风管清洗机器人清洗效果及运动性能的实验研究
孟冲，赵乃妮，宋业辉，曹勇
(中国建筑科学研究院，北京，100013)
摘要：通过搭建风管清洗机器人性能实验平台，设计风管清洗机器人清洗效果和风管清洗机器人运动性能实验方案，并以课题组研发的风管清洗机器人为例，对其清洗性能和运动性能进行实验研究。研究结果表明：风管清洗机器人对矩形管及风管中污染相对严重的转角、弯头等位置的清洗效果差，且由于清洗刷的扬尘作用，风管清洗后应预运行3~4 h甚至半天，才可投入正常运行。最后提出了我国风管清洗机器人及实验平台未来的发展方向，为我国风管清洗机器人的性能评价探索标准化实验平台、工具及评价方法提供了依据。
关键词：风管清洗机器人；清洗效果；运动性能
中图分类号：TU834.6 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0037-06
Experimental study on cleaning effect and performance of duct-cleaning robot
MENG Chong, ZHAO Nai-ni, SONG Ye-hui, CAO Yong
(China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)
Abstract: By tests performed on the experimental platform, the cleaning effect and moving performance of the duct-cleaning robot were designed by expert group was presented. The results indicate that the cleaning effect is not so satisfied at corners and elbows where the pollution is relatively serious and the pre-run should be taken for 3-4 h or even half a day to clean the raised dust in ducts. Then, the development direction of China’s duct-cleaning robot and its experimental platform were introduced, which can provide an important basis for the standardization of the test-bed, tools and evaluation methods used in the evaluation of robot’s performance.
Key words: duct-cleaning robot; cleaning effect; moving performance
随着社会经济的迅速发展，集中空调通风系统已成为保障室内人员舒适性和改善室内空气品质的主要手段。宋业辉等[1-2]对南北方不同功能公共建筑通风系统污染状况进行了调查，结果表明：风管内表面积尘量、积尘中细菌总数和真菌总数分别最高达288.48 g/m2，1 575 cfu/cm2，1 440 cfu/cm2。陈凤娜等[3]指出，被污染的空调通风系统不仅不能通过送风稀释房间的污染物浓度，反而还会加重污染的传播，而对暖通空调系统管道和设备进行清洗，可降低空调系统的污染程度，提高室内环境质量。风管清洗机器人具有自动清扫、控制可视化和除尘彻底等优势，给集中空调通风系统的清洗带来了很大的便利[4]。然而，目前我国尚缺乏清洗机器人性能评价的相关技术标准，导致国内风管清洗机器人质量良莠不齐，产业无序[5-6]。为此，在国家科技支撑计划“建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究”的支持下，本课题组研发了中央空调清洗机器人集成系统，并搭建了风管清洗机器人性能实验平台。在此，本文作者以课题组研发的清洗机器人为例，通过风管清洗机器人性能实验平台对清洗机器人清洗性能及运动性能进行实验研究，以便为我国风管清洗机器人的评价探索标准化实验平台、工具及评价方法，并利用平台对风管清洗当中的普遍存在的关键问题进行系统研究。
1 风管清洗机器人性能实验平台设计方案
在模拟房间内搭建矩形及圆型风管，风管设有各种尺寸、变径及弯头，以模拟风管清洗机器人作业的各种复杂工况。利用平台提供的实验条件，并结合人工发尘，配备相应的检测仪器和设备，可以进行清洗机器人的风管适应性、清洗效果、转弯性能以及爬坡性能等一系列实验[7-8]。
在实验台的搭建过程中，将风管的1个侧面由透明材料做成，并且将风管架设高度定为0.8 m，便于对机器人的工作情况进行实时观察；在风管侧面开方形孔，方便放入机器人和进行风管内表面的取样。在各管段设置散流器出风口，并装设风阀，以便进行空调送风质量实验。选择4个风口及支管末端开口处装设高效过滤器，发尘时将其余风口关闭，送风经由高效过滤器排出，使实验尘较为均匀的沉降在风管表面，并防止实验尘散发到房间造成污染。在房间内设置1个可调节倾角斜面，并可精确计量角度，以便进行最大爬坡角度的性能实验。实验平台的布置原理见图1，实景全貌见图2，正在进行清洗的机器人见图3。
2 风管清洗机器人清洗效果实验方案
采用人工发尘的方法对实验风管进行积尘污染，然后使用机器人对污染后的风管进行清洗，过程见图3。风管内表面积尘采用擦拭法进行采样，风管内表面微生物用采样棉签擦拭采样并进行培养分析；风口送风中可吸入颗粒物采用TSI的DUSTTRAK 8520型粉尘检测仪采样，风口送风微生物采用六级筛孔空气撞击式采样器采样进行采样并进行培养分析。
实验1：清洗机器人对风管内表面的总体清洗效果实验。依照《公共场所集中空调通风系统清洗规 范》和《公共场所集中空调通风系统卫生规范》[9-10]所规定的评价方法，选择风管内表面8个采样点，对清洗前后积尘量及微生物含量进行考察。
