一种新型1000 MW超临界锅炉水冷壁爬壁机器人结构设计

奚林根,王志刚,曹一峰,黄贤明

(1.江苏常熟发电有限公司,江苏 苏州 215500;2.常熟理工学院,江苏 苏州 215500)

0 引言

水冷壁是火力发电厂锅炉的重要组成部分,根据锅炉大小,由不同管径的钢管一排排连接而成[1]。水冷壁管内流动的水可以在火力发电过程中吸收煤燃烧过程中产生的热量,进而起到对锅炉炉墙的保护作用[2]。由于煤在燃烧过程中,产生的大量热能、烟气火焰等恶劣因素,会让水冷壁受热面极易出现损伤,造成失效老化现象,严重时引发安全事故[3]。

目前,在役锅炉的水冷壁受热面磨损检测作为确保设备能够平稳运行的一项工作内容,其重要程度不言而喻,但仍以常规技术手段检测为主,例如目视检验、卡尺测量、超声波测厚仪检测、电筒照射检查等人工方式。这种检查方式选择的检测对象是随机抽检出来的,不能做到部件设备的全方位检测,往往出现突发爆管缺陷,严重影响机组的安全稳定运行[4]。综上所述,传统的人工作业方式存在安全隐患高、效率低等问题。随着科技的不断发展,机器人技术也开始在电力行业发挥作用[5-6],本文设计了一款新型的锅炉水冷壁爬壁机器人,以期解决目前水冷壁检测难题。

1 水冷壁爬壁机器人

爬壁机器人是传统机械结构学与现代智能控制理论相结合的产物,作为典型的特种移动机器人,它具备吸附和爬壁2个基本功能,通过移动机构和吸附结构的优化组合,将地面移动技术拓展到垂直空间[7]。它是通过吸附装置吸附在壁面上,移动机构在有吸附力的情况下保持在壁面上移动,进而带动执行机构完成工作任务。保证机器人在复杂表面移动的必要因素就是爬壁机器人的吸附性能。磁吸附装置作为移动结构的重要组成部分,为机器人行走提供吸附保障,吸附力不足会导致跌落或倾覆,但如果一味追求更强吸力将会导致磁吸附装置体积与质量的增加,进而影响爬壁机器人的运动灵活性,增大了驱动机构的负载。

在电力行业,尤其是在电厂锅炉的维护和检修过程中,传统的人工作业方式存在安全隐患高、效率低等问题[8]。为了解决这些问题,本文采用深度融合、高度集成的设计思路,以水冷壁爬壁机器人为载体,结合计算机视觉、电磁超声无损检测、自动化等技术,设计锅炉水冷壁爬壁机器人,致力于解决困扰火电行业已久的缺少有效评估检查锅炉水冷壁外观磨损及内部腐蚀状态的评估问题。

1.1 总体结构设计

本文设计的爬壁机器人主体结构如图1所示,主要由控制系统、驱动机构、腿部结构和吸附机制等组成。控制系统是由多个控制模块构成,包括运动控制模块、传感器控制模块和通信控制模块等。其中,运动控制模块负责操控机器人的运动,传感器控制模块负责控制各个传感器的工作,而通信控制模块则用于与外部设备进行通信。

图1 爬壁机器人整体结构

主要检测流程:爬壁机器人接收指令后沿壁面向上爬行,到达指定区域后触发上限位开关停止,等待进一步的指令。接收到向下爬行的指令启动,编码器实时反馈位置信息,每爬行一段设定的距离后停止,等待相关检测指令,收到上位机下达检测指令后,执行操作完成检测工作。直到爬壁机器人运行到底部触发下限位开关停止,结束检测。

腿部结构是爬壁机器人的重要组成部分,由多个关节和支撑部件组成,为机器人提供稳定支撑并实现多自由度移动。为了应对水冷壁的特有结构,本文设计的腿部结构为履带式,在履带的一周上安装有数个永磁吸附块,其中的一部分紧紧地吸附于壁面上,履带由链条与永磁吸附块组成,由一台交流伺服电动机通过谐波减速器驱动。固定在链条上的永磁吸附块随着链条的旋转而依次脱离壁面和吸附于壁面,从而实现机器人在壁面上的移动。虽然履带式爬壁机器人运动灵活性差,转向阻力大,可能对壁面造成磨损,但其吸附力大,满足爬壁机器人在有一定负载的情况下,拥有在冷壁上进行转向、越障的能力。在吸附机制方面,因为磁力的作用力垂直于表面,所以即使在倾斜或者不平整的表面上,机器人也能保持稳定地吸附在壁面,且减轻了爬壁机器人本体的供电需求。

