CN111156854A - 一种管壳式换热器管内壁面自动清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于管式换热器管内壁面自动清洁的智能机器人。如附图所示，所述系统主要由电动机1、转子2、传动齿轮组3、行走轮4和智能控制系统7组成。转子上安装有清洁刷头5和砂轮6；其工作原理是：传动齿轮组3将电动机1的周向旋转运动转换为多轴轴向旋转运动，驱动周向布置的多个行走轮4在换热器管内壁面的爬行；行走轮4安装在电机1的外壳支架上，依靠行走轮4与换热器管内壁的摩擦力阻止电机1和传动齿轮组3的周向运动，以避免机器人与外部连接电缆的缠绕；电动机1直接驱动清洁刷头5和砂轮6旋转，用于清除换热器管内壁面附着污垢和堵塞物；智能控制系统7用于控制机器人在换热器管的进入、前进、停止、后退以及退出等动作。大量的技术论证和分析表明，该机器人可以实现对直通式等径换热管内壁的可靠清洗，是替代现有胶球清洗以及高压水射流清洗等技术的最佳选择，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。

Description

一种管壳式换热器管内壁面自动清洁机器人

技术领域

本发明涉及等径直管式管壳式换热器的换热管内壁面自动清洁机器人装置，属于机械领域。

背景技术

管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，在所有换热器中占据主导地位。比如火电厂的凝汽器，就是由大量直径20-25mm，长度8-20m的等径管束构成。由于管内流体含有杂质，长期在管内流动会导致管内壁面污垢沉积，严重时堵塞换热管，影响换热效率，降低机组的经济性。

管壳式换热器的换热管内径较小，在线除垢较困难。目前常用除垢方法是机械清洗和化学清洗。应用最多的机械清洗是胶球清洗，需要利用专用设备实现管束的在线清洗。胶球在管内水压的作用下进入换热管，摩擦管内壁面擦拭其表面污垢。胶球清洗存在胶球的回收率低、运行费用高、部分胶球堵塞换热管等问题，备受用户诟病。高压水在线清洗也是作为器械清洗的一种方式，近年来获得了一定的尝试和发展，但仅靠顺流高压水很难彻底清除高粘性和顽固性污垢，水流速度高时易引起换热管振动，影响机组的安全运行。化学清洗即酸洗，可消除一些特殊污垢，如在管内粘附、生长的水生生物质以及能与弱酸发生化学反应的污垢，但可能会造成水管腐蚀泄露，存在安全性问题，并且清洗成本高。其他清洗方法，比如超声波技术、电子水处理等，还处于尝试阶段，并且存在各自的问题，此处不再一一赘述。总的来说，目前普及使用的换热器管内清洗技术，还没有兼顾成本、效率和安全性的清洗方法。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种能够低成本、高可靠、高效率清洁管壳式换热器管内壁面污垢，并且不影响换热器正常工作的自动清洁机器人。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种管壳式换热器管内壁面自动清洁机器人，包含电机、转子、传动齿轮组、行走轮和智能控制系统，转子上安装有清洁刷头和砂轮。各部件组合后可满足在外径15mm-50mm的换热管内自动爬行和清洁的需求，整体结构示意参见附图1。其工作原理是：传动齿轮组将电机的周向旋转运动转换为多轴轴向旋转运动，驱动周向布置的多个行走轮在换热器管内壁面爬行；传动齿轮组安装在电机外壳的支架上，驱动行走轮旋转沿着管内壁面轴向爬行，并依靠行走轮与换热器管内壁的周向方向的摩擦力阻止电机和行走轮的周向运动，以避免机器人与外部连接电缆的缠绕；电机直接驱动清洁刷头和砂轮旋转，用于清除换热器管内壁面附着污垢和堵塞物；智能控制系统用于控制机器人在换热器管的进入、前进、停止、后退以及退出等动作。

所述电机采用直流减速电机，转速为50-600rpm，可正转、反转。

所述传动齿轮组可由各种直齿轮、斜齿轮、伞齿轮、涡轮、蜗杆组合而成，采用滑动轴承、脂润滑、全封闭结构，能够实现将电机周向旋转转换为单端3-4个、双端6-8个与电机轴垂直且周向均匀/对称布置的旋转轴，具体方案可参见两个实施例。

