輸灰管道機(jī)器人銑削結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

方濤+梅曉榮

煤粉灰的主要成分是鈣、鎂等物質(zhì)形成的混合物?；鹆Πl(fā)電廠在對(duì)煤灰進(jìn)行運(yùn)輸處理時(shí)，一般選用陸路運(yùn)輸和陸下管道運(yùn)輸，其中陸路運(yùn)輸主要是通過(guò)運(yùn)輸卡車將其拉走再進(jìn)行傾倒填埋等，陸下運(yùn)輸主要是將煤灰粉加水稀釋，形成具有一定濃度的漿液，通過(guò)地下埋藏的管道進(jìn)行運(yùn)送，之后再做一些后續(xù)處理。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷地提高，后者被提倡，并且被應(yīng)用。在管道運(yùn)輸煤灰粉的過(guò)程中，煤灰粉由于所含物質(zhì)具有的物理性質(zhì)，會(huì)在一定程度上粘結(jié)在管道內(nèi)壁上，逐漸積累形成管壁垢層，導(dǎo)致管道的運(yùn)送能力下降，甚至阻礙管道的正常輸送，因此相應(yīng)的管道除垢問(wèn)題就產(chǎn)生了。

一、現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外管道清污技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及設(shè)計(jì)要求

針對(duì)在管道使用過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外部分研究人員對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，并且得到了部分成果，把他們的研究成果進(jìn)行綜合，按處理的機(jī)理進(jìn)行分類，可以簡(jiǎn)單分為物理清洗法及化學(xué)清洗法。

二、管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

在綜合考慮國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展情況及實(shí)際使用狀況的基礎(chǔ)上，可以得出在進(jìn)行管道機(jī)器人的銑削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意的有以下幾個(gè)問(wèn)題：管道的尺寸需要和機(jī)器人的最大直徑相貼合；對(duì)刀具的設(shè)計(jì)在性能上要匹配工作環(huán)境；銑削裝置的驅(qū)動(dòng)能源提供方案要合理；銑削的效果和現(xiàn)有的清污方法對(duì)比，其在某些方面應(yīng)有明顯的優(yōu)勢(shì)；銑削裝置應(yīng)具有自我保護(hù)模式以及良好的人機(jī)交互功能。

筆者以現(xiàn)有的設(shè)計(jì)要求為背景，加上設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求（一是輸灰管道直徑限制在φ250～φ300mm范圍內(nèi)；二是機(jī)器人的行走速度要根據(jù)銑削時(shí)的進(jìn)給速度進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)），將二者進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)功能對(duì)比及設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能件，確定最終方案。筆者以下設(shè)計(jì)主要通過(guò)自由形態(tài)設(shè)計(jì)以及軟件輔助模型設(shè)計(jì)，來(lái)完成銑削機(jī)構(gòu)本體的形態(tài)。

一是通過(guò)對(duì)管道的分析，對(duì)銑削機(jī)構(gòu)上的各種配置組件進(jìn)行自由設(shè)計(jì)，主要涉及的組件有銑削刀具部分、機(jī)體承載部分以及電動(dòng)機(jī)部分。二是通過(guò)對(duì)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在工程軟件Pro/E中進(jìn)行構(gòu)建及裝配，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的三維可視化。

三、輸灰管道機(jī)器人銑削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

1.銑削刀具設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)時(shí)工作情況，對(duì)管道的除污方法基本可以歸為兩大類，一是物理法，二是化學(xué)法。本設(shè)計(jì)選擇物理除污法，刀具結(jié)構(gòu)采用自行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的幾種物理方法進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并確定最終方案及刀具形態(tài)設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)綜合人工擊振方式以及移動(dòng)銑削機(jī)械式兩種方案進(jìn)行刀具設(shè)計(jì)。刀具架設(shè)在移動(dòng)機(jī)器（管道機(jī)器人）上并由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，使得刀具繞著電動(dòng)機(jī)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在刀具旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，刀具緊貼著管道內(nèi)壁，并適應(yīng)內(nèi)壁的情況，且具有一定的半徑變化，以達(dá)到能夠適應(yīng)一定范圍變化的管道的目的。

按照以上的刀具要求，將銑削刀具設(shè)計(jì)成多片可分離式組合刀具，選擇刀具類似敲擊錘的形態(tài)，且連接的部位具有一定的滑動(dòng)槽口，在連接的同時(shí)能夠相對(duì)連接中心具有一定的半徑變化。由此聯(lián)想到銑削刀具安裝在電動(dòng)機(jī)軸上，開(kāi)始使用一塊支撐鈑金件，在對(duì)應(yīng)的兩邊分別安裝上兩個(gè)刀具（敲擊錘）。如果銑削的污垢層較厚，還需要在鈑金上再添加一塊鈑金，上面再安裝上兩個(gè)刀具，并與第一組安裝的刀具成90度的角度偏差。應(yīng)注意的是第一組刀具切削的直徑范圍應(yīng)比第二組安裝的刀具切削直徑范圍大。其他方面可以在鈑金件的邊緣設(shè)置一些折彎葉片，這樣可以具有推進(jìn)機(jī)器本體前進(jìn)的附加作用，減小行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載。