1.2 驱动模块

驱动模块设计是爬壁机器人的关键组成部分,它的稳定性、效率和可靠性直接影响机器人的工作性能,本文所设计的爬壁机器人驱动模式如图2所示。

图2 爬壁机器人驱动模式

该模块用于控制和驱动爬壁机器人在各种表面进行移动和操作,如图3所示,本文采用4个电机驱动,每个链轮可实现单独或联动控制,每个电机功率为48 W。通过内部的齿轮传动,带动外部链条转动,为小车提供小于7.8 m/min的行进速度。通过各个轮电机的差动控制,实现小车转弯爬行。

图3 爬壁机器人驱动结构

2 爬壁机器人功能设计

2.1 环境感知功能

爬壁机器人的前后摄像头是其对周围环境感知功能的重要组成部分,爬壁机器人环境感知功能如图4所示,摄像头具有360°全景拍摄能力,分辨率达到不低于1920×1080的标准。这样的配置不仅可以实时获取机器人周围的环境信息,还能对高空水冷壁的检测位置和路径进行实时监视和调整,确保扫查轨迹的可控性。同时,较高的遥控操作灵敏度、延迟时间不超过1 s,使得机器人能快速响应操作指令。

图4 爬壁机器人环境感知功能

2.2 清扫功能

清洗是水冷壁爬壁机器人的性能分析和控制的一个重要环节,清扫结构如图5所示,爬壁机器人的清扫机构主要由履带吸盘式行走机构、清洗刷和配气机构等组成。履带吸盘式行走机构是其基础结构,通常安装在机器人机身两侧,构成对称分布,通过直流电机驱动,能够实现在壁面上稳定行走。清洗刷是实现清洁功能的重要部分,可通过携带清洗刷对炉体或其他壁面进行清洗。

图5 清扫结构

配气机构作为清扫机构的一部分,其主要作用是控制吸盘的真空度以实现稳定的吸附。如王浩等[9]提到的一种配有新型自动配气机构的履带吸盘式爬壁清洁机器人,这种新型配气机构可以自动实现吸盘的配气。

2.3 缺陷识别功能

该模块采用线扫相机进行图像采集,具体结构如图6所示。线扫相机与小车行进速度匹配,自动调整采样率,可在爬壁机器人行进过程中采集图像并将图像发送会后台控制端,后端服务器可根据图片初步识别水冷壁管缺陷。在相机镜头周围设计了照明灯,为线扫相机提供照明,照明灯环供电电压为12 V,每个灯为3 W,共8个灯珠。

图6 相机安装结构

2.4 测厚功能

水冷壁爬壁机器人能够在行进时对水冷壁测厚[9],本次设计采用电磁超声无损检测技术对水冷壁进行测厚,测厚功能结构如图7所示。作为一种新发展起来的超声无损检测技术,电磁超声可以在检测探头与被检测材料表面不接触的情况下,实现声波的发射和接收。电磁超声在检测过程中,探头和被检测材料之间不需要借助耦合剂作为声波传输介质。同时,通过改变探头内部检测线圈和磁场的配置方式,可以在被检测材料内部激发出多种类型的超声波信号。该技术具有不接触、检测速度快、无需耦合剂等优点,已经成为无损检测技术中的重要技术。

3 结语

本文设计的水冷壁爬壁机器人可以有效替代电厂内人工防磨巡检,不但可以检测水冷壁外观缺陷,还可以测量水冷壁炉管厚度,进而评估水冷壁炉管腐蚀情况。将该型爬壁机器人应用于水冷壁防磨检査工作中,可以提高巡检效率、降低巡检成本、改善工作条件,还可以发现微小缺陷,将爆管事故扼杀在萌芽状态。下阶段,笔者将对该爬壁机器人系统功能进一步优化,实现更科学精确的水冷壁防磨检测及炉管腐蚀情况评估。