張國(guó)輝，付善喜，李若輝，竇 才，李添匯

（遼寧大唐國(guó)際新能源有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110116）

1 設(shè)備概況

自動(dòng)清洗機(jī)器人和超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)裝置首先通過(guò)高分辨率攝像頭或無(wú)人機(jī)捕獲當(dāng)前風(fēng)機(jī)葉片的圖像信息。在獲取實(shí)時(shí)圖像的同時(shí)，可訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取風(fēng)機(jī)葉片的歷史圖像處理信息，為了更加準(zhǔn)確地判斷清洗需求。結(jié)合實(shí)時(shí)圖像與歷史數(shù)據(jù)，機(jī)器人會(huì)確定最適合的清洗流程，并進(jìn)一步分析葉片上的污染物種類和分布。這些準(zhǔn)備工作完成后，機(jī)器人會(huì)制訂一個(gè)預(yù)設(shè)的清洗路徑。為確保清洗效果，機(jī)器人會(huì)基于預(yù)設(shè)判斷規(guī)則對(duì)清洗路徑進(jìn)行效能評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，從而確定最終的清洗路徑。該技術(shù)不僅提高了風(fēng)機(jī)葉片的清洗效率，而且確保了清洗質(zhì)量，為風(fēng)電行業(yè)帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。在實(shí)現(xiàn)清洗功能的同時(shí)，該機(jī)器人還具備高度精確的檢測(cè)功能。其中，超聲波相控陣檢測(cè)儀的應(yīng)用尤為突出。在工作過(guò)程中，該檢測(cè)儀會(huì)向風(fēng)機(jī)葉片發(fā)射超聲波信號(hào)。當(dāng)這些信號(hào)遇到葉片表面或內(nèi)部的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，如污染、裂紋或其他缺陷時(shí)，信號(hào)會(huì)被反射回來(lái)。清洗機(jī)器人會(huì)捕獲這些被反射的超聲波信號(hào)，并進(jìn)行高度精密的數(shù)據(jù)處理，從而得到超聲波檢測(cè)信息。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析，結(jié)合預(yù)設(shè)的信息分析規(guī)則，可以清晰、快速地呈現(xiàn)出風(fēng)機(jī)葉片的損傷情況。這不僅提供了對(duì)風(fēng)機(jī)葉片健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也為及時(shí)維護(hù)和維修提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，可確保風(fēng)機(jī)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)清洗機(jī)器人各部件結(jié)構(gòu)示意

2 檢測(cè)原理介紹

超聲相控陣成像技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的重要手段。其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)聲束的動(dòng)態(tài)調(diào)控和聚焦，這主要得益于其獨(dú)特的激勵(lì)脈沖控制技術(shù)。在傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法中，聲束的方向和焦點(diǎn)通常是固定的，這在某些情況下會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)盲區(qū)或效果不佳。而超聲相控陣技術(shù)打破了這一限制，使得聲束可以在不更換物理探頭的情況下，動(dòng)態(tài)地調(diào)整其方向和焦距，其原理如圖2所示。

圖2 超聲波相控陣檢測(cè)探頭

相控陣探頭中包含了多個(gè)小的超聲換能器陣列，這些陣列可以單獨(dú)或組合地進(jìn)行激勵(lì)。通過(guò)控制這些陣列的激勵(lì)時(shí)間和序列，可以動(dòng)態(tài)地改變聲束的方向和焦點(diǎn)。以下是一些與相控陣探頭相關(guān)的公式：

式中，θ為聲束偏轉(zhuǎn)角度，v為聲速，f為工作頻率，d為相鄰陣列元件間的間距。

式中，N為陣元數(shù)量。

相控陣探頭技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有著廣泛的價(jià)值。例如，在風(fēng)機(jī)葉片的檢測(cè)中，由于葉片形態(tài)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)通常難以覆蓋全部的檢測(cè)區(qū)域。而相控陣技術(shù)則可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整聲束，確保對(duì)葉片的每一部分都進(jìn)行詳盡的檢查。此外，其動(dòng)態(tài)聚焦的能力也極大提高了對(duì)細(xì)小缺陷的檢測(cè)敏感度。