所述行走轮由弹性、高耐磨性材料，如橡胶（不限于该材料）等制成，安装在传动齿轮组的输出轴上，双端6-8个成组使用，由电机和传动齿轮组驱动同向旋转。

所述转子上安装有清洁刷头和砂轮。

所述清洁刷头位于机器人的一端，刷头与管内壁面接触，在电机轴旋转的时候，清洁刷头跟随旋转，从而实现机器人在管内轴向行走的过程中刷洗管内壁面，结构示意参见附图1。

所述砂轮，与清洁刷头位于同一端，且在最外侧，在电机轴的驱动下，与清洁刷头以同样的转速旋转。砂轮与管内壁面不接触，防止磨损。管内壁可能存在比较厚的顽固污垢，无法通过清洁刷头清理掉，厚度过大的情况下，堵塞管道，并且阻碍机器人在管内行走。砂轮可以将这类污垢打磨掉，起到疏通管道的作用。

所述智能控制系统主要由传感器、控制元件和控制软件组成，可实现进入管道、管内受控前进、爬行到管道出口时自动停止、管内受控后退、遇到无法通过障碍物时后退等功能。

下面结合附图和实施例对本发明的结构及核心部件，即传动齿轮组作进一步说明。

附图说明

附图1是本发明实施中的机器人总体结构。

附图2是本发明实施例1中的转子。

附图3是本发明实施例1中的传动齿轮组。

附图4是本发明实施例1中的行走轮组轴向视图。

附图5是本发明实施例2中的机器人总体结构。

附图6是本发明实施例2中的转子。

附图7本发明实施例2中的传动齿轮组。

附图8是发明实施例2中前端行走轮组轴向视图。

附图9是发明实施例2中后端行走轮组轴向视图。

图中：1-电机；2-转子；3-传动齿轮组；4-行走轮；5-清洁刷头；6-砂轮；7-智能控制系统；8-轴；9-驱动蜗杆；10-涡轮；11-主齿轮；12-中间齿轮；13-被动齿轮；14-驱动齿轮；15-主齿轮；16-驱动锥齿轮；17-被动锥齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种管壳式换热器管内壁面自动清洁机器人，如图1所示。

所述机器人由电机1、转子2、传动齿轮组3、行走轮4和智能控制系统7组成。

所述转子2由轴8、清洁刷头5、砂轮6和驱动蜗杆9组成，如图2所示。机器人在管内行走过程中，清洁刷头5与轴8的同步旋转，刷洗管内壁面，同时砂轮6也同步旋转，将附着在管内壁面较厚的顽固污垢打磨掉，起到疏通管道的作用。

所述传动齿轮组3由涡轮10、主齿轮11、中间齿轮12、被动齿轮13组成，如图3所示。涡轮10被驱动蜗杆9驱动旋转，同时具有减速作用。主齿轮11与涡轮10同轴，并啮合中间齿轮12并驱动旋转、中间齿轮12同时啮合被动齿轮13，并驱动其旋转。

所述行走轮4与被动齿轮13同轴，被驱动旋转。行走轮4与管内壁面接触，在旋转的时候通过与管内壁面的摩擦力实现沿着管轴向爬行。

所述行走轮4和传动齿轮组3沿着圆周方向均布3-4组，本实施例采用3组，如图4所示。电机两侧对称布置，如图1所示。电机旋转时，传动齿轮组3驱动的行走轮4同方向旋转，由于行走轮4中心面（垂直于转轴）并通过电机旋转轴线，行走过程中，行走轮4与管内壁面之间只存在轴向爬行作用力。行走轮4和传动齿轮组3安装在电机1的支架上，如图1所示，封装完毕后可将所有齿轮、轴承与外部介质隔离，齿轮和轴承采用脂润滑，密封的不渗漏压力极限为0.5MPa，确保传动齿轮组的长期、稳定运行。

该实施例的主要特点是采用蜗杆涡轮结构，具有减速传动的特点，但缺点是涡轮蜗杆传动为摩擦传动，蜗杆涡轮存在摩擦磨损情况，寿命相对齿轮传动来说较短。

实施例2

一种管壳式换热器管内壁面自动清洁机器人，如图5所示。所述机器人由电机1、转子2、传动齿轮组3、行走轮4和智能控制系统7组成。

所述转子2由轴8、清洁刷头5、砂轮6和驱动齿轮14组成，如图6所示。机器人在管内行走过程中，清洁刷头5与轴8同步旋转，刷洗管内壁面，同时砂轮6也同步旋转，将附着在管内壁面较厚的顽固污垢打磨掉，起到疏通管道的作用。

所述传动齿轮组3由主齿轮15、驱动锥齿轮16和被动锥齿轮17组成，如图7所示。主动齿轮15与驱动齿轮14啮合，并被其驱动旋转。驱动锥齿轮16与主动齿轮15同轴，并与被动锥齿轮17啮合，并驱动其旋转。

