徐 春，劉海東，趙子豐，徐光平

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，內(nèi)蒙古赤峰 024000；2.北京中安吉泰科技有限公司，北京 100192）

0 引言

作為一種可再生的清潔能源，風(fēng)能對(duì)緩解能源危機(jī)和減少碳排放總量有著重要作用，是清潔能源體系的核心組成部分，愈發(fā)受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)電機(jī)組作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心裝備，其安全高效的運(yùn)行是風(fēng)電能源供應(yīng)的有力保障。風(fēng)電塔筒作為風(fēng)電機(jī)組的核心關(guān)鍵部件，承擔(dān)著主體支撐與應(yīng)力承載的角色，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。但受自然界分布特點(diǎn)的影響，風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)安裝在荒漠戈壁、高原山丘及沿海淺灘等環(huán)境惡劣地區(qū)，塔筒主體結(jié)構(gòu)常年經(jīng)受沙塵侵磨、雨雪霜凍及海水銹蝕等自然損害，輕則發(fā)生漆膜破損、腐蝕脫落，重則產(chǎn)生焊縫開(kāi)裂、應(yīng)力不均導(dǎo)致倒塔等情況，嚴(yán)重影響塔筒主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。因此需要定期針對(duì)風(fēng)電塔筒等基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、檢修及保養(yǎng)。

目前，針對(duì)風(fēng)電塔筒的運(yùn)維作業(yè)只有采用人工作業(yè)方式，即通過(guò)吊籃或蜘蛛人的形式，作業(yè)人員攜帶設(shè)備完成高空維護(hù)作業(yè)。由于風(fēng)電塔筒近百米的高度，并且受到塔筒內(nèi)部運(yùn)輸空間的限制，前期準(zhǔn)備工作極為耗時(shí)，同時(shí)所攜帶的維護(hù)設(shè)備及原材料有限，存在著作業(yè)效率低下、工期長(zhǎng)、成本高、工人安全無(wú)法保障等問(wèn)題，無(wú)法滿足我國(guó)風(fēng)電行業(yè)日益增長(zhǎng)的維護(hù)作業(yè)需求。針對(duì)目前傳統(tǒng)人工作業(yè)存在的問(wèn)題，亟需采用新型的作業(yè)方式，以保證安全、高效、可靠的塔筒維護(hù)作業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有公司和團(tuán)隊(duì)采用爬壁機(jī)器人作為載體搭載各類作業(yè)執(zhí)行模塊在石化儲(chǔ)罐[1]、船舶外壁[2]、橋梁管道[3]等行業(yè)進(jìn)行機(jī)械化運(yùn)維作業(yè)[4]的嘗試。針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維，雖然也有一些國(guó)外的團(tuán)隊(duì)提出了設(shè)想的方案[5]，但從具體的工程實(shí)施角度出發(fā)，仍然存在一些瓶頸。為此，從風(fēng)電塔筒的實(shí)際運(yùn)維需求出發(fā)，研制適用于風(fēng)電塔筒的維護(hù)作業(yè)系統(tǒng)，是亟需解決的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)要求

風(fēng)電塔筒不同與石化儲(chǔ)罐或船舶外立面那種較為平整的金屬立面，塔筒存在著曲率大、半徑小的固有結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)結(jié)構(gòu)高度也遠(yuǎn)高于一般的金屬立面，這就為機(jī)械化運(yùn)維作業(yè)提出了較為嚴(yán)苛的要求。故針對(duì)風(fēng)電塔筒的固有結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合維護(hù)作業(yè)需求，對(duì)機(jī)器人維護(hù)作業(yè)系統(tǒng)提出以下設(shè)計(jì)要求。

（1）曲率適應(yīng)。塔筒外形為圓錐曲面，最大直徑4 m、最小直徑2.4 m，傳統(tǒng)的移動(dòng)平臺(tái)無(wú)法在曲面上轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。為保證爬壁機(jī)器人在塔筒壁面的靈活運(yùn)動(dòng)，要求具備變曲率自適應(yīng)能力。

