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油罐清洗机器人清洗作业装置的结构分析

2019-11-09 09:30:20浏览:55 来源:清洗联盟   

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油罐清洗机器人清洗作业装置的结构分析

结合油罐清洗的特殊作业环境和罐底油泥特性,提出安全、环保的清洗方式,系统分析了油罐清洗的实际作业流程和油罐清洗机器人清洗作业装置的总体结构。对盘刷装置的组成、刷体构造进行了设计,并进行了动力学建模,还提出滚刷装置的功能匹配和传动方案、吸污系统的总体构成和工作原理,以及吸嘴与油泥箱的结构设计分析。

随着我国社会经济的进步,石油工业的发展,能源的紧张,对环保、安全问题的日益重视和行业法规对工作人员进罐作业条件的严格要求,国内外在人工清洗储油罐底部油泥的基础之上开发出了一系列的储油罐底部油泥清洗机械和综合处理技术,逐步取代工人进罐操作,以提高工作人员生命健康安全的保障。然而,目前机械化的清洗技术仍然存在系统复杂,投资巨大,清洗效果不够明显,没有完全免除工人进罐等缺点。为适应时代发展的客观要求,需要研制一种完全代替工人进罐,机动灵活性强,清洗效率高,清洗效果明显的油罐清洗机器人,为实现安全、健康、环保式的油罐清洗提供可能。

油罐清洗机器人的设计研究目前还处于起步阶段。清洗作业是清洗机器人完成工作任务的执行步骤和关键环节,其工艺水平直接影响着清洗机器人的经济与社会效益。由于作业对象和作业环境的特殊性,使油罐清洗机器人作业机器人装置显得尤为关键。


1、作业原理和基本结构

油泥是指储油罐中的所储油品中的石蜡、沥青质、胶质等重质组分和所夹带的少量无机杂质等因为密度差而自然沉降,积累在储油罐底部,形成的又黑又稠的胶状物质层。它既是高浓度的污染物,处理不当会对环境具有很大的危害性,又是一种很好的可回收、再利用资源。

油罐清洗机器人的清洗过程不添加任何清洗剂,并把清洗产生的油泥污水进行处理,获得循环水继续用于清洗作业。其清洗作业流程如图1所示,采用自激脉冲发生器向罐内油泥喷射出脉冲水射流,使油泥流化,然后进行类似于吸扫式清扫车的吸扫作业过程,盘刷与滚刷各自在电机驱动下旋转,使流化的油泥向吸嘴附近收拢,吸嘴在风机作用下,把油泥吸入油泥箱内。油泥箱由抽污管连通至油罐外,再利用罐外的泵把油泥流抽出,进行油-水分离,然后分别进行油泥处理和污水处理。处理后的污水可通过连接机器人的供水管重新用于清洗。

清洗作业装置包括清洗刷系统、吸污系统和射流系统。其重要部件盘刷装置、滚刷装置和吸嘴装置安装在机器人底部,自激脉冲喷嘴在机器人前顶部,可向前伸出,左右转动。相配套的电机、油泥泵、油泥箱安装在机器人本体内,供水管和抽污管在机器人上部与油罐外相连接。

2、清洗刷系统

为适应油罐内油泥的特殊性,提高机器人清洗作业的效果和效率,采用盘刷与滚刷相结合的清洗作业方式。

2.1盘刷装置

盘刷装置包括左盘刷和右盘刷,分别安装在机器人底部两侧。附带安装支架、连杆、液压马达、升降油缸、调整丝杆等。其主要功能是清扫和收集机器人底下的油泥,动作包含刷盘升降、刷盘旋转。在机器人作业时,盘刷能降落在油泥上;停止作业时,盘刷能自动上升和行驶平面有一定的间隙且自动锁紧,以保证机器人在非作业时间具有良好的通过性。盘刷的构造,由外紧内松分布的刷束组成。每个刷束内刷毛的材质、形状、裁制技术等都会影响清扫效果[10]。如果采用普通钢丝,则容易打弯、且疲劳强度低,而采用塑料丝、尼龙丝,则刚性不够。比较理想的材质结构是外包尼龙,内夹弹性模数值E较高的弹簧钢丝。每根扫丝断面形状为矩形,因为矩形断面的惯性I=bh3/12,所以裁制刷毛时,应使矩形断面的长轴沿刷扫的横向裁制,使其惯性矩值大,抗弯刚度好。这样一来,可以适应油泥这一对象的特性,更好地把流化的油泥刷至吸嘴处。

清洗作业时,盘刷受到流化油泥和未流化油泥的双重作用,将受到粘滞阻力和摩擦阻力。在单位时间内机器人在油罐底部移动距离很小,因此假设机器人处于静止状态对盘刷装置进行动力学建模。盘刷在流化油泥上作旋转运动。

