Design and Application of Electrolytic Aluminum Reservoir Desilting Robot System

ZHANGLi, WENZhong, ZHOUMing-zhu, WANGHai-xia, FANZhao

Manufacturing Automation ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (6) : 180-185.

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Manufacturing Automation ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (6) : 180-185. DOI: 10.3969/j.issn.1009-0134.2024.06.028

Design and Application of Electrolytic Aluminum Reservoir Desilting Robot System

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ZHANG Li , WEN Zhong , ZHOU Ming-zhu , WANG Hai-xia , FAN Zhao. Design and Application of Electrolytic Aluminum Reservoir Desilting Robot System[J]. Manufacturing Automation, 2024, 46(6): 180-185 https://doi.org/10.3969/j.issn.1009-0134.2024.06.028

0 引言

在电解铝生产中,冷却是铝水铸造的重要工艺环节,蓄水池是铸造分厂冷却塔冷水、热水的储存空间。由于冷却塔为开放式结构,长期运行过程中,冷却水中会混入空气中悬浮的氧化铝等粉尘,大风天气会吹入沙尘及轻质垃圾,且会因生产循环混入铁质氧化物、螺钉螺母、铝结痂等异物,在蓄水池底部会产生淤泥沉积和聚集,厚度可达0.2 m至1 m,严重影响铝水铸造的冷却工艺。淤泥等沉积物一旦进入循环系统,还会造成泵阀组件损坏,加速系统老化。因此,需定期对蓄水池进行清理,确保冷却水清洁。
目前,国内外用于清淤作业的机器人多种多样,按照行走方式可分为船体式、轮式、履带式和水力推进式等1-4;清淤方式有绞吸式、挖掘式、螺旋滚筒式、旋切吸盘式等5-7。其中典型的河道清淤机器人多数采用履带式行走结构,针对河道、大的箱涵通道设计,体积较大8-11;管道清淤机器人针对狭窄管道空间,多采用多轮式胀紧结构设计,以高压水枪或旋转铰刀吸头为主要清理方式12-14。上述清淤机器人均为针对不同应用场景定制开发,越障能力有限,多用于敞开式场景,且体积较大,而蓄水池清淤属于密闭空间作业,检修口尺寸较小,一般机器人无法进入,更无法对有排水管的集水坑进行有效清理作业。当前电解铝厂蓄水池主要采用人工清淤方式,即将蓄水池上部水排空后,人员进入蓄水池进行挖泥清淤,通过容器吊出淤泥等沉淀物至地面,作业环境淤泥深,潮湿、闷热、照明差,有甲烷、硫化氢等有毒有害气体,存在作业人员工作量大、清理效果差、作业效率低、作业风险高等问题。
因此,有必要针对电解铝厂蓄水池实际工况,研发一套蓄水池淤泥清理机器人,通过机器人代人进行蓄水池淤泥清理作业,从根本上消除密闭空间人工作业风险,降低清理工人劳动强度,提高清理工作效率和质量。

1 清淤机器人系统方案设计

电解铝铸造分厂的冷却塔蓄水池分冷水池和热水池两部分,为封闭式结构,呈对称布置,蓄水池长21米,宽6米,深度-5米,且侧面有长21米,宽1.5米,深-6米的集水坑,内部布置有一定数量的循环抽水管路,蓄水池顶部开设有700 mm×700 mm的检查孔。清淤机器人系统主要用于蓄水池底部及集水坑内淤泥等沉淀物的清理作业,根据蓄水池的空间结构特点及现场作业环境,清淤机器人系统基本功能涉及机器人移动、作业模块定位、高压冲洗、视频监控及照明、远程控制、抽吸排污、IP68等级的防水、自动管路线缆收放等,以此作为清淤机器人系统方案设计的依据。
设计了如图1所示的清淤机器人系统具体应用方案,主要由清淤机器人本体、高压泵(含离心式自吸泵)、排污泵、移动龙门架、吊篮、绞盘-控制柜、高压管路等组成。蓄水池清淤工作原理为: (1)冷水池和热水池交替清理,先用热水池水作为水源,清理冷水池;(2) 抽干冷水池上方水,露出淤泥,采用高压泵组抽热水池的水,经过绞盘连接到清淤机器人,将清淤机器人行驶至吊篮上,通过龙门架吊装吊篮至蓄水池检修口上方,从检修口放入水池中;(3) 清淤机器人在按照一定路径蓄水池内移动,通过云台摄像头观察蓄水池底部情况,三轴机械臂驱动高压喷嘴重复左右摆动冲洗淤泥,使得淤泥形成悬浮液,流至集水坑内;(4) 使用隔膜式排污泵抽取集水坑内悬浮液排出到沉淀池;(5) 水池底部冲洗完后,冲洗集水坑,直至冲洗干净,吊出清淤机器人,完成清淤作业。
图1 蓄水池清淤机器人系统具体应用方案

