對(duì)流室爐管外壁清洗機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李守忠， 李海濤,2， 劉平義， 劉凱凱， 太健健， 楊亞飛

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083; 2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

加熱爐、裂解爐是化工生產(chǎn)中的主要耗能裝備之一，由輻射室、對(duì)流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器及通風(fēng)系統(tǒng)五部分組成，由輻射室排出的煙氣在對(duì)流室內(nèi)進(jìn)行換熱. 對(duì)流室內(nèi)布置有多層爐管，每層多根，單根長度可達(dá)10 m以上. 管的中間分布有橫隔板用于支撐爐管，部分橫隔板高出第一層爐管，爐管主要采用等邊三角形排列方式.

為提高傳熱效率，對(duì)流室內(nèi)爐管采用翅片管或釘頭管. 在對(duì)流室長期運(yùn)行過程中，煙氣中的油焦、碳粉、硫化物、礦物質(zhì)等固體顆粒與爐管外壁相互碰撞. 由于慣性力的作用，部分顆粒沉積在爐管翅片表面形成積灰或污垢. 積灰或污垢的產(chǎn)生將降低爐管傳熱效率，造成能源浪費(fèi)[1]；還會(huì)腐蝕爐管，降低使用壽命，造成安全隱患.

目前已有的爐管清洗方式分在線清洗與離線清洗兩種，在線清洗指采用吹灰器吹除灰塵[2]. 在線清洗方式清洗效果較差，仍需在對(duì)流室停工期間采用其他清洗方式對(duì)爐管外壁進(jìn)行清洗. 離線清洗主要包括化學(xué)噴淋清洗、干冰清洗和人工高壓水射流清洗等方式. 化學(xué)噴淋清洗是指向爐管表面噴淋化學(xué)試劑，利用化學(xué)試劑的潤濕、滲透及剝離作用清除爐管表面的污垢，該清洗方式存在較大清洗死角，當(dāng)爐管層數(shù)較多時(shí)不適用，清洗液中的酸性及腐蝕性試劑會(huì)對(duì)爐管表面造成損傷，廢液如不能妥善處理將會(huì)造成環(huán)境污染[3]. 干冰清洗是利用干冰制備機(jī)把CO2制成一定規(guī)格的干冰顆粒，然后利用壓縮空氣將干冰顆粒高速噴射到爐管表面，利用干冰的物理特性對(duì)爐管進(jìn)行清洗作業(yè). 干冰制備費(fèi)用較高，且干冰清洗多采用人工作業(yè)方式，存在較大清洗死角，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大.

高壓水射流清洗作為一種新型清洗方式效果較好，相較于其他清洗方式，具有不損傷物體、不污染環(huán)境、清洗作業(yè)范圍廣以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而在對(duì)流室爐管外壁清洗中逐漸被采用，但配套設(shè)備尚不完善，目前大多采用人工手持方式進(jìn)行作業(yè)，人工作業(yè)只能通過觀察孔對(duì)第一層爐管的部分區(qū)域進(jìn)行清洗，作業(yè)范圍較小，勞動(dòng)強(qiáng)度較大[4].

有鑒于此，文中設(shè)計(jì)一種對(duì)流室爐管外壁清洗機(jī)，該清洗機(jī)噴桿可噴射高壓水射流沖擊管壁清除灰塵與污垢. 噴桿可伸至不同層以完成對(duì)流室內(nèi)各層爐管的清洗，清洗范圍較大，機(jī)械化作業(yè)可降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度.

1 清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)構(gòu)成如圖1所示，借助行走輪與導(dǎo)向輪，清洗機(jī)可沿爐管軸線行走，到達(dá)作業(yè)位置后，噴桿下擺至預(yù)定角度，噴頭噴射高壓水射流清洗爐管. 清洗不同層爐管時(shí)，噴桿需下擺至不同角度. 當(dāng)清洗機(jī)運(yùn)行至支撐板障礙前時(shí)，噴桿上擺至水平，清洗機(jī)可借助越障輪翻越障礙.

1.1 行走-導(dǎo)向-越障輪組設(shè)計(jì)

針對(duì)以上需求，設(shè)計(jì)了一種具有行走-導(dǎo)向-越障功能的輪組，如圖2所示. 其中連接軸與傳動(dòng)軸通過螺釘連接，行走輪與越障輪固連在連接軸上，錐形導(dǎo)向輪空套在連接軸上[5].

如圖3所示，兩行走輪分別與相鄰兩根爐管外表面接觸，行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)清洗機(jī)在爐管上前進(jìn)或后退. 相鄰兩爐管在實(shí)際安裝中軸線不能做到完全平行[6]，

積蓄灰塵后，爐管外壁形狀變得不規(guī)則，清洗機(jī)在爐管上有脫離爐管運(yùn)行的趨勢(shì)，錐形設(shè)計(jì)的導(dǎo)向輪的存在將限制清洗機(jī)的行走方向，使清洗機(jī)能穩(wěn)定地沿爐管軸線運(yùn)行[7].

