基于TRIZ的冷凝器清洗機器人創新設計

王成軍，李家寶

工藝與裝備

基于TRIZ的冷凝器清洗機器人創新設計

王成軍，李家寶

（安徽理工大學 人工智能學院，安徽 淮南 232001）

針對目前清洗設備工作效率低和成本高等問題，設計出一種基于矛盾沖突理論和物–場模型的高效率冷凝器清洗機器人。通過TRIZ系統組件分析和因果軸問題分析，找出冷凝器清洗機器人的有效功能和不足功能；運用TRIZ的技術矛盾理論、物理沖突理論以及物–場分析得出針對上述原因的解決方案。最終創新設計出了基于混聯機構的多噴槍協同式冷凝器清洗機器人，并制作了實物樣機進行測試。與傳統機器人相比，該創新設計的機器人節省維修工時76%，節約成本約25%。結果表明，該清洗機器人能克服現有技術的缺陷，在結構剛度、運動精度、靈活性和作業效率均得到提高，并降低了勞動強度和人力成本。

冷凝器清洗；TRIZ理論；矛盾沖突理論；冷凝器清洗機器人

冷凝器作為電廠、石化等工業領域的大型關鍵設備，由于熱交換時伴隨化學反應等原因，設備運行時產生的污垢會降低傳熱效能，增加動力裝置的耗功率，減少換熱器的使用壽命，甚至造成嚴重事故[1]。因此，高效率冷凝器清洗機器人的研究對冷凝器的清洗維護和工業生產安全提供有力保障[2]。

關于冷凝器清洗的諸多問題，許多研究者也提出了一些技術實施方案。StoneAge公司研發一種名為Bundle Blaster的清洗裝置[3]，基于液壓噴槍進行清洗工作，采用可調節的“A”字定位框架，可自行停止運動。劉國華[4]設計了一種熱定型機冷凝器的自動除塵清潔裝置，使膠球在進口處實現分流加速，減少進口端的堆積，提高了對冷凝管管內壁的清潔處理。閆順林等[5]設計了一種圓柱形裝置投球，利于膠球快速通過投球裝置進入冷卻管，提高了對冷凝管管內壁的清潔處理；夏漢民等[6]設計了一種利用高壓水射流對冷凝器進行清洗的機器人，主要由履帶行走機構、回轉支承、大臂、小臂和噴槍等部分組成，該清洗機器人采用串聯式結構，無法做到多噴槍協同清洗；齊永健[7]設計了一種列管式換熱器清洗裝置，由1條水平設置的橫向導軌和2條設置于橫向導軌兩端的縱向導軌組成，定位準確，但不能隨意改變工作狀態。代峰燕等[8]設計了一種采用同步齒形帶定位的凝汽器清洗設備，結構簡單，對列管式凝汽器有較好的清洗效果。上述清洗裝置多為基于膠球清洗或化學清洗方式，清洗機器人多為串聯式結構，針對電廠用冷凝器缺乏專用的高效清洗裝置[9-10]，因此，須針對冷凝器的使用需求研制高效率、高精度、高穩定性的清洗機器人。

為解決當前冷凝器清洗機器人效率低等問題，文中采用TRIZ理論對冷凝器清洗機器人進行問題分析和求解，得其最優的結構創新設計方案，并進行實驗驗證。

1 基于TRIZ理論的創新設計

采用TRIZ理論進行發明創造，可讓使用者更加系統地對問題進行分析，轉換思維視角，發現當前設計中的問題，避免傳統創新方法的盲目性[11]。基于TRIZ理論建立冷凝器清洗機器人的創新設計的流程見圖1。該流程遵循TRIZ理論解決工程問題的一般步驟，分析當前清洗機器人存在的問題，探求設計高效清洗機器人的矛盾沖突和解決問題創新原理，最終形成高效冷凝器清洗機器人的創新設計方案[12-17]。

2 冷凝器清洗機器人的問題分析

2.1 基于組件分析法的問題分析

冷凝器清洗機器人的功能包括分離物質、移動等，主要功能為分離物質（清洗污垢），其主要問題在于清洗效果差。針對當前問題，建立清洗機器人的組件關系模型矩陣，見圖2。根據組件關系模型，通過系統各組件之間的相互關系，建立技術系統的系統功能模型，見圖3。