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为实现上述功能,本文对清淤机器人总体结构进行了设计,如图2所示。清理模块采用旋转式三自由度机械臂结构,在其末端可搭载高压冲洗模块或异物抓取模块,可根据清淤方案确定的轨迹运动,使高压冲洗模块到达指定位置进行清洗作业;监控模块配置二轴旋转云台,安装视频监控及照明,可覆盖整个作业区域;机器人本体主要包括一体式机体、履带行走模块及水下密封结构等;辅助装置主要涉及绞盘式线车,用于线缆的自动收放,以及视频清洗、水密接插件、复合线缆等模块。
图2 清淤机器人的总体结构

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2 清淤机器人系统结构设计

2.1 清淤机器人本体结构设计

清淤机器人采用线缆式远程控制,整体为履带式小车结构,主要包括车体、履带式运动模块、清理模块、监控模块、辅助模块等,各机构均采用模块化设计,结构紧凑;机器人整体设计上充分考虑重心问题,根据具体结构进行配重,确保机器人越障行走、清洗机械臂摆动时机器人重心保持平稳,并克服高压冲洗的反作用力,使机器人稳定可靠运行,其结构如图3所示。
图3 清淤机器人结构示意图

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车体为整个机器人的主体结构,一体加工成型,用于安装各作业功能模块。考虑到水池底部环境存在水、淤泥沉淀物等情况,易导致机器人行走机构打滑,同时机器人所搭载的高压清洗喷头也存在反作用力,故采用履带式结构的行走模块,增大机器人与水池底部的接触面积,同时履带采用耐磨、耐腐蚀、表面布满防滑花纹的橡胶,避免对蓄水池底部造成损坏,提高防滑稳定性能;履带式行走模块是整个机器人的动力核心,分布于机器人两侧,由两台高精度伺服电机搭配谐波减速机直驱,构成差速驱动,实现机器人前进、后退、调速,原地转向等功能,转弯半径小,运动灵活,履带式结构可使机器人平稳越障15,整体为开放式构造,避免淤泥聚集影响运动效率。
为了满足机器人周边区域多个方位的冲洗的可达性,以及覆盖集水坑的冲洗作业,设计了具有三自由度机械臂结构的清理模块,末端安装高压喷嘴,可实现大臂旋转、小臂俯仰、末端摆动功能。根据机器人结构布局, 一轴旋转角度范围+180°~-130°,二轴俯仰角度范围+180°~-90°,三轴喷嘴摆动角度范围±125°,臂展达800 mm;清理蓄水池底部时,三轴机械臂将喷嘴旋转到机身前端,调整二轴俯仰和三轴摆动角度到合适的冲洗高度和角度,进行冲洗作业,设置机械臂一轴摆动角度进行重复扫射冲洗,清理蓄水池集水坑时,将一轴机械臂旋转到与机身侧面垂直的位置,将喷嘴悬于集水坑正上方,设定机械臂的第三轴摆动角度并结合机器人本体移动进行重复扫射冲洗。
蓄水池为密闭空间结构,内部无光照,因此清淤机器人需配置监控模块,以观察蓄水池内部环境、机器人自身工作状态以及淤泥清理效果。监控模块采用二轴云台控制方式,配置高清红外摄像头,照明大灯,可实现旋转及俯仰运动,旋转角度范围±175°,俯仰角度范围±80°,可观测整个作业区域,通过立柱安装在机器人车体上,使得清淤机器人可以浸没在1 m深水中使用。高清摄像头具有可变焦,可进行光补偿及防水等功能,对工作场景可通过设置摄像头光源的参数自动调光,且作业场景能通过人机操作面板显示和观测。各运动轴均采用关节模组电机搭配谐波减速机驱动,结构紧凑,控制简便。
此外,机器人整体为IP68等级的防水,可沉浸在水环境下工作,各腔体、运动轴均采用了多道密封结构,确保机器人的防水功能。