輪組的最外側(cè)布置有兩越障輪，越障輪外沿采用齒形設(shè)計(jì)，導(dǎo)向輪與越障輪位于相鄰兩爐管間隙內(nèi). 清洗機(jī)越障流程如圖4所示. 由于越障輪尺寸大于行走輪與導(dǎo)向輪尺寸，當(dāng)清洗機(jī)運(yùn)行至障礙前時(shí)，越障輪輪沿上的齒首先與障礙接觸，輪組繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，清洗機(jī)前輪組翻越障礙. 同理，借助后輪組越障輪，清洗機(jī)整體可越過障礙.

行走、導(dǎo)向與越障是清洗機(jī)底盤必須具有的三個(gè)功能，行走-導(dǎo)向-越障輪組的提出可以簡化清洗機(jī)底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在文中所述工作環(huán)境下，借助此輪組，清洗機(jī)可實(shí)現(xiàn)行走導(dǎo)向越障功能.

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)通過噴射高壓水射流沖擊管壁實(shí)現(xiàn)爐管的清洗. 對(duì)流室內(nèi)爐管多層多根密集排列，清洗機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)流室內(nèi)所有爐管的清洗，需設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使噴桿可下擺至不同層爐管管縫處.

采用等邊三角形排列方式的爐管束截面如圖5所示，采用這種排列方式的爐管束，噴桿正好可以沿管縫上下擺動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生干涉. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)需能使噴桿下擺至圖5所示位置，清洗機(jī)擬選用自旋式高壓

噴頭，該噴頭能噴射扇形高壓水柱，可增大清洗范圍，配合其自旋功能可保障爐管上下表面清洗徹底.

如圖6所示，清洗機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由前后安裝架、電動(dòng)推桿、噴桿夾持部件、噴桿、滑動(dòng)軸承等幾部分組成. 電動(dòng)推桿前端安裝孔與噴桿夾持部件鉸接，并通過前安裝架安裝在車身上，電動(dòng)推桿尾部安裝孔與后安裝架鉸接，后安裝架與車身固連.

清洗機(jī)清洗不同層爐管時(shí)，噴頭應(yīng)伸至當(dāng)前清洗層管縫處，噴桿需與車身呈不同角度，這就要求清洗機(jī)噴桿可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)功能[8]. 由于噴桿夾持部件可繞滑動(dòng)軸承中心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)清洗機(jī)噴桿需下擺時(shí)，電動(dòng)推桿伸長，當(dāng)清洗機(jī)噴桿需上擺時(shí)，電動(dòng)推桿縮短. 清洗機(jī)清洗不同層爐管時(shí)具有特定的角度，對(duì)應(yīng)電動(dòng)推桿具有不同的伸出長度.

如圖7所示，借助以上執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在清洗不同層爐管時(shí)，清洗機(jī)噴桿可精確定位在不同角度，噴頭位于所清洗層管縫處. 清洗機(jī)沿爐管軸線運(yùn)動(dòng)，噴頭旋轉(zhuǎn)噴射扇形高壓水射流，可實(shí)現(xiàn)整段爐管的清洗.

1.3 建模仿真與參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)上述原理，完成了清洗機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了清洗機(jī)整機(jī)的三維模型如圖8所示. 為優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)以提升清洗機(jī)運(yùn)行性能，并得出清洗機(jī)運(yùn)行極限參數(shù)，對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真.

首先在Solidworks中建立仿真三維模型，將此三維模型存儲(chǔ)為中間格式，并導(dǎo)入ADAMS中，其界面如圖9所示. 然后設(shè)置重力加速度方向、工作網(wǎng)格和工作坐標(biāo)面及單位；添加前后車軸與車身之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副以及前后車軸與導(dǎo)向輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副；在前后車軸與車身的旋轉(zhuǎn)自由度上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng). 最后分別改變清洗機(jī)行走輪材質(zhì)、行走輪尺寸、軸距、側(cè)向力大小及爐管傾斜角度等參數(shù)得出仿真結(jié)果，觀察所得曲線及數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

① 清洗機(jī)采用尼龍、鋁質(zhì)或鋼質(zhì)行走輪時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)性較好，行走輪采用橡膠材質(zhì)時(shí)，輪組所受沖擊

力較大，清洗機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性較差.

② 適當(dāng)增大清洗機(jī)行走輪尺寸可增加清洗機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性，但是行走輪尺寸的增加將導(dǎo)致清洗機(jī)本體質(zhì)量的大幅度增加，會(huì)造成清洗機(jī)運(yùn)行能耗增大.

③ 清洗機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性隨清洗機(jī)軸距的增大而增加，當(dāng)清洗機(jī)軸距大于320 mm時(shí)，清洗機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性隨軸距增大變化不明顯. 清洗機(jī)軸距增大時(shí)，底盤需做適度加長，將增加清洗機(jī)整機(jī)質(zhì)量.

④ 清洗機(jī)最大可承受50 N側(cè)向力，超出此范圍清洗機(jī)將脫離爐管.

⑤ 當(dāng)爐管與地面平行時(shí)，尼龍行走輪可滿足作業(yè)要求；當(dāng)爐管傾斜角度小于5°時(shí)，鋁質(zhì)行走輪可滿足作業(yè)要求；當(dāng)爐管傾斜角度小于10°時(shí)，鋼質(zhì)行走輪可滿足作業(yè)要求.

