特種高壓清洗機器人多行業應用技術研究

張培銘

（廣西機械工業研究院有限責任公司，廣西南寧 530007）

高壓清洗技術作為環保的新興技術已經逐漸取代污染環境的化學清洗，在制糖、酒精、氧化鋁等行業開始廣泛應用，然而傳統的高壓清洗作業往往依靠人工，特別在換熱器清洗行業，勞動強度大、工作單調重復，超高壓水射流壓力一般為60～240 MPa，經常發生工人操作高壓水槍不慎導致傷亡的安全事故，存在很大的安全隱患[1]。特種高壓清洗機器人的成功研發解決了高壓清洗領域機器換人的問題，并率先在制糖行業進行了示范應用[2]，并受到關注，逐步進入了酒精和氧化鋁行業。特種高壓清洗機器人系統在這些行業應用需解決以下難題：流程型生產用戶對清洗時間要求非常苛刻，特別是氧化鋁行業，要求清洗時間非常短，往往需要多設備協同作業，清洗時間過長容易引起其生產的不穩定。制糖、酒精和氧化鋁行業生產工藝不同，不同工藝產生的積垢不同，特別是在酒精和氧化鋁行業，極易產生厚度大于3 mm 的積垢，存在大量的半堵塞和全堵塞列管，需要根據積垢不同研究確定不同的清洗工藝，對特種高壓清洗機器人控制、高壓水射流壓力系統有更高的要求。

文章介紹特種高壓清洗機器人在制糖、酒精、氧化鋁行業應用中的一些關鍵技術研究，為高壓水射流清洗機器換人的應用研究提供參考。

1 特種高壓水清洗機器人組成和原理

特種高壓清洗機器人為XY 平臺式或關節式結構，其中關節式高壓清洗機器人由基座、中央旋轉臂、動臂、擺臂和高壓水槍輸送裝置組成，如圖1，采用機器視覺系統進行列管坐標數據的采集，采用數據庫技術記錄和優化清洗路徑，通過上位機下達指令控制關節臂系統帶動高壓水槍輸送裝置至所需清洗列管，并準確帶動高壓水槍往復運動，實現對列管的清洗除垢作業。

圖1 關節式特種高壓清洗機器人結構示意圖

2 高壓水系統

高壓水系統是清洗效果的關鍵因素，其由高壓泵站、水循環處理單元、高壓連接管和噴嘴組成，水循環處理單元主要提供持續和干凈的水源，高壓泵站將水加壓成指定壓力的高壓水，高壓連接管作為高壓水傳輸的中介，噴嘴將高壓水射流直接作用于清洗工作表面，實現對積垢的清洗。

糖廠、酒精廠等行業的高壓水系統通常由簡易水箱和泵組成，需要派駐專門的人員時刻關注設備的運行狀態，如有沒有水，泵壓力是否下降等，工人工作環境惡劣，效率低，時常出現因為對高壓水系統監控和處置不及時，清洗效果差等情況。為了改變這種情況，文章設計了一套智能化程度比較高的高壓水系統，通過PLC 實時采集水量、壓力、流量等數據，并結合特種高壓清洗機器人的工作狀態，建立相關的診斷分析模型，實現高壓水系統的智能化管理。其能夠對水循環單元進行水量控制，通過分析水量的變化波動，分析水循環中的過濾系統或噴嘴是否堵塞等；通過檢測水系統的壓力和水流量變化，分析高壓連接管和噴嘴是否工作正常等。

根據不同清洗工況，設計和選擇合適的噴嘴是獲得低能耗的清洗效果的關鍵。為了獲得最佳的低能耗清洗效果，首先要根據不同的清洗對象設計和選取不同功能的噴嘴。例如，在清洗平面時，應選擇平面清洗噴嘴，同時還要綜合考慮清洗效率和清洗成本，在追求高效率的清洗條件下，可以選擇平面清洗旋轉噴嘴；在追求低成本的條件下，可以選擇普通平面清洗噴嘴。又如，在管道清洗中，應根據直徑大小選用大直徑清洗用噴嘴或小直徑清洗用噴嘴。本文主要對制糖、酒精、氧化鋁等列管式加熱器清洗固定噴嘴和旋轉噴嘴進行了研究和優化。

3 特種高壓水清洗機器人多行業應用共性難點問題研究與探討

3.1 多機協同作業和清洗路徑優化研究

酒精、氧化鋁行業因為沒有進行冗余設計，對高壓清洗作業的時效性要求很高，一旦耽誤時間將延誤整個流水線的工作，因此多機協同作業能最大發揮清洗優勢。完成多機協同作業面臨的技術難點是：實現多機協同快速提取清洗目標數據并建立相關數據庫；開發多機協同系統，能夠避免相互干涉、同時自動選擇清洗模式和根據情況進行清洗路徑優化；多機協同操作系統研究開發。

