CN115727710A - 一种换热器管内清洗装置及清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热器管内清洗装置，包括支撑平台组件、机械臂组件以及喷枪驱动组件、视觉识别组件，所述机械臂组件的一端设置在所述支撑平台组件上，所述机械臂组件的另一端设置有所述喷枪驱动组件，所述支撑平台组件固定在所述换热器的内壁上，且用于驱动所述机械臂组件和喷枪驱动组件在水平平面内移动，所述机械臂组件用于带动所述喷枪驱动组件在竖直平面内移动；所述喷枪驱动组件包括壳体以及设置在所述壳体上的照明机构、摄像机构和驱动机构，所述驱动机构用于驱动喷枪管线进行移动。本发明的换热器管内清洗装置，不仅能适用不同尺寸换热器管束内清洗，同时能动态识别和修正管束边界及中心位置坐标，精准驱动喷头对准管内，清洗效率更高。

Description

一种换热器管内清洗装置及清洗方法

技术领域

本发明属于管式换热器传热管内清洗设备技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉定位的管式换热器管束内高压清洗装置以及采用该清洗装置进行换热器管内清洗的方法。

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。如火电厂的凝汽器、化工或石油厂的换热器等就是由大量等径管束构成。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。

目前常用除垢方法是机械清洗和化学清洗。常用的机械清洗方式为人工手持式清洗，对每个管孔内部进行高压清洗，费时费力且安全风险高。针对大量换热器管束需定期冲洗的需求，研究基于机器视觉定位管束驱动机械臂夹持高压喷枪进行冲洗的关键技术，解决适应于换热器圆筒壁曲面安装的稳固可调机械臂工作平台、可穿行于管束内部喷头的便捷型驱动与定位机构、适配于不同直径范围的机械臂工作半径拓展工装、机器视觉定位管束驱动机械臂夹持高压喷枪进行冲洗等工程技术应用的难题，实现管束的智能化自动冲洗，替代现有人工持枪进行操作的现状，也可利用该装置进行管束的自动涡流检测。

如，专利公开号为CN111306983A的专利公开了一种管壳式换热器管在线自动清洁机器人定位装置讲述了基于丝杆、齿轮齿条结构的管束定位装置；专公告号为CN105953640B的专利公开了一种基于圆形环轨的定位结构；专利公开号为CN106403702A的专利公开了一种基于XY坐标的定位算法；专利公开号为CN209069092U的专利公开了一种改进型手持式高压喷枪，能够将喷嘴插入到管束内部进行清洗；专利公开号为CN113720197A和CN113720196A分别的专利公开了一种四轴和三轴丝杆导轨结构自动化清洗装置。但是上述相关专利大部分涉及换热管管束清洗的定位方法以及手持式喷枪的改进结构，且结构复杂，安装繁琐，有些甚至要拆卸换热器封头，应用受限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于机器视觉定位的换热器管束高压清洗装置，安装简单，清洗过程能够精确控制。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种换热器管内清洗装置，包括支撑平台组件、机械臂组件以及喷枪驱动组件、视觉识别组件，所述机械臂组件的一端设置在所述支撑平台组件上，所述机械臂组件的另一端设置有所述喷枪驱动组件，所述支撑平台组件用于固定在所述换热器的内壁上，且用于驱动所述机械臂组件和喷枪驱动组件在水平平面内和通过加装竖向导轨机构拓展竖直平面内移动，所述机械臂组件用于带动所述喷枪驱动组件在竖直平面内移动；所述喷枪驱动组件包括壳体以及设置在所述壳体上的照明机构、摄像机构和驱动机构，所述驱动机构用于驱动喷枪管线进行移动；所述视觉识别组件固定在喷枪驱动组件上，用于识别换热器截面上每根传热管的边界及其中心点坐标，以驱动机械臂组件使喷枪插入对应传热管内部。

根据本发明的一些优选实施方面，所述驱动机构包括主驱动机构和从驱动机构，所述主驱动机构包括固定板、设置在所述固定板上的第一主动轮和第一从动轮、用于驱动所述第一主动轮转动的驱动器、套设在第一主动轮和第一从动轮之间的驱动带；所述从驱动机构包括移动板以及设置在所述移动板上的第二主动轮和第二从动轮。驱动器容纳在壳体内，驱动器与第一主动轮之间设置有锥形齿轮组，进而带动第一主动轮转动，在通过驱动带同步带动第一从动轮转动，并通过第一主动轮和第二主动轮、第一从动轮和第二从动轮之间对喷枪管线的夹紧，进而驱动喷枪管线和其端部的喷头移动。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一主动轮和第一从动轮之间还设置有第一副动轮，所述第一副动轮上设置有编码器。通过设置编码器实现对喷枪管线移动信息的获取。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第二主动轮和第二从动轮之间对应所述第一副动轮设置有第二副动轮。即主驱动机构上的第一主动轮、第一从动轮、第一副动轮和从驱动机构上的第二主动轮、第二从动轮、第二副动轮是一一对应的关系，各轮上开设有环槽，两个对应的轮之间的环槽形成供喷枪管线移动的通道。