從組件功能模型可知，現有冷凝器清洗機器人分為移動平臺、回轉裝置、控制系統、串聯工作臂、噴槍支架和噴槍系統組件，水、地面為超系統組件，冷凝器為作用對象。由系統功能模型知，通過各系統組件相互作用對冷凝器進行清洗，其中功能不足的為串聯工作臂對噴槍的調姿、噴槍對冷凝器的清洗和末端支架對噴槍的固定，功能有害的為高壓水射流對噴槍的反沖，水對地面的污染，地面對移動平臺的支撐。

2.2 因果軸分析

因果軸分析法是因果分析法的一種，主要是通過分析問題的產生結果與原因之間的關系建立一條或多條因果關系鏈，發現關系鏈中的薄弱環節，尋找出解決問題的切入點。

對系統功能模型中不足功能與有害功能進行因果軸分析，將每個原因、結果采用對象、參數描述等3個元素進行結構化的表達，可知當前機器人清洗效率低的原因在于缺乏多自由度重載工作臂，機器人的靈活性差，噴槍的進給效率低以及數量不足。因果軸分析結果見圖4。

圖1 基于TRIZ理論的冷凝器清洗機器人創新設計流程

圖2 組件關系模型矩陣

圖3 冷凝器清洗機器人系統功能模型

圖4 因果軸分析

3 冷凝器清洗機器人的創新設計

3.1 基于“技術矛盾解決原理”

由上述分析可知，清洗機器人效率不足的原因有多種，其中對噴槍的數量不足和進給效率低運用技術矛盾理論進行問題求解。

建立沖突矩陣，因機器人清洗時末端需攜帶多噴槍，通過分析可總結出第1組矛盾為惡化的技術特征參數36（設備的復雜性）與改善的技術特征參數12（形狀）。因機器人需設計一種高效送槍裝置提高進給效率，總結出第2組矛盾為惡化的技術特征參數36（設備的復雜性）與改善的技術特征參數38（自動化程度）。故組建的矛盾為36–12和36–38[18]。

根據上述提取的通用工程參數36（設備的復雜性）、12（形狀）、38（自動化程度），建立矛盾沖突矩陣，見表1。根據矛盾沖突矩陣，由組建的矛盾對應找到解決矛盾的發明原理，36–12矛盾的發明原理為[1, 15, 29]，即1（分割原理）、15（動態化原理）、29（氣壓和液壓結構原理）；36–38矛盾的發明原理為[15, 24,1 0]，即15（動態化原理）、24（借助中介物原理）、10（預先作用原理）。

根據高效清洗作業的要求，結合上述發明原理，對表1中的發明原理進行分析篩選，將發明原理1（分割原理）、15（動態化原理）作為解決噴槍問題的解決方案，見表2。

表1 矛盾矩陣

Tab.1 Contradiction matrix

表2 矛盾解決原理

Tab.2 Principle of contradiction resolution

根據上述TRIZ發明原理及創新設計原理，采用如下的應用方案。

1）結合分割原理。將傳統末端支架分割成4個帶有送槍裝置的徑向調節器，每個徑向調節器均可攜帶噴槍，在控制系統的作用下相互之間協調工作，改進之后的末端支架見圖5。

1.專用送槍裝置；2.徑向調節器；3.固定支架。

2）結合動態化原理。在末端支架上安裝專用送槍裝置，專用送槍裝置由伸縮缸、主支桿、固定夾持器、可動夾持器和支架組成，通過固定夾持器和可動夾持器協同工作，利用伸縮缸的伸縮驅動可動夾持器及高壓水射流噴槍沿著主支桿運動，解決噴槍的固定、夾持，以及自動進給和退出等技術難題，實現噴槍的自動進給或撤回，提高效率，完善清洗機器人的作業功能，專用送槍裝置見圖6。

1.主支桿；2.可動夾持器；3.固定夾持器；4.支架；5.伸縮缸。

3.2 基于“物理矛盾解決原理”

