侯嘉瑞，萬 熠*，孫立新

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061;2.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300132)

0 引 言

目前，風(fēng)力發(fā)電已在世界各地廣為應(yīng)用。作為風(fēng)能收集的載體—風(fēng)電塔筒而言，由于制造、裝配等過程存在的問題，以及長時間使用后塔筒疲勞，容易出現(xiàn)塔筒裂紋、表面銹蝕等狀況，不及時實(shí)施對應(yīng)的檢修措施將會引發(fā)塔筒坍毀的嚴(yán)重事故[1-2]。

目前常見的人工檢修法存在諸多弊端：(1)檢修人員需要攜帶大量工具從高度極高的塔筒內(nèi)攀爬到頂部；(2)檢修人員懸吊在塔筒外壁工作時，由于高空風(fēng)力較大，極易出現(xiàn)晃動，威脅檢修人員的安全；(3)由于塔筒外表面面積較大，人工檢修的方式容易出現(xiàn)漏檢的情況，對于一些裂縫、銹蝕得不到完全檢修，存在后續(xù)的安全隱患[3-4]。

針對上述問題，本文將設(shè)計一種能夠替代人力進(jìn)行風(fēng)電塔筒檢修的輔助工具。

1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 整體方案布局

設(shè)計風(fēng)電塔筒爬壁機(jī)器人目的是為了能替代人工進(jìn)行對風(fēng)電塔筒的檢修，因此要求爬壁機(jī)器人能夠安裝不同檢修裝置，并通過在工作表面進(jìn)行運(yùn)動，完成檢修任務(wù)。

綜合現(xiàn)有研究成果及生產(chǎn)需求[5-6]，要求爬壁機(jī)器人能夠達(dá)到的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 爬壁機(jī)器人性能指標(biāo)

同時，考慮應(yīng)用場景，該爬壁機(jī)器人應(yīng)由以下功能部分組成，其主要功能分解圖如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人主要功能分解圖

常見爬壁機(jī)器人吸附方式分為：負(fù)壓吸附、真空吸附、以及磁吸附[7]，以上3種吸附方式優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示[8]。

表2 常見爬壁機(jī)器人吸附方式

根據(jù)爬壁機(jī)器人應(yīng)用場景，磁吸附結(jié)構(gòu)對于運(yùn)動表面的材料要求較高，需要為能被吸附的磁性材料；同時這種方式設(shè)計簡單，相對其他吸附方式而言吸附力明顯較大，對運(yùn)動面形狀要求不高。

磁吸附包括永磁體和電磁體兩種吸附方式，前者結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。使用永磁吸附的設(shè)備，不會因斷電等意外情況出現(xiàn)吸附力的消失，導(dǎo)致設(shè)備從工作面墜落[9]，因此設(shè)計采用永磁吸附方式。

考慮風(fēng)電塔筒塔筒曲率半徑不斷變化的特點(diǎn)，以及需要較大的吸附力等因素，爬壁機(jī)器人采用履帶式行走方式，通過兩臺驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動狀態(tài)的不同，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人直線及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動[10-11]。

1.2 旋轉(zhuǎn)吸附機(jī)構(gòu)模型的建立

由于風(fēng)電塔筒外壁面曲率是變化的，不同高度直徑不同，常見風(fēng)電塔筒高約80 m，塔筒整體呈錐形，最窄端口直徑2 800 mm，最寬端口直徑3 500 mm，若考慮爬壁機(jī)器人最大設(shè)計尺寸，采用雙鉸鏈旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[12]，則極端爬行位置沿塔筒切線方向貼合偏移約7.24°。根據(jù)風(fēng)電塔筒高度、直徑等參數(shù)計算，可得到爬壁機(jī)器人沿塔筒軸線方向貼合偏移約0.2°，該方向偏移可忽略不計。

