李守忠， 李海涛,2， 刘平义， 刘凯凯， 太健健， 杨亚飞

(1.中国农业大学 工学院，北京 100083; 2.现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京 100083)

加热炉、裂解炉是化工生产中的主要耗能装备之一，由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器及通风系统五部分组成，由辐射室排出的烟气在对流室内进行换热. 对流室内布置有多层炉管，每层多根，单根长度可达10 m以上. 管的中间分布有横隔板用于支撑炉管，部分横隔板高出第一层炉管，炉管主要采用等边三角形排列方式.

为提高传热效率，对流室内炉管采用翅片管或钉头管. 在对流室长期运行过程中，烟气中的油焦、碳粉、硫化物、矿物质等固体颗粒与炉管外壁相互碰撞. 由于惯性力的作用，部分颗粒沉积在炉管翅片表面形成积灰或污垢. 积灰或污垢的产生将降低炉管传热效率，造成能源浪费[1]；还会腐蚀炉管，降低使用寿命，造成安全隐患.

目前已有的炉管清洗方式分在线清洗与离线清洗两种，在线清洗指采用吹灰器吹除灰尘[2]. 在线清洗方式清洗效果较差，仍需在对流室停工期间采用其他清洗方式对炉管外壁进行清洗. 离线清洗主要包括化学喷淋清洗、干冰清洗和人工高压水射流清洗等方式. 化学喷淋清洗是指向炉管表面喷淋化学试剂，利用化学试剂的润湿、渗透及剥离作用清除炉管表面的污垢，该清洗方式存在较大清洗死角，当炉管层数较多时不适用，清洗液中的酸性及腐蚀性试剂会对炉管表面造成损伤，废液如不能妥善处理将会造成环境污染[3]. 干冰清洗是利用干冰制备机把CO2制成一定规格的干冰颗粒，然后利用压缩空气将干冰颗粒高速喷射到炉管表面，利用干冰的物理特性对炉管进行清洗作业. 干冰制备费用较高，且干冰清洗多采用人工作业方式，存在较大清洗死角，人工劳动强度较大.

高压水射流清洗作为一种新型清洗方式效果较好，相较于其他清洗方式，具有不损伤物体、不污染环境、清洗作业范围广以及成本低等优点，因而在对流室炉管外壁清洗中逐渐被采用，但配套设备尚不完善，目前大多采用人工手持方式进行作业，人工作业只能通过观察孔对第一层炉管的部分区域进行清洗，作业范围较小，劳动强度较大[4].

有鉴于此，文中设计一种对流室炉管外壁清洗机，该清洗机喷杆可喷射高压水射流冲击管壁清除灰尘与污垢. 喷杆可伸至不同层以完成对流室内各层炉管的清洗，清洗范围较大，机械化作业可降低人工劳动强度.

1 清洗机结构设计

清洗机构成如图1所示，借助行走轮与导向轮，清洗机可沿炉管轴线行走，到达作业位置后，喷杆下摆至预定角度，喷头喷射高压水射流清洗炉管. 清洗不同层炉管时，喷杆需下摆至不同角度. 当清洗机运行至支撑板障碍前时，喷杆上摆至水平，清洗机可借助越障轮翻越障碍.

1.1 行走-导向-越障轮组设计

针对以上需求，设计了一种具有行走-导向-越障功能的轮组，如图2所示. 其中连接轴与传动轴通过螺钉连接，行走轮与越障轮固连在连接轴上，锥形导向轮空套在连接轴上[5].

如图3所示，两行走轮分别与相邻两根炉管外表面接触，行走轮转动带动清洗机在炉管上前进或后退. 相邻两炉管在实际安装中轴线不能做到完全平行[6]，

积蓄灰尘后，炉管外壁形状变得不规则，清洗机在炉管上有脱离炉管运行的趋势，锥形设计的导向轮的存在将限制清洗机的行走方向，使清洗机能稳定地沿炉管轴线运行[7].