綜上所述，為增加清洗機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性，可選用尼龍、鋁質(zhì)、鋼質(zhì)行走輪，行走輪直徑確定為150 mm，軸距確定為320 mm. 清洗機(jī)可承受小于50 N的側(cè)向力，當(dāng)超過此數(shù)值時(shí)，清洗機(jī)不能正常工作；當(dāng)爐管近似平行于地面時(shí)，可采用尼龍材質(zhì)行走輪，當(dāng)爐管傾斜角度小于5°時(shí)，可采用鋁質(zhì)行走輪，當(dāng)爐管傾斜角度小于10°時(shí)，可采用鋼質(zhì)行走輪.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)由觀察孔被放入對(duì)流室，操作者在對(duì)流室外通過控制柜實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗機(jī)的遠(yuǎn)程控制，清洗機(jī)預(yù)設(shè)有手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種運(yùn)行模式.

如圖10所示，清洗機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：前后攝像頭、上位機(jī)、下位機(jī)、編碼器與超聲波測(cè)距傳感器.

攝像頭采集到的圖像回傳給控制箱上的屏幕1和2，以實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)清洗機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與清洗效果的實(shí)時(shí)監(jiān)控；清洗機(jī)采用上下位機(jī)通信方案實(shí)現(xiàn)控制，上下位機(jī)之間采用RS-232通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信. 上位機(jī)由串口屏與Arduino控制板卡1組成，安裝在外部控制箱內(nèi)，由人直接操作，其主要功能是實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)初始化、向下位機(jī)發(fā)送指令，控制清洗機(jī)運(yùn)行以及顯示清洗機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等. 當(dāng)選擇手動(dòng)作業(yè)模式時(shí)，如圖11所示，串口屏上將出現(xiàn)清洗機(jī)手動(dòng)運(yùn)行控制頁面，通過點(diǎn)按此頁面上的虛擬按鍵，操作者可實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗機(jī)的遠(yuǎn)程控制；下位機(jī)是一塊實(shí)現(xiàn)具體功能的Arduino控制板卡2，安裝在清洗機(jī)上直接控制小車上各作業(yè)部件的動(dòng)作. 其功能包括接收上位機(jī)發(fā)送的指令以控制清洗機(jī)動(dòng)作、向上位機(jī)發(fā)送傳感器值和小車在線狀態(tài)等. 清洗機(jī)要完成作業(yè)，另需設(shè)計(jì)各種輔助設(shè)備，包括用于主動(dòng)收放清洗機(jī)后拖拽管線的排線排管裝置以及用于清洗機(jī)換行的輔助換行裝置. 根據(jù)清洗機(jī)上下位機(jī)功能設(shè)計(jì)，借助清洗機(jī)上搭載的各種傳感器以及附屬的排線排管、換行等輔助設(shè)備，清洗機(jī)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行作業(yè).

3 整機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

根據(jù)上述設(shè)計(jì)搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)采用尼龍作為行走輪、導(dǎo)向輪制造材料，清洗機(jī)最大行走速度為2 m/min，最小行走速度為0.5 m/min.

根據(jù)清洗機(jī)作業(yè)環(huán)境，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，其中爐管管徑154 mm，爐管采用等邊三角形排列方式，同層相鄰爐管中心距為200 mm. 如圖12所示，該試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置三層爐管，每層兩根，爐管中間設(shè)置一處障礙，障礙寬110 mm，障礙高出第一層爐管上表面34 mm. 運(yùn)用以上試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行清洗機(jī)行走越障以及噴桿升降等試驗(yàn).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

清洗機(jī)可在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)管上行走及越障功能，可平穩(wěn)越過橫隔板障礙；噴桿可實(shí)現(xiàn)上升下降功能，可精確定位在預(yù)定角度；當(dāng)選擇自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，清洗機(jī)可根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動(dòng)完成模擬作業(yè)過程.

4 結(jié)束語

清洗機(jī)借助行走-導(dǎo)向-越障輪組可實(shí)現(xiàn)管上行走功能，運(yùn)行平穩(wěn)，導(dǎo)向性能好，可實(shí)現(xiàn)較為平穩(wěn)的越障功能. 噴桿能夠在電動(dòng)推桿的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)升降功能，噴頭可精確定位在不同層爐管管縫處，清洗機(jī)機(jī)械本體部分設(shè)計(jì)可滿足作業(yè)要求. 借助上下位機(jī)控制方案以及控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)運(yùn)行，完成清洗機(jī)模擬作業(yè)的整套流程，清洗機(jī)控制方案設(shè)計(jì)較為合理有效. 對(duì)流室爐管外壁清洗機(jī)在試驗(yàn)工況下可實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，加裝高壓水射流系統(tǒng)后可完成爐管的清洗作業(yè)，該清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為對(duì)流室爐管外壁清洗提供了一套有效的方案，并為其他管式加熱設(shè)備爐管清洗作業(yè)提供思路.