根据本发明的一些优选实施方面，所述固定板固定在所述壳体上，所述移动板与固定板之间通过紧固件连接，所述紧固件用于调整所述固定板和移动板之间的距离，以适应于不同规格的喷枪管线。

根据本发明的一些优选实施方面，所述固定板和/或移动板上对应所述喷枪管线设置有接近传感器；所述固定板和移动板之间设置有限位轴组件，所述限位轴组件与所述接近传感器位于同一竖直平面内。

根据本发明的一些优选实施方面，所述限位轴组件用于使得喷枪管线的端部退回到位时保持水平；所述限位轴组件包括第一限位轴和第二限位轴，所述第一限位轴和第二限位轴位于同一竖直平面内。

根据本发明的一些优选实施方面，所述支撑平台组件包括横杆、设置在所述横杆上的底座、用于驱动所述底座沿所述横杆移动的驱动件、设置在所述横杆上的支撑腿组件；所述支撑腿组件包括侧支腿、底支腿以及设置在所述侧支腿和底支腿之间的调节杆，所述底支腿上设置有磁力座；所述机械臂组件设置在所述底座上，所述底座可选择加装竖向导轨，拓展机械臂组件竖直平面内移动。

根据本发明的一些优选实施方面，所述横杆上至少设置有两个支撑腿组件，所述支撑腿组件与横杆位于同一平面内，且该平面平行于换热器的横截面。

根据本发明的一些优选实施方面，所述机械臂组件包括多个相互转动连接的臂杆。

根据本发明的一些优选实施方面，所述支撑腿组件上设置有竖向导轨，所述竖向导轨用于控制所述支撑腿组件的长度以控制所述横杆的水平位置。通过横杆上的驱动件(水平导轨)以及支撑腿组件上的竖向导轨，能够扩大机械臂组件上的喷枪驱动组件能够达到的范围，适用不同尺寸换热器管束内清洗。

本发明还提供了一种采用如上所述的清洗装置进行换热器管内清洗的方法，清洗方法包括如下步骤：

将所述清洗装置安装于换热器的内壁上，所述底支腿平行于换热器轴向，并调整横杆保持水平，若换热器半径尺寸大于机械臂工作半径，可在水平导轨上加装竖直导轨；

启动所述清洗装置，通过机械臂组件控制喷枪驱动组件移动至待清洗区域，并将驱动组件中的喷枪头对准目标传热管，设定喷枪头的初始坐标值；

所述视觉识别组件拍摄对应传热管的横截面图，换算出待清洗的目标传热管坐标，以获得精确的管束中心位置坐标；

所述机械臂组件根据管束中心位置坐标对所述喷枪驱动组件进行动态修正，之后驱动组件推送喷枪头进入传热管内部进行清洗；

该根传热管清洗结束后，收回喷枪头至初始位置，然后根据视觉识别组件换算的其他目标传热管中心坐标，控制机械臂移动喷枪头对准下一个传热管，并重复以上步骤进行冲洗。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的换热器管内清洗装置，通过设置用于带动喷枪驱动组件在水平和竖直平面内移动的支撑平台组件，增加机械臂工作直径范围，能适用不同尺寸换热器管束内清洗；通过设置视觉识别组件，动态识别和修正管束边界及中心位置坐标，能高精度驱动机械臂组件使喷枪管线端部的喷头对准管内，清洗效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明优选实施例中换热器管内清洗装置的立体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中支撑平台组件的立体结构示意图；

图3和图4分别为本发明优选实施例中喷枪驱动组件在不同视角下的立体结构示意图；

图5为本发明优选实施例中喷枪驱动组件隐藏壳体和固定板之后的立体结构示意图；

附图中，清洗装置-1，支撑平台组件-2，横杆-21，底座-22，驱动件-23，支撑腿组件-24，侧支腿-241，底支腿-242，调节杆-243，磁力座-244，丝杆-245，导轨-246，限位板-247，限位开关-248，机械臂组件-3，喷枪驱动组件-4，照明机构-41，摄像机构-42，固定板-431，第一主动轮-432，第一副动轮-433，第一从动轮-434，驱动器-435，驱动带-436，编码器-437，锥形齿轮组件-438，移动板-441，第二主动轮-442，第二从动轮-443，第二副动轮-444，壳体-45，紧固件-46，接近传感器-47，限位轴组件-48，连接件-49，喷枪管线-5。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1清洗装置

