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。