热媒炉用清灰除垢机器人的制作方法

专利名称：热媒炉用清灰除垢机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及炉膛内清洁设备技术领域，特别是涉及一种适用于原油输送过程的热媒炉 用清灰除垢机器人。
背景技术：
密布在全国各地的原油管道中，为解决高凝点、高含钠原油输送的困难，需要给原油 以动能和热能，为此，热媒炉被普遍应用于原油输送过程中。目前主要采用的加热流程是 通过以油(气)为燃料，导热油为热载体，燃料通过燃烧器在炉膛内燃烧产生热量，热量通 过导热管以对流和辐射形式传热给导热油，导热油在循环泵的驱动下通过热媒炉出口带走 热量，在换热器内与原油进行热交换后，回到循环泵，如此周而复始以导热油为热载体实 现热量的连续传递。在加热过程中，由于不完全燃烧造成的炉膛内的结焦使加热炉内导热 管外表面形成一层尘标，这种尘垢有时厚达1 3mm，严重影响了加热过程的换热效率。目 前主要靠工人进入炉膛内部手工清垢和吹灰除尘来完成热媒炉的清灰，使定期清灰成为了 一项艰巨的工作。在清灰过程中，炉膛内粉尘飞扬，工作条件非常恶劣，同时，为了保证 清灰效果，伴随的吹灰也会使粉尘腾出炉外，使整个站场乌烟瘴气。手工清灰不仅严重危 害清垢工人的身体健康，也给站场造成严重的环境污染。
中国发明专利公开号CN101130190 A公开了一种管道清扫机器人，包括机器人主体和 控制箱，主体包括车体、摄像头、位于车体两侧的车轮、位于车体之上的升降臂、位于升 降臂上的毛刷等。但是，这种管道清扫机器人主要应用于中央空调管道的清扫，且不具有 与管壁的磁吸附功能。

发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种可以自动进入热媒炉清灰的热 媒炉用清灰除垢机器人，其具有体积小巧、性能稳定、吸附力强、行走平稳的特点，可以 自动完成热媒炉内部清灰除垢的任务。
本发明的技术方案是 一种热媒炉用清灰除垢机器人，包括机器人本体、设置在机器 人本体两侧的主动链轮和从动链轮、由主动链轮和从动链轮支撑的履带、带动机器人前进或后退的驱动机构、设置在机器人本体一侧的清灰除垢刷以及用于使清灰除垢刷旋转的清 灰减速电机，所述的机器人还包括设置在机器人本体前端一侧的行程开关、设置在机器人 本体底部的防跑偏机构、分别在机器人本体的前后两端突出形成的抗翻倒的带轮的压杆， 以及设置在机器人本体底部的吸附装置。
所述的机器人本体为密闭的箱体，由底盘和上盖组成，底盘为向下凹陷的箱式结构， 上盖向上突出形成，其纵向截面近似于梯形，上盖的左右两侧沿整个长度由角钢支撑，底 盘和上盖通过螺栓固定在角钢框架上，在底盘和上盖的结合处设置有密封用的橡胶条。所 述的底盘由硬铝整体铸造而成，所述的上盖由铁板制成。
在本发明中，机器人的履带为吸附式履带，由链条、固定在链条的每个链节两侧的翼 板以及固定在每个翼板上的磁吸盘组成，所述的磁吸盘由磁轭和永磁体交错固定于铝板上 而成，磁吸盘是顶面为凹面、其它面为平面的六面体形，在磁吸盘的背面形成有螺孔，所 述的磁吸盘通过螺钉固定在链条的翼板上，其中所述的永磁体为铷铁硼(NbFeB)永磁体， 所述的磁轭选用纯铁或低碳钢。
所述的带轮的压杆由组成上盖框架的角钢突出于车体并在角钢的两端固定脚轮而成， 进行除垢时，所述的压杆压在炉壁内。
所述的驱动机构包括设置在底盘上的交流伺服电机，连接在交流伺服电机输出轴上的 行星齿轮减速机，连接在行星齿轮减速机输出端的主动圆锥齿轮，与主动圆锥齿轮啮合的 从动圆锥齿轮，安装在从动圆锥齿轮中心、用于驱动主动链轮的主动链轮轴。其中，主动 链轮轴上形成有由内花键和外花键组成的滑动花键副。
