奚林根,王志剛,曹一峰,黃賢明

(1.江蘇常熟發(fā)電有限公司,江蘇 蘇州 215500;2.常熟理工學(xué)院,江蘇 蘇州 215500)

0 引言

水冷壁是火力發(fā)電廠鍋爐的重要組成部分,根據(jù)鍋爐大小,由不同管徑的鋼管一排排連接而成[1]。水冷壁管內(nèi)流動(dòng)的水可以在火力發(fā)電過程中吸收煤燃燒過程中產(chǎn)生的熱量,進(jìn)而起到對(duì)鍋爐爐墻的保護(hù)作用[2]。由于煤在燃燒過程中,產(chǎn)生的大量熱能、煙氣火焰等惡劣因素,會(huì)讓水冷壁受熱面極易出現(xiàn)損傷,造成失效老化現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故[3]。

目前,在役鍋爐的水冷壁受熱面磨損檢測(cè)作為確保設(shè)備能夠平穩(wěn)運(yùn)行的一項(xiàng)工作內(nèi)容,其重要程度不言而喻,但仍以常規(guī)技術(shù)手段檢測(cè)為主,例如目視檢驗(yàn)、卡尺測(cè)量、超聲波測(cè)厚儀檢測(cè)、電筒照射檢查等人工方式。這種檢查方式選擇的檢測(cè)對(duì)象是隨機(jī)抽檢出來的,不能做到部件設(shè)備的全方位檢測(cè),往往出現(xiàn)突發(fā)爆管缺陷,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。綜上所述,傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式存在安全隱患高、效率低等問題。隨著科技的不斷發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)也開始在電力行業(yè)發(fā)揮作用[5-6],本文設(shè)計(jì)了一款新型的鍋爐水冷壁爬壁機(jī)器人,以期解決目前水冷壁檢測(cè)難題。

1 水冷壁爬壁機(jī)器人

爬壁機(jī)器人是傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)與現(xiàn)代智能控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物,作為典型的特種移動(dòng)機(jī)器人,它具備吸附和爬壁2個(gè)基本功能,通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合,將地面移動(dòng)技術(shù)拓展到垂直空間[7]。它是通過吸附裝置吸附在壁面上,移動(dòng)機(jī)構(gòu)在有吸附力的情況下保持在壁面上移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工作任務(wù)。保證機(jī)器人在復(fù)雜表面移動(dòng)的必要因素就是爬壁機(jī)器人的吸附性能。磁吸附裝置作為移動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,為機(jī)器人行走提供吸附保障,吸附力不足會(huì)導(dǎo)致跌落或傾覆,但如果一味追求更強(qiáng)吸力將會(huì)導(dǎo)致磁吸附裝置體積與質(zhì)量的增加,進(jìn)而影響爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性,增大了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載。

在電力行業(yè),尤其是在電廠鍋爐的維護(hù)和檢修過程中,傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式存在安全隱患高、效率低等問題[8]。為了解決這些問題,本文采用深度融合、高度集成的設(shè)計(jì)思路,以水冷壁爬壁機(jī)器人為載體,結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺、電磁超聲無損檢測(cè)、自動(dòng)化等技術(shù),設(shè)計(jì)鍋爐水冷壁爬壁機(jī)器人,致力于解決困擾火電行業(yè)已久的缺少有效評(píng)估檢查鍋爐水冷壁外觀磨損及內(nèi)部腐蝕狀態(tài)的評(píng)估問題。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)和吸附機(jī)制等組成?？刂葡到y(tǒng)是由多個(gè)控制模塊構(gòu)成,包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、傳感器控制模塊和通信控制模塊等。其中,運(yùn)動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)操控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),傳感器控制模塊負(fù)責(zé)控制各個(gè)傳感器的工作,而通信控制模塊則用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信。

圖1 爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

主要檢測(cè)流程:爬壁機(jī)器人接收指令后沿壁面向上爬行,到達(dá)指定區(qū)域后觸發(fā)上限位開關(guān)停止,等待進(jìn)一步的指令。接收到向下爬行的指令啟動(dòng),編碼器實(shí)時(shí)反饋位置信息,每爬行一段設(shè)定的距離后停止,等待相關(guān)檢測(cè)指令,收到上位機(jī)下達(dá)檢測(cè)指令后,執(zhí)行操作完成檢測(cè)工作。直到爬壁機(jī)器人運(yùn)行到底部觸發(fā)下限位開關(guān)停止,結(jié)束檢測(cè)。

腿部結(jié)構(gòu)是爬壁機(jī)器人的重要組成部分,由多個(gè)關(guān)節(jié)和支撐部件組成,為機(jī)器人提供穩(wěn)定支撐并實(shí)現(xiàn)多自由度移動(dòng)。為了應(yīng)對(duì)水冷壁的特有結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)的腿部結(jié)構(gòu)為履帶式,在履帶的一周上安裝有數(shù)個(gè)永磁吸附塊,其中的一部分緊緊地吸附于壁面上,履帶由鏈條與永磁吸附塊組成,由一臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器驅(qū)動(dòng)。固定在鏈條上的永磁吸附塊隨著鏈條的旋轉(zhuǎn)而依次脫離壁面和吸附于壁面,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)。雖然履帶式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性差,轉(zhuǎn)向阻力大,可能對(duì)壁面造成磨損,但其吸附力大,滿足爬壁機(jī)器人在有一定負(fù)載的情況下,擁有在冷壁上進(jìn)行轉(zhuǎn)向、越障的能力。在吸附機(jī)制方面,因?yàn)榇帕Φ淖饔昧Υ怪庇诒砻?所以即使在傾斜或者不平整的表面上,機(jī)器人也能保持穩(wěn)定地吸附在壁面,且減輕了爬壁機(jī)器人本體的供電需求。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)是爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵組成部分,它的穩(wěn)定性、效率和可靠性直接影響機(jī)器人的工作性能,本文所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模式如圖2所示。