如图1-5所示，本实施例中的换热器管内清洗装置1，依次包括支撑平台组件2、机械臂组件3、喷枪驱动组件4以及设置在喷枪驱动组件4上的视觉识别组件。机械臂组件3的一端设置在支撑平台组件2上，机械臂组件3的另一端设置有喷枪驱动组件4，支撑平台组件2固定在换热器的内壁上，且用于驱动机械臂组件3和喷枪驱动组件4在水平平面内移动，机械臂组件3用于带动喷枪驱动组件4在竖直平面内移动。视觉识别组件用于识别换热器截面上每根传热管的边界及其中心点坐标，以控制喷枪插入对应传热管内部。

如图1和2所示，本实施例中的支撑平台组件2包括横杆21、设置在横杆21上的底座22、用于驱动底座22沿横杆21移动的驱动件23、固定在横杆21上的支撑腿组件24；机械臂组件3固定在底座22上。本实施例中的横杆21上设置有导轨246，驱动器435驱动丝杆245转动，带动底座22在横杆21上沿导轨246往复移动。且底座22上设置有限位板247，横杆21上设置有限位开关248，通过限位板247和限位开关248实现底座22移动距离的控制。

横杆21上至少设置有两个支撑腿组件24，支撑腿组件24与横杆21位于同一平面内，且该平面平行于换热器的横截面(管板所在的平面)。本实施例中的支撑腿组件24包括侧支腿241、底支腿242以及设置在侧支腿241和底支腿242之间的调节杆243。调节杆243用于调节侧支腿241和底支腿242之间的距离，进而调整支撑腿组件24的整体长度，以使得横杆21位于不同的水平高度上；且通过调节杆243保证横杆21在安装时位于水平位置。

同时，底支腿242与侧支腿241的延伸方向相互垂直，底支腿242的延伸方向与换热器的长度方向相同以更好地支撑在换热器内壁上。且底支腿242上设置有磁力座244，以更好地将整个装置固定、支撑在换热器的内壁上。在清洗装置1安装使用时，保持横杆21水平，且侧支腿241所在的平面平行于管板所在的平面。

如图1所示，本实施例中的机械臂组件3包括多个相互转动连接的臂杆，以实现喷枪驱动组件4的自由转动，进而使得喷枪管线5端部的喷头在清洗时对准传热管管内，提高清洗效率。

如图1和3-5所示，本实施例中的喷枪驱动组件4包括壳体45以及设置在壳体45上的连接件49、照明机构41如光源、摄像机构42如摄像机和驱动机构，驱动机构用于驱动喷枪管线5进行移动。连接件49用于将喷枪驱动组件4与机械臂组件3连接固定。照明机构41和摄像机构42构成视觉识别组件，照明机构41环形设置，安装于喷枪驱动组件4的最前端，摄像机构42安装于环形照明机构41的近中心区内侧，用于对换热器截面进行拍摄和识别每根传热管边界及其中心点坐标，反馈后控制支撑平台组件2和机械臂组件3进行动作，以控制喷枪驱动组件4对准每个传热管的管内进行清洗。

驱动机构包括对应设置的主驱动机构和从驱动机构，主驱动机构包括固定板431、依次设置在固定板431上的第一主动轮432、第一副动轮433和第一从动轮434、用于驱动第一主动轮432转动的驱动器435、套设在第一主动轮432和第一从动轮434之间的驱动带436。驱动器435容纳在壳体45内，驱动器435与第一主动轮432之间设置有锥形齿轮组件438，进而带动第一主动轮432转动，再通过驱动带436同步带动第一从动轮434转动，并通过第一主动轮432和第二主动轮442、第一从动轮434和第二从动轮443之间对喷枪管线5的夹紧，进而驱动喷枪管线5和其端部的喷头移动。

固定板431固定在壳体45上，移动板441与固定板431之间通过紧固件46连接，紧固件46用于调整固定板431和移动板441之间的距离，以适应于不同规格的喷枪管线5。本实施例中的第一副动轮433上设置有编码器437，通过编码器437测量喷枪管线5前进或后退的步进距离，获取喷枪管线5的移动信息。

从驱动机构包括移动板441以及依次设置在移动板441上的第二主动轮442、第二副动轮444和第二从动轮443。主驱动机构上的第一主动轮432、第一从动轮434、第一副动轮433和从驱动机构上的第二主动轮442、第二从动轮443、第二副动轮444是一一对应的关系，各轮上开设有环槽，两个对应的轮之间的环槽形成供喷枪管线5移动的通道，并夹紧喷枪管线5驱动其移动。