所述的清灰除垢刷包括刷杆和位于刷杆两端的刷头，在刷头的柄与刷杆的连接处设置 有用于控制与导热管间接触力的弹簧，在刷头上固定有除垢用的铜刷毛，所述的清灰除垢 刷通过垂直安装在刷杆中部的轴连接在清灰减速电机的输出轴上。
所述的吸附装置为设置在底盘下的非接触式磁吸盘，所述的非接触式磁吸盘由轭铁和 稀土永磁体组成，所述的稀土永磁体为NbFeB，所述的轭铁选用纯铁或低碳钢Q235。
所述的防跑偏机构为分别固定在机器人本体前后两端的底部、引导机器人沿盘管方向 爬行的金属导向板。
本发明能够对热媒炉炉壁内的结焦以及导热管外表面上形成的尘垢进行清扫，保证热 煤炉高效、稳定地运行，本发明不仅可以大大地减轻清灰的劳动强度，减少清灰工作对工 人的身体损害，而且避免了清灰过程中的环境污染，且比工人清污的效率高，能解决应用 广泛的热媒炉的定期清扫问题，实现清扫的自动化，达到节能减排的效果。


图1是本发明的热媒炉清灰除垢机器人在热媒炉内的状态示意图2是本发明的热媒炉清灰除垢机器人的立体图3是显示图2中机器人本体的底盘内部结构的示意图4是显示图2中机器人本体的上盖内部结构的示意图5是图2中机器人的清灰除垢刷的结构图6是显示图2中机器人的从动链轮安装结构的示意图7是图2中机器人的链轮的结构示意图8是图2中机器人履带的一个链节的结构示意图9a、图9b是本发明中机器人履带的接触磁吸盘的结构示意图9c是本发明中机器人履带的接触磁吸盘的磁路示意图10a、图10b是本发明中机器人底部的非接触磁吸盘的结构示意图10c是本发明中机器人底部的非接触磁吸盘的磁路示意图11是图2中机器人的防跑偏机构的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的热媒炉用清灰除垢机器人的结构进行详细说明。
参见图l，图中所示为吸附于热媒炉内壁上的本发明的清污除垢机器人。其中10为机 器人本体，90为热媒炉内壁的螺旋盘管，螺旋盘管90用无缝碳素钢管焊接制成，整个炉 体呈卧式圆筒体。图示机器人本体10吸附于热媒炉的内壁上，沿螺旋盘管90的路径爬行， 在沿螺旋盘管90爬行至炉底后沿原路返回，直到回到炉口。在行走过程中，清灰除垢刷 20通过旋转与炉壁进行摩擦而将灰垢从炉壁上清除，同时在热媒炉口设置有吸尘机构，在 炉口形成一个局部负压空间，能及时清除浮尘，并通过无污染灰尘回收装置对灰垢进行回 收处理，完成整个清灰除垢工作。
参见图2，本发明的热媒炉用清灰除垢机器人包括组成机器人本体10的上盖11和 底盘18、分别设置在机器人本体10前部及后部两侧的2个从动链轮43和2个主动链轮40、 由主动链轮40和从动链轮43支撑的履带60、设置在机器人本体10前端一侧的行程开关 80、设置在机器人本体10底部的防跑偏机构70、分别在机器人本体的前后两端突出形成的抗翻倒的带轮的压杆30以及设置在机器人本体一侧的清灰除垢刷20。在机器人本体10 内设置有带动机器人前进或后退的驱动机构和用于使清灰除垢刷旋转的清灰减速电机。
底盘18是机器人的其它机械系统的载体，也是装配时所有部件的定位基准，它的加工 设计直接影响到传动精度和传动效率。同时，机器人底盘对运动部件的寿命也有直接影响， 从而影响到整个系统的使用寿命。在这里，底盘18为向下凹陷的箱式结构，经整体铸造成 型并在成型件上加工装配面。箱式结构的优点在于增加了结构强度及可靠性，将底盘形变 降到了最低；其次， 一体化设计、装配面一次加工成形提高了轮系的定位精度，尤其易于 保证每侧的链轮在同一平面内，最大限度地提高了履带的传动效率，更重要的是在热媒炉 内部尘垢很多的环境下工作时必须保证结构的封闭性，箱式结构能最大限度地保证密封性。 