2.2 高压冲洗系统设计

高压冲洗系统是整个清淤机器人的核心模块,提供高压水动力源,以实现高压水流对蓄水池底部淤泥等沉积物的冲洗,故选用高压柱塞泵。高压泵采用大功率三相电动机作为动力源经齿轮减速机带动多个柱塞工作,将水加压到10 MPa以上,提供稳定的高压水源。为给高压泵供水还增加了自吸式增压泵,确保高压泵有足够的水源;同时为了保证供水无空气,无杂质,增加了空气过滤器,防止空气及杂物进入高压泵引发震动、异常磨损等;为检测高压泵及管路运行情况,减少冲击震动,回路配置了压力、流量、温度等传感器,以及电动旁路球阀、压力表、蓄能器等,高压冲洗系统原理如图4所示。
图4 高压冲洗系统原理图

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根据现场冲洗工艺,以下对高压冲洗系统进行选型计算:
1)冲洗流量计算
蓄水池长21米,宽6米,两年未清淤过的蓄水池淤泥厚度约0.5米,以8小时完成清淤清理工作计算,则需要清淤的淤泥总量为21 × 6 × 0.5=63 m3
淤泥的湿密度为1500 kg/m3,排污泵可抽吸最大介质密度为1200 kg/m3,计算得到需要的水体积是淤泥的1.5倍,即需要63×1.5=94.5 m3的高压水进行冲洗作业,故8小时内完成蓄水池清淤工作,需要的流量为94.5/8=11.8 m3/h,取整为12 m3/h。
2)高压泵及软管选型计算
高压软管沿程压损计算公式为:
ΔPλ=λρlv22d
(1)
式中: ΔPλ为高压软管沿程压损,Pa; λ为沿程阻力系数; ρ为水的密度,1000 kg/m3 l为高压软管长度,m; d为高压软管内径,m; v为高压软管内水的速度,m/s。
雷诺数公式:
Re=vdγ
(2)
式中: Re为雷诺数; γ为水的运动粘度,1.006×10-6 m2/s。
预估采用高压软管接头直径范围在9~15 mm,则管内流速在18.86~52.4 m/s之间,导入式(2)得到雷诺数 Re=(2.8-4.68)×105,此时高压软管内水处于絮流状态。
当105< Re<106时,高压软管沿程阻力系数采用尼古拉兹光滑管经验公式:
λ=0.0032+0.221Re0.237
(3)
扩管缩管局部压损计算公式:
ΔPξ=ξρv22
(4)
式中: ΔPξ为扩管或缩管压损,Pa; v为出口速度,m/s; ξ为阻尼系数,可由下列公式计算得到。
扩管阻尼系数公式:
ξ=A1/A2-12
(5)
缩管阻尼系数公式:
ξ=0.51-A2/A1
(6)
式中: A1为大口直径,m; A2为小口直径,m。
蓄水池长21米,深7米(含1米蓄水池上部覆盖土层),考虑现场复杂工况,高压软管按照40米的长度设计,管路流量按照1)中数据12 m3/h计算;按照不同管径,代入式(1)式(6)计算高压管路沿程压损,如表1所示。
表1 不同管径的高压管路沿程压损表
高压管内径/mm 管接头内径/mm 管接头数量 沿程压损/MPa 管接头压损/MPa 总压损/MPa 高压泵功率/kW 高压泵额定压力/MPa 出水口压力/MPa
12 9 4 20.15 0.88 21.03 90 22 0.97
13 10 4 13.70 0.53 14.23 75 18 3.77
14 11 4 9.59 0.33 9.92 55 13 3.08
15 12 4 6.88 0.22 7 45 11 4
16 13 4 5.04 0.15 5.19 37 9 3.81
17 14 4 3.76 0.1 3.86 30 6 2.14
表1中高压泵的功率、额定压力等参数是根据流量12 m3/h和计算总压损值,选择的市场上现有高压柱塞泵的参数,高压泵的选型以满足高压冲洗现场条件前提下最小功率为原则。经现场核查,蓄水池泵房可用电源功率为50 kW,标准高压软管内径尺寸系列有10 mm、13 mm、16 mm、19 mm、22 mm等,因此,选择高压软管内径16 mm,此时泵的功率为37 kW,以给排污泵等其他设备留出足够的用电功率。
3)高压喷嘴选型计算:
高压喷嘴安装于三轴清理模块末端,其直径计算公式如下:
dp=q0.658×p×n×η
(7)
式中: dp为喷嘴直径,mm; q为喷射流量,L/min; p为喷射压力,bar; n为喷嘴数量; η为喷嘴效率系数,对喷枪喷嘴 η=1.05~1.1,此处取1.1。
喷射流量取8小时完成清淤对应的流量 q=12 m3/h=200 L/min;喷射压力取表1中16 mm内径管子对应的出口压力 p=3.81 MPa=38.1bar;喷嘴数量根据结构空间限制,选择3个喷嘴。将上述数据带入公式(7)计算得到 dp=4.456 mm,取整为5 mm,因此选用内径为5 mm的高压喷嘴。

