一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人及其设计方法

技术领域

本发明涉及爬壁清洁机器人技术领域，特别是涉及一种空冷器清 洁爬壁机器人。

背景技术

目前，积灰对空冷器的负面影响被众多学者研究，针对该问题的 解决方法也被不断开发。为解决空冷凝汽器翅片管表面积灰问题，研 究人员开发了各种各样的清洗方法，目前广泛采用的管束式和矩阵式 高压水射流清洗方式均需消耗大量的水资源。由于北方地区水资源相 对匮乏，以上清洗方式并不适用。为了扬长直接空冷系统节水量大的 特点，我国学者提出了干式吹扫这一概念，即利用压缩空气代替高压 除盐水对凝汽器翅片管进行清洗。该方法实现了节水的目的，但依旧 采用了安装清洗架的设计方式，结构复杂、维护成本高且受环境限制。

现阶段，直接空冷器清洗系统有人工清洗系统、半自动清洗系统、 全自动清洗系统3种形式。美国、德国和国内的几家空冷技术公司设 计的空冷器清洗装置均采用手动或半自动结构，目前，我国电厂对空 冷岛的清洗主要采用手动或半自动结构。因此全自动清洗系统是用于 直接空冷清洗系统的改进形式，且目前清洗机器人技术尚未应用于空 冷器清洗领域。清洗机器人相对于其他形式的清扫系统具有携带方便、 路径规划灵活、可以与监测系统结合，实时确定清扫需求等独特优势。 但以单纯的履带或者驱动轮为行走机构的爬行式清洁机器人无法在 倾斜角度较大的空冷器上稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人及其 设计方法，以解决现有技术中清洗设备结构复杂、维护成本高且受环 境限制的技术问题，使得清洗设备能在倾斜角度较大的空冷器上稳定 运行，更加智能、高效、安全又无污染。

为实现上述目的，本发明提供了一种空冷器磁吸附射流式清洁机 器人，包括主体连接板，所述主体连接板上安装有清扫机构、监测机 构、驱动机构、吸附机构和控制机构。

所述清扫机构用于对空冷器壁面进行清洁。

所述监测机构用于对空冷器壁面的积灰情况进行实时、精准地监 控。

所述驱动机构用于机器人在空冷器壁面上行走。

所述吸附机构用于增强机器人在倾斜角度较大的空冷器壁面上 行走时的稳定性。

所述控制机构用于整体协调控制机器人的工作运转，所述控制机 构包括依次设置于所述主体连接板顶端的清扫风扇驱动模块、单片机 控制板和电机驱动模块，所述监测机构、所述清扫风扇驱动模块和所 述电机驱动模块均与所述单片机控制板电性连接；所述清扫机构与所 述清扫风扇驱动模块电性连接，所述驱动机构与所述电机驱动模块电 性连接。

优选的，所述清扫机构包括对称固定安装在所述主体连接板两端 的风扇固定件，所述风扇固定件内部固定安装有清扫风扇，所述清扫 风扇与所述清扫风扇驱动模块电性连接。

优选的，所述清扫风扇的内径为圆形，所述清扫风扇的直径为 50～90mm，所述清扫风扇的高度为76～116mm，所述清扫风扇的吹扫 力为0.1～0.4MPa，所述清扫风扇的底端至空冷器壁面的间距为30～ 50mm。

优选的，所述监测机构包括固定安装在所述主体连接板一端的摄 像头支架，所述摄像头支架末端固定安装有摄像头，所述摄像头与所 述单片机控制板电性连接。

优选的，所述驱动机构包括对称设置在所述主体连接板两侧的驱 动底盘，所述驱动底盘与所述主体连接板可拆卸连接，所述主体连接 板两侧均固定安装有驱动电机，所述驱动电机与所述驱动底盘传动配 合，所述驱动电机与所述电机驱动模块电性连接。