固定板431上对应喷枪管线5设置有接近传感器47；固定板431和移动板441之间设置有限位轴组件48，限位轴组件48与接近传感器47位于同一竖直平面内。限位轴组件48用于使得喷枪管线5的端部退回到位时保持水平；限位轴组件48包括第一限位轴和第二限位轴，第一限位轴和第二限位轴位于同一竖直平面内。接近传感器47与限位轴组件48安装在同一竖直截面内，当喷枪头后退接触限位轴组件48，接近传感器47动作，表示喷枪后退到位，避免喷枪头和喷枪驱动组件4的损坏。

本实施例中对应固定板431和移动板441之间的两个端部均设置有限位轴组件48，以对喷枪管线5进行支撑，并保证喷头退回到位时喷头保持水平方向，配合支撑平台组件2和机械臂组件3，保证下一次进入管内时水平进入，有效提高清洗效率。

在一些实施例中，为了拓展喷枪的移动范围，在底座可选择加装竖向导轨(未示出)，如采用与横杆上驱动件相类似的结构，拓展机械臂组件竖直平面内移动。通过横杆上的驱动件(水平导轨)以及支撑腿组件上的竖向导轨，能够扩大机械臂组件上的喷枪驱动组件能够达到的范围，适用不同尺寸换热器管束内清洗。

实施例2清洗方法

本实施例提供一种基于实施例1的清洗装置进行换热器管内清洗的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、将清洗装置安装于换热器的内壁上

将底支腿242平行于换热器轴向放置于筒壁上合适位置，打开磁力座244，把支撑平台组件-2稳固安装于换热器筒壁上，通过调节杆把水平导轨246调水平。

步骤2、将机械臂安装于支撑平台组件2的底座22上。

步骤3、将驱动组件4安装于机械臂末端，连接管线。

步骤4、启动清洗装置，控制机械臂调节驱动组件4至待清洗区域，并将驱动组件中的喷枪头对准目标传热管，设定喷枪头的初始坐标值。

步骤5、视觉识别组件拍摄传热管横截面图，换算出待清洗的目标传热管坐标，以获得精确的管束中心位置坐标。

步骤6、机械臂组件根据管束中心位置坐标对喷枪驱动组件进行动态修正。之后驱动组件4推送喷枪头进入传热管内部，同时启动高压清洗机，对传热管内部进行清洗。

步骤7、该根传热管清洗结束后，收回喷枪头至初始位置(即接近开关动作)，然后根据视觉识别换算的其他目标传热管中心坐标，控制机械臂移动喷枪头对准下一个传热管，并重复以上步骤进行冲洗。

本实施例的基于机器视觉定位的换热器管束管内高压清洗装置1，解决适应于换热器圆筒壁曲面安装的稳固可调机械臂工作平台、可穿行于管束内部喷头的便捷型驱动与定位机构、适配于不同直径范围的机械臂工作半径拓展工装、机器视觉定位管束驱动机械臂夹持高压喷枪进行冲洗等工程技术应用的难题，实现管束的智能化自动冲洗，替代现有人工持枪进行操作的现状，也可利用该装置进行管束的自动涡流检测。本实施例的清洗装置1基于机器视觉定位，步进精度更高、智能化程度更高、清洗效率更高；对于封头接管法兰可过人的管式换热器，可避免拆卸封头，方便直接安装于换热器内部工作。

本实施例的基于机器视觉定位的换热器管束管内高压清洗装置1，支撑平台组件2通过磁力座244稳固安装于换热器筒壁上，支撑平台组件2的横杆21可通过调节杆243调整横杆21的水平度，且在360°工作截面内支撑平台不会与机械臂干涉；喷枪驱动组件4的视觉识别组件用于视觉识别和定位传热管束，控制机械臂动作使喷枪对准管束中心位置，驱动机构用于驱动喷枪管线5前进与后退，并可用于定位喷枪管线5前进/后退的距离和喷枪后退复位后及时停止驱动，连接件49设有不同长度型号，在允许范围内，用于加长机械臂的有效工作距离。本实施例的清洗装置1对于带有分隔板的换热器，支撑平台组件2可去除支撑腿组件24，简化为磁力座244直接安装于导轨246平台上，进而固定于分隔板上。