所述行走轮4与被动锥齿轮17同轴，被驱动旋转。行走轮4与管内壁面接触，在旋转的时候通过与管内壁面的摩擦力实现沿着管轴向爬行。

所述行走轮4和传动齿轮组3沿着圆周方向均布3-4组，本实施例采用了3组，如图7和图8所示。电机前端如图8所示，电机后端如图9所示。电机两侧布置，如图5所示。电机旋转时，传动齿轮组3驱动的行走轮4旋转，由于行走轮4中心面（垂直于转轴）但没有通过电机旋转轴线，行走过程中，行走轮4与管内壁面之间同时存在轴向爬行作用力和周向作用力。电机1前端和后端的轴向作用力相反并抵消，防止机器人周向旋转，如图8和图9所示。行走轮4和传动齿轮组3安装在电机1的支架上，如图5所示，封装完毕后可将所有齿轮、轴承与外部介质隔离，齿轮和轴承采用脂润滑，密封的不渗漏压力极限为0.5MPa，确保传动齿轮组的长期、稳定运行。

该实施例采用锥齿轮传动结构，其缺点是行走轮中心面（垂直于转轴）未通过电机旋转轴线，行走轮4有周向力，虽然通过电机1两侧周向力相反抵消了组织机器人周向旋转，但是行走轮4磨损相对较多、就目前的耐磨橡胶轮耐磨性来说，这种增加的磨损可以忽略。与实施例1的蜗杆-涡轮结构相比，伞齿轮的传动效率高、结构简单，寿命大幅度增加。

Claims (10)

1.一种管壳式换热器管内壁面自动清洗机器人，其特征在于，所述系统是由电动机、转子、传动齿轮组、行走轮和智能控制系统组成，转子一端安装有清洁刷头和砂轮。

2.根据权利要求1所述机器人，其特征在于，所述机器人各部件组合后的最大外径可满足在15mm-50mm小口径换热管内爬行、清洗的需求。

3.根据权利要求1所述电动机，其特征在于，所述电动机采用直流减速电动机，双轴伸结构，外伸轴转速为50-600rpm，可正转、倒转。

4.根据权利要求1所述传动齿轮组，其特征在于，所述传动齿轮组可由各种直齿轮、斜齿轮、伞齿轮、涡轮、蜗杆组合而成，采用滑动轴承、脂润滑、全封闭结构，能够实现将电动机周向旋转转换为单端3-4个、双端6-8个与电机轴垂直且周向均匀/对称布置的旋转轴，具体方案可参见两个实施例，但对各实施例进行的任何未脱离权利要求4所述功能的等效实施或者变更，均属于本发明专利的权利要求范围。

5.在根据权利要求1所述行走轮，其特征在于，所述行走轮由弹性、高耐磨性材料，如橡胶（不限于该材料）等制成，安装在传动齿轮组的输出轴上，双端6-8个成组使用，由电动机和传动齿轮组驱动同向旋转。

6.根据权利要求2所述行走轮，其特征在于，所述行走轮外缘形状与其所应用的换热管内部形状匹配，若行走轮中心面（垂直于转轴）未通过电动机旋转轴线时，行走轮需要成对力学对称布置，以抵消换热管壁面对行走轮侧向力。

7.根据权利要求1所述清洁刷头，其特征在于，所述清洁刷头由金属骨架和高硬度、高耐磨性细丝组成，细丝直径范围是0.05-1.0mm；细丝通过焊接、挤压、装配等工艺附着在圆形骨架外侧，其外径为其所清洗换热管内径的1-1.2倍，圆形骨架安装在电机外伸轴或其同心传动轴上，受电机驱动旋转。

8.根据权利要求1所述砂轮，其特征在于，所述砂轮的形状为圆锥形或锥台形，轮毂部分为金属材料，外表面为金刚砂类高硬度材料，轮毂安装在电机外伸轴或其同心传动轴上，受电机驱动旋转。

9.根据权利要求1所述智能控制系统，其特征在于，所述智能控制系统主要由传感器、控制元件和控制软件组成，可实现进入管道、管内受控前进、爬行到管道出口时自动停止、管内受控后退、遇到无法通过障碍物时后退等功能。

10.根据权利要求1所述机器人，其特征在于，所述机器人是一个完整的组合件，本发明对各单体部件没有权利要求，只对权利要求1-9所述思路和方法，以及按照权利要求2-9所述部件组合成完整的机器人，并具备权利要求2-9所述功能的组合体提出权利要求。

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