翻转式炉膛清灰机器人的设计

作     者：程向丽 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾周末

授予年度：2012年

学科分类：080702[工学-热能工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：加热炉 平行管 机器人 翻转 

摘      要：我国生产的原油绝大部分为“三高油（即高凝固点、高含水与高粘度）,不宜或不可能等温输送。因此,加热炉广泛应用于原油的远距离传输过程中,是油田勘探开发、油气输送中的重要设备之一。目前加热炉多以管式加热炉为主,原油在炉管内部流动,油（气）燃料通过在炉膛内燃烧产生热量。然而,不可避免的问题是,加热炉在运行一段时间后导热管壁表面会出现结灰现象。由于所积灰尘中含有酸性物质,这会导致加热炉热效率大大降低,大幅度提高燃油消耗和运行成本,同时也会腐蚀导热管壁,这是极其不安全的。因此,清灰工作是提高加热炉热效率和保证安全性的关键途径。 针对加热炉炉膛的人工清灰工作较为困难而且危害工作人员健康这一现状,并结合加热炉自身特点,本文设计了一种在加热炉炉膛内平行直管间可翻转的机器人,来实现清灰除尘工作,并创新性地提出了自动转换轨道这一思想。 本文首先阐述了机器人的运动原理,基于第二类Lagrange方程和虚功原理对机器人进行了动力学分析,建立并求解了相关动力学方程;通过牛顿力学采用整体法对机器人进行了静力学分析,求解了不同工作状态下各部分的力学特性,为机器人的结构和功能设计提供了理论依据。 基于模块化设计理念,将机器人结构按功能划分成不同单元模块,即翻转、行走、清灰三大单元模块,再根据划分情况设计出机器人各个模块的具体机械结构;然后重点分析了结构设计中电机的选择,并完成了传动机构中参数选择下的校验工作。 基于机器人的工作原理和工作过程,设计了机器人的控制系统,阐述了控制系统的整体搭建思想和内部构成,并给出了基于此控制系统下的机器人工作流程框图。 对机器人相关机构进行了实验,并对实验结果加以分析研究,验证了相关模块设计的正确性和功能实现的有效性,为可翻转爬壁清灰机器人提供参考依据,具有重要的现实意义。