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        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

        2021-08-21 07:54:04郭自海朱海清
        化工裝備技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        郭自海* 陳 鍵 朱海清

        (1.湖州市特種設(shè)備檢測研究院 2.江南大學(xué))

        0 引言

        汽車罐車是一種重要的特種運輸車輛,在各種化工氣液體貨物運輸領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。由于特殊的工作性質(zhì)與環(huán)境,罐車每年都需進行全面檢驗以保障運輸安全[1]。在年度檢驗前需對汽車罐車罐體內(nèi)部進行清洗,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,保障工人進入罐體內(nèi)部作業(yè)時的安全;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量的殘留物,保證罐體檢測的準(zhǔn)確性。如果按每輛罐車每年清洗1.5次來計算,鑒于汽車罐車在市場上應(yīng)用廣泛,清洗工作量非常巨大,人工清洗費時費力[2]。

        隨著移動機器人技術(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化與智能化逐漸成為可能[3-4]。將移動機器人與罐體內(nèi)壁清潔技術(shù)相結(jié)合的自動化清潔技術(shù)已逐漸成為未來罐體內(nèi)部清潔的發(fā)展趨勢。將爬壁機器人作為高壓噴淋裝置的載體,帶動噴淋裝置在罐體內(nèi)壁自由移動,使其完成罐壁的全面清洗工作[5-6]。

        1 小車的總體設(shè)計方案

        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,因此本文針對市面上存在的承壓類汽車罐車來設(shè)計清洗小車[7]。對某款汽車罐車罐體及其內(nèi)部構(gòu)造利用Solidworks進行三維建模,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)部液體晃動時帶來的沖擊,提高罐車行駛時的穩(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入需保證其總長度與總高度都小于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)計參數(shù)

        1.2 清洗小車的整體結(jié)構(gòu)

        本文設(shè)計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 清洗小車軸測圖

        (1) 承載車體

        車體是容納與安裝其余六個部分的平臺。除圖2中所示的幾大機構(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)動機構(gòu)

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

        (3)壁面磁力吸附機構(gòu)

        壁面磁力吸附機構(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,以克服在清洗及運動過程中使清洗小車脫離罐體壁面的作用力。

        (4)壁面轉(zhuǎn)換牽引機構(gòu)

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

        (5)清潔噴刷機構(gòu)

        清潔噴刷機構(gòu)是爬壁清洗小車執(zhí)行清洗任務(wù)的機構(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)部畫面實時傳輸至罐車外部的上位機上。

        (7)電力供應(yīng)與運動控制模塊

        電力供應(yīng)與運動控制模塊為各種小車電力驅(qū)動元器件進行電力供應(yīng)。另外小車的控制單元也安裝在此模塊中,使用單片機作為下位機接收上位機指令,控制各機構(gòu)進行運動與工作。

        2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計

        2.1 清潔噴刷機構(gòu)設(shè)計

        清潔噴刷機構(gòu)是汽車罐車內(nèi)部清洗工作的執(zhí)行機構(gòu),也是整個爬壁清洗小車的核心部分之一。清潔噴刷機構(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)計的噴刷機構(gòu)。

        圖3 噴刷機構(gòu)爆炸視圖

        清潔噴刷機構(gòu)由高壓噴頭零部件、行星輪傳動零部件和清潔鋼絲組件三個部分共同組成。在高壓噴頭部分,其一周安裝有3個噴頭,為了實現(xiàn)噴刷機構(gòu)邊沖刷邊旋轉(zhuǎn),在設(shè)計時使噴嘴噴出的高壓水流與壁面呈一定角度,在這3個噴嘴噴出水流產(chǎn)生的切向反沖力矩的作用下,噴頭組件進行自旋運動。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)計最終實現(xiàn)清洗小車實現(xiàn)邊沖刷邊清洗的作業(yè)工況。

        2.2 俯仰牽引機構(gòu)設(shè)計

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

        圖4 俯仰牽引機構(gòu)爆炸視圖

        牽引導(dǎo)向磁輪、磁輪驅(qū)動電機、牽引連桿、電機防水罩和俯仰舵機等共同組成了俯仰牽引機構(gòu)。在俯仰牽引機構(gòu)中安裝有俯仰舵機,可提供機構(gòu)俯仰旋轉(zhuǎn)所需動力。其中,磁輪驅(qū)動電機可為產(chǎn)生力矩提供磁輪旋轉(zhuǎn)的動力。為彌補清洗小車在壁面轉(zhuǎn)換時產(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 實驗與仿真

        清洗小車的前進速度是設(shè)計時的重要參數(shù),其大小關(guān)系著清潔質(zhì)量的好壞。速度過大時會導(dǎo)致單位面積的清潔時間短,清潔質(zhì)量差;速度過小時會導(dǎo)致清潔速度過慢,清潔效率低下。因此對清洗小車設(shè)置合適的速度十分重要。為檢驗爬壁小車的清洗性能,現(xiàn)采用ADAMS軟件對車體與噴刷機構(gòu)進行仿真。

        在ADAMS中將噴頭部分模型簡化為圓柱,車身簡化為矩形塊,如圖6所示。噴頭與車身間有一個旋轉(zhuǎn)的相對運動,因此在噴頭和車身間設(shè)置一個旋轉(zhuǎn)運動副“JOINT1”;同樣,在車體與地面間的相對滑動處設(shè)置滑動副“JOINT2”;為3個噴嘴出口處添加3個標(biāo)記點并分別命名為MARKER9,MARKER10,MARKER11。還需對這個模型添加運動條件:設(shè)計的噴刷機構(gòu)轉(zhuǎn)速為2 r/s;故為轉(zhuǎn)動副“JOINT1”添加720°/s的旋轉(zhuǎn)運動“MOTION1”;噴刷機構(gòu)清洗的有效覆蓋寬度約為7.5 mm;根據(jù)設(shè)計參數(shù)為 “JOINT2”添加平移速度為75 mm/s的平動“MOTION2”;最后將仿真的時間設(shè)置為3 s,并設(shè)置計算步驟為1 000步后,進行仿真計算。

        圖6 仿真模型圖

        在ADAMS軟件中測量標(biāo)記點MARKER9,MARKER10,MARKER11相對于地面的位移,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,清洗軌跡確保了清潔區(qū)域的全部覆蓋。由此驗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)計了一款爬壁清洗小車,并利用虛擬樣機技術(shù)對小車的清潔性能進行了驗證。爬壁清洗小車有以下優(yōu)點:(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,通過俯仰牽引機構(gòu)實現(xiàn)壁面轉(zhuǎn)換,完成不同工作面的清潔任務(wù);(2)設(shè)計的清洗機構(gòu)可邊沖邊刷,能源消耗低,操作便利; (3)本小車可實現(xiàn)罐車罐體內(nèi)壁清潔的智能化,降低了清潔人員的勞動強度,提高了清潔的效率與安全性。

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