由組件分析可知，當前地面對移動平臺的支撐為有害功能，通過因果軸分析，當前的履帶式底盤清洗機器人靈活性差。設計自適應輪式底盤使機器人的清洗效率提高，并解決當前的有害功能。

對設計自適應輪式底盤進行物理沖突判斷，定義移動平臺中的物理矛盾，其中矛盾參數為車輪數量，保持穩定性需增加車輪數量，而增加靈活性需減少車輪數量。為實現技術系統的理想狀態，這個參數的不同要求可在地面凹陷處和平整處得以實現，以上2個空間不存在交叉，運用空間分離原理最終確定選用浮動支撐輪系，實現與工作現場地面的全地形接觸和穩定支撐。前驅動輪系、從動輪系、后驅動輪系與板簧、連接座共同構成了移動平臺的浮動支撐輪系，見圖7。驅動輪系包括車軸和驅動輪。驅動輪有2個，對稱安裝在車軸的兩端；驅動輪與車軸之間通過軸承相連接，車軸與板簧通過U型螺栓相固連，結構見圖8。

1.前驅動組件；2.前驅動輪系；3.連接座；4.板簧；5.從動輪系；6.車架；7.后驅動組件；8.后驅動輪系。

1.驅動輪；2.主動齒輪；3.從動齒輪；4.行走電機；5.板簧；6.連接座；7.車軸。

3.3 基于“物–場模型”

由系統功能分析可知，串聯工作臂可對噴槍的清洗位置進行調節，串聯工作臂的調姿功能有缺陷，對噴槍的反沖為有害功能。由因果軸分析可知，當前串聯工作臂的自由度少，增加噴槍后清洗機器人的負載功能差，缺乏一種多自由度重載工作臂。工作臂對噴槍進行調姿，噴槍對冷凝器清洗清洗，其本質為工作臂對清洗位置的調節。建立串聯工作臂與噴槍之間的物–場模型，見圖9，F為機械場，S1為噴槍，S2為串聯工作臂。

圖9 串聯工作臂與噴槍的物?場模型

串聯工作臂與噴槍之間的物–場模型所需要的3個功能元素都存在，但由于效應程度不夠導致功能不能實現。實現噴槍穩定且高效清洗的關鍵是增加調姿機構的穩定性，故采用一般解法6：增加另一種物質S3以強化有用效應，完善效應不足的模型。將并聯工作臂替代當前串聯工作臂，增加機器人清洗工作時的穩定性，提高清洗精度。理想的工作臂與噴槍的物–場模型見圖10。該多自由度重載工作臂主體為4–RPU并聯平臺，包括對稱布置的4個支鏈、定平臺和動平臺，見圖11。

圖10 理想的工作臂與噴槍的物–場模型

1.動平臺；2.支鏈；3.定平臺。

4 實驗驗證

通過上述設計得到最終方案，搭建了多噴槍協同式冷凝器清洗機器人，并委托南京綏德自動焊接裝備有限公司進行樣機測試，測試結果表明：該機器人并聯工作臂和末端執行器可相互協調工作，完成噴槍移動、調節以及清洗等作業任務。對文中技術進行臺架實驗，傳統機器人清洗時間為23 h，該樣機清洗時間為5.4 h，節省維修工時76%，節約成本約25%。此次實驗旨在測定該冷凝器清洗機器人工作的可靠性和清洗效率，為后續設計工作提供理論與實踐依據。該機器人樣機見圖12。

圖12 高效率冷凝器清洗機器人樣機

5 結語

1）基于TRIZ理論，構建出工程創新設計流程，針對當前冷凝器清洗機器人存在的缺乏多自由度重載工作臂，機器人的靈活性差、噴槍的進給效率低、噴槍的數量不足等問題，對冷凝器清洗機器人的關鍵部件進行設計與配置，并搭建了實物樣機。

2）研制的冷凝器清洗機器人滿足冷凝器高效清洗作業的需求，提高了清洗作業的效率、質量和安全性，降低了生產成本和勞動強度。該冷凝器清洗機器人的研究不僅具有一定的理論意義，而且在電廠清洗等領域具有著重要的應用價值。

[1] LUO De-yu, DONG Bing, QIN Wen-sheng. Design and Control Methods of a Condenser Cleaning Robot[J]. Chemical Engineering Transactions (CET Journal), 2017, 62: 703-708.