因此，沿塔筒切線方向，爬壁機(jī)器人需要具備在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸附半徑變化的能力?？紤]機(jī)器人在塔筒外壁轉(zhuǎn)彎時，存在前端吸附結(jié)構(gòu)翹起，并遠(yuǎn)離塔筒的情況，應(yīng)減小吸附機(jī)構(gòu)與塔筒的距離變化，要求機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)具備旋轉(zhuǎn)自由度。

根據(jù)以上分析結(jié)果，爬壁機(jī)器人需要具備兩個旋轉(zhuǎn)自由度。旋轉(zhuǎn)吸附機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 兩自由度旋轉(zhuǎn)吸附機(jī)構(gòu)模型

2 爬壁機(jī)器人吸附狀態(tài)受力分析

本文主要設(shè)計爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)，因此在進(jìn)行受力分析時主要進(jìn)行靜力學(xué)分析，從吸附結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定吸附方面進(jìn)行分析。在靜止吸附狀態(tài)下，造成爬壁機(jī)器人失穩(wěn)的方式主要包括滑移下落、縱向翻轉(zhuǎn)以及橫向翻轉(zhuǎn)[13]。

2.1 滑移下落

假設(shè)爬壁機(jī)器人靜止，且吸附力是均勻的，則爬壁機(jī)器人靜力學(xué)受力分析如圖3所示。

圖3 爬壁機(jī)器人縱向吸附受力分析圖N1iN2i-兩條履帶各永磁體與壁面作用力;P-永磁吸附裝置在墻壁上提供的吸力;Q-爬壁機(jī)器人總重;h-爬壁機(jī)器人重力偏移軸線距離;A-爬壁機(jī)器人縱向翻轉(zhuǎn)極限點(diǎn)

則根據(jù)受力分析可得：

(1)

(2)

F1i≤f靜·N1i

(3)

F2i≤f靜·N2i

(4)

式中：n—單條履帶與壁面同時吸附的永磁體數(shù)量；f靜—靜摩擦系數(shù)。

假設(shè)各永磁體吸附力均相同，則可令：

N11=N12=…=N1i=N1

(5)

N21=N22=…=N2i=N2

(6)

由公式(1～4)可得出：

nN1·f靜+nN2·f靜≥Q

(7)

且N1=N2，則可得：

2nN1·f靜≥Q2i

(8)

式中：N1—滑移失穩(wěn)極限狀態(tài)下單個永磁體吸附力。

得到結(jié)果：

(9)

2.2 縱向傾覆

爬壁機(jī)器人本體不發(fā)生縱向傾覆(即爬壁機(jī)器人在縱向靜止吸附狀態(tài)下不脫離墻壁)的條件為：∑MA≥0(各參數(shù)如圖3所示)，通過計算可得：

2×(N×0+N×p′+N×2p′+
…+N×n-1p′)-Q·L≥0

(10)

(11)

(12)

式中：N2—縱向傾覆失穩(wěn)極限狀態(tài)下單個永磁體吸附力。

2.3 橫向傾覆

爬壁機(jī)器人本體不發(fā)生橫向傾覆(即爬壁機(jī)器人在橫向靜止吸附狀態(tài)下，不會出現(xiàn)脫離墻壁的情況)的條件為：∑MB≥0。

受力分析如圖4所示。

圖4 爬壁機(jī)器人橫向吸附受力分析圖N1iN2i-單條履帶各永磁體與壁面作用力;b-爬壁機(jī)器人兩履帶吸附中心距離;B-爬壁機(jī)器人橫向翻轉(zhuǎn)極限點(diǎn)

根據(jù)圖4參數(shù)可得：

n×N×0+n×N×B-Q·L≥0

(13)

n·N·B-Q·L≥0

(14)

(15)

式中：N3—橫向傾覆失穩(wěn)極限狀態(tài)下單個永磁體吸附力。

2.4 靜止吸附狀態(tài)失穩(wěn)極值計算

根據(jù)以上爬壁機(jī)器人常見失穩(wěn)狀態(tài)分析，考慮安全系數(shù)，爬壁機(jī)器人所需最大吸附力為：

(16)

