一种用于热媒炉炉膛内清灰爬壁机器人设计.pdf

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1、研究与应用化工自动化及仪表，2010，37(8)：78—82ControlandInstrumentsinChemicalIndustry一种用于热媒炉炉膛内清灰爬壁机器人设计冉小东1，陈世利1，曾周末1，李笃一1，宋建河2，艾民连2，高振波2，褚军2(1．天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072；2．秦皇岛输油气分公司。河北秦皇岛066100)摘要：针对定期人工清洗热媒炉炉膛污垢比较困难的状况，设计了一种在热媒炉炉膛内螺旋管壁上运动行走的爬行机器人，能自动完成清灰除尘工作。机器人设计

2、是基于拉格朗日方程建立动力学模型以及牛顿力学建立静力学模型。在此基础上，通过算例分析完成机器人在螺旋管壁处于不同位置时机器人与管壁间能提供的最大摩擦力与实际摩擦力变化曲线绘制。对吸附兼具行走功能的磁轮进行模拟分析和优化设计。设计出磁轮最为合理的结构和尺寸参数。最后完成机器人行走运动控制部分的设计。关键词：机器人；管壁；行走；清灰；磁轮中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)08-0078-051引言为解决高凝点、高含蜡石油原油运输的困难，热媒炉被使用于原油输送过程中。

3、由于热媒炉内燃烧造成的结焦、积尘，需要清灰以保证传热过程的换热效率。目前主要靠工人进入炉膛内部手工清扫和吹灰除尘完成热媒炉的定期清理。工作环境恶劣、清灰效率低、劳动强度大、严重影响清灰工人的身体健康。结合实际站、场工作的需求，提出利用管壁爬行机器人自动清灰的设想，完成管壁清灰爬行机器人的设计。管壁爬行机器人能自动完成清扫任务从而替代人工作业，可以有效地清除炉膛内的灰垢，保证热煤炉高效、稳定工作，可以大大地减轻清灰的劳动强度，减少了清灰工作对工人的身体损害⋯。2机器人设计2．1机器人结构设计由于各种机器人

4、吸附方式和移动机构都具有各自的优缺点，因此，爬壁机器人的设计方案必须根据具体的作业要求来制定口1。针对实际环境的需求，设计了一种永磁轮吸附同时兼做机器人行走运动机构的机器人。整个机器人由除尘刷、磁吸附机构、驱动传动机构以及机器人本体组成。电机经减速机构带动磁轮转动驱动机器人的运动行走，同时带动除尘刷快速转动清除管壁上的积灰。机器人设计为四磁轮吸附于管壁上，前后磁轮通过同一电机驱动并同步转动。机器人总体结构如图1所示。2．2受力分析管壁爬行机器人工作示意图如图2所示，机器人利用吸附行走机构吸附于螺旋管壁之

5、上并推动整个机器人行走。机器人能否可靠稳定地吸附于管壁上并行走是实现机器人清灰除尘的关键。图l机器人结构图注：l——除尘刷；2——固定板；3——磁吸轮；4——电机；5——减速传动机构；6——链条；7——磁轮除尘机构图2机器人工作示意图将机器人运动视为平面运动，电机同时驱动前收稿日期：2010-07-01(修改稿)第8期冉小东等．～种用于热媒炉炉膛内清灰爬壁机器人设计·79·后两轴带动磁轮沿管壁螺旋行走，与水平面成任意角度卢时的受力分析如图3所示。图3受力分析图用第二类拉格朗日方程建立系统的动力学方程，进

6、行动力特性分析。整个机器人系统只有一个自由度，取两轮连心线与构件2转过的角度0为广义坐标，则轮2、4的角速度及角加速度相等，轮3清灰刷的角速度及角加速度为其I

7、}倍。由拉氏方程告c嚣，一苦。g式中：卜系统的动能；g，——广义坐标p；Qi——广义力。广义坐标和广义力中的J=l，2，⋯，n√表示广义坐标和相应广义坐标下广义力的个数，本文中，由于只有一个坐标0，因此广义坐标下的广义力Q，也只有一个仉。则：7’=∑E。+∑扣地(^；·西)2lffi2‘=2●=÷m2(r2．扫)2+了1m，(％．I"3．舀)2+

8、如．(r4．占)2+÷％(，2·旁)2+扣，·矿+÷L，·矿+扛．·矿(2)式中：m，——构件i的质量；r；——构件i的半径；卜转角p倒数，角速度；Jzo——构件i在0。处对z轴的转动惯量；I

9、}；——构件i对主动件(即构件2)阶孥：M2+k．鸩+帆．≯舻邶式中：∑[6形]。——广义坐标下的微功；6卜广∞⋯F52G．2]雕eosz卢卜]s，r他∞8仍1【-F5：一Fs，一如仁】．Is{Il仍∞婶3

10、-o(6)旧4∞刊肘2+知。肘3+M4—1．125sin,8a5———百瓦i而r—一M3=五b=0．75(

11、N·m)五=工；22．5sinB一7．5(N)F12=F14=10+22．5eosfl(N)(9)(10)(11)(12)·80·化工自动化及仪表第37卷驱动力矩对角加速度影响较大，能快速控制机器人运动与行走。由式(9)、式(10)解得，当机器人在炉膛内匀速前进时电机提供所需总驱动力矩肘为：M=M2+^f3+眠=2．025+I．125sin卢(13)为研究磁轮在管壁上的吸附稳定性及可靠性，取磁轮2为研究对象，磁轮对管壁正压力能产生的最大静摩