（2）柔性接觸。塔筒出場(chǎng)吊裝之前會(huì)在表面涂裝防腐保護(hù)涂層，爬壁機(jī)器人在表面吸附運(yùn)動(dòng)作業(yè)過(guò)程中不能破壞原本完好的涂層。因此，要求機(jī)器人與塔筒是柔性接觸、避免漆膜的破損。

（3）油污清洗。塔筒表面存在質(zhì)地濃厚的油污層，輕度清潔方式無(wú)法滿足清洗效果，因此要求作業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定強(qiáng)度的持續(xù)性清潔作業(yè)。

（4）壁面檢測(cè)。塔筒壁面存在大量的橫縱焊縫，為保證檢測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，需要實(shí)現(xiàn)全方位、全截面覆蓋的深度檢測(cè)。

（5）操控系統(tǒng)。機(jī)器人搭載作業(yè)模塊的方式能夠替代人工進(jìn)行高空高危作業(yè)，但機(jī)器人的操控系統(tǒng)要具備可靠高效安全的作業(yè)模式，能夠在保障人員安全的情況下實(shí)現(xiàn)可靠高效的操控，同時(shí)讓操作人員實(shí)施監(jiān)測(cè)作業(yè)狀態(tài)及塔筒作業(yè)環(huán)境。

為此，設(shè)計(jì)了以下機(jī)械化維護(hù)作業(yè)系統(tǒng)——永磁輪式爬壁機(jī)器人。

2 永磁輪式爬壁機(jī)器人

基于爬壁機(jī)器人工作現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)研，爬壁機(jī)器人選用四輪框架結(jié)構(gòu)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)器人箱體（內(nèi)含驅(qū)動(dòng)控制元器件）、前永磁輪驅(qū)動(dòng)單元、后永磁輪萬(wàn)向從動(dòng)單元、液體（清洗液/耦合液）噴灑模塊以及攝像頭等（圖1）。

圖1 機(jī)器人本體示意

（1）機(jī)器人箱體內(nèi)置主要的驅(qū)動(dòng)和控制元器件，以及相應(yīng)的供電信號(hào)模塊。

（2）前輪驅(qū)動(dòng)單元。兩個(gè)內(nèi)置永磁體、結(jié)構(gòu)相同的模塊化前輪驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置于車架前端左右兩側(cè)，輪體外側(cè)包裹橡膠，實(shí)現(xiàn)與塔筒壁面的柔性接觸，同時(shí)橡膠接觸能夠增加摩擦力，主要用于提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力及吸附力，通過(guò)實(shí)時(shí)伺服控制兩輪速度（同速直行、差速轉(zhuǎn)彎）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面的靈活精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。

（3）后輪萬(wàn)向從動(dòng)單元采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)置永磁體，設(shè)置于車架后端兩側(cè)，輪體外側(cè)包裹橡膠。采用萬(wàn)向輪形式隨車體隨動(dòng)，用于提供部分吸附力并實(shí)現(xiàn)車架在壁面的穩(wěn)定支撐，同時(shí)利于四輪構(gòu)型的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

（4）液體噴灑模塊由水箱、微型隔膜泵、走水管路以及集成在清洗/檢測(cè)模塊上的噴頭構(gòu)成。水箱分為3 組，分別掛載機(jī)器人兩側(cè)及背部，同時(shí)各自對(duì)應(yīng)一個(gè)微型隔膜泵，主要存儲(chǔ)用于清洗作業(yè)的清洗液或TOFD（超聲波衍射時(shí)差法）檢測(cè)作業(yè)時(shí)需要的耦合液。水箱總?cè)萘? L，能夠滿足機(jī)器人清洗或檢測(cè)時(shí)對(duì)清洗液或耦合液的需求。