圖2 爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模式

該模塊用于控制和驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人在各種表面進(jìn)行移動(dòng)和操作,如圖3所示,本文采用4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),每個(gè)鏈輪可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或聯(lián)動(dòng)控制,每個(gè)電機(jī)功率為48 W。通過內(nèi)部的齒輪傳動(dòng),帶動(dòng)外部鏈條轉(zhuǎn)動(dòng),為小車提供小于7.8 m/min的行進(jìn)速度。通過各個(gè)輪電機(jī)的差動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)彎爬行。

圖3 爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2 爬壁機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境感知功能

爬壁機(jī)器人的前后攝像頭是其對(duì)周圍環(huán)境感知功能的重要組成部分,爬壁機(jī)器人環(huán)境感知功能如圖4所示,攝像頭具有360°全景拍攝能力,分辨率達(dá)到不低于1920×1080的標(biāo)準(zhǔn)。這樣的配置不僅可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人周圍的環(huán)境信息,還能對(duì)高空水冷壁的檢測(cè)位置和路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)整,確保掃查軌跡的可控性。同時(shí),較高的遙控操作靈敏度、延遲時(shí)間不超過1 s,使得機(jī)器人能快速響應(yīng)操作指令。

圖4 爬壁機(jī)器人環(huán)境感知功能

2.2 清掃功能

清洗是水冷壁爬壁機(jī)器人的性能分析和控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié),清掃結(jié)構(gòu)如圖5所示,爬壁機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)主要由履帶吸盤式行走機(jī)構(gòu)、清洗刷和配氣機(jī)構(gòu)等組成。履帶吸盤式行走機(jī)構(gòu)是其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),通常安裝在機(jī)器人機(jī)身兩側(cè),構(gòu)成對(duì)稱分布,通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)在壁面上穩(wěn)定行走。清洗刷是實(shí)現(xiàn)清潔功能的重要部分,可通過攜帶清洗刷對(duì)爐體或其他壁面進(jìn)行清洗。

圖5 清掃結(jié)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)作為清掃機(jī)構(gòu)的一部分,其主要作用是控制吸盤的真空度以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的吸附。如王浩等[9]提到的一種配有新型自動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的履帶吸盤式爬壁清潔機(jī)器人,這種新型配氣機(jī)構(gòu)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸盤的配氣。

2.3 缺陷識(shí)別功能

該模塊采用線掃相機(jī)進(jìn)行圖像采集,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。線掃相機(jī)與小車行進(jìn)速度匹配,自動(dòng)調(diào)整采樣率,可在爬壁機(jī)器人行進(jìn)過程中采集圖像并將圖像發(fā)送會(huì)后臺(tái)控制端,后端服務(wù)器可根據(jù)圖片初步識(shí)別水冷壁管缺陷。在相機(jī)鏡頭周圍設(shè)計(jì)了照明燈,為線掃相機(jī)提供照明,照明燈環(huán)供電電壓為12 V,每個(gè)燈為3 W,共8個(gè)燈珠。

圖6 相機(jī)安裝結(jié)構(gòu)

2.4 測(cè)厚功能

水冷壁爬壁機(jī)器人能夠在行進(jìn)時(shí)對(duì)水冷壁測(cè)厚[9],本次設(shè)計(jì)采用電磁超聲無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)水冷壁進(jìn)行測(cè)厚,測(cè)厚功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。作為一種新發(fā)展起來的超聲無損檢測(cè)技術(shù),電磁超聲可以在檢測(cè)探頭與被檢測(cè)材料表面不接觸的情況下,實(shí)現(xiàn)聲波的發(fā)射和接收。電磁超聲在檢測(cè)過程中,探頭和被檢測(cè)材料之間不需要借助耦合劑作為聲波傳輸介質(zhì)。同時(shí),通過改變探頭內(nèi)部檢測(cè)線圈和磁場(chǎng)的配置方式,可以在被檢測(cè)材料內(nèi)部激發(fā)出多種類型的超聲波信號(hào)。該技術(shù)具有不接觸、檢測(cè)速度快、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為無損檢測(cè)技術(shù)中的重要技術(shù)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水冷壁爬壁機(jī)器人可以有效替代電廠內(nèi)人工防磨巡檢,不但可以檢測(cè)水冷壁外觀缺陷,還可以測(cè)量水冷壁爐管厚度,進(jìn)而評(píng)估水冷壁爐管腐蝕情況。將該型爬壁機(jī)器人應(yīng)用于水冷壁防磨檢査工作中,可以提高巡檢效率、降低巡檢成本、改善工作條件,還可以發(fā)現(xiàn)微小缺陷,將爆管事故扼殺在萌芽狀態(tài)。下階段,筆者將對(duì)該爬壁機(jī)器人系統(tǒng)功能進(jìn)一步優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)更科學(xué)精確的水冷壁防磨檢測(cè)及爐管腐蝕情況評(píng)估。