优选的，所述驱动电机的转轴转速为0～12转/分钟。

优选的，所述吸附机构包括磁体安装板和永磁吸附单元，所述磁 体安装板设置于所述主体连接板的下方，所述主体连接板与所述磁体 安装板之间设置有若干个安装柱，所述安装柱的两端分别与所述主体 连接板和所述磁体安装板固定连接，所述永磁吸附单元固定安装在所 述磁体安装板的下端面。

一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人的设计方法，具体如下：

1)为了保证机器人的驱动底盘能够在任意时刻都至少与空冷器 的两条基管相接触，驱动底盘的宽度应满足如下关系式

L

机器人所使用的清扫风扇的数量、直径和风扇固定件的厚度，有 如下关系式

L＝(d+2δ)n+L

其中，D为翅片管间距，L为机器人轮间距，L

2)为了保证清洗风扇喷射的清扫气流完全覆盖空冷器壁面，保 证清扫无死角，清扫风扇排列设计应满足如下公式

其中，h

3)依据机器人的整体质量、清扫风扇的推力、永磁吸附单元的 吸附力、空冷器壁面的倾角、机器人与空冷器壁面之间的摩擦系数， 判定机器人的吸附稳定性，整个运算过程由下述方程组描述：

为便于机器人受力分析，设定机器人本体的重力与负载重力和为 G，将G在坐标系oxyz内进行分解，如式(4)

由上式推得：

当永磁吸附单元与空冷器壁面间的吸附力满足式(6)时，可保 证机器人静止吸附在空冷器壁面时，不会产生向下滑移失稳；

为防止机器人围绕下端翻转，永磁吸附单元的附着力必须克服由 上部清扫风扇产生的扭矩，如果机器人围绕下端旋转，驱动底盘最上 方触点将被提升；在下端，扭矩平衡方程为

∑M

M

M

M

M

M

如果机器人绕下端翻转，那么

如果机器人没有翻转，驱动底盘能够附着在空冷器壁面上，那么

N

根据上式可得

永磁吸附单元的吸附力应满足上式，以便机器人在操作过程中不 会从空冷器壁面上翻倒；

其中，G

本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人具有以下优点：

(1)清洗介质为空气，无需添加水或清洁剂等介质，仅需涵道 风扇即可实现空气的射流，可称之为“取之不尽、用之不竭”,干式 清洗系统的应用不受地理位置、环境温度和水资源的限制，特别适用 于我国西北、华北、东北等地风沙大、扬尘多等缺水、少水地区的大 型电站空冷器的清洗；使用干式清扫，克服了水式清洗频率化、易损 坏翅片的弊端，同时节省了水洗时除盐水的制造成本。

(2)本发明所用原件、器件均为市售产品，结构简单，容易实 施，维护量小，降低了恶劣的灰尘条件下设备的故障率。

(3)将机器人与清扫装置相结合，且通过调整永磁吸附单元的 吸附力或调整永磁吸附单元与壁面之间的间隙可使所述机器人在空 冷器壁面灵活行走，并可通过对其进行路径规划，实现对空冷器壁面 的无死角清洗。通过摄像头实时、精准地检测空冷器表面积灰厚度， 将其通过所述单片机控制板发送到上位机进行处理和分析，依据计算 结果给出控制指令，调节清扫风扇的转速，可实现对空冷器壁面的智 能清扫，避免积灰清扫不完全，清扫效率低的问题，实现干式清洗系 统的经济、高效运行，提高了干式清洗系统的适应性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。

图1为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人的俯视图；

图2为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人的仰视图；

图3为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人的侧视图；

图4为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人吸附于空冷 器壁面的示意图；

图5为图4中A的放大示意图；

图6为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人的空间状态 分析图；

图7为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人沿空冷器壁 面下滑受力分析图；

图8为本发明一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人纵向倾覆受 力分析图。

附图标记

1、清扫风扇；2、风扇固定件；3、摄像头；4、摄像头支架；5、 右驱动底盘；6、主体连接板；7、电机驱动模块；8、单片机控制板； 9、左驱动底盘；10、清扫风扇驱动模块；11、大功率开关电源；12、 左驱动电机；13、右驱动电机；14、磁体安装板；15、永磁吸附单元； 16、安装柱；17、空冷器；18、翅片管基管；19、翅片管翅片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-8，本发明提供一种空冷器磁吸附射流式清洁机器人， 包括主体连接板6，主体连接板6上安装有清扫机构、监测机构、驱 动机构、吸附机构和控制机构。

