輸灰管道機器人銑削結構的設計

方濤+梅曉榮

煤粉灰的主要成分是鈣、鎂等物質形成的混合物。火力發電廠在對煤灰進行運輸處理時，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行運送，之后再做一些后續處理。隨著人們環保意識的不斷地提高，后者被提倡，并且被應用。在管道運輸煤灰粉的過程中，煤灰粉由于所含物質具有的物理性質，會在一定程度上粘結在管道內壁上，逐漸積累形成管壁垢層，導致管道的運送能力下降，甚至阻礙管道的正常輸送，因此相應的管道除垢問題就產生了。

一、現今國內外管道清污技術發展狀況及設計要求

針對在管道使用過程中發生的問題，國內外部分研究人員對問題進行了深入的分析，并且得到了部分成果，把他們的研究成果進行綜合，按處理的機理進行分類，可以簡單分為物理清洗法及化學清洗法。

二、管道機器人的設計要求

在綜合考慮國內外管道機器人的發展情況及實際使用狀況的基礎上，可以得出在進行管道機器人的銑削結構設計時，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；對刀具的設計在性能上要匹配工作環境；銑削裝置的驅動能源提供方案要合理；銑削的效果和現有的清污方法對比，其在某些方面應有明顯的優勢；銑削裝置應具有自我保護模式以及良好的人機交互功能。

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

一是通過對管道的分析，對銑削機構上的各種配置組件進行自由設計，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構設計，在工程軟件Pro/E中進行構建及裝配，實現整個機構的三維可視化。

三、輸灰管道機器人銑削機構的設計方案

1.銑削刀具設計方案

根據實時工作情況，對管道的除污方法基本可以歸為兩大類，一是物理法，二是化學法。本設計選擇物理除污法，刀具結構采用自行設計。通過對現有的幾種物理方法進行簡要分析，并確定最終方案及刀具形態設計。

本設計綜合人工擊振方式以及移動銑削機械式兩種方案進行刀具設計。刀具架設在移動機器（管道機器人）上并由電動機帶動，使得刀具繞著電動機軸進行旋轉。在刀具旋轉的過程中，刀具緊貼著管道內壁，并適應內壁的情況，且具有一定的半徑變化，以達到能夠適應一定范圍變化的管道的目的。

按照以上的刀具要求，將銑削刀具設計成多片可分離式組合刀具，選擇刀具類似敲擊錘的形態，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。應注意的是第一組刀具切削的直徑范圍應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置一些折彎葉片，這樣可以具有推進機器本體前進的附加作用，減小行走機構的負載。

2.作業電動機設計方案

根據銑削環境，銑削機構的作業電動機由于受到外殼直徑的限制，故不能從現有標準電動機中選擇。電動機的設計需要滿足兩方面的要求，一是外殼直徑根據實際工作情況，需要限制在直徑為φ100mm的范圍之內；二是根據電動機作業的情況，其額定功率不能小于1kW。根據情況參照選取無刷直流電動機，生產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整組件內圈相連接的鋼桶內部，并用螺釘進行固定。

3.萬向調整組件設計方案

管道在長期使用后，難以避免會出現內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設計的銑削頭進行作業時，在管道內作業的銑削機構往往會發生打刀故障，甚至機器電動機燒毀，導致機器損毀。針對這些問題，有必要去設計一種具有柔性的銑削頭，當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壁上的貼合物質，從而可以延長刀具的使用壽命，也使得管道機器人的作業過程更加順利。

為了達到預期效果，這里的結構設計時是根據萬向陀螺儀的基本結構加以改進和優化而來的。裝置是將陀螺儀的最外圈與機器人銑削機構的整體機架焊接在一起，內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。關于控制旋轉角度的方法，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行連接來保持平衡，使之在一定角度范圍之內進行可控轉動。

4.定心平衡輪組件設計方案

銑削裝置進行作業時，銑削裝置一方面需要基本的結構支撐，另一方面由于刀具旋轉對管道內壁進行切削而產生出較大的扭力，會使整個管道機器人裝置具有向相反方向轉動的趨勢，所以需要設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，對機器人本體進行設計，能夠達到良好的支撐作用，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，使得輪子的半徑可以隨著管道的變化而變化。

5.控制電路模塊設計方案

輸灰管道機器人本體形態是自由設計的，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，外部模塊安裝在控制端里。應用了控制模塊之后，能夠讓其實現機器操作的可控性，幫助其對自身的環境做出判斷以及發出應急反應。比如銑削裝置在作業過程中遇到大塊異常物體而不能實現銑削時，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行及時、適當的調節。

四、銑削機構特點簡述及配置速度

銑削機構與行走機構在設計時為分離體。這樣的設計結構具有很多的優勢，首先能夠為管道的轉彎空間帶來很大提升，相較于整體式設計，它的轉彎角度擴大到原來的6倍，這意味著它的作業環境會更廣；其次在增加了一組支撐輪后，只要具有相應的動力裝置，它就能獨立在管道中進行作業；最后分離式設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。

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

（作者單位：江蘇省東臺中等專業學校）