图1 实验平台布置原理图
Fig.1 Principle layout of experimental platform
图2 实验平台实景全貌
Fig.2 Picture of experimental platform
图3 正在进行清洗作业的机器人
Fig.3 Duct-cleaning robot in working
实验2：清洗机器人对不同形状及管径风管的清洗效果实验。在圆形风管及矩形风管管段分别选择3个不同的管径位置考察清洗前、后积尘量变化情况。实验主要采取反复发尘、反复清洗并反复采样的方式，取得清洗前后积尘量的平均值，分析机器人在上述区域的清洗效果。
实验3：清洗机器人对风管特殊位置的清洗效果实验。选择风管的特殊位置如圆形弯头、圆形变径及矩形变径处考察清洗前、后积尘量变化情况。实验主要采取反复发尘、反复清洗并反复采样的方式，取得清洗前后积尘量的平均值，分析机器人在上述位置的清洗效果。
实验4：清洗完成后，在送风中进行可吸入颗粒物的浓度变化规律实验。选择5个送风口，每隔半小时测量1次可吸入颗粒物的浓度，考察送风中可吸入颗粒物在清洗后5 h内的变化情况。
3 风管清洗机器人运动性能实验方案
实验5：机器人爬坡实验。将空载、拖揽小于2 m的机器人放在可调节倾角斜面进行爬坡室验，逐渐增大斜面倾角，机器人可以在斜面上前进而不下滑的临界状态的斜面倾角称最大爬坡角度，它是表征机器人风管适应性的重要指标。实验中重复实验5次，求得最大爬坡角度的平均值。
实验6：机器人最大速度实验。将机器人调到最大速度，仅承载机器人自身重力，测量机器人在水平管道中行走2 m所需时间，然后计算机器人的速度。由于工作的需要，机器人的最大速度必须要涵盖前进和后退2个方面。最大速度是表征机器人风管作业效率的重要指标。实验中重复实验5次，求得最大速度的平均值。
4 风管清洗机器人清洗效果实验结果及分析
由表1可以看出：清洗前风管内污染较为严重，清洗后积尘达标率为87.5%，细菌和真菌达标率均为100%，清洗效果良好。清洗前后的效果对比见图4。
图4 风管下表面清洗前和下表面清洗后
Fig.4 Comparison of lower inner surface before and after cleaning
表1 总体清洗实验结果
Table 1 Result of general cleaning experiment
图5所示为对于不同形状及管径风管的清洗结果。由图5可以看出：从清洗难度来说，矩形风管比圆形风管的大，小管径风管要比大管径风管的大。
图5 对于不同形状及管径风管的清洗结果
Fig.5 Cleaning effect of ducts with different shapes and diameters
图6所示为对于风管特殊位置的清洗结果。由图6可以看出：对于弯头以及变径等特殊位置，机器人的清洗效果都不太理想；从清洗难度来说，矩形变径处要比圆形弯头处的大，圆形弯头处要比圆形变径处的大。
图7所示为清洗后5 h内送风中可吸入颗粒物的浓度变化趋势。由图7可以看出：清洗后较长时间内送风中的可吸入颗粒物浓度仍旧较高，并超出规范要求，大约在3 h后，浓度降低到规范限值要求内，并在以后变化平稳。
图6 对于风管特殊位置的清洗结果
Fig.6 Cleaning effect in special positions
图7 清洗后5 h内送风中可吸入颗粒物的浓度变化趋势
Fig.7 Change of concentration of inhalable particulate in air-supplying after cleaning
5 风管清洗机器人运动性能实验结果及分析
由图8和图9可以看出：机器人的最大爬坡角度平均为44.6°，机器人的最大前进速度平均为0.257 m/s，最大后退速度平均为0.245 m/s。从5次实验结果可知：参数变化比较平稳，说明机器人的运动性能良好而且稳定。
图8 机器人最大爬坡角度变化趋势
Fig.8 Test for robot’s maximum creep angle
图9 机器人最大速度变化趋势
Fig.9 Test for robot’s maximum speed
6 结论
(1) 所研发的机器人总体性能良好，但存在一些共性的薄弱环节，如对转角、弯头等位置的清洗效果差，清洗圆形管的效果比矩形管的效果好。
(2) 转角、弯头及变径等位置是清洗的薄弱环节，也是现在规范没有覆盖的关注盲区，但这些部位的污染往往要重于其他区域的污染，成为病毒细菌等聚居的重灾区。在规范的编制或修订过程中，有必要将这一因素统筹考虑；同时，机器人的设计也应特别关注。
(3) 现在大部分机器人产品的设计都是基于国外方案，而国外风管以圆形管居多，这也是实验中所反映出的机器人较好地适应了圆形风管现象的原因之一。考虑到我国的现实国情是不规则的矩形风管为主流，所以，在机器人的设计时有必要对清洗机构进行适当改进。
(4) 在风管清洗过程中，由于清洗刷的扬尘作用，可吸入颗粒物明显增多，清洗后30 min内PM10的浓度较高，3 h后降到较低水平，所以，风管清洗后预运行3~4 h甚至半天，方可投入正常运行。
(5) 目前实验台的搭建考虑了风管形状、尺寸等因素，在今后的改进中拟考虑不同风管材料对清洗效果的影响，完善实验台的实验功能。
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[10] 中华人民共和国卫生部. 公共场所集中空调通风系统卫生规范[S].
Ministry of Health of People’s Republic of China. Hygienic practices of central air-conditioning and ventilation systems in public places[S].
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
通信作者：孟冲(1981-)，男，山东莱芜人，硕士研究生，工程师，从事建筑节能工作；电话：010-64517036；E-mail: oscarmc@163.com