2.3 排污模块选型设计

清淤机器人使用高压水流将淤泥冲散形成悬浮液,汇集至蓄水池集水坑内,需通过排污泵排出,考虑现场蓄水池顶部检查孔尺寸及机器人安装,排污泵选用自吸式隔膜泵,将排污管通过检查孔放入集水坑内,泵放在蓄水池上方即可。隔膜泵具有很强的自吸能力、不需要灌引水,耐腐蚀、抗异物能力强,尤为适用淤泥水等介质的抽吸。
根据上述计算可知,8小时内完成蓄水池淤泥清理,清理淤泥总量为63 m3,高压水冲洗总量为94.5 m3,总排污流量为157.8 m3,因此,隔膜泵排污流量为157.8/8=19.68 m3/h,考虑现场压力损失,并留出裕量,结合市场产品参数,选用28.8 m³/h流量的隔膜泵,功率4 kW。
蓄水池内因生产运行会混入铁质氧化物、螺钉螺母等异物,易对隔膜造成损伤,在排污管底部设置了底阀过滤回收装置,其结构为排污管末端设置单向逆止底阀,底阀外部包络过滤网,固定在方框结构上;方框结构底部设置强磁铁,以吸附铁质异物;方框结构下方设置回收盘,以回收排污口附近区域的铝结痂。

3 控制系统设计

清淤机器人控制系统采用上、下位机控制方式,分为三级,原理框图如图5所示。其中第一级为上位人机交互界面,是整个控制系统的操作部分,为工控触摸一体机,配置高性能Intel(R) Core(TM) i5-10400F处理器,16G运行内存,采用基于Win10的操作系统,通过TCP/IP协议与下位PLC进行信息交互,可实现清淤作业的系统参数设定,各设备状态参数显示,实时视频监控及远程控制等;第二级为下位PLC控制模块,集成在控制柜内,主要包括PLC、CANopen通讯模块、数据采集模块、网络交换机、高压泵、排污泵、绞盘线车、各传感器等,可接收上位人机交互界面指令,实现高压泵、排污泵的启停控制及运行参数设置。绞盘线车的自动收放线,通过TCP/IP协议与机载PLC通讯;第三级为机载水下部分,包括PLC控制模块、视频监控模块、行走模块、冲洗模块以及各类传感设备,用于实现机器人各模块的运动控制,监控及照明控制,摄像头清洗控制等,以及各传感器信息采集。
图5 控制系统原理框图

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控制系统PLC均采用Siemens CPU 1215C AC/DC/Rly plus,其具有优秀的稳定性及数据处理能力,同时具备宽温性能,可在-20 ℃低温环境下正常工作,主要负责数据的采集、各模块逻辑运算、数据通讯、机器人姿态控制等。系统中安装了多个温度传感器、压力传感器、流量传感器、旁路电动球阀,均采用4-20mA模拟量信号,配合西门子1200PLC模拟量输入/输出模块SM1231/SM1232 实现数据采集和控制。

4 机器人系统试验验证

根据上述技术方案,研制了如图6所示的清淤机器人系统,其中清淤机器人外形尺寸为长630 mm×宽540 mm×高900 mm,自重160 kg。根据清淤作业工艺流程,对整套系统功能进行了试验测试,测试结果表明:清淤机器人各运动部件功能正常,运动范围、最大速度、轨迹运动均符合设计要求,能够实现前进、后退、定位、调速等功能,机器人可跨越60 mm高度障碍,运动平稳;机器人可在水环境下长期工作,防水等级达到IP68;机器人可实现自动收放线功能,高压冲洗系统、排污泵工作稳定;机器人实时视频监控,传感信息采集等功能模块工作正常,人机交互界面工作符合预期,操作简便。
图6 清淤机器人系统示意图

