面向罐車罐體內壁清潔的電磁吸附爬壁清洗小車設計

郭自海* 陳 鍵 朱海清

（1.湖州市特種設備檢測研究院 2.江南大學）

0 引言

汽車罐車是一種重要的特種運輸車輛，在各種化工氣液體貨物運輸領域被廣泛應用。由于特殊的工作性質與環境，罐車每年都需進行全面檢驗以保障運輸安全[1]。在年度檢驗前需對汽車罐車罐體內部進行清洗，其目的一是為了將罐體內部殘留的固液體清除，降低罐體內部固液體揮發產生的毒性，保障工人進入罐體內部作業時的安全；二是為了清除附著在罐體內壁的鐵銹、殘留固體等影響后期罐體厚度測量的殘留物，保證罐體檢測的準確性。如果按每輛罐車每年清洗1.5次來計算，鑒于汽車罐車在市場上應用廣泛，清洗工作量非常巨大，人工清洗費時費力[2]。

隨著移動機器人技術的不斷發展與成熟，將罐車內部清洗的過程變得更加自動化與智能化逐漸成為可能[3-4]。將移動機器人與罐體內壁清潔技術相結合的自動化清潔技術已逐漸成為未來罐體內部清潔的發展趨勢。將爬壁機器人作為高壓噴淋裝置的載體，帶動噴淋裝置在罐體內壁自由移動，使其完成罐壁的全面清洗工作[5-6]。

1 小車的總體設計方案

1.1 爬壁小車整體尺寸

由于承壓類汽車罐車罐體內壁清潔難度較常壓類罐車更高，因此本文針對市面上存在的承壓類汽車罐車來設計清洗小車[7]。對某款汽車罐車罐體及其內部構造利用Solidworks進行三維建模，如圖1所示。

圖1 罐車罐體三維模型圖

圖1中罐體的總體尺寸為 2 300 mm×15 000 mm，罐體內部設置了六塊防浪板，用于減小內部液體晃動時帶來的沖擊，提高罐車行駛時的穩定性。這款罐車罐體內部的六塊防浪板間距為0.33 m，相鄰防浪板間的容積為15.48 m3，罐體的橫截面面積為4.15 m2，每塊防浪板面積為2.5 m2，防浪板上邊緣到罐體頂部的距離約為500 mm。為了使爬壁小車能夠從防浪板上邊緣穿過到達另一段罐體，爬壁清洗小車的高度應小于500 mm。最后，罐體供人員出入的圓孔開口尺寸一般為DN 400 mm，所以爬壁清洗小車要想由該孔進入需保證其總長度與總高度都小于400 mm。由此可以確定爬壁小車的總體尺寸，具體如表1所示。