總之，超聲相控陣成像技術(shù)不僅提供了更高的檢測(cè)準(zhǔn)確性和靈活性，也為各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料的無(wú)損檢測(cè)帶來(lái)了新的可能性。

3 清洗實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

本研究圍繞風(fēng)機(jī)葉片的清洗與檢測(cè)，提出了一套智能處理流程，確保了葉片的清潔效率與工作狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

（1）基于風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)時(shí)圖像與歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能自動(dòng)確定清洗流程。結(jié)合這些信息，系統(tǒng)進(jìn)一步確定剩余清潔物品信息。清洗機(jī)器人會(huì)自動(dòng)制訂出預(yù)設(shè)的清洗路徑，再根據(jù)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行微調(diào)。這不僅提高了清洗效率，還確保了全面性與準(zhǔn)確性。

（2）在清洗機(jī)器人中集成了超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，超聲相控陣檢測(cè)儀會(huì)向風(fēng)機(jī)葉片發(fā)出超聲波信號(hào)。風(fēng)機(jī)葉片會(huì)反射這些超聲波信號(hào)，機(jī)器人接收并處理這些返回的超聲波信息，進(jìn)而得到葉片的超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)合預(yù)設(shè)的信息分析規(guī)則，準(zhǔn)確地了解到風(fēng)機(jī)葉片的損傷狀況，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了解決葉片清洗中存在的挑戰(zhàn)，本研究提出并實(shí)施了一種基于機(jī)器人技術(shù)的清洗方法。首先，通過(guò)采用電磁盤吸附或真空吸盤貼合技術(shù)，清洗機(jī)器人被穩(wěn)定地安裝在風(fēng)塔的塔筒上。在機(jī)器人的位置和噴嘴角度調(diào)試階段引入了“試射流”技術(shù)，確保噴射的清水水流能精確地達(dá)到待清洗的葉片區(qū)域。此外，機(jī)器人還配備了清洗劑儲(chǔ)存裝置，與地面的水箱相互配合，以滿足風(fēng)機(jī)葉片不同的清洗需求。該方法不僅提高了清洗效率，還確保了清洗過(guò)程的安全性和可靠性。

風(fēng)機(jī)葉片的定期清潔對(duì)于確保風(fēng)機(jī)效率至關(guān)重要。為了準(zhǔn)確評(píng)估本研究所設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人的性能，在一天中的不同時(shí)刻對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了清洗，并通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)清洗前后的葉片進(jìn)行了異物面積的對(duì)比，如圖3所示。

圖3 清洗前后異物對(duì)比

盡管由于光線差異在圖片處理過(guò)程中部分陰影被誤判為異物，但整體的結(jié)果表明機(jī)器人對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的清潔效果顯著。盡管存在光線差異帶來(lái)的誤判，但平均結(jié)果仍然證明了該機(jī)器人在清洗風(fēng)機(jī)葉片方面的卓越性能。這為風(fēng)電領(lǐng)域提供了一種有效且自動(dòng)化的維護(hù)方法，有望進(jìn)一步提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和風(fēng)機(jī)的使用壽命。

4 機(jī)器人超聲波相控陣無(wú)損檢測(cè)

在風(fēng)電領(lǐng)域，除了葉片的清潔工作，風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)也是維護(hù)工作中的重要環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，將清洗機(jī)器人上的清洗裝置替換為超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的探傷檢測(cè)功能。該系統(tǒng)由超聲波相控陣檢測(cè)儀和專門的探頭組成。在機(jī)器人進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，工作人員可以利用搭載在機(jī)器人上的超聲波相控陣檢測(cè)儀和探頭對(duì)風(fēng)機(jī)葉片，特別是其主梁內(nèi)部進(jìn)行細(xì)致的探傷檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)不僅可以實(shí)時(shí)反饋，還可以保存在機(jī)器人的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和葉片的維護(hù)決策提供重要依據(jù)。這種機(jī)器人的多功能性不僅可以提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率，還可以為風(fēng)機(jī)葉片的維護(hù)提供更為精確和高效的方法。