控制机构包括依次设置于主体连接板6顶端的清扫风扇驱动模 块10、单片机控制板8和电机驱动模块7，且监测机构、清扫风扇驱 动模块10、单片机控制板8和电机驱动模块7均与主体连接板6电 性连接，用于整体协调控制机器人的工作运转。

清扫机构包括对称固定安装在主体连接板6两端的风扇固定件2， 风扇固定件2内部固定安装有清扫风扇1，清扫风扇1与清扫风扇驱 动模块10电性连接，用于对空冷器壁面进行清洁。

监测机构包括固定安装在主体连接板6一端的摄像头支架4，摄 像头支架4的末端以45°倾角固定安装有摄像头3，摄像头3与单片 机控制板8电性连接，用于对空冷器壁面的积灰情况进行实时、精准 地监测。

驱动机构包括对称设置在主体连接板6两侧的左驱动底盘9和右 驱动底盘5，左驱动底盘9和右驱动底盘5均与主体连接板6螺栓连 接。主体连接板6的两侧固定安装有左驱动电机12和右驱动电机13， 左驱动电机12、右驱动电机13分别与左驱动底盘9、右驱动底盘5 传动配合，且左驱动电机12和右驱动电机13均与电机驱动模块电性 连接，用于机器人在空冷器壁面上行走，本实施例中驱动底盘为常见 履带驱动结构。

吸附机构包括磁体安装板14和永磁吸附单元15，磁体安装板14 设置于主体连接板6的下方，主体连接板6与磁体安装板14之间设 置有6个安装柱16，安装柱16的两端分别与主体连接板6和磁体安 装板14螺栓连接，永磁吸附单元15固定安装在磁体安装板14的下端面，用于增强机器人在倾斜角度较大的空冷器壁面上行走时的稳定 性。永磁吸附单元15包括7块汝铁硼永磁铁，并于该矩形永磁体的 轴向充磁，且两块相邻矩形永磁铁的充磁方向相反。采用上述设计加 大了机器人的防纵向倾覆力矩，使得机器人的负载能力提高。这种吸 附方式，可通过提高吸附机构的吸附力或者减少吸附机构与壁面之间 的间隙来提高负载能力，保证了清洁爬壁机器人行走的灵活性，提高 了负载能力。

机器人外接电缆连接有大功率开关电源11，保证了机器人的续 航能力。

在本实施例中，为了保证机器人的驱动底盘能够在任意时刻都至 少与空冷器的两条翅片管基管相接触，驱动底盘的宽度应满足如下关 系式

L

翅片管基管高于翅片管翅片，翅片管基管外侧为半圆形结构，只 有驱动底盘与翅片管基管相接触机器人才能够稳定吸附在空冷器壁 面，因此只有在驱动底盘宽度大于翅片管间距的时候，才能保证单侧 驱动底盘在任意时刻都保持至少与一条翅片管基管相接触。直冷机组 空冷岛所使用的翅片管间距约为60mm，实施例中驱动底盘的宽度为 90mm，满足设计要求。

考虑到所使用清扫风扇的数量、直径和内外风扇固定件的厚度， 有如下关系式

L＝(d+2δ)n+L

在本实施例中，为了提高机器人的清扫效率，需要尽可能多的安 装清扫风扇，考虑到机器人过宽会对转弯造成不利影响，实施例中选 用8个50mm内径涵道风扇平均分布固定于机器人前后两端，并且使 得清扫机构以机器人本体前后对称设置。内外风扇固定件采用3D打 印，考虑到打印件的强度，内外风扇固定件的厚度设置为2mm。根据 公式(1)得到机器人的轮距设置为360mm。