轮组的最外侧布置有两越障轮，越障轮外沿采用齿形设计，导向轮与越障轮位于相邻两炉管间隙内. 清洗机越障流程如图4所示. 由于越障轮尺寸大于行走轮与导向轮尺寸，当清洗机运行至障碍前时，越障轮轮沿上的齿首先与障碍接触，轮组继续转动，清洗机前轮组翻越障碍. 同理，借助后轮组越障轮，清洗机整体可越过障碍.

行走、导向与越障是清洗机底盘必须具有的三个功能，行走-导向-越障轮组的提出可以简化清洗机底盘的结构设计，在文中所述工作环境下，借助此轮组，清洗机可实现行走导向越障功能.

1.2 执行机构设计

清洗机通过喷射高压水射流冲击管壁实现炉管的清洗. 对流室内炉管多层多根密集排列，清洗机要实现对对流室内所有炉管的清洗，需设计执行机构使喷杆可下摆至不同层炉管管缝处.

采用等边三角形排列方式的炉管束截面如图5所示，采用这种排列方式的炉管束，喷杆正好可以沿管缝上下摆动而不会产生干涉. 执行机构需能使喷杆下摆至图5所示位置，清洗机拟选用自旋式高压

喷头，该喷头能喷射扇形高压水柱，可增大清洗范围，配合其自旋功能可保障炉管上下表面清洗彻底.

如图6所示，清洗机执行机构由前后安装架、电动推杆、喷杆夹持部件、喷杆、滑动轴承等几部分组成. 电动推杆前端安装孔与喷杆夹持部件铰接，并通过前安装架安装在车身上，电动推杆尾部安装孔与后安装架铰接，后安装架与车身固连.

清洗机清洗不同层炉管时，喷头应伸至当前清洗层管缝处，喷杆需与车身呈不同角度，这就要求清洗机喷杆可实现上下摆动功能[8]. 由于喷杆夹持部件可绕滑动轴承中心旋转，当清洗机喷杆需下摆时，电动推杆伸长，当清洗机喷杆需上摆时，电动推杆缩短. 清洗机清洗不同层炉管时具有特定的角度，对应电动推杆具有不同的伸出长度.

如图7所示，借助以上执行机构，在清洗不同层炉管时，清洗机喷杆可精确定位在不同角度，喷头位于所清洗层管缝处. 清洗机沿炉管轴线运动，喷头旋转喷射扇形高压水射流，可实现整段炉管的清洗.

1.3 建模仿真与参数优选

根据上述原理，完成了清洗机整机结构设计，建立了清洗机整机的三维模型如图8所示. 为优选设计参数以提升清洗机运行性能，并得出清洗机运行极限参数，对清洗机进行动力学仿真.

首先在Solidworks中建立仿真三维模型，将此三维模型存储为中间格式，并导入ADAMS中，其界面如图9所示. 然后设置重力加速度方向、工作网格和工作坐标面及单位；添加前后车轴与车身之间的转动副以及前后车轴与导向轮之间的转动副；在前后车轴与车身的旋转自由度上添加旋转驱动. 最后分别改变清洗机行走轮材质、行走轮尺寸、轴距、侧向力大小及炉管倾斜角度等参数得出仿真结果，观察所得曲线及数据，可得出以下结论：

① 清洗机采用尼龙、铝质或钢质行走轮时运行平稳性较好，行走轮采用橡胶材质时，轮组所受冲击

力较大，清洗机运行平稳性较差.

② 适当增大清洗机行走轮尺寸可增加清洗机运行平稳性，但是行走轮尺寸的增加将导致清洗机本体质量的大幅度增加，会造成清洗机运行能耗增大.

③ 清洗机运行平稳性随清洗机轴距的增大而增加，当清洗机轴距大于320 mm时，清洗机运行平稳性随轴距增大变化不明显. 清洗机轴距增大时，底盘需做适度加长，将增加清洗机整机质量.

④ 清洗机最大可承受50 N侧向力，超出此范围清洗机将脱离炉管.

