陳馳昊 王錦豪 張宗偉 史鳴 龔耀威

摘 ?要：風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。目前，越來(lái)越多的大型風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，而風(fēng)電場(chǎng)都建設(shè)在野外等惡略環(huán)境中。塔筒作為風(fēng)機(jī)的主要支撐結(jié)構(gòu)，由于吊、運(yùn)過(guò)程中的損傷，且經(jīng)日久運(yùn)行，風(fēng)沙、雨雪等的侵蝕，很多風(fēng)電塔筒表面大都會(huì)出現(xiàn)脫漆乃至銹蝕現(xiàn)象，影響美觀并可能危及風(fēng)機(jī)安全，已不能滿足風(fēng)電場(chǎng)安全文明生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)塔外部的清洗就變得至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 ?清洗機(jī)器人 ?清潔能源

一、研究背景及目的

目前，越來(lái)越多的大型風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，而風(fēng)電場(chǎng)都建設(shè)在野外等惡略環(huán)境中。塔筒作為風(fēng)機(jī)的主要支撐結(jié)構(gòu)，由于吊、運(yùn)過(guò)程中的損傷，且經(jīng)日久運(yùn)行，風(fēng)沙、雨雪等的侵蝕，很多風(fēng)電塔筒表面大都會(huì)出現(xiàn)脫漆乃至銹蝕現(xiàn)象，影響美觀并可能危及風(fēng)機(jī)安全甚至可能引發(fā)安全隱患，不能滿足風(fēng)電場(chǎng)安全文明生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)塔外部的清洗就變得至關(guān)重要。

現(xiàn)在對(duì)于風(fēng)機(jī)塔的維護(hù)清理方式依然是利用自提式吊籃、吊車懸掛吊籃以及蜘蛛人的人工作業(yè)方式，清理時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)成本高、人工工作量大且安全保障較低。目前我國(guó)正處于高速發(fā)展階段，傳統(tǒng)的作業(yè)方式已經(jīng)不能滿足目前的社會(huì)需求。

鑒于此，我們研究和設(shè)計(jì)了一種針對(duì)風(fēng)機(jī)塔表面受侵蝕具體情況，結(jié)合人工智能及自動(dòng)化技術(shù)，專門用于清理其表面的清潔機(jī)器人來(lái)取代人工清潔的操作方式，從而提高清潔風(fēng)機(jī)塔表面的工作效率，節(jié)約維護(hù)成本。同時(shí)也提高了清理工作的安全系數(shù)，降低了人工的安全事故的發(fā)生。

二、風(fēng)電塔筒清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1、機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的風(fēng)電塔筒清洗機(jī)器人可分為吸附驅(qū)動(dòng)裝置，清洗裝置兩部分。設(shè)計(jì)方案為采用永磁鐵單元塊組成的磁吸板作為機(jī)器人的吸附裝置，能使機(jī)器人穩(wěn)定吸附在豎直的風(fēng)電塔筒光滑表面。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行走作為機(jī)器人的移動(dòng)方式，控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)角度傳感器檢測(cè)機(jī)器人與豎直方向的偏移角度，再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿微調(diào)前橋轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人能始終保持豎直向上行走。另外，在前方設(shè)置可伸縮的清洗裝置，由微型減速電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)盤、清洗刷、仿形彈簧、伸縮液壓桿、連接桿、彎臂連桿等組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)清洗刷保持一定速率旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到清洗風(fēng)電塔筒表面的目的，足夠的伸縮量能適應(yīng)不同曲率的清洗表面。

2.2、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）吸附裝置

履帶式爬壁機(jī)器人的吸附單元（磁鐵）全部集中在雙側(cè)履帶上，機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，雙側(cè)履帶和機(jī)器人本體屬于2個(gè)單獨(dú)機(jī)構(gòu)。爬壁機(jī)器人需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在傾斜角為 90°～180°的立面上工作，其兩側(cè)的履帶需要承受機(jī)器人本體和負(fù)載的重量（一般在 1000 N 以上）。當(dāng)機(jī)器人在壁面上沿著水平方向運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)發(fā)生履帶與機(jī)器人本體脫離的現(xiàn)象。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們提出一種新式履帶結(jié)構(gòu)，如下圖所示。原有履帶采用鏈輪和鏈條結(jié)構(gòu)，齒形比較小，齒數(shù)較多，連續(xù)運(yùn)行時(shí)鏈輪可能脫離。優(yōu)化為下圖所示新式履帶結(jié)構(gòu)后，齒數(shù)變少，齒形變大，履帶張緊后齒輪較難從履帶中脫離。另外在齒輪外增加1個(gè)擋片，也可以防止履帶從齒輪中脫離。這樣在雙重防護(hù)下，解決了爬行機(jī)器人履帶脫離問(wèn)題。

履帶采用橡膠一體加工成型，在保證足夠強(qiáng)度的前提下，既減輕機(jī)器人的重量，還增大機(jī)器人與吸附壁面之間的摩擦力，保證機(jī)器人穩(wěn)定行走。圖 5 整體式橡膠履帶結(jié)構(gòu)由圖5可看到，永磁鐵交替布置在橡膠履帶中間，且永磁鐵高度略小于橡膠高度（約 0.5 mm）。當(dāng)機(jī)器人吸附在壁面上工作時(shí)，在磁吸附力的作用下磁鐵周圍的橡膠發(fā)生變形。利用橡膠的減震性，使永磁鐵和壁面間的剛性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越佑|，在保證足夠磁吸附力的同時(shí)保護(hù)磁鐵不發(fā)生斷裂，機(jī)器人吸附穩(wěn)定可靠性優(yōu)化爬壁機(jī)器人保證穩(wěn)定可靠地吸附在壁面。

（2）清洗裝置

清洗機(jī)器人的可伸縮性的清洗裝置是由滾架、滾刷、仿形彈簧、伸縮液壓桿、連接桿、彎臂連桿等組成，如圖2 所示。清洗滾刷安裝在滾架上，滾架通過(guò)仿形彈和連接桿連接，足夠的伸縮量可以適應(yīng)不同曲率的清洗表面，滾刷內(nèi)部裝有微型減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)，兩組伸縮液壓桿可根據(jù)不同的清洗區(qū)域調(diào)節(jié)滾刷高度，保證清洗質(zhì)量。

三、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)在正處于科技發(fā)展高速時(shí)代，用機(jī)器代替人力更高效進(jìn)行工作也更加迎合時(shí)代需求。同時(shí)，隨著風(fēng)能的不斷開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)張，無(wú)可避免會(huì)有一批風(fēng)電塔筒安置在環(huán)境惡劣的野外，這就給人工清潔造成了更大的阻礙，而使用風(fēng)電塔筒清潔機(jī)器人，可以更便利的對(duì)塔筒進(jìn)行清潔，保證了清潔人員的安全，提高了清潔工作的效率，降低了清潔工作的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫恒、陳作模、葛文杰，《機(jī)械原理第八版》[M]，北京：高等教育出版社 2013，195-260

[2]濮良貴、陳國(guó)定、吳立言，《機(jī)械設(shè)計(jì)第十版》[M]，北京：高等教育出版社 2019，155-176

[3]戴娟，《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》[M]，北京：高等教育出版社 2018