個作業(yè)面上的加熱管坐標數(shù)據(jù)作為一個整體考慮，高壓清洗機器人在不同的空間位置進行等距離的運動時，耗時存在較大的差異（不同臂移動角度會出現(xiàn)較大差異）。研發(fā)的清洗路徑優(yōu)化系統(tǒng)使用了智能擬合技術將作業(yè)面上的加熱管按照角度最優(yōu)解的方案，對孔數(shù)據(jù)進行邏輯分區(qū)，優(yōu)化移動速度，減少運行時間。且完成所有孔數(shù)據(jù)的獲取后，通過最優(yōu)擬合算法，對所有的孔按最優(yōu)路徑進行清洗控制，如圖2。

圖2 特種高壓清洗機器人進行雙機協(xié)同作業(yè)優(yōu)化路徑示意圖

3.2 厚積垢清洗工藝研究

酒精和氧化鋁行業(yè)因為生產(chǎn)工藝和物料的原因，其加熱管壁積垢厚度和硬度均較制糖行業(yè)要厚和硬，且其積垢增長的速度很快，一旦清洗不到位，會導致積垢越來越難清洗，直至該加熱管逐步堵塞至完全堵塞，一般按照堵塞的嚴重情況分為半堵塞孔和全堵塞孔兩種情況。

3.2.1 半堵塞孔處理

加熱管因為清洗不干凈或不及時導致半堵塞，這種情況一般是加熱管積垢后的通徑小于高壓水噴嘴的外徑，此時高壓水槍無法一次清洗干凈，如果強行下槍，會導致噴嘴卡死在加熱管內(nèi)，導致特種高壓清洗機器人頻繁報錯。

傳統(tǒng)人工處理半堵塞孔清洗工藝是用高壓水射流在堵塞孔上往復輕微震動將積垢清除至貫通。特種高壓清洗機器人開發(fā)了一套模仿人工的震動堵塞孔的清洗工藝，其主要結合高壓水槍輸送裝置在輸送高壓水槍時，遇到堵塞孔會打滑特性，相關檢測行程的傳感器沒有及時得到反饋信號，再與清洗所需要的送槍長度所需要得到的反饋信號的數(shù)值進行對比，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)對比數(shù)值不對，則自動切換為震動堵塞孔清洗模式，通過在堵塞孔的堵塞處反復清洗，將積垢清除干凈。

3.2.2 全堵塞孔清洗工藝

加熱管因為清洗不及時導致半堵塞，如不及時清洗，很快就會全堵塞。全堵塞孔用機械的方法很難打通，且極易因為操作不當直接損壞加熱管，用戶往往直接采用換管的方式，成本高，耗時耗力，影響生產(chǎn)。全堵塞孔清洗需要人工擴孔和設備自動清洗相結合。首先需要采用機械的方式在全堵孔上鉆出高壓水槍頭的通道，然后采用清洗半堵塞孔的清洗工藝進行震動清洗，除去大量的積垢，最后采用拋光噴嘴進行管壁全面清洗，全部清除積垢，獲得金屬表面。

4 應用情況

特種高壓清洗機器人在制糖、酒精、氧化鋁等多個行業(yè)廣泛應用。研究關節(jié)臂式機器人算法，并開展多機器人協(xié)同作業(yè)算法研究，實現(xiàn)多機協(xié)同作業(yè)，進一步提高了設備的清洗速度，為快速清洗數(shù)量更大的換熱器打下了基礎。該產(chǎn)品的應用不僅解決了用工難的問題，而且解決了漏沖、沖洗不干凈的問題，由于沖洗質量的提高，應用廠家的蒸發(fā)效能均有不同程度的提高，為這些行業(yè)的節(jié)能減排做出了貢獻。目前相關產(chǎn)品在多個行業(yè)有近百套設備應用，每年給用戶帶來的節(jié)約能源收益上億元。

5 結束語

特種高壓清洗機器人下一步將拓展在臥式加熱器和交通行業(yè)等領域的應用，在清洗效果研究方面，需要更加專注研究高效高壓清洗噴嘴，獲得更好的清洗效果，在智能化方面，將進一步研究機器人的清洗智能控制程序和智能診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制，減少設備的故障和維護時間。