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清淤机器人系统主要功能为高压冲洗作业,且冲洗管路长度达40米,存在较大压力损失,机器人出水口压力大小直接影响淤泥的冲洗效果,因此对高压管路压损进行了试验测试。清淤机器人在清淤过程中,通过调节高压泵出口旁路球阀开度,实现对清淤机器人高压喷嘴处压力和流量的调节,实测记录不同流量对应的高压泵出口压力和机器人喷嘴冲洗压力,并与理论压损计算值进行对比,测试结果如图7所示。可知在12 m3/h冲洗流量下,高压泵出口压力为8.28 MPa,机器人末端冲洗压力为2.61 MPa,实测管路压损数值为5.67 MPa,比计算值5.19 MPa大了约9%,该误差产生原因是高压水管尺寸误差,以及水管折弯所导致。经过现场作业验证,该清淤机器人系统机器人冲洗压力可以满足蓄水池清淤的需求。
图7 实测高压管路压力与计算值对比

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经各模块功能及压损测试后,在电解铝铸造厂工程现场对清淤机器人系统进行了试验验证,使用该系统对三年未清淤的蓄水池进行了清淤作业,如图8所示,总作业时间为10小时20分钟,完成了蓄水池底部和集水坑的淤泥清理作业,可按预定轨迹进行自动冲洗作业,并通过底阀过滤回收装置清理出了螺钉、焊条等异物。施工后经检查,蓄水池清淤覆盖率达到95%以上,露出底部水泥地面,且相较于人工清理作业需48小时完成,缩短了75%以上的时间。工程试验结果表明:该清淤机器人系统能够完成蓄水池清淤作业,可连续长时间运行,清淤作业稳定可靠。
图8 清淤机器人现场清淤作业工作图

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5 结论

针对电解铝蓄水池人工清淤作业存在的问题及作业需求,采用高压水冲洗结合排污泵的方式,开发了蓄水池清淤机器人系统,设计了履带式清淤机器人本体结构、三轴清理模块、二轴云台监控模块,并对高压冲洗系统模块、排污模块进行了设计选型,搭建了基于工控机和PLC的上下位机远程控制系统,研制了工程样机,在现场进行了工程试验验证。试验结果表明:清淤机器人各功能模块工作正常,可在水环境下长时间运行,高压冲洗系统、排污泵工作稳定,实现了自动收放线功能,符合工程现场使用要求;清淤机器人系统能够完成蓄水池底部和集水坑清淤作业,清淤覆盖率达到95%以上,相较人工作业大幅提高了清理效率,工作稳定可靠。本文研制的蓄水池清淤机器人可以完全替代人工到封闭空间内进行清淤作业,使工人脱离恶劣有害的作业环境,降低了人工作业劳动强度,提升了清淤作业本质安全,也可用于水下作业,具有广泛的应用前景。

References

1
廖伟强,罗智芸,徐素梅.水下清污机器人的研究现状与发展趋势[J].机电工程技术201645(1):12-14.
2
郭昆鹏,赵银江,汤家源,等.水下管道清淤疏浚机器人研究综述[J].科技创新与应用2021(16):21-23.
3
曹阳.垃圾发电厂渗沥液格栅板疏通机器人设计与研究[D]. 徐州:中国矿业大学,2019: 3-12.
4
余新鹏,胡琼,吉成才,等.基于 CFD-DEM 的水下清淤机器人吸泥管道流场分析[J].矿冶工程202242(4):1-5.
5
李成群,马利平,路春光,等.牵引式排水管道清淤机器人的研究[J].制造业自动化201436(11):57-60.
6
查跃华.我国清淤机械的现状和湖塘清淤技术的应用及发展趋势[C].第六届中国农机论坛暨第四届亚洲农机峰会,2006.
7
韩猛,赵峰,桑迪.基于一种核管道机器人结构设计与驱动力分析[J].机电工程201734(7):696-701.
8
孙铭超.南水北调中线工程天津干线清淤设备的研制与试验[J].水电站机电技 术201942(4):38-40.
9
张磊,李泽,邓远见,等.机器人在暗涵清淤中的应用[J].云南水力发电201733(6):113-117.
10
董索,李建清,陈利强.水库清淤技术概述[J].水利水电快报202240(11):49-52.
11
饶虹,黄清强,余昀.不停产清淤机器人在污水提升泵房中的工程应用[J].市政技术202240(7):246-251.
12
曹建树,徐宝东,鲁军,等.蠕动式污水管道清淤机器人[J].机床与液压201442(21):50-53.
13
罗继曼,刘思远,戴璐璐,等.管道机器人清淤装置设计与动力特性研究[J].机械与电子201836(8):75-80.
14
余煌,金守宽,李潇,等.一种新型管道清理机器人[J].今日制造与升级2021(5):52-53.
15
彭宽栋,张学良,郑龙,等.自适应履带机器人的研究与测试[J].机电工程201734(12):1485-1490.
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