由于机器人对重量的要求很高，所以底盘18的材料优选使用硬铝，如硬铝2014，这样既 能减轻机器人的重量，又能保证在恶劣的环境下工作时不生锈。参见图2和图4，上盖ll 采用角钢结构框架加铁板包裹的结构，详细地说，上盖ll向上突出形成，其纵向截面近似 于梯形，上盖的左右两侧沿整个长度由角钢19支撑。由于清灰减速电机73固定在上盖11 上，所以采用钢结构能够保证结构坚固。参见图2和图3，底盘18和上盖11通过角钢15 固定在一起，虽然图中未示，在底盘18和上盖11的结合处设置有橡胶条并用螺栓固定， 从而可以防止尘垢进入机器人本体内。
参见图3，在底盘18内设置有带动机器人前进或后退的驱动机构。所述的驱动机构包 括固定在底盘18上的交流伺服电机12，连接在交流伺服电机输出轴上的行星齿轮减速机 13，连接在行星齿轮减速机13的输出端的主动圆锥齿轮14，与主动圆锥齿轮14啮合的从 动圆锥齿轮17，安装在从动圆锥齿轮17的中心、用于驱动主动链轮40的主动链轮轴16。 传动系统的设计需要解决机器人的行走速度和最大输出力矩的问题，由于该清灰除垢机器 人无需改变行走方向，所以左右履带的主动链轮采用同步传动的方式，采用一台交流伺服 电机12及一台行星齿轮减速机13作为动力输出源，交流伺服电机12输出的高转速低扭矩 动力经过行星齿轮减速机13后变为低转速高扭矩动力，经主动圆锥齿轮14和从动圆锥齿 轮17改变传动方向后输出给主动链轮轴16，固定于主动链轮轴16上的主动链轮带动履带 60，使机器人可以自由前进或倒退。
交流伺服电机12是机器人在炉壁内爬行的动力源，之所以选择交流伺服电机是由于机 器人在卧式圆筒体形状的热媒炉内的螺旋盘管上爬行时，时而沿壁面上爬，时而沿壁面下 爬，在这个过程中的阻力是不相等的，对于电动机而言就是外界的负载在不断变化，这样 就要求使用伺服电动机来控制电动机的转速维持在一个比较稳定的范围内，而交流伺服电机在很多方面又优于直流伺服电机，如可靠性高、散热容易、同功率情况下重量轻，体积 小、与交流市电电压相同等优点。在本发明中，优选采用三菱MR-E系列交流伺服电机作 为行走驱动电机。
行星齿轮减速机13的优点是结构对比紧凑，回程间隙小、精度较高、使用寿命很长、 额定输出扭矩很大，非常适合在机器人系统中应用。在本发明中，优选采用德国NEUGART PLE系列精密行星减速机。
参见图4，在上盖11的内部安装有用于使清灰除垢刷20旋转的清灰减速电机73。清 灰减速电机73通过电机架74固定在上盖11上的角钢框架19上，工作时，清灰减速电机 73输出的动力通过联轴器72传递给输出轴71，输出轴71再将动力输出给清灰除垢刷20， 实现驱动清灰除垢刷20的功能。
清灰除垢刷20的具体结构如图5所示，包括刷杆21和位于刷杆21两端的刷头23， 刷头23的柄与刷杆21的连接处设置有弹簧22来控制与导热管间的接触力度并起到缓冲作 用，刷头上固定有铜刷毛24，铜刷毛24也有一定的缓冲作用并能保护导热管不被擦伤。 这样设计的清灰除垢刷能确保将热媒炉内壁盘管上的尘垢彻底清扫下来，整个清灰除垢刷 通过轴25连接在上盖11上的输出轴71上，清灰减速电机73带动清灰除垢刷20的轴25 不断旋转，从而将炉壁上的尘垢清除。通过这样设计的结构能保证清灰除垢刷能时刻与炉 壁上的盘管紧密接触，起到彻底清污的作用，同时又不会因接触力过大而导致抵抗吸附力 的作用使机器人跌落。