本实施例的基于机器视觉定位的换热器管束管内高压清洗装置1，可以支撑机械臂在圆形筒壁内稳固安装，可调节机械臂的水平度，并且在机械臂360度平面范围内的作业不会产生干涉；采用滚轮组结构驱动喷枪管线5，并基于接近传感器47和编码器437组合的方式实现冲洗枪头的精确步进与定位；通过视觉相机、光源等组合的视觉识别装置，实现对传热管的识别、定位和信号反馈，驱动机械臂逐次将冲洗喷头对准传热管中心位置；驱动组件与机械臂之间通过连接件49固定，该连接件49可调节驱动工装与机械臂直接的安装距离，用以拓展机械臂的有效工作半径，实现更大直径范围的管式换热器清洗。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种换热器管内清洗装置，其特征在于，包括支撑平台组件、机械臂组件、视觉识别组件以及喷枪驱动组件，所述机械臂组件的一端设置在所述支撑平台组件上，所述机械臂组件的另一端设置有所述喷枪驱动组件，所述支撑平台组件用于固定在所述换热器的内壁上，且用于驱动所述机械臂组件和喷枪驱动组件在水平平面内移动，所述机械臂组件用于带动所述喷枪驱动组件在竖直平面内移动；所述喷枪驱动组件包括壳体以及设置在所述壳体上的照明机构、摄像机构和驱动机构，所述驱动机构用于驱动喷枪管线进行移动；所述视觉识别组件固定在喷枪驱动组件上，用于识别换热器截面上每根传热管的边界及其中心点坐标，以驱动机械臂组件使喷枪插入对应传热管内部。

2.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述驱动机构包括主驱动机构和从驱动机构，所述主驱动机构包括固定板、设置在所述固定板上的第一主动轮和第一从动轮、用于驱动所述第一主动轮转动的驱动器、套设在第一主动轮和第一从动轮之间的驱动带；所述从驱动机构包括移动板以及设置在所述移动板上的第二主动轮和第二从动轮。

3.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述第一主动轮和第一从动轮之间还设置有第一副动轮，所述第一副动轮上设置有编码器；所述第二主动轮和第二从动轮之间对应所述第一副动轮设置有第二副动轮。

4.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述固定板固定在所述壳体上，所述移动板与固定板之间通过紧固件连接，所述紧固件用于调整所述固定板和移动板之间的距离。

5.根据权利要求2所述的清洗装置，其特征在于，所述固定板和/或移动板上对应所述喷枪管线设置有接近传感器；所述固定板和移动板之间设置有限位轴组件，所述限位轴组件与所述接近传感器位于同一竖直平面内。

6.根据权利要求5所述的清洗装置，其特征在于，所述限位轴组件用于使得喷枪管线的端部退回到位时保持水平；所述限位轴组件包括第一限位轴和第二限位轴，所述第一限位轴和第二限位轴位于同一竖直平面内。

7.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述支撑平台组件包括横杆、设置在所述横杆上的底座、用于驱动所述底座沿所述横杆移动的驱动件、设置在所述横杆上的支撑腿组件；所述支撑腿组件包括侧支腿、底支腿以及设置在所述侧支腿和底支腿之间的调节杆，所述底支腿上设置有磁力座；所述机械臂组件设置在所述底座上。

8.根据权利要求7所述的清洗装置，其特征在于，所述横杆上至少设置有两个支撑腿组件，所述支撑腿组件与横杆位于同一平面内，且该平面平行于换热器的横截面。

9.根据权利要求1所述的清洗装置，其特征在于，所述机械臂组件包括多个相互转动连接的臂杆。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的清洗装置，其特征在于，所述支撑腿组件上设置有竖向导轨，所述竖向导轨用于控制所述支撑腿组件的长度以控制所述横杆的水平位置。

11.一种采用如权利要求1-10任意一项所述的清洗装置进行换热器管内清洗的方法，其特征在于，清洗方法包括如下步骤：

将所述清洗装置安装于换热器的内壁上，所述底支腿平行于换热器轴向，并调整横杆保持水平；

启动所述清洗装置，通过机械臂组件控制喷枪驱动组件移动至待清洗区域，并将驱动组件中的喷枪头对准目标传热管，设定喷枪头的初始坐标值；

所述视觉识别组件拍摄对应传热管的横截面图，换算出待清洗的目标传热管坐标，以获得精确的管束中心位置坐标；

所述机械臂组件根据管束中心位置坐标对所述喷枪驱动组件进行动态修正，之后驱动组件推送喷枪头进入传热管内部进行清洗；

该根传热管清洗结束后，收回喷枪头至初始位置，然后根据视觉识别组件换算的其他目标传热管中心坐标，控制机械臂移动喷枪头对准下一个传热管，并重复以上步骤进行冲洗。

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