張培銘

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院有限責(zé)任公司，廣西南寧 530007）

高壓清洗技術(shù)作為環(huán)保的新興技術(shù)已經(jīng)逐漸取代污染環(huán)境的化學(xué)清洗，在制糖、酒精、氧化鋁等行業(yè)開始廣泛應(yīng)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(dòng)強(qiáng)度大、工作單調(diào)重復(fù)，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(dǎo)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(jī)器人的成功研發(fā)解決了高壓清洗領(lǐng)域機(jī)器換人的問題，并率先在制糖行業(yè)進(jìn)行了示范應(yīng)用[2]，并受到關(guān)注，逐步進(jìn)入了酒精和氧化鋁行業(yè)。特種高壓清洗機(jī)器人系統(tǒng)在這些行業(yè)應(yīng)用需解決以下難題：流程型生產(chǎn)用戶對(duì)清洗時(shí)間要求非?？量?，特別是氧化鋁行業(yè)，要求清洗時(shí)間非常短，往往需要多設(shè)備協(xié)同作業(yè)，清洗時(shí)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(duì)特種高壓清洗機(jī)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(jī)器人在制糖、酒精、氧化鋁行業(yè)應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)研究，為高壓水射流清洗機(jī)器換人的應(yīng)用研究提供參考。

1 特種高壓水清洗機(jī)器人組成和原理

特種高壓清洗機(jī)器人為XY 平臺(tái)式或關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，其中關(guān)節(jié)式高壓清洗機(jī)器人由基座、中央旋轉(zhuǎn)臂、動(dòng)臂、擺臂和高壓水槍輸送裝置組成，如圖1，采用機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行列管坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)記錄和優(yōu)化清洗路徑，通過上位機(jī)下達(dá)指令控制關(guān)節(jié)臂系統(tǒng)帶動(dòng)高壓水槍輸送裝置至所需清洗列管，并準(zhǔn)確帶動(dòng)高壓水槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列管的清洗除垢作業(yè)。

圖1 關(guān)節(jié)式特種高壓清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2 高壓水系統(tǒng)

高壓水系統(tǒng)是清洗效果的關(guān)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)闹薪椋瑖娮鞂⒏邏核淞髦苯幼饔糜谇逑垂ぷ鞅砻?，?shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)易水箱和泵組成，需要派駐專門的人員時(shí)刻關(guān)注設(shè)備的運(yùn)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(shí)常出現(xiàn)因?yàn)閷?duì)高壓水系統(tǒng)監(jiān)控和處置不及時(shí)，清洗效果差等情況。為了改變這種情況，文章設(shè)計(jì)了一套智能化程度比較高的高壓水系統(tǒng)，通過PLC 實(shí)時(shí)采集水量、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并結(jié)合特種高壓清洗機(jī)器人的工作狀態(tài)，建立相關(guān)的診斷分析模型，實(shí)現(xiàn)高壓水系統(tǒng)的智能化管理。其能夠?qū)λh(huán)單元進(jìn)行水量控制，通過分析水量的變化波動(dòng)，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(cè)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(shè)計(jì)和選擇合適的噴嘴是獲得低能耗的清洗效果的關(guān)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(duì)象設(shè)計(jì)和選取不同功能的噴嘴。例如，在清洗平面時(shí)，應(yīng)選擇平面清洗噴嘴，同時(shí)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(zhuǎn)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(yīng)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(duì)制糖、酒精、氧化鋁等列管式加熱器清洗固定噴嘴和旋轉(zhuǎn)噴嘴進(jìn)行了研究和優(yōu)化。

3 特種高壓水清洗機(jī)器人多行業(yè)應(yīng)用共性難點(diǎn)問題研究與探討

3.1 多機(jī)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?yàn)闆]有進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，對(duì)高壓清洗作業(yè)的時(shí)效性要求很高，一旦耽誤時(shí)間將延誤整個(gè)流水線的工作，因此多機(jī)協(xié)同作業(yè)能最大發(fā)揮清洗優(yōu)勢(shì)。完成多機(jī)協(xié)同作業(yè)面臨的技術(shù)難點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同快速提取清洗目標(biāo)數(shù)據(jù)并建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫；開發(fā)多機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，能夠避免相互干涉、同時(shí)自動(dòng)選擇清洗模式和根據(jù)情況進(jìn)行清洗路徑優(yōu)化；多機(jī)協(xié)同操作系統(tǒng)研究開發(fā)。