图6为机器人底盘18上的轮系的结构组成图，底盘18上安装两组主动链轮轴轴承座 45和两组从动链轮轴轴承座46，主动链轮轴16安装在从动链轮轴轴承座45上的滑动轴承 上，从动链轮轴44安装在从动链轮轴轴承座上的滑动轴承上，主动链轮轴16两端安装主 动链轮40，从动链轮轴端部安装从动链轮43。其中从动链轮43连同从动链轮轴44可在轴 向做小幅度移动，以满足热媒炉螺旋盘管90螺距的变化。
另外如图7所示，为了适应导热盘管螺旋间距的变化，在主动链轮轴16上设置了滑动 花键副，其结构类似于汽车传动轴滑动花键伸縮轴，可以自动适应导热盘管螺旋间距的变 化。内花键41与外花键42组成花键副，两端固定左右主动链轮40。这样的设计可使两链 轮间的距离在小范围内变动，只要设定好自由位置的距离，在清灰机器人行进的过程中便 可以根据导热盘管螺距的变化进行调节，使履带能紧吸在盘管之上，做到了比较强的环境 适应能力。花键联接具有连接可靠、承载能力大、对准中心的精度高及延轴向的导向性好 等优点，适用于在此处应用。另外，为了防止机器人在导热盘管上行走时跌落还设置了吸附装置。所述的吸附装置 由两部分组成， 一部分为固定于履带链条的每一链节上的磁吸盘，属于接触式吸附，另一 部分为固定在机器人本体底部的磁吸盘组成，属于非接触式吸附，两种吸附形式的磁路是 不同的，固定于履带板上的磁吸盘的磁路设计耍求在吸盘与炉壁间气隙很小(〈2mm)时吸 力很大，气隙增大时磁力下降快；固定于机器人本体底部的磁吸盘的磁路设计要求在有工 作间隙(5-7mm)的情况下保持一定的吸力且吸力变化不大。
履带是机器人平稳运动的关键部分，其结构如图2和图8所示。履带60为具有磁性的 磁性履带，具体地说由链条50和固定在链条50的每个链节62上的磁吸盘61构成，链条 50选用双节距滚子输送链以满足在链条50上固定磁吸盘61的目的，双节距滚子输送链是 在普通链条上加装带孔的翼板64构成的。如图8所示，每一个磁吸盘61通过链条两侧共 四颗螺钉63牢牢固定于链条链节62的翼板64上，保证磁吸力和行进扭力的传递，带翼板 64的链条50和链轮40、 43使用通用部件，便于安装和替换，也降低了成本。履带60的 表面为凹陷型设计，即履带上的磁吸盘61是顶面为凹面、其它面为平面的六面体形，当机 器人沿着热媒炉盘管上行走时，履带60的与盘管接触的面和盘管的外表面相吻合，这样可 以显著增大磁吸盘与炉壁的接触面积，增大吸附力，并有一定的防跑偏功能。履带60的长 度越长，磁吸盘61的数目越多，产生的吸附力就越强，同时，机器人的长度也会增加，也 就意味着机器人自重的增加。所以在链条长度的选择上要在满足负载能力及一定安全系数 的约束条件下，选择尽量短的链条。
图9a、 9b是履带上的接触式磁吸盘的结构示意图，磁轭61a与永磁体61b交错固定于 铝板61c上，磁吸盘整体通过图6b所示磁吸盘背面的螺孔61d固定于带翼板的链条上构成 履带节，由于清灰除垢机器人爬行于热媒炉内金属导热盘管上，其磁吸盘与金属盘管壁面 形成了工作磁场，磁力线如图6c所示，由永磁体N极出发，经相邻的一块软磁体和空气 间隙，进入热媒炉盘管壁，再通过空气间隙和另外一块相邻的软磁铁回到稀土永磁体S极， 构成完整磁路。其中永磁体选用稀士铷铁硼(NbFeB)，其牌号为NTS/210。该稀土永磁材 料的各向异性场很强，内禀矫顽力极大， 一旦被磁化，其磁场强度将保持不变，磁轭材料 选用导磁性能良好的纯铁或低碳钢Q235。这样的磁吸盘磁路设计能使磁盘与盘管壁接触 (工作气隙很小)的情况下保证很强的吸力，使达到工作要求。