M=MG+MV+Mf(1)式中:M———液压马达所需提供力矩,N·m;MV———盘刷受到流化油泥的粘滞阻力矩,N·m;Mf———摩擦阻力矩,N·m;MG———盘刷惯性阻力矩,N·m。盘刷受到流化油泥的粘滞阻力矩为:M=0.616πρR4(υ·ω3)1/2(2)式中:γ———流化油泥的密度,kg/m3;R———盘刷半径,m;υ———流化油泥的运动粘性系数,m2/s;ω———盘刷旋转的角速度,rad/s。盘刷与油泥表面摩擦阻力矩为:M=Ff·2πx2dx=2Rf·F(3)Rπ3式中:F———盘刷对油泥表面的正压力,N;f———刷丝与油泥表面之间的摩擦系数;R———盘刷半径,m。盘刷启动时惯性阻力矩为:M=1R2mπn(4)G230t式中:R———盘刷半径,m;m———盘刷质量,mg;n———盘刷转速r/min;t———盘刷启动时间,s。所以液压马达功率应满足下式:P≥n(M9550G+MV+Mf)。可以得出,盘刷在流化油泥运动受到的粘滞阻力矩随着盘刷半径的增大和转速的增加而显著升高。由于机器人所能承受的负载及安装空间有限,因此要在清刷效果与转速之间寻找到一个二者都可兼顾的转速。确定盘刷转速与半径,可由公式(1)(2)(3)(4)求出马达所需提供力矩和最小功率值。所以,盘刷的转速应有高、中、低三个档可供选择,可根据具体情况选择刷盘的转速。

2.2滚刷装置

滚刷装置是由滚刷、电机、摆动油缸、提升油缸及转动支架等部分组成,布置在机器人底盘下,分布与机器人行进方向有一夹角[12]。其主要功能是协同盘刷对油泥进行清扫和将油泥收集到吸嘴附近,由吸嘴装置将油泥吸入油泥箱。为了完成上述功能,滚刷两端还各装有一提升气缸,一方面使滚刷完成升降动作,另一方面调节滚刷接触油泥表面的压力。

在清洗油泥过程中,滚刷基本不需越障。因此,滚刷只需要一个旋转自由度,采用的传动方案。电动机通过同步齿形带的传动,把动力分别传递给滚刷1、滚刷2和丝杠,从而使三者绕各自轴线作回转运动,滚刷的回转运动完成对油泥的清洗,丝杠的回转运动,通过其他传动机构带动喷嘴作左右摆动。该传动方案的带传动具有缓和载荷冲击,运动平稳,无噪声等优点。

3、吸污系统

3.1总体构成

吸污系统包括吸嘴、油泥泵、油泥箱、抽污管和罐外的大功率泵。在作业时,安装在机器人本体内的油泥泵开动,在吸嘴处形成吸力,吸嘴把油泥吸进油泥箱存储;在油罐外的大功率泵开动,通过抽污管把油泥箱内流化的油泥吸入,排出罐外,进行处理。

3.2吸嘴装置由吸嘴、吸嘴软管、吸嘴提升缸等部分组成。吸嘴布置在机器人底部的中部、盘刷与滚刷之间。其主要功能是将吸嘴经过的区域和盘刷、滚刷扫至吸嘴附近的流化油泥吸入管道,送到油泥箱。为了完成上述任务,清洗作业时,提升缸能将吸嘴降至机器人行驶平面或离行驶平面有一定间隙,约为10mm;停止作业时,提升缸能将吸嘴抬起和行驶平面保持一定的距离,即10cm

3.3油泥箱

油泥箱的作用是暂时存积流化的油泥。箱内上部设有滤网并与通风口相连。油泥箱右侧设有污泥排放口[15],排放口由球阀开启和关闭,在停止作业进行机器人维护保养时,可通过此排放口放掉残积污泥。箱内上部装有油泥储量报警装置,以监视流化油泥积存的高度,当警报发生时,应停止作业。抽污管接在油泥箱内,并设有阀门,在抽出流化油泥时开启,否则密封关闭。

4、结束语

油罐清洗机器人清洗作业装置设计的关键是要适应油罐内油泥清洗这一对象特性,充分考虑油罐清洗机器人本体本身存在的优点和条件限制,借鉴其他清洗机器人和清洗机械设备的设计制造经验。本文主要初步进行了油罐清洗机器人清洗作业部分装置的结构分析,其他装置的设计和各部装置的安装匹配、控制实施、性能优化和安全分析还有待进一步研究。

 

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