（5）攝像頭分為前后兩組攝像頭，前攝像頭安置在前驅(qū)動(dòng)輪前端，主要用于監(jiān)測(cè)清洗/檢測(cè)作業(yè)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，后攝像頭安置在后萬(wàn)向從動(dòng)輪后端，主要用于檢測(cè)機(jī)器人尾部及拖拽線纜的情況。

考慮到塔筒壁面為錐體、曲率大且變化不唯一，在兩個(gè)前置驅(qū)動(dòng)輪與車體剛性固接的前提下，為了保證機(jī)器人對(duì)曲面的自適應(yīng)能力，將兩個(gè)后置萬(wàn)向輪與本體的連接方式設(shè)計(jì)為具有單個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的柔性鉸接方式。這樣4 組磁輪在保持與壁面吸附的同時(shí)，后輪可以跟隨壁面曲率變化與起伏，確保機(jī)器人在塔筒壁面運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定與靈活（圖2）。

圖2 曲面適應(yīng)

3 清洗檢測(cè)維護(hù)作業(yè)模塊

風(fēng)機(jī)塔筒由于常年經(jīng)受風(fēng)沙侵蝕以及自身機(jī)艙零部件漏油的影響，塔筒外壁存在油污以及焊縫存在破損的情況，嚴(yán)重影響塔筒安全運(yùn)行的可靠性，需要定期進(jìn)行清潔檢測(cè)等維護(hù)作業(yè)。

3.1 油污清洗模塊

塔筒表面油污是在風(fēng)電機(jī)艙漏油后，融合了沙塵等大氣雜質(zhì)，又經(jīng)受強(qiáng)風(fēng)吹蝕后形成的質(zhì)地比較濃厚的污層，傳統(tǒng)人工作業(yè)采用的滾刷擦洗的方式，針對(duì)質(zhì)地較厚的頑固油層的清洗效率較低，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠配合機(jī)器人進(jìn)行高效清潔作業(yè)的執(zhí)行模塊。

清洗模塊機(jī)構(gòu)為3 個(gè)旋轉(zhuǎn)毛刷盤以一定角度排列構(gòu)成，以便適應(yīng)塔筒的曲率（圖3）。每個(gè)刷盤由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刷盤上端獨(dú)立的噴頭與機(jī)器人本體的噴灑模塊連接，當(dāng)隔膜泵將清洗液噴灑在壁面之后，刷盤自轉(zhuǎn)便可將壁面油污洗刷干凈。

圖3 塔筒油污清洗作業(yè)

清洗模塊與機(jī)器人本體連接后，借助機(jī)器人靈活的運(yùn)動(dòng)能力以及清洗模塊高效的回轉(zhuǎn)掃刷模式，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化清洗作業(yè)。刷盤直徑400 mm，3 個(gè)刷盤的單次清潔面幅跨度能達(dá)到1020 mm，同時(shí)能夠適應(yīng)塔筒不同高度的曲率變化。

3.2 TOFD 檢測(cè)模塊

受限于吊籃或蜘蛛人等作業(yè)形式，傳統(tǒng)的人工焊縫檢測(cè)只能進(jìn)行定點(diǎn)采樣檢測(cè)，無(wú)法做到高效的全域全覆蓋檢測(cè)。檢測(cè)手段也只能采用電渦流等進(jìn)行淺層掃描，無(wú)法對(duì)塔筒壁面及焊縫進(jìn)行深層次的掃查。

TOFD 是Time Of Flight Diffraction 的縮寫，即超聲波衍射時(shí)差法，其檢測(cè)模塊由包含TOFD 掃查架（含超聲探頭）、用于與機(jī)器人相連接的安裝架以及用于檢測(cè)動(dòng)作的電推缸構(gòu)成（圖4a）），它能對(duì)設(shè)定深度的母材及焊縫進(jìn)行全截面的探查，同時(shí)將母材焊縫各深度層的不同缺陷同步顯示在檢測(cè)儀器上。

圖4 焊縫TOFD 檢測(cè)作業(yè)