另一部分非接触式磁吸盘固定于机器人本体的底部，其结构如图10a 10c所示，本体 10的铝制底盘下固定有非接触式磁吸盘，这里的非接触式磁吸盘由轭铁65和稀土永磁材 料66组成，热媒炉盘管90为磁吸盘吸附的对象，磁吸盘与盘管90的间隔为5-10mm，此种非接触磁吸盘的磁路是如图10c所示，磁力线由左端的稀土永磁体66的N极出发，经一 段较大的空气间隙进入热媒炉盘管壁，再经过一段较大的空气间隙进入右端的稀土永磁体 S极，然后从右端的稀土永磁体的N极出来，进入软磁体回到左端稀土永磁体的S极，构 成完整磁路。稀土永磁体同样选用NbFeB，牌号为NTS/210，轭铁材料同样选用导磁性能 良好的纯铁或低碳钢Q235。这样的磁吸盘磁路设计，其磁吸力随着气隙的增大下降得比较 缓慢，表现出比较硬的特性，很适合非接触吸附的工作要求，对于热媒炉内壁的适应性较 好。
另外参见图2，本体10前后突出的四个刚性脚轮为抗翻倒的带轮压杆30，它是由连接 机器人本体的上盖11和底盘18的角钢突出于机器人本体并在角钢两端固定脚轮构成的， 抗翻倒的带轮的压杆30压在炉壁内，可提供一个额外的力矩来抵抗使机器人跌落的重力 矩。当机器人在热媒炉炉壁内由竖直位置到倒立水平位置的上爬或下爬过程中，机器人本
身在重力矩的作用下会有一定程度的后仰或前倾，尤其在上爬的过程中后仰将进一步加剧， 这样导致与炉壁吸附的磁吸盘的数量越来越少，最终有可能导致机器人从壁面跌落，抗翻
倒的带轮的压杆压在炉壁内，能够抵抗这样的过程进行下去，将吸附力平均的分给每一块 磁吸盘，可提供一个额外的力矩来抵抗使机器人跌落的重力矩，使机器人在炉膛内不致跌 落。
在机器人前侧方的设置了行程开关80，固定于前面的抗倾覆压杆上，当机器人小车延 螺旋盘管爬行到热媒炉最深处时，炉底触碰行程开关，使行程开关产生一个信号给机器人 的控制系统(单片机系统)，控制系统得知机器人己运行至炉底，便控制机器人的行进，使 电机反转，延原路返回炉口，完成整个清灰除垢过程。
在机器人本体10的底部接近中央伸出的四块金属板为防跑偏的金属导向板70。由于 一般热媒炉的炉膛采用螺旋盘管式，螺旋管用无缝碳素钢管焊接制成，炉体呈卧式圆筒体， 机器人的行进路线就是沿着螺旋盘管的路径前进，由于履带上的磁吸盘和抗翻倒的带轮的 压杆上的脚轮都制作成和盘管表面吻合的弧面，所以当机器人爬行方向偏离盘管方向时， 机器人有跌落的可能，所以要通过防跑偏机构使机器人能时时沿盘管方向爬行。防跑偏的 金属导向板70在这里起到了时刻纠正机器人行进方向的作用。金属导向板70的结构如图 ll所示，磁性履带60吸附于热媒炉内壁的盘管90上，金属导向板70由硬铝片制成(前 后各两个，此图为主视图，前后两导向板重合)，当机器人的两条履带60的凹面正好与盘 管表面吻合时，导向板正好夹在相邻两盘管之间，当行进中有偏差时，导向板便会纠正机 器人行进的方向。
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权利要求
1. 一种热媒炉用清灰除垢机器人，包括机器人本体、设置在机器人本体两侧的主动链轮和从动链轮、由主动链轮和从动链轮支撑的履带、带动机器人前进或后退的驱动机构、设置在机器人本体一侧的清灰除垢刷以及用于使清灰除垢刷旋转的清灰减速电机，其特征在于所述的机器人还包括设置在机器人本体前端一侧的行程开关、设置在机器人本体底部的防跑偏机构、分别在机器人本体的前后两端突出形成的抗翻倒的带轮的压杆，以及设置在机器人本体底部的吸附装置。
2. 根据权利要求1所述的机器人，其特征在于所述的机器人本体为密闭的箱体，由 底盘和上盖组成，底盘为向下凹陷的箱式结构，上盖向上突出形成，其纵向截面近似于梯 形，上盖的左右两侧沿整个长度由角钢支撑，底盘和上盖通过螺栓固定在角钢框架上，在 底盘和上盖的结合处设置有密封用的橡胶条。
3. 根据权利要求2所述的机器人，其特征在于所述的底盘由硬铝整体铸造而成，所 述的上盖由铁板制成。 .