[2] 朱曉磊, 徐嘉葉, 張磊, 等. 凝汽器管內插轉子的熱力與抑垢性能研究[J]. 工程熱物理學報, 2020, 41(7): 1712-1718.

ZHU Xiao-lei, XU Jia-ye, ZHANG Lei, et al. Research of Thermal and Anti-Scaling Performance of Condense Tubes with Rotor Inserts[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2020, 41(7): 1712-1718.

[3] 袁夫彩, 梁凱輝, 王念政, 等. 一種埋入式在線清洗冷凝管機器人設計研究[J]. 機械傳動, 2018, 42(6): 81-85.

YUAN Fu-cai, LIANG Kai-hui, WANG Nian-zheng, et al. Study on the Design of an Embedded On-Line Cleaning Condenser Tube Robot[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2018, 42(6): 81-85.

[4] 劉國華. 一種熱定型機冷凝器的自動除塵清潔裝置: 中國, 201821573557.4[P]. 2019–07–12.

LIU Guo-hua. An Automatic Dust Removal and Cleaning Device for Condenser of Heat Setting Machine: China, 201821573557.4[P]. 2019-07-12.

[5] 閆順林, 李永華, 韓建, 等. 一種凝汽器清洗系統及凝汽器: 中國, 201821265912.1[P]. 2019–07–26.

YAN Shun-lin, LI Yong-hua, HAN Jian, et al. A Condenser Cleaning System and Condenser: China, 201821265912.1[P]. 2019-07-26.

[6] 夏漢民, 王耀南, 印峰, 等. 大型冷凝器清洗機器人設計及運動學分析[J]. 中國機械工程, 2014, 25(1): 103-107.

XIA Han-min, WANG Yao-nan, YIN Feng, et al. Design and Kinematics Analysis of Large Condenser Cleaning Robot[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(1): 103-107.

[7] 齊永健. 一種列管式換熱器清洗裝置: 中國, 204944289U[P]. 2016–01–06.

QI Yong-jian. Shell and Tube Heat Exchanger Belt Cleaning Device: China, 204944289U[P]. 2016-01-06.

[8] 代峰燕, 高慶珊, 陳家慶, 等. 儲油罐清洗機器人全覆蓋路徑規劃研究[J]. 機械設計與制造, 2020(2): 263-266.

DAI Feng-yan, GAO Qing-shan, CHEN Jia-qing, et al. Research of Full Covered Path Planning for Oil Tank Cleaning Robot[J]. Machinery Design & Manufacture, 2020(2): 263-266.

[9] 閆順林, 韓建, 曹保鑫, 等. 600 MW機組凝汽器水側膠球清洗系統數值模擬及優化改造[J]. 汽輪機技術, 2019, 61(1): 74-77.

YAN Shun-lin, HAN Jian, CAO Bao-xin, et al. The Simulation and Structure Optimization on the Condenser Water-Side Rubber Ball Cleaning System of a 600 MW Unit[J]. Turbine Technology, 2019, 61(1): 74-77.

[10] 夏漢民, 王耀南, 印峰. 冷凝器清洗機器人動力學分析及自適應控制[J]. 湖南大學學報(自然科學版), 2013, 40(1): 49-54.

XIA Han-min, WANG Yao-nan, YIN Feng. Dynamics Analysis and Adaptive Control of Condenser Cleaning Robot[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2013, 40(1): 49-54.

[11] 李梅芳, 趙永翔. TRIZ創新思維與方法理論及應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2016: 5-21.

LI Mei-fang, ZHAO Yong-xiang. TRIZ Innovative Thinking and Methods[M]. Beijing: China Machine Press, 2016: 5-21.

[12] 劉志峰, 高洋, 胡迪, 等. 基于TRIZ與實例推理原理的產品綠色創新設計方法[J]. 中國機械工程, 2012, 23(9): 1105-1111.