多機(jī)協(xié)同作業(yè)根據(jù)不同的清洗界面設(shè)計(jì)不同的多機(jī)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(jī)器人設(shè)置在加熱器的邊緣，需要對(duì)加熱器進(jìn)行清洗時(shí)，只需要將罐蓋吊裝走，清洗機(jī)器人即可開始自動(dòng)清洗作業(yè)，如圖1。

如在有些封閉式的蒸發(fā)罐，設(shè)置了如圖1左邊所示的特種高壓清洗機(jī)器人進(jìn)行雙機(jī)協(xié)同作業(yè)，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于研發(fā)相關(guān)的清洗路徑優(yōu)化系統(tǒng)，將整個(gè)作業(yè)面上的加熱管坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為一個(gè)整體考慮，高壓清洗機(jī)器人在不同的空間位置進(jìn)行等距離的運(yùn)動(dòng)時(shí)，耗時(shí)存在較大的差異（不同臂移動(dòng)角度會(huì)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(shù)將作業(yè)面上的加熱管按照角度最優(yōu)解的方案，對(duì)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分區(qū)，優(yōu)化移動(dòng)速度，減少運(yùn)行時(shí)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(duì)所有的孔按最優(yōu)路徑進(jìn)行清洗控制，如圖2。

圖2 特種高壓清洗機(jī)器人進(jìn)行雙機(jī)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?yàn)樯a(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(huì)導(dǎo)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(yán)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?yàn)榍逑床桓蓛艋虿患皶r(shí)導(dǎo)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(shí)高壓水槍無法一次清洗干凈，如果強(qiáng)行下槍，會(huì)導(dǎo)致噴嘴卡死在加熱管內(nèi)，導(dǎo)致特種高壓清洗機(jī)器人頻繁報(bào)錯(cuò)。

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(fù)輕微震動(dòng)將積垢清除至貫通。特種高壓清洗機(jī)器人開發(fā)了一套模仿人工的震動(dòng)堵塞孔的清洗工藝，其主要結(jié)合高壓水槍輸送裝置在輸送高壓水槍時(shí)，遇到堵塞孔會(huì)打滑特性，相關(guān)檢測(cè)行程的傳感器沒有及時(shí)得到反饋信號(hào)，再與清洗所需要的送槍長度所需要得到的反饋信號(hào)的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)對(duì)比數(shù)值不對(duì)，則自動(dòng)切換為震動(dòng)堵塞孔清洗模式，通過在堵塞孔的堵塞處反復(fù)清洗，將積垢清除干凈。

3.2.2 全堵塞孔清洗工藝

加熱管因?yàn)榍逑床患皶r(shí)導(dǎo)致半堵塞，如不及時(shí)清洗，很快就會(huì)全堵塞。全堵塞孔用機(jī)械的方法很難打通，且極易因?yàn)椴僮鞑划?dāng)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(shí)耗力，影響生產(chǎn)。全堵塞孔清洗需要人工擴(kuò)孔和設(shè)備自動(dòng)清洗相結(jié)合。首先需要采用機(jī)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(jìn)行震動(dòng)清洗，除去大量的積垢，最后采用拋光噴嘴進(jìn)行管壁全面清洗，全部清除積垢，獲得金屬表面。

4 應(yīng)用情況

特種高壓清洗機(jī)器人在制糖、酒精、氧化鋁等多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用。研究關(guān)節(jié)臂式機(jī)器人算法，并開展多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)算法研究，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)，進(jìn)一步提高了設(shè)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(chǔ)。該產(chǎn)品的應(yīng)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(zhì)量的提高，應(yīng)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(xiàn)。目前相關(guān)產(chǎn)品在多個(gè)行業(yè)有近百套設(shè)備應(yīng)用，每年給用戶帶來的節(jié)約能源收益上億元。

5 結(jié)束語

特種高壓清洗機(jī)器人下一步將拓展在臥式加熱器和交通行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)一步研究機(jī)器人的清洗智能控制程序和智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，減少設(shè)備的故障和維護(hù)時(shí)間。