塔筒焊縫包含有縱縫與環(huán)縫：縱縫為豎直方向，位置為沿塔筒圓周0°與180°對(duì)稱布置；環(huán)縫為塔筒圓周方向，相鄰環(huán)縫高度間隔2～3 m。在焊縫檢測(cè)時(shí)，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的位置姿態(tài)以及利用電推缸調(diào)整掃查架的高度，將掃查架前端的兩個(gè)超聲探頭分別置于焊縫的兩側(cè)，并緊密貼合壁面，將機(jī)器人本體的耦合液噴灑系統(tǒng)與探頭上的噴孔連接，將耦合液噴灑至檢測(cè)區(qū)域，控制機(jī)器人沿焊縫運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的TOFD 超聲焊縫檢測(cè)作業(yè)（圖4b））。檢測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)通信線纜傳輸至地面數(shù)據(jù)分析軟件，為質(zhì)檢員提供實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，憑借機(jī)器人搭載TOFD檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、全方位的焊縫無(wú)損檢測(cè)作業(yè)。

4 控制系統(tǒng)

為保證機(jī)器人操作的可靠性以及人員安全，采用地面遙操作控制系統(tǒng)，即操作人員及控制系統(tǒng)主體均在地面安全區(qū)域內(nèi)，通過(guò)有線拖纜的方式連接高空機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，進(jìn)行供電及控制信號(hào)的傳遞?？刂葡到y(tǒng)包括主控制箱、無(wú)線遙控器以及相應(yīng)供電信號(hào)線纜（圖5）。

圖5 控制系統(tǒng)

5 樣機(jī)系統(tǒng)研制

為驗(yàn)證風(fēng)電清洗檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性，研制了系統(tǒng)樣機(jī)（圖6）。

圖6 機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)

通過(guò)搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能夠有效吸附在壁面上，在不打滑的情況下仍能搭載最多20 kg 的負(fù)載并進(jìn)行機(jī)器人的性能測(cè)試。

通過(guò)測(cè)試，機(jī)器人空載的最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)8 m/min，負(fù)載20 kg 時(shí)最大可達(dá)6 m/min。同時(shí)，為了配合清洗作業(yè)模塊和檢測(cè)作業(yè)模塊的作業(yè)效果，作業(yè)時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度基本上保持在2 m/min。

后續(xù)的改進(jìn)方向有兩個(gè)：一是針對(duì)機(jī)器人本體的重量及尺寸進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)部分結(jié)構(gòu)體模塊等構(gòu)型進(jìn)行小型化改進(jìn)；二是在保證清洗/檢測(cè)作業(yè)效果的前提下，磨合作業(yè)工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高作業(yè)效率。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)風(fēng)電塔筒的實(shí)際作業(yè)需求，明確了機(jī)器人及作業(yè)執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)確定了相應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行機(jī)器人本體設(shè)計(jì)，采用雙驅(qū)四磁輪的整體構(gòu)型，配合曲面適應(yīng)的萬(wàn)向從動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在壁面的可靠吸附與靈活運(yùn)動(dòng)。

（3）針對(duì)不同作業(yè)場(chǎng)景需求，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)人工作業(yè)的痛點(diǎn)分析，并考慮到作業(yè)效果及作業(yè)效率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了油污清洗及TOFD 檢測(cè)兩種前端執(zhí)行作業(yè)模塊。

（4）考慮到人工操控機(jī)器人的便捷安全以及機(jī)器人作業(yè)的可靠性，采用本體有線拖纜及人工無(wú)線遙控的整體控制方案，在保證機(jī)器人本體供電及信號(hào)傳輸可靠的前提之下，無(wú)線遙操作提供了極大的便利及人員安全，能夠滿足風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)高危的作業(yè)環(huán)形需求。

（5）通過(guò)各部分模塊的系統(tǒng)集成，研制了系統(tǒng)樣機(jī)，通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與可靠性，能夠滿足風(fēng)機(jī)塔筒的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。