特种高压清洗机器人多行业应用技术研究

张培铭

（广西机械工业研究院有限责任公司，广西南宁 530007）

高压清洗技术作为环保的新兴技术已经逐渐取代污染环境的化学清洗，在制糖、酒精、氧化铝等行业开始广泛应用，然而传统的高压清洗作业往往依靠人工，特别在换热器清洗行业，劳动强度大、工作单调重复，超高压水射流压力一般为60～240 MPa，经常发生工人操作高压水枪不慎导致伤亡的安全事故，存在很大的安全隐患[1]。特种高压清洗机器人的成功研发解决了高压清洗领域机器换人的问题，并率先在制糖行业进行了示范应用[2]，并受到关注，逐步进入了酒精和氧化铝行业。特种高压清洗机器人系统在这些行业应用需解决以下难题：流程型生产用户对清洗时间要求非常苛刻，特别是氧化铝行业，要求清洗时间非常短，往往需要多设备协同作业，清洗时间过长容易引起其生产的不稳定。制糖、酒精和氧化铝行业生产工艺不同，不同工艺产生的积垢不同，特别是在酒精和氧化铝行业，极易产生厚度大于3 mm 的积垢，存在大量的半堵塞和全堵塞列管，需要根据积垢不同研究确定不同的清洗工艺，对特种高压清洗机器人控制、高压水射流压力系统有更高的要求。

文章介绍特种高压清洗机器人在制糖、酒精、氧化铝行业应用中的一些关键技术研究，为高压水射流清洗机器换人的应用研究提供参考。

1 特种高压水清洗机器人组成和原理

特种高压清洗机器人为XY 平台式或关节式结构，其中关节式高压清洗机器人由基座、中央旋转臂、动臂、摆臂和高压水枪输送装置组成，如图1，采用机器视觉系统进行列管坐标数据的采集，采用数据库技术记录和优化清洗路径，通过上位机下达指令控制关节臂系统带动高压水枪输送装置至所需清洗列管，并准确带动高压水枪往复运动，实现对列管的清洗除垢作业。

图1 关节式特种高压清洗机器人结构示意图

2 高压水系统

高压水系统是清洗效果的关键因素，其由高压泵站、水循环处理单元、高压连接管和喷嘴组成，水循环处理单元主要提供持续和干净的水源，高压泵站将水加压成指定压力的高压水，高压连接管作为高压水传输的中介，喷嘴将高压水射流直接作用于清洗工作表面，实现对积垢的清洗。

糖厂、酒精厂等行业的高压水系统通常由简易水箱和泵组成，需要派驻专门的人员时刻关注设备的运行状态，如有没有水，泵压力是否下降等，工人工作环境恶劣，效率低，时常出现因为对高压水系统监控和处置不及时，清洗效果差等情况。为了改变这种情况，文章设计了一套智能化程度比较高的高压水系统，通过PLC 实时采集水量、压力、流量等数据，并结合特种高压清洗机器人的工作状态，建立相关的诊断分析模型，实现高压水系统的智能化管理。其能够对水循环单元进行水量控制，通过分析水量的变化波动，分析水循环中的过滤系统或喷嘴是否堵塞等；通过检测水系统的压力和水流量变化，分析高压连接管和喷嘴是否工作正常等。

根据不同清洗工况，设计和选择合适的喷嘴是获得低能耗的清洗效果的关键。为了获得最佳的低能耗清洗效果，首先要根据不同的清洗对象设计和选取不同功能的喷嘴。例如，在清洗平面时，应选择平面清洗喷嘴，同时还要综合考虑清洗效率和清洗成本，在追求高效率的清洗条件下，可以选择平面清洗旋转喷嘴；在追求低成本的条件下，可以选择普通平面清洗喷嘴。又如，在管道清洗中，应根据直径大小选用大直径清洗用喷嘴或小直径清洗用喷嘴。本文主要对制糖、酒精、氧化铝等列管式加热器清洗固定喷嘴和旋转喷嘴进行了研究和优化。

3 特种高压水清洗机器人多行业应用共性难点问题研究与探讨

3.1 多机协同作业和清洗路径优化研究

酒精、氧化铝行业因为没有进行冗余设计，对高压清洗作业的时效性要求很高，一旦耽误时间将延误整个流水线的工作，因此多机协同作业能最大发挥清洗优势。完成多机协同作业面临的技术难点是：实现多机协同快速提取清洗目标数据并建立相关数据库；开发多机协同系统，能够避免相互干涉、同时自动选择清洗模式和根据情况进行清洗路径优化；多机协同操作系统研究开发。