4. 根据权利要求3所述的机器人，其特征在于所述的履带为吸附式履带，由链条、 固定在链条的每个链节两侧的翼板以及固定在每个翼板上的磁吸盘组成，所述的磁吸盘由 磁轭和永磁体交错固定于铝板上而成，磁吸盘是顶面为凹面、其它面为平面的六面体形， 在磁吸盘的背面形成有螺孔，所述的磁吸盘通过螺钉固定在链条的翼板上。
5. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的永磁体为铷铁硼(NbFeB)永磁体，所述的磁轭选用纯铁或低碳钢。
6. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的带轮的压杆由组成上盖框架的角钢突出于车体并在角钢的两端固定脚轮而成，进行除垢时，所述的压杆压在炉壁内。
7. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的驱动机构包括设置在底盘上的交流伺服电机，连接在交流伺服电机输出轴上的行星齿轮减速机，连接在行星齿轮减速机 输出端的主动圆锥齿轮，与主动圆锥齿轮啮合的从动圆锥齿轮，安装在从动圆锥齿轮中心、 用于驱动主动链轮的主动链轮轴。
8. 根据权利要求7所述的机器人，其特征在于所述的主动链轮轴上形成有由内花键和外花键组成的滑动花键副。
9. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的清灰除垢刷包括刷杆和位于刷杆两端的刷头，在刷头的柄与刷杆的连接处设置有用于控制与导热管间接触力的弹簧，在 刷头上固定有除标用的铜刷毛，所述的清灰除垢刷通过垂直安装在刷杆中部的轴连接在清灰减速电机的输出轴上。
10. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的吸附装置为设置在底盘下的 非接触式磁吸盘，所述的非接触式磁吸盘由轭铁和稀土永磁体组成，所述的稀土永磁体为NbFeB，所述的轭铁选用纯铁或低碳钢Q235。
11. 根据权利要求4所述的机器人，其特征在于所述的防跑偏机构为分别固定在机器人本体前后两端的底部、引导机器人沿盘管方向爬行的金属导向板。
全文摘要
本发明公开了一种热媒炉用清灰除垢机器人，包括机器人本体、设置在机器人本体两侧的主动链轮和从动链轮、由主动链轮和从动链轮支撑的履带、带动机器人前进或后退的电机、设置在机器人本体一侧的清灰除垢刷以及用于使清灰除垢刷旋转的清灰减速电机，所述的机器人还包括设置在机器人本体一侧前端的行程开关、设置在机器人本体底部的防跑偏机构、分别在机器人本体的前后两端突出形成的抗翻倒的带轮的压杆，所述的履带为吸附式履带，履带外表面的形状与热媒炉炉管的外表面的形状相适应，在机器人本体的底部设置有磁吸盘。本发明的机器人可以代替人工对热媒炉内的灰垢进行清扫，避免了清灰工作对工人的身体损害，降低了环境污染并提高了清污效率。
文档编号F23J1/06GK101440958SQ20081015409
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月15日 优先权日2008年12月15日
发明者宋建河, 于 张, 曾周末, 靳世久, 高振波 申请人:天津大学