表1 清洗小車主要設計參數

1.2 清洗小車的整體結構

本文設計的汽車罐車清洗小車共包括七大部分，其具體結構如圖2所示。

圖2 清洗小車軸測圖

（1） 承載車體

車體是容納與安裝其余六個部分的平臺。除圖2中所示的幾大機構模塊外，車體上還安裝了防水罩。車身外殼還裝配有照明系統，用于清洗小車視頻拍攝的照明。

（2） 輪系驅動機構

輪系驅動機構用來產生和傳遞力矩，是小車運動的動力來源。清洗小車采用四輪驅動、差速轉向的行走方式。車輪輪軸上的旋轉編碼器可測量爬壁小車的行駛速度。

（3）壁面磁力吸附機構

壁面磁力吸附機構主要由電磁鐵組成。安裝于底盤上的一圈電磁鐵在通電的情況下可提供足夠的吸附力，以克服在清洗及運動過程中使清洗小車脫離罐體壁面的作用力。

（4）壁面轉換牽引機構

壁面轉換牽引機構是小車在不同的工作面間完成壁面轉換的牽引機構。

（5）清潔噴刷機構

清潔噴刷機構是爬壁清洗小車執行清洗任務的機構。

（6）視頻拍攝與傳輸模塊

視頻拍攝與傳輸模塊可監控爬壁小車在罐體內部的工作情況并將內部畫面實時傳輸至罐車外部的上位機上。

（7）電力供應與運動控制模塊

電力供應與運動控制模塊為各種小車電力驅動元器件進行電力供應。另外小車的控制單元也安裝在此模塊中，使用單片機作為下位機接收上位機指令，控制各機構進行運動與工作。

2 關鍵零部件的設計

2.1 清潔噴刷機構設計

清潔噴刷機構是汽車罐車內部清洗工作的執行機構，也是整個爬壁清洗小車的核心部分之一。清潔噴刷機構既要有高壓清洗的功能又要能夠刮刷壁面。圖3為新設計的噴刷機構。

圖3 噴刷機構爆炸視圖

清潔噴刷機構由高壓噴頭零部件、行星輪傳動零部件和清潔鋼絲組件三個部分共同組成。在高壓噴頭部分，其一周安裝有3個噴頭，為了實現噴刷機構邊沖刷邊旋轉，在設計時使噴嘴噴出的高壓水流與壁面呈一定角度，在這3個噴嘴噴出水流產生的切向反沖力矩的作用下，噴頭組件進行自旋運動。鋼絲刷組件安裝在行星輪軸上，旋轉力矩通過行星輪傳遞到行星輪軸上，帶動鋼絲刷旋轉從而清潔罐體內壁表面。通過這種結構設計最終實現清洗小車實現邊沖刷邊清洗的作業工況。

2.2 俯仰牽引機構設計

為了提高小車對罐體內壁的清潔質量，避免罐體內部壁面角度對于清潔工作的阻礙，爬壁清洗小車在罐體內部工作時需要經常進行壁面轉換，從而清潔罐體內壁與內部防浪板，因此對小車的壁面轉換輔助機構進行了設計。圖4為清洗小車的俯仰牽引機構。

圖4 俯仰牽引機構爆炸視圖

牽引導向磁輪、磁輪驅動電機、牽引連桿、電機防水罩和俯仰舵機等共同組成了俯仰牽引機構。在俯仰牽引機構中安裝有俯仰舵機，可提供機構俯仰旋轉所需動力。其中，磁輪驅動電機可為產生力矩提供磁輪旋轉的動力。為彌補清洗小車在壁面轉換時產生吸附磁力的損失，牽引導向輪采用電磁鐵制造，在壁面轉換時利用電磁鐵通斷電來控制導向磁輪的磁性，以保障小車壁面轉換的平順性。圖 5為爬壁小車壁面轉換過程，其中俯仰牽引機構起到了至關重要的作用。

圖5 壁面轉換流程圖

3 實驗與仿真

清洗小車的前進速度是設計時的重要參數，其大小關系著清潔質量的好壞。速度過大時會導致單位面積的清潔時間短，清潔質量差；速度過小時會導致清潔速度過慢，清潔效率低下。因此對清洗小車設置合適的速度十分重要。為檢驗爬壁小車的清洗性能，現采用ADAMS軟件對車體與噴刷機構進行仿真。

在ADAMS中將噴頭部分模型簡化為圓柱，車身簡化為矩形塊，如圖6所示。噴頭與車身間有一個旋轉的相對運動，因此在噴頭和車身間設置一個旋轉運動副“JOINT1”；同樣，在車體與地面間的相對滑動處設置滑動副“JOINT2”；為3個噴嘴出口處添加3個標記點并分別命名為MARKER9，MARKER10，MARKER11。還需對這個模型添加運動條件：設計的噴刷機構轉速為2 r/s；故為轉動副“JOINT1”添加720°/s的旋轉運動“MOTION1”；噴刷機構清洗的有效覆蓋寬度約為7.5 mm；根據設計參數為 “JOINT2”添加平移速度為75 mm/s的平動“MOTION2”；最后將仿真的時間設置為3 s，并設置計算步驟為1 000步后，進行仿真計算。

圖6 仿真模型圖

在ADAMS軟件中測量標記點MARKER9，MARKER10，MARKER11相對于地面的位移，并繪制軌跡圖，并將結果導入到Origin軟件中，將數據合成后畫出各自的軌跡，如圖7所示。

圖7 仿真軌跡圖

由圖7可以看出，當v=75 mm/s時，清洗軌跡確保了清潔區域的全部覆蓋。由此驗證了爬壁清洗小車的清洗功能。

4 結論

本文為解決高壓罐車罐體內部清潔困難的問題設計了一款爬壁清洗小車，并利用虛擬樣機技術對小車的清潔性能進行了驗證。爬壁清洗小車有以下優點：（1）該爬壁清洗小車考慮到了罐車罐體內部具體情況，可在罐體內部存在不同工作面的情況下，通過俯仰牽引機構實現壁面轉換，完成不同工作面的清潔任務；（2）設計的清洗機構可邊沖邊刷，能源消耗低，操作便利； （3）本小車可實現罐車罐體內壁清潔的智能化，降低了清潔人員的勞動強度，提高了清潔的效率與安全性。