多機協同作業根據不同的清洗界面設計不同的多機協同清洗方案，如在開蓋的立式加熱器上，可以將高壓清洗機器人設置在加熱器的邊緣，需要對加熱器進行清洗時，只需要將罐蓋吊裝走，清洗機器人即可開始自動清洗作業，如圖1。

如在有些封閉式的蒸發罐，設置了如圖1左邊所示的特種高壓清洗機器人進行雙機協同作業，其主要技術難點在于研發相關的清洗路徑優化系統，將整個作業面上的加熱管坐標數據作為一個整體考慮，高壓清洗機器人在不同的空間位置進行等距離的運動時，耗時存在較大的差異（不同臂移動角度會出現較大差異）。研發的清洗路徑優化系統使用了智能擬合技術將作業面上的加熱管按照角度最優解的方案，對孔數據進行邏輯分區，優化移動速度，減少運行時間。且完成所有孔數據的獲取后，通過最優擬合算法，對所有的孔按最優路徑進行清洗控制，如圖2。

圖2 特種高壓清洗機器人進行雙機協同作業優化路徑示意圖

3.2 厚積垢清洗工藝研究

酒精和氧化鋁行業因為生產工藝和物料的原因，其加熱管壁積垢厚度和硬度均較制糖行業要厚和硬，且其積垢增長的速度很快，一旦清洗不到位，會導致積垢越來越難清洗，直至該加熱管逐步堵塞至完全堵塞，一般按照堵塞的嚴重情況分為半堵塞孔和全堵塞孔兩種情況。

3.2.1 半堵塞孔處理

加熱管因為清洗不干凈或不及時導致半堵塞，這種情況一般是加熱管積垢后的通徑小于高壓水噴嘴的外徑，此時高壓水槍無法一次清洗干凈，如果強行下槍，會導致噴嘴卡死在加熱管內，導致特種高壓清洗機器人頻繁報錯。

傳統人工處理半堵塞孔清洗工藝是用高壓水射流在堵塞孔上往復輕微震動將積垢清除至貫通。特種高壓清洗機器人開發了一套模仿人工的震動堵塞孔的清洗工藝，其主要結合高壓水槍輸送裝置在輸送高壓水槍時，遇到堵塞孔會打滑特性，相關檢測行程的傳感器沒有及時得到反饋信號，再與清洗所需要的送槍長度所需要得到的反饋信號的數值進行對比，一旦系統發現對比數值不對，則自動切換為震動堵塞孔清洗模式，通過在堵塞孔的堵塞處反復清洗，將積垢清除干凈。

3.2.2 全堵塞孔清洗工藝

加熱管因為清洗不及時導致半堵塞，如不及時清洗，很快就會全堵塞。全堵塞孔用機械的方法很難打通，且極易因為操作不當直接損壞加熱管，用戶往往直接采用換管的方式，成本高，耗時耗力，影響生產。全堵塞孔清洗需要人工擴孔和設備自動清洗相結合。首先需要采用機械的方式在全堵孔上鉆出高壓水槍頭的通道，然后采用清洗半堵塞孔的清洗工藝進行震動清洗，除去大量的積垢，最后采用拋光噴嘴進行管壁全面清洗，全部清除積垢，獲得金屬表面。

4 應用情況

特種高壓清洗機器人在制糖、酒精、氧化鋁等多個行業廣泛應用。研究關節臂式機器人算法，并開展多機器人協同作業算法研究，實現多機協同作業，進一步提高了設備的清洗速度，為快速清洗數量更大的換熱器打下了基礎。該產品的應用不僅解決了用工難的問題，而且解決了漏沖、沖洗不干凈的問題，由于沖洗質量的提高，應用廠家的蒸發效能均有不同程度的提高，為這些行業的節能減排做出了貢獻。目前相關產品在多個行業有近百套設備應用，每年給用戶帶來的節約能源收益上億元。

5 結束語

特種高壓清洗機器人下一步將拓展在臥式加熱器和交通行業等領域的應用，在清洗效果研究方面，需要更加專注研究高效高壓清洗噴嘴，獲得更好的清洗效果，在智能化方面，將進一步研究機器人的清洗智能控制程序和智能診斷系統，實現系統的遠程控制，減少設備的故障和維護時間。