多机协同作业根据不同的清洗界面设计不同的多机协同清洗方案，如在开盖的立式加热器上，可以将高压清洗机器人设置在加热器的边缘，需要对加热器进行清洗时，只需要将罐盖吊装走，清洗机器人即可开始自动清洗作业，如图1。

如在有些封闭式的蒸发罐，设置了如图1左边所示的特种高压清洗机器人进行双机协同作业，其主要技术难点在于研发相关的清洗路径优化系统，将整个作业面上的加热管坐标数据作为一个整体考虑，高压清洗机器人在不同的空间位置进行等距离的运动时，耗时存在较大的差异（不同臂移动角度会出现较大差异）。研发的清洗路径优化系统使用了智能拟合技术将作业面上的加热管按照角度最优解的方案，对孔数据进行逻辑分区，优化移动速度，减少运行时间。且完成所有孔数据的获取后，通过最优拟合算法，对所有的孔按最优路径进行清洗控制，如图2。

图2 特种高压清洗机器人进行双机协同作业优化路径示意图

3.2 厚积垢清洗工艺研究

酒精和氧化铝行业因为生产工艺和物料的原因，其加热管壁积垢厚度和硬度均较制糖行业要厚和硬，且其积垢增长的速度很快，一旦清洗不到位，会导致积垢越来越难清洗，直至该加热管逐步堵塞至完全堵塞，一般按照堵塞的严重情况分为半堵塞孔和全堵塞孔两种情况。

3.2.1 半堵塞孔处理

加热管因为清洗不干净或不及时导致半堵塞，这种情况一般是加热管积垢后的通径小于高压水喷嘴的外径，此时高压水枪无法一次清洗干净，如果强行下枪，会导致喷嘴卡死在加热管内，导致特种高压清洗机器人频繁报错。

传统人工处理半堵塞孔清洗工艺是用高压水射流在堵塞孔上往复轻微震动将积垢清除至贯通。特种高压清洗机器人开发了一套模仿人工的震动堵塞孔的清洗工艺，其主要结合高压水枪输送装置在输送高压水枪时，遇到堵塞孔会打滑特性，相关检测行程的传感器没有及时得到反馈信号，再与清洗所需要的送枪长度所需要得到的反馈信号的数值进行对比，一旦系统发现对比数值不对，则自动切换为震动堵塞孔清洗模式，通过在堵塞孔的堵塞处反复清洗，将积垢清除干净。

3.2.2 全堵塞孔清洗工艺

加热管因为清洗不及时导致半堵塞，如不及时清洗，很快就会全堵塞。全堵塞孔用机械的方法很难打通，且极易因为操作不当直接损坏加热管，用户往往直接采用换管的方式，成本高，耗时耗力，影响生产。全堵塞孔清洗需要人工扩孔和设备自动清洗相结合。首先需要采用机械的方式在全堵孔上钻出高压水枪头的通道，然后采用清洗半堵塞孔的清洗工艺进行震动清洗，除去大量的积垢，最后采用抛光喷嘴进行管壁全面清洗，全部清除积垢，获得金属表面。

4 应用情况

特种高压清洗机器人在制糖、酒精、氧化铝等多个行业广泛应用。研究关节臂式机器人算法，并开展多机器人协同作业算法研究，实现多机协同作业，进一步提高了设备的清洗速度，为快速清洗数量更大的换热器打下了基础。该产品的应用不仅解决了用工难的问题，而且解决了漏冲、冲洗不干净的问题，由于冲洗质量的提高，应用厂家的蒸发效能均有不同程度的提高，为这些行业的节能减排做出了贡献。目前相关产品在多个行业有近百套设备应用，每年给用户带来的节约能源收益上亿元。

5 结束语

特种高压清洗机器人下一步将拓展在卧式加热器和交通行业等领域的应用，在清洗效果研究方面，需要更加专注研究高效高压清洗喷嘴，获得更好的清洗效果，在智能化方面，将进一步研究机器人的清洗智能控制程序和智能诊断系统，实现系统的远程控制，减少设备的故障和维护时间。