⑤ 当炉管与地面平行时，尼龙行走轮可满足作业要求；当炉管倾斜角度小于5°时，铝质行走轮可满足作业要求；当炉管倾斜角度小于10°时，钢质行走轮可满足作业要求.

综上所述，为增加清洗机运行平稳性，可选用尼龙、铝质、钢质行走轮，行走轮直径确定为150 mm，轴距确定为320 mm. 清洗机可承受小于50 N的侧向力，当超过此数值时，清洗机不能正常工作；当炉管近似平行于地面时，可采用尼龙材质行走轮，当炉管倾斜角度小于5°时，可采用铝质行走轮，当炉管倾斜角度小于10°时，可采用钢质行走轮.

2 控制系统设计

清洗机由观察孔被放入对流室，操作者在对流室外通过控制柜实现对清洗机的远程控制，清洗机预设有手动运行和自动运行两种运行模式.

如图10所示，清洗机控制系统由以下几部分组成：前后摄像头、上位机、下位机、编码器与超声波测距传感器.

摄像头采集到的图像回传给控制箱上的屏幕1和2，以实现操作者对清洗机运行状态与清洗效果的实时监控；清洗机采用上下位机通信方案实现控制，上下位机之间采用RS-232通信协议实现通信. 上位机由串口屏与Arduino控制板卡1组成，安装在外部控制箱内，由人直接操作，其主要功能是实现清洗机初始化、向下位机发送指令，控制清洗机运行以及显示清洗机运行状态等. 当选择手动作业模式时，如图11所示，串口屏上将出现清洗机手动运行控制页面，通过点按此页面上的虚拟按键，操作者可实现对清洗机的远程控制；下位机是一块实现具体功能的Arduino控制板卡2，安装在清洗机上直接控制小车上各作业部件的动作. 其功能包括接收上位机发送的指令以控制清洗机动作、向上位机发送传感器值和小车在线状态等. 清洗机要完成作业，另需设计各种辅助设备，包括用于主动收放清洗机后拖拽管线的排线排管装置以及用于清洗机换行的辅助换行装置. 根据清洗机上下位机功能设计，借助清洗机上搭载的各种传感器以及附属的排线排管、换行等辅助设备，清洗机可实现手动或自动运行作业.

3 整机试验与结果

3.1 试验环境设置

根据上述设计搭建了试验样机，样机采用尼龙作为行走轮、导向轮制造材料，清洗机最大行走速度为2 m/min，最小行走速度为0.5 m/min.

根据清洗机作业环境，搭建试验平台，其中炉管管径154 mm，炉管采用等边三角形排列方式，同层相邻炉管中心距为200 mm. 如图12所示，该试验平台设置三层炉管，每层两根，炉管中间设置一处障碍，障碍宽110 mm，障碍高出第一层炉管上表面34 mm. 运用以上试验样机和试验平台，进行清洗机行走越障以及喷杆升降等试验.

3.2 试验结果

清洗机可在设计速度范围内实现管上行走及越障功能，可平稳越过横隔板障碍；喷杆可实现上升下降功能，可精确定位在预定角度；当选择自动运行模式时，清洗机可根据预设参数自动完成模拟作业过程.

4 结束语

清洗机借助行走-导向-越障轮组可实现管上行走功能，运行平稳，导向性能好，可实现较为平稳的越障功能. 喷杆能够在电动推杆的带动下实现升降功能，喷头可精确定位在不同层炉管管缝处，清洗机机械本体部分设计可满足作业要求. 借助上下位机控制方案以及控制系统，可以实现清洗机的自动运行与手动运行，完成清洗机模拟作业的整套流程，清洗机控制方案设计较为合理有效. 对流室炉管外壁清洗机在试验工况下可实现预定功能，加装高压水射流系统后可完成炉管的清洗作业，该清洗系统的设计为对流室炉管外壁清洗提供了一套有效的方案，并为其他管式加热设备炉管清洗作业提供思路.