2.作業(yè)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)銑削環(huán)境，銑削機(jī)構(gòu)的作業(yè)電動(dòng)機(jī)由于受到外殼直徑的限制，故不能從現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)中選擇。電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要滿足兩方面的要求，一是外殼直徑根據(jù)實(shí)際工作情況，需要限制在直徑為φ100mm的范圍之內(nèi)；二是根據(jù)電動(dòng)機(jī)作業(yè)的情況，其額定功率不能小于1kW。根據(jù)情況參照選取無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)商為寧波安川大道機(jī)電科技有限公司，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：36BL.100.550.005。電動(dòng)機(jī)安裝在萬(wàn)向調(diào)整組件內(nèi)圈相連接的鋼桶內(nèi)部，并用螺釘進(jìn)行固定。

3.萬(wàn)向調(diào)整組件設(shè)計(jì)方案

管道在長(zhǎng)期使用后，難以避免會(huì)出現(xiàn)內(nèi)壁貼合了一些難以甚至不能去除的東西。管道機(jī)器人在用常規(guī)設(shè)計(jì)的銑削頭進(jìn)行作業(yè)時(shí)，在管道內(nèi)作業(yè)的銑削機(jī)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生打刀故障，甚至機(jī)器電動(dòng)機(jī)燒毀，導(dǎo)致機(jī)器損毀。針對(duì)這些問(wèn)題，有必要去設(shè)計(jì)一種具有柔性的銑削頭，當(dāng)銑削部件的刀具運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)，可以利用自身的柔性避開(kāi)管道內(nèi)壁上的貼合物質(zhì)，從而可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，也使得管道機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程更加順利。

為了達(dá)到預(yù)期效果，這里的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)萬(wàn)向陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)和優(yōu)化而來(lái)的。裝置是將陀螺儀的最外圈與機(jī)器人銑削機(jī)構(gòu)的整體機(jī)架焊接在一起，內(nèi)圈通過(guò)兩銷軸固定在電動(dòng)機(jī)的外圓柱面，從而使得電動(dòng)機(jī)能夠在空間里全自由度旋轉(zhuǎn)。關(guān)于控制旋轉(zhuǎn)角度的方法，則可以通過(guò)在電動(dòng)機(jī)組件外面包裹的外殼后蓋，添加一個(gè)口沿，利用拉簧與平衡輪基盤(pán)進(jìn)行連接來(lái)保持平衡，使之在一定角度范圍之內(nèi)進(jìn)行可控轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.定心平衡輪組件設(shè)計(jì)方案

銑削裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，銑削裝置一方面需要基本的結(jié)構(gòu)支撐，另一方面由于刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行切削而產(chǎn)生出較大的扭力，會(huì)使整個(gè)管道機(jī)器人裝置具有向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，所以需要設(shè)計(jì)一種能夠在起到支撐作用的同時(shí)也具有一定的平衡扭力作用的輪子或輪組。本方案使用6組輪子，對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到良好的支撐作用，同時(shí)每個(gè)支撐腿所承受刀具帶來(lái)的扭力也不至于過(guò)大。

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到管道直徑也會(huì)有所變化，所以在平衡輪組件中使用凸輪機(jī)構(gòu)，使得輪子的半徑可以隨著管道的變化而變化。

5.控制電路模塊設(shè)計(jì)方案

輸灰管道機(jī)器人本體形態(tài)是自由設(shè)計(jì)的，除了機(jī)械功能部件以外，還配置有電路控制模塊部分，并將其分成兩塊，機(jī)器人部分安裝在銑削電動(dòng)機(jī)后端處，包裹在鋼桶內(nèi)，外部模塊安裝在控制端里。應(yīng)用了控制模塊之后，能夠讓其實(shí)現(xiàn)機(jī)器操作的可控性，幫助其對(duì)自身的環(huán)境做出判斷以及發(fā)出應(yīng)急反應(yīng)。比如銑削裝置在作業(yè)過(guò)程中遇到大塊異常物體而不能實(shí)現(xiàn)銑削時(shí)，電路控制模塊會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)，使得銑削刀具以及行走裝置都能及時(shí)有效停止。

電路模塊還配置有外部的顯示屏，進(jìn)行友好的交互，能夠讓操作者更好地去使用它，對(duì)機(jī)器人的工作模式進(jìn)行及時(shí)、適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

四、銑削機(jī)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)述及配置速度

銑削機(jī)構(gòu)與行走機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)為分離體。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)勢(shì)，首先能夠?yàn)楣艿赖霓D(zhuǎn)彎空間帶來(lái)很大提升，相較于整體式設(shè)計(jì)，它的轉(zhuǎn)彎角度擴(kuò)大到原來(lái)的6倍，這意味著它的作業(yè)環(huán)境會(huì)更廣；其次在增加了一組支撐輪后，只要具有相應(yīng)的動(dòng)力裝置，它就能獨(dú)立在管道中進(jìn)行作業(yè)；最后分離式設(shè)計(jì)也使得機(jī)器本體的動(dòng)力裝置更換方便快捷，在維修上也具有很大的便利。

以行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度表作為基本要求后，根據(jù)軟件模擬測(cè)試，得出銑削電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速配置與行走速度擋位、管道直徑、驅(qū)動(dòng)輪偏角的關(guān)系，且速度由機(jī)器上的管徑檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及機(jī)器擋位決定，如下表所示。

（作者單位：江蘇省東臺(tái)中等專業(yè)學(xué)校）