4.1 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

超聲波相控陣技術(shù)是近年來(lái)較為先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)速度顯著快于傳統(tǒng)方法。這是因?yàn)橄嗫仃嚰夹g(shù)利用電子方法激勵(lì)探頭中的陣列晶片，使其在執(zhí)行線性掃查時(shí)的速度極大提升。這種技術(shù)不僅使用靈活，能夠輕松控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度和波束寬度，還允許一個(gè)探頭實(shí)施縱傷、橫傷和斜傷的檢測(cè)。這意味著在實(shí)際檢測(cè)中，可以根據(jù)需要靈活設(shè)置檢測(cè)掃查方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫中不同方向缺陷的檢測(cè)。而多晶片的快速順序激勵(lì)顯著提高了檢測(cè)的可靠性。超聲波束的聚焦增強(qiáng)了檢測(cè)的信噪比，許多以前難以識(shí)別的缺陷現(xiàn)在都可以被準(zhǔn)確檢測(cè)出。此外，豐富的數(shù)據(jù)提高了各個(gè)角度缺陷的分辨率。

4.2 葉片相控陣檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)涉及風(fēng)電葉片的檢測(cè)時(shí)，相控陣檢測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)相比，相控陣可以精確地檢測(cè)缺陷的位置、大小、形狀和類型，從而極大提高檢測(cè)的可靠性。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)依賴于操作人員的技能和經(jīng)驗(yàn)，而相控陣檢測(cè)則簡(jiǎn)化了這個(gè)過(guò)程，只需設(shè)定好設(shè)備并按部就班地進(jìn)行掃查。此外，相控陣檢測(cè)主要使用水作為耦合劑，這意味著檢測(cè)后不會(huì)有殘留和污染。檢測(cè)結(jié)果也更為直觀，除了掃描波形，還有其他多角度的視圖，使得缺陷更容易被識(shí)別和理解。同時(shí)，使用聚焦功能確保了聲波在穿透被檢測(cè)工件時(shí)既有足夠的能量又具有高分辨率，能夠真實(shí)地呈現(xiàn)缺陷的實(shí)際情況。

4.3 解決的問(wèn)題

在風(fēng)電葉片檢測(cè)中，面臨的主要問(wèn)題是內(nèi)部分層和脫粘等缺陷。這些缺陷對(duì)葉片的壽命產(chǎn)生重要影響。傳統(tǒng)的PT 等表面檢測(cè)手段在這里使用有限，而像RT這樣的檢測(cè)方法對(duì)這類缺陷的反應(yīng)也不敏感。此外，由于玻璃纖維結(jié)構(gòu)的穿透性較差，傳統(tǒng)的UT 檢測(cè)需要使用極低頻率的探頭才能穿透。加上地面的不平整性和支撐梁信號(hào)的干擾，使得傳統(tǒng)超聲檢測(cè)效果不佳。超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)很好地解決了以上問(wèn)題，適用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種結(jié)合圖像識(shí)別與歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)機(jī)葉片清洗方法及其系統(tǒng)和存儲(chǔ)介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的高效清洗。該方法不僅考慮了圖像信息，還結(jié)合了歷史風(fēng)機(jī)葉片的圖像處理信息來(lái)確定清洗流程，極大提高了清洗效率。當(dāng)清洗機(jī)器人的清洗裝置被替換為超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，機(jī)器人不僅可以進(jìn)行高效的清洗操作，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的精確探傷檢測(cè)，為風(fēng)機(jī)葉片的維護(hù)提供了一個(gè)全面的解決方案，確保風(fēng)電領(lǐng)域設(shè)備的安全與持續(xù)運(yùn)行。