一種基于超聲波的管道清洗模塊系統(tǒng)的方案設(shè)想＊

李振聰，李一平，陳紹蕊，陳志宏，李銳鵬

（中國計量大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江 杭州 310002）

隨著工業(yè)的發(fā)展，在各個工業(yè)場景、居民日常生活中都會應(yīng)用到管道。在日常使用管道的過程中，會出現(xiàn)積污結(jié)垢等現(xiàn)象，若不及時清理則會出現(xiàn)腐蝕、裂紋、凹陷或變形等損壞現(xiàn)象[1]。因此，為維護管道的正常使用，管理人員通常會定期安排人員對管道進行檢查、維修和清潔。

管道的清洗方法可分為物理清洗、化學(xué)清洗和混合清洗。物理清洗多是使用水流壓力或者刷頭等外力強行將污物剝落，化學(xué)清洗多是使用一些對污物起作用的化學(xué)藥劑對污物進行分解和剝落，混合清洗則是將物理清洗和化學(xué)清洗結(jié)合起來。而大部分管道由于空間狹小難以進行人工清潔，故常用管道機器人進行清潔工作。而現(xiàn)有的管道機器人進行清洗作業(yè)時，常用的方式均為物理清洗，例如使用刷子、刮頭等接觸式清洗工具。這種清洗方式并不能完全清除管道內(nèi)的污垢，而且這種接觸式清潔還會對管壁造成損傷。損傷會進一步加劇積污結(jié)垢的現(xiàn)象[2]。

在日常生活及科研中，超聲波經(jīng)常被用來去污及清洗，且被應(yīng)用于清洗各種不同材質(zhì)的物體[3]。其工作原理利用了超聲波的空化效應(yīng)。基于空化效應(yīng)[4]，可使用超聲波清洗精密金屬零件、眼鏡、碗筷、衣服等，且超聲波能夠?qū)芏喾N類的污垢起到清洗作用，這是接觸式清洗所不具有的。

為此，本文提出基于超聲波原理的管道清洗模塊，其可在管道內(nèi)進行清洗，從而達到更高效清潔的清洗效果。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

使用超聲波清洗管道時主要存在以下問題：①能量損耗。能量損耗過大會導(dǎo)致清洗效果全無，使用隔絕機構(gòu)可將清洗范圍限制在一個區(qū)域，減小超聲波清洗振頭的清洗功率。②“死區(qū)”?！八绤^(qū)”指超聲波工作一段時間后水溫上升到一定溫度，此時超聲波清洗效率最低。而使用注排機構(gòu)加入合適溫度的水方便超聲波剝離污物，提高清洗效率。③駐波。駐波影響清洗效果，使用伸縮機構(gòu)可以調(diào)整距離，不僅可以消除駐波的影響，還可以使超聲波清洗振頭盡可能靠近管壁，減少能量損耗，提高清洗效率。

此外，結(jié)構(gòu)不合理等問題也可能影響系統(tǒng)正常工作。使用穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)可時刻保持在管道中心位置，使用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可使超聲波清洗振頭清洗管壁一周而無死角。為使超聲波清洗組件在管道內(nèi)高效穩(wěn)定運行，超聲波管道清洗系統(tǒng)由被動式行進機構(gòu)，超聲波清洗機構(gòu)，穩(wěn)定支撐機構(gòu)，伸縮、旋轉(zhuǎn)、隔絕機構(gòu)和注排機構(gòu)組成。

管道超聲波清洗組件控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。超聲波清洗組件初步三維模型如圖2 所示。

圖1 管道超聲波清洗組件控制系統(tǒng)框圖

圖2 超聲波清洗組件初步三維模型

各部分功能如表1 所示。

表1 各部分功能

2 程序設(shè)計

該設(shè)計中直流電機的驅(qū)動采用L298N 驅(qū)動芯片。超聲波清洗過程中不需要精確調(diào)速，都可以事先調(diào)試好，但為滿足自動化的需要，該設(shè)計中總共有4 臺驅(qū)動電機，采用2 個L298N 芯片進行驅(qū)動。

由超聲波清洗振頭伸縮部分，管徑不同旋轉(zhuǎn)的速度也不同。伸縮部分和旋轉(zhuǎn)部分調(diào)速時，使用ATmega64 單片機、采用快PWM 模式產(chǎn)生高頻的PWM波形即可。注排機構(gòu)和隔絕機構(gòu)的泵機在管道外，其使用單片機控制。

為改變現(xiàn)有機器人只能對一些特定的管徑進行清洗作業(yè)的現(xiàn)狀，該設(shè)計中，清洗組件使用4 個驅(qū)動源，采用了伸縮機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、隔絕機構(gòu)和注排機構(gòu)，適用于不同管徑的清洗作業(yè)。為準(zhǔn)確實現(xiàn)自動定心，在伸縮機構(gòu)上的超聲波清洗振頭處安裝了傳感器（觸碰開關(guān)和限位開關(guān)），對其進行軟件設(shè)計，采集觸碰開關(guān)和限位開關(guān)的狀態(tài)，再根據(jù)狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作，最終達到組件自動定心的目的。該部分軟件設(shè)計的程序流程如圖3 所示。

圖3 自動定心程序流程圖

3 結(jié)束語

為達到更高效清潔的清洗效果且避免管道損傷，本文提出了基于超聲波原理的管道清洗模塊設(shè)計方案。常見的清洗方法都是直接與管壁進行接觸，容易對管壁造成磨損，而使用超聲波可克服這個問題；且對比一些管道清洗不干凈的問題，超聲波全面清洗更干凈，對常見的污垢也有很好的清洗效果；擁有自適應(yīng)的超聲波清洗組件也能適應(yīng)不同管徑的管道。而為實現(xiàn)基于超聲波原理的管道清洗，管道超聲波清洗模塊件僅需由機器牽拉或管道行進機器人搭載的方式在管內(nèi)行進，即可完成清洗工作。本設(shè)計為管道清洗機器人提供一個更安全與高效的超聲波清洗方案。