LIU Zhi-feng, GAO Yang, HU Di, et al. Green Innovation Design Method Based on TRIZ and CBR Principles[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(9): 1105-1111.

[13] 曹衛彬, 焦灝博, 劉姣娣, 等. 基于TRIZ理論的紅花絲盲采裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報, 2018, 49(8): 76-82.

CAO Wei-bin, JIAO Hao-bo, LIU Jiao-di, et al. Design of Safflower Filament Picking Device Based on TRIZ Theory[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 76-82.

[14] 白仲航, 宋現顯, 李美, 等. 基于虛擬仿真與TRIZ的產品人機工程問題解決方法研究[J]. 工程設計學報, 2020, 27(5): 541-551.

BAI Zhong-hang, SONG Xian-xian, LI Mei, et al. Research on Solving Method of Product Ergonomics Problem Based on Virtual Simulation and TRIZ[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2020, 27(5): 541-551.

[15] 劉曉敏, 黃水平, 陳智欽, 等. 基于TRIZ與AD的海草夾苗機械手概念創新設計及可靠性研究[J]. 機械工程學報, 2016, 52(5): 40-46.

LIU Xiao-min, HUANG Shui-ping, CHEN Zhi-qin, et al. Conceptual Innovation Design of Seaweed Planter Manipulator Based on TRIZ & AD and Reliability Analysis[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(5): 40-46.

[16] 王成軍, 張玉平, 沈豫浙. 基于TRIZ理論的拋掛裝置優化設計[J]. 機電工程, 2020, 37(9): 1115-1120.

WANG Cheng-jun, ZHANG Yu-ping, SHEN Yu-zhe. Optimization Design of Throwing Device Based on TRIZ Theory[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2020, 37(9): 1115-1120.

[17] 朱犇犇, 祝錫晶, 趙韡, 等. 氣液兩相射流清洗裝置設計與仿真分析[J]. 流體機械, 2021, 49(10): 36-42.

ZHU Ben-ben, ZHU Xi-jing, ZHAO Wei, et al. Design and Simulation of Gas-Liquid Two-Phase Jet Cleaning Device[J]. Fluid Machinery, 2021, 49(10): 36-42.

[18] 劉晨敏. 基于TRIZ理論的紙盒包裝機成型機構設計與分析[J]. 包裝工程, 2020, 41(9): 193-198.

LIU Chen-min. Design and Analysis of the Shaping Machinery for Carton Forming Machine Based on TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(9): 193-198.

Innovative Design of Condenser Cleaning Robot Based on TRIZ

WANG Cheng-jun, LI Jia-bao

(School of Artificial Intelligence, Anhui University of Science & Technology, Anhui Huainan 232001, China)

The work aims to design a high-efficiency condenser cleaning robot based on contradiction theory and object-field model to solve the problems of low efficiency and high cost of cleaning equipment. Through the TRIZ system component analysis and causal axis problem analysis, the effective and insufficient functions of the condenser cleaning robot were found out. The solutions to the above causes were obtained by TRIZ's technical contradiction theory, physical conflict theory and object-field model. Finally, a multi spray gun collaborative condenser cleaning robot based on hybrid mechanism was innovatively designed and the prototype was manufactured for testing. Compared with the traditional robot, the innovative robot saved 76% maintenance man hours and about 25% cost. The cleaning robot can overcome the existing technology effects, improve the structural stiffness, motion accuracy, flexibility and operation efficiency, and reduce the labor intensity and labor cost.KEY WORDS: condenser cleaning; TRIZ theory; contradiction theory; condenser cleaning robot

TP242.2

A

1001-3563(2022)13-0158-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.020

2021?08?16

國家創新方法工作專項（2018IM010500）；安徽省高校協同創新項目（GXXT2019018）；安徽省重點研究與開發計劃（201904a05020092）；安徽理工大學研究生創新基金（2021CX2146）；大學生科普創新及科研育人示范項目（KYJ202101）

王成軍（1978—），男，博士，安徽理工大學教授，主要研究方向為智能機械與機器人、機械產品創新設計等。

責任編輯：曾鈺嬋