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)電廠在對煤灰進(jìn)行運輸處理時，一般選用陸路運輸和陸下管道運輸，其中陸路運輸主要是通過運輸卡車將其拉走再進(jìn)行傾倒填埋等，陸下運輸主要是將煤灰粉加水稀釋，形成具有一定濃度的漿液，通過地下埋藏的管道進(jìn)行運送，之后再做一些后續(xù)處理。隨著人們環(huán)保意識的不斷地提高，后者被提倡，并且被應(yīng)用。在管道運輸煤灰粉的過程中，煤灰粉由于所含物質(zhì)具有的物理性質(zhì)，會在一定程度上粘結(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)的管道除垢問題就產(chǎn)生了。

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

針對在管道使用過程中發(fā)生的問題，國內(nèi)外部分研究人員對問題進(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，按處理的機理進(jìn)行分類，可以簡單分為物理清洗法及化學(xué)清洗法。

二、管道機器人的設(shè)計要求

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

筆者以現(xiàn)有的設(shè)計要求為背景，加上設(shè)計任務(wù)書要求（一是輸灰管道直徑限制在φ250～φ300mm范圍內(nèi)；二是機器人的行走速度要根據(jù)銑削時的進(jìn)給速度進(jìn)行選擇與設(shè)計），將二者進(jìn)行結(jié)合，通過功能對比及設(shè)計優(yōu)化來實現(xiàn)作業(yè)功能件，確定最終方案。筆者以下設(shè)計主要通過自由形態(tài)設(shè)計以及軟件輔助模型設(shè)計，來完成銑削機構(gòu)本體的形態(tài)。

一是通過對管道的分析，對銑削機構(gòu)上的各種配置組件進(jìn)行自由設(shè)計，主要涉及的組件有銑削刀具部分、機體承載部分以及電動機部分。二是通過對模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在工程軟件Pro/E中進(jìn)行構(gòu)建及裝配，實現(xiàn)整個機構(gòu)的三維可視化。

三、輸灰管道機器人銑削機構(gòu)的設(shè)計方案

1.銑削刀具設(shè)計方案

根據(jù)實時工作情況，對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)計選擇物理除污法，刀具結(jié)構(gòu)采用自行設(shè)計。通過對現(xiàn)有的幾種物理方法進(jìn)行簡要分析，并確定最終方案及刀具形態(tài)設(shè)計。

本設(shè)計綜合人工擊振方式以及移動銑削機械式兩種方案進(jìn)行刀具設(shè)計。刀具架設(shè)在移動機器（管道機器人）上并由電動機帶動，使得刀具繞著電動機軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在刀具旋轉(zhuǎn)的過程中，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槽口，在連接的同時能夠相對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機軸上，開始使用一塊支撐鈑金件，在對應(yīng)的兩邊分別安裝上兩個刀具（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)機器本體前進(jìn)的附加作用，減小行走機構(gòu)的負(fù)載。

2.作業(yè)電動機設(shè)計方案

根據(jù)銑削環(huán)境，銑削機構(gòu)的作業(yè)電動機由于受到外殼直徑的限制，故不能從現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電動機中選擇。電動機的設(shè)計需要滿足兩方面的要求，一是外殼直徑根據(jù)實際工作情況，需要限制在直徑為φ100mm的范圍之內(nèi)；二是根據(jù)電動機作業(yè)的情況，其額定功率不能小于1kW。根據(jù)情況參照選取無刷直流電動機，生產(chǎn)商為寧波安川大道機電科技有限公司，電動機型號為：36BL.100.550.005。電動機安裝在萬向調(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。

3.萬向調(diào)整組件設(shè)計方案

管道在長期使用后，難以避免會出現(xiàn)內(nèi)壁貼合了一些難以甚至不能去除的東西。管道機器人在用常規(guī)設(shè)計的銑削頭進(jìn)行作業(yè)時，在管道內(nèi)作業(yè)的銑削機構(gòu)往往會發(fā)生打刀故障，甚至機器電動機燒毀，導(dǎo)致機器損毀。針對這些問題，有必要去設(shè)計一種具有柔性的銑削頭，當(dāng)銑削部件的刀具運動到此位置時，可以利用自身的柔性避開管道內(nèi)壁上的貼合物質(zhì)，從而可以延長刀具的使用壽命，也使得管道機器人的作業(yè)過程更加順利。

為了達(dá)到預(yù)期效果，這里的結(jié)構(gòu)設(shè)計時是根據(jù)萬向陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)和優(yōu)化而來的。裝置是將陀螺儀的最外圈與機器人銑削機構(gòu)的整體機架焊接在一起，內(nèi)圈通過兩銷軸固定在電動機的外圓柱面，從而使得電動機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，則可以通過在電動機組件外面包裹的外殼后蓋，添加一個口沿，利用拉簧與平衡輪基盤進(jìn)行連接來保持平衡，使之在一定角度范圍之內(nèi)進(jìn)行可控轉(zhuǎn)動。

4.定心平衡輪組件設(shè)計方案

銑削裝置進(jìn)行作業(yè)時，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)對管道內(nèi)壁進(jìn)行切削而產(chǎn)生出較大的扭力，會使整個管道機器人裝置具有向相反方向轉(zhuǎn)動的趨勢，所以需要設(shè)計一種能夠在起到支撐作用的同時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，對機器人本體進(jìn)行設(shè)計，能夠達(dá)到良好的支撐作用，同時每個支撐腿所承受刀具帶來的扭力也不至于過大。

在設(shè)計時考慮到管道直徑也會有所變化，所以在平衡輪組件中使用凸輪機構(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)計方案

輸灰管道機器人本體形態(tài)是自由設(shè)計的，除了機械功能部件以外，還配置有電路控制模塊部分，并將其分成兩塊，機器人部分安裝在銑削電動機后端處，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，能夠讓其實現(xiàn)機器操作的可控性，幫助其對自身的環(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)過程中遇到大塊異常物體而不能實現(xiàn)銑削時，電路控制模塊會啟動自我保護，使得銑削刀具以及行走裝置都能及時有效停止。

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，對機器人的工作模式進(jìn)行及時、適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

四、銑削機構(gòu)特點簡述及配置速度

銑削機構(gòu)與行走機構(gòu)在設(shè)計時為分離體。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)勢，首先能夠為管道的轉(zhuǎn)彎空間帶來很大提升，相較于整體式設(shè)計，它的轉(zhuǎn)彎角度擴大到原來的6倍，這意味著它的作業(yè)環(huán)境會更廣；其次在增加了一組支撐輪后，只要具有相應(yīng)的動力裝置，它就能獨立在管道中進(jìn)行作業(yè)；最后分離式設(shè)計也使得機器本體的動力裝置更換方便快捷，在維修上也具有很大的便利。

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

（作者單位：江蘇省東臺中等專業(yè)學(xué)校）