式中：K—安全系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)可得：Q=400 N,L=60 mm,p′=33 mm,n=11,B=30,f靜=0.4,K=1.5。將參數(shù)代入式(16)可得：N≥68.18 N。

可見，要實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定吸附，其與壁面貼合吸附的每個吸附單元所需提供的吸附力N≥68.18 N。

3 永磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)上述分析計算可知，每個吸附單元應(yīng)具備至少“68.18 N”的吸附力，同時考慮吸附單元外部需要嵌套防磨橡膠，因此設(shè)備吸附單元選用稀土永磁材料釹鐵硼(Nd-Fe-B)，這種永磁材料磁能積較大，現(xiàn)已在相關(guān)領(lǐng)域得到了的廣泛應(yīng)用[14]。

永磁體單元的布置主要有：“單塊永磁體與兩塊分離永磁體”、“有無扼鐵”等方式。本文經(jīng)過試驗(yàn)仿真得出，選用兩塊分離永磁體，添加扼鐵的方案產(chǎn)生的相對吸附力最大。

吸附方案如圖5所示。

3.2 磁力仿真

常見風(fēng)電塔筒的壁厚約為15 mm，同時本研究根據(jù)傳動部分設(shè)計結(jié)果，及計算得到的永磁體吸附力，初步確定單塊永磁體尺寸為8 mm×22 mm×30 mm。由此可通過Maxwell軟件進(jìn)行磁鐵吸附力的仿真。

圖5 吸附單元方案1-橡膠隔套；2-隔磁體；3-永磁體；4-軛鐵

令永磁體距壁面的距離、軛鐵的厚度為變量，本研究觀察不同參數(shù)下吸附力的變化情況(仿真采用2D模型，數(shù)據(jù)中對壁面產(chǎn)生吸附力為永磁體厚度為30 mm時，不同參數(shù)變化產(chǎn)生的吸附力大小)。

綜合分析曲線如圖6所示。

圖6 吸附力綜合分析曲線

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)綜合分析曲線結(jié)果以及制造難易程度，可得到相對最優(yōu)目標(biāo)點(diǎn)：即當(dāng)永磁體距壁面距離為3 mm，軛鐵厚度為2.5 mm時，所求永磁體吸附力仿真結(jié)果為70.42 N。此結(jié)果最接近計算結(jié)果68.18 N。此時的吸附單元的磁力仿真如圖7所示。

圖7 設(shè)計仿真結(jié)果分析圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在該實(shí)際應(yīng)用條件下，爬壁機(jī)器人吸附能力符合穩(wěn)定吸附要求，說明該爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定吸附于風(fēng)電塔筒外壁面。

根據(jù)吸附單元仿真結(jié)果，結(jié)合吸附單元結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及整機(jī)設(shè)計方案，最終可得到一種適用于風(fēng)電塔筒外壁檢修的爬壁機(jī)器人三維模型，如圖8所示。

圖8 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型

通過在該機(jī)器人上安裝不同工具，操作人員即可完成對風(fēng)電塔筒的檢測、清理、修復(fù)等任務(wù)。

5 結(jié)束語

針對風(fēng)電塔筒的檢修工作，通過對爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，本文借助Solidworks、Maxwell等軟件，設(shè)計了一種雙旋轉(zhuǎn)自由度的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)：

(1)該結(jié)構(gòu)靈活度高，通過雙旋轉(zhuǎn)自由度可使吸附單元自主貼合風(fēng)電塔筒外壁輪廓，保證機(jī)器人吸附爬行的穩(wěn)定性；

(2)進(jìn)行了爬壁機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)下的受力分析，考慮不同情況下的失穩(wěn)邊界條件，根據(jù)給定參數(shù)計算得到吸附單元相對最優(yōu)吸附力N≥68.18 N，并在確定吸附單元構(gòu)型后進(jìn)行磁力仿真，得到實(shí)際情況下吸附力N=70.42 N；

(3)仿真結(jié)果表明：采用該吸附單元的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)，可以穩(wěn)定吸附于風(fēng)電塔筒外壁面。