在本实施例中，清扫风扇采用对称的设计方法，分布安装于机器 人前后两侧，可以保证机器人运行的稳定性。为了保证清扫装置喷射 的清扫气流完全覆盖空冷器壁面，有如下公式

当清扫风扇是高度满足式(3)的时候，可以保证清扫无死角， 即相邻风扇喷射出的气体在到达空冷器壁面时，射流面积重合或即将 重合。根据气体射流动力学，涵道风扇与轴流式通风机类似，其扩散 角约为44°30′。清扫风扇间距固定时，通过公式(3)计算出，当 清扫风扇距空冷器壁面高度大于12.38mm时，可以满足设计要求。

在本实施例中，为便于机器人受力分析，设定机器人本体的重力 与负载重力和为G，将G在坐标系oxyz内进行分解，如式(4)

由上式推得：

当永磁吸附单元与空冷器壁面间的吸附力满足式(6)时，可保 证所述机器人静止吸附在空冷器外壁面时，不会产生向下滑移失稳。

为防止所述机器人围绕下端翻转，所述磁性单元的附着力必须克 服由上部清扫风扇产生的扭矩。如果所述机器人围绕下端旋转，驱动 底盘最上方触点将被提升。在下端，扭矩平衡方程为

∑M

M

M

M

M

M

如果所述机器人绕下端翻转，那么

如果所述机器人没有翻转，驱动底盘应该能够附着在空冷器壁面 上，那么

N

根据上式可得

永磁吸附单元的吸附力都应满足上式，以便所述机器人在操作过 程中不会从空冷器壁面上翻倒。

在本实施例中，永磁吸附单元吸附力为273N满足上式，故所述 机器人在操作过程中不会从空冷器壁面上翻倒。

根据Maxwell张力法，作用在壁面上的磁吸附力为：

上述理论模型是进行有限元磁场与磁力仿真计算的根本依据。由 式(2)可知，在COMSAOL软件中仿真永磁吸附力时，建立的仿真模型 必须包裹在一个空气空间中，否则无法进行仿真计算。

其中，D为翅片管间距，L为机器人轮间距，L

永磁吸附单元与空冷器壁面间的吸附力受永磁体形状尺寸、以及 永磁体与壁面间的间隙影响。通过软件仿真确定永磁吸附单元的磁力 大小。在COMSOL软件中针对永磁吸附单元建立仿真模型，永磁吸附 单元采用一块长宽高为150×50×10mm的矩形汝铁硼永磁体。设置永 磁体与空冷器壁面留有间隙，壁面厚度为1.5mm。通过仿真得出当永 磁吸附单元距离壁面的高度为10mm时其磁吸附力为39N，即当吸附 机构距空冷器壁面的高度小于10mm时可以满足设计要求。

在本实施例中，左驱动电机12和右驱动电机13为直流减速电机。 在其他实施例中，驱动电机也可以是其他动力产生装置，例如，燃气 轮机、蒸汽轮机或者柴油机等。另本发明实施例提供的空冷器磁吸附 射流式清洁机器人除了可以用于对空冷器壁面进行清洁外，还可以用 于其他钢铁壁面的清洗，例如，船舶壁面或大型油罐壁面。该机器人 还可以携带其他设备如检测设备爬行于钢铁壁面完成相应的工作。

本实施例的运行工况如下：

当机器人工作时，摄像头3及时采集壁面上的积灰情况传输给单 片机控制板8进行处理和分析，随后单片机控制板8返回控制命令， 通过清扫风扇驱动模块10和电机驱动模块7分别使得风扇固定件2 内清扫风扇1进行清扫和左驱动电机12、右驱动电机13带动左驱动 底盘9、右驱动底盘5进行移动。同时通过永磁吸附单元15的吸附 能力，使得机器人能够运行稳定，按照系统规划路线进行工作，实现 对空冷器壁面的无死角清洗。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置 关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为 对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本 发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普 通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本 发明权利要求书确定的保护范围内。