師華東，柴俊峰，王 凱，趙 虎

（1.中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039）

0 引言

預(yù)熱器能夠大幅度降低水泥生產(chǎn)的能耗，提高水泥熟料的質(zhì)量，經(jīng)過40多年的發(fā)展，預(yù)熱器系統(tǒng)技術(shù)取得了巨大的進步，但是預(yù)熱器結(jié)皮工藝故障依然存在，無法徹底解決。國內(nèi)好多水泥企業(yè)，特別是原燃料來源不穩(wěn)定或者氯硫堿等雜質(zhì)含量比較多，就會導(dǎo)致預(yù)熱器嚴重結(jié)皮，人工清理頻繁，不利于水泥企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)[1]。

預(yù)熱器結(jié)皮清理分為熱態(tài)清理和冷態(tài)清理。熱態(tài)清理是在不停窯的情況下在線結(jié)皮清理，比如在預(yù)熱器上安裝空氣炮，但是空氣炮也有其自身局限性，它只能打安裝位置附近的結(jié)皮，如果結(jié)皮嚴重，空氣炮是打不掉的。如果結(jié)皮嚴重，需要人穿高溫服拿高壓水槍，通過高壓水在高溫下體積急劇膨脹產(chǎn)生氣爆，來打掉結(jié)皮。冷態(tài)清理是在水泥廠停窯檢修期間，通過吊籃下放工人的方法清理結(jié)皮。隨著行業(yè)對安全、環(huán)保要求的不斷提高，機器代人的需求在不斷加強。本文通過工業(yè)機器人取代人，來探討工業(yè)機器人在水泥廠預(yù)熱器冷態(tài)結(jié)皮中應(yīng)用的可行性。

1 預(yù)熱器結(jié)皮形成的主要原因

預(yù)熱器結(jié)皮形成的主要原因有：有害組份循環(huán)富集特別是氯硫堿有害元素的循環(huán)富集；局部溫度過高，導(dǎo)致液相量的出現(xiàn)；預(yù)熱器漏風(fēng)，導(dǎo)致結(jié)皮的形成；喂煤計量系統(tǒng)下料不穩(wěn)，即喂煤不均勻，從而易造成系統(tǒng)煅燒匹配失調(diào)，也易造成預(yù)熱器系統(tǒng)粘堵。預(yù)熱器結(jié)皮的主要表現(xiàn)為：系統(tǒng)阻力增加，通風(fēng)不好；壓力、溫度異常。預(yù)熱器結(jié)皮發(fā)生的主要部位在：入窯斜坡、窯尾煙室、分解爐、下料管等處。

預(yù)熱器結(jié)皮清理目前存在的主要問題是人員的安全問題和人員的勞動強度過大，環(huán)保及職業(yè)健康等，這和預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)是有直接關(guān)系的。預(yù)熱器是水泥燒成系統(tǒng)的核心設(shè)備，由于其是高溫設(shè)備，人員在維護預(yù)熱器時，經(jīng)常發(fā)生燙傷事故，在預(yù)熱器結(jié)皮清理過程中還發(fā)生過人員傷亡事故。在水泥廠停窯檢修期間，冷態(tài)清理同樣也存在很多問題。比如：吊人施工人員的安全問題，職業(yè)健康問題等等。預(yù)熱器的維護已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的一個痛點。通過工業(yè)機器人取代人工實現(xiàn)安全生產(chǎn)，減輕工人的勞動強度，是行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。

2 用于預(yù)熱器冷態(tài)結(jié)皮清理的可行性分析

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。工業(yè)機器人在水泥行業(yè)的應(yīng)用還比較少，隨著行業(yè)的發(fā)展，特別是對智能化的要求越來越高，針對特種作業(yè)環(huán)境下的需求被提上日程。

2.1 現(xiàn)有預(yù)熱器冷態(tài)結(jié)皮清理方法介紹

在水泥窯停窯檢修期間，如果水泥廠有預(yù)熱器維護的需求，就會請施工企業(yè)進行預(yù)熱器結(jié)皮清理。其施工的方法為：在預(yù)熱器鵝頸管上打吊裝孔，在鋼平臺上打卷揚機構(gòu)下放鋼絲繩的孔，通過預(yù)熱器檢修門放入吊籃。人站在吊籃上通過手持電鎬進行結(jié)皮清理?？梢赃M行人工清理的部位有分解爐、窯尾煙室、入窯斜坡。人工操作存在以下缺點：（1）安全問題：吊籃施工屬于高空作業(yè)存在安全風(fēng)險。（2）職業(yè)健康問題：人拿電鎬在預(yù)熱器中清理結(jié)皮，會產(chǎn)生大量粉塵危害人員身體健康。同時預(yù)熱器內(nèi)空氣流通不好，在夏季施工，容易中暑。（3）勞動強度問題：人工操作，工人勞動強度比較大。

2.2 工業(yè)機器人方案設(shè)計介紹

工業(yè)機器人設(shè)備結(jié)構(gòu)原理見圖1。該設(shè)備主要由卷揚機、滑輪組、電控箱、框架、液壓缸、車輪、液壓站、回轉(zhuǎn)體、大機械臂、小機械臂、電錘組成。通過卷揚機和滑輪組實現(xiàn)機器人的上下移動。通過框架上四個帶液壓缸的支撐臂實現(xiàn)機器人的姿態(tài)調(diào)整。通過液壓機械臂上的電錘對結(jié)皮進行清理。支撐臂豎直伸直能實現(xiàn)從650mm×650mm檢修孔進入。回轉(zhuǎn)體能實現(xiàn)左60°右60°回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)4m寬的清理范圍。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)示意圖

機器人控制原理圖見圖2，在機器人框架上設(shè)置照明系統(tǒng)和攝像頭，將畫面?zhèn)骰剡h程工作站，人通過遙控器遠程操作機器人。

圖2 控制原理示意圖

工作范圍及應(yīng)用場景見圖3，機器人適合于分解爐、煙室、入窯斜坡的清理，不適合于下料管、彎管的清理。機器人需要在豎直管道或者在稍微傾斜的大空間工作。

圖3 工作區(qū)域及場景示意圖

2.3 工業(yè)機器人與現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點對比

工業(yè)機器人和傳統(tǒng)方法的優(yōu)缺點對比見表1。由表1可見，人工清理費時費力，工作環(huán)境差，還存在安全風(fēng)險。工業(yè)機器人清理結(jié)皮，能夠解決人工清結(jié)皮的缺點。但是技術(shù)不夠成熟，水泥行業(yè)的裝備制造企業(yè)，還沒深入涉及這一方面的研究，其產(chǎn)品價格肯定也是比較貴的。智能化是水泥行業(yè)的發(fā)展趨勢，隨著時間的推移相信越來越多的工業(yè)機器人會應(yīng)用于水泥廠。

表1 結(jié)皮清理方式對比評價表

3 小結(jié)

隨著國家和行業(yè)對智能化的支持力度加大，越來越多的水泥廠加入到智能化的建設(shè)之中。為工業(yè)機器人在水泥廠推廣應(yīng)用提供了發(fā)展機會。結(jié)皮清理是有些水泥廠預(yù)熱器維護的難點，不管是熱態(tài)在線清理，還是冷態(tài)清理，都存在安全環(huán)保的問題。用工業(yè)機器人對預(yù)熱器維護是一個新的研究方向。本文通過介紹工業(yè)機器人用于預(yù)熱器維護的方案設(shè)計，為水泥裝備制造企業(yè)提供一種新的研究思路，以供同行參考。