玻璃鋼技術在變電站巡檢機器人中的應用研究

曹 濤，王明瑞，孫大慶，楊 墨，王 飛

（山東電力研究院 國家電網電力機器人重點實驗室，濟南 250000）

0 引言

變電站巡檢機器人系統以全自主控制方式，在無人值守變電站對室外高壓設備進行巡視[1]。通過攜帶的可見光攝像機、遠程紅外熱成像攝像機、高性能定向傳感器，完成變電站設備的遠程紅外檢測、遠程圖像監控、聲音檢測、移動物體闖入偵測等[2]，并記錄相關信息，提供異常報警。操作人員只需通過后臺基站計算機收到的實時數據、圖像等信息，即可完成變電站設備的巡檢工作。同時，經過現場運行表明，巡檢機器人系統的非接觸式移動檢測與變電站綜合自動化的接觸式監控結合，可以真正形成全監控方式，大大提高變電站設備運行的安全可靠性[3]。

采用變電站巡檢機器人又一優勢，可以降低變電站環境中的惡劣氣候[4]、噪聲污染[5]、電磁輻射[6]等對巡檢工作人員造成的傷害。變電站智能巡檢機器人是代替巡檢人員對變電站設備進行巡查，減少了變電站環境對工作人員的影響。同時變電站巡檢機器人自身的防護也成為重點研發工作，通過針對巡檢機器人虛擬樣機研究分析[7]，選取成本低，性能優越的外殼材料，對巡檢機器人的研發工作和發展方向有著重要的意義。

1 玻璃鋼材料的應用概況

1.1 玻璃鋼材料概述

玻璃鋼材料又稱作FRP，即纖維強化塑料，通常指用玻璃纖維增強不飽和聚脂、環氧樹脂與酚醛樹脂基體。以玻璃纖維或其制品用作增強材料的增強塑料，稱謂為玻璃纖維增強塑料，即所謂的玻璃鋼[8]。玻璃鋼材料是20世紀材料科學領域迅速發展的一類新材料，因其獨特性能優勢，近年來得到了廣泛的發展和應用[9]。已經在航空航天、鐵道鐵路、裝飾建筑、家居家具、廣告展示、工藝禮品、建材衛浴、游艇泊船、體育用材、環衛工程等相關十多個行業中有著廣泛應用，并深受贊譽，成為材料行業中新時代商家的需求首選。

玻璃鋼復合材料已與金屬、高聚物、陶瓷并列為四大材料。其發展速度和規模、應用范圍、對現代科學技術及生產進步的影響和推動，以及其自身的科學研究深度和廣度等諸多方面來看，現代復合材料領域中所取得的成就，都超過人類歷史上曾使用過的任何材料。以至于一個國家、地區的復合材料水平，都成為衡量其科學與經濟發展的標志之一[10]。

1.2 玻璃鋼材料特性[11]

玻璃鋼的基本性能主要取決于其兩大組分和它們之間的結合，即玻璃纖維和合成樹脂間的結合。玻璃鋼集中了玻璃纖維同合成樹脂的特性，具有質量輕、強度高、耐化學腐蝕[12]、電絕緣性好，透過電磁波、隔音、減震和耐瞬時高溫燒蝕等特點。因此，玻璃鋼已成為國民經濟建設中不可缺少的重要材料之一。

1）玻璃鋼材料的各向異性

玻璃鋼材料是一種各向異性材料，它是由玻璃纖維以及樹脂結合而成。玻璃纖維作為承擔載荷的主要材料，樹脂基體作為粘結材料，同時將玻璃纖維粘合固定，并給以保護。在應力作用下樹脂基體可產生塑性移動進而將負荷傳遞到玻璃纖維上去。玻璃纖維的強度與彈性模量遠高于樹脂，其他性能也有顯著區別。如表1所示。

表1 玻璃纖維與聚酯樹脂性能對比

因此，由于玻璃纖維承受的主要是由經向拉伸負荷，同時在纖維垂直方向上基本上不能承受負荷，因而，玻璃鋼的整體強度隨著玻璃纖維的布向而異。因此，這種材料的整體強度也就具有良好的可設計性[13]，可以按相應的分布和大小來合理安排玻璃纖維的數量、分布和方向，使材料發揮其最佳的作用[14]。

2）玻璃鋼的物理性能[15]

玻璃鋼具有密度小，良好的介電絕緣性能、隔熱性能、抗吸水和抗熱膨脹性能等。玻璃鋼密度介于2.5～2.0之間，只有普通炭的1/4～1/5比輕金屬鋁還要輕1/3左右，卻具有較高的機械強度，某些方面甚至能接近普通碳鋼的水平。按強度計算，玻璃鋼不僅能超過普通碳鋼，而且可達到和超過某些特殊合金鋼的水平。玻璃鋼有優良的電絕緣性能，在高頻作用下仍然能保持良好的介電性能。在任絕緣材料中，用玻璃纖維布代替紙及棉布，可提高絕緣材料的絕緣等級，在用相同樹脂的情況下，至少可以提高一個等級。 玻璃鋼有良好的耐熱性能，它具有較大的比熱，是金屬的2～3倍。導熱系數卻比較低，只是金屬材料的1/00～1/1000。

2 結構設計中應注意的問題[16]

2.1 應力集中[17]問題

根據玻璃纖維材料的拉伸試驗[18]的結果，我們可以得出玻璃鋼材料直到破壞都沒有明顯的屈服點，這說明玻璃鋼具有小小的塑性，并沒有金屬的緩和應力作用，所以它在部件連接處附近的應力集中現象較為嚴重。

玻璃鋼部件有兩種方法連接，即機械連接[19]和膠接連接[20]。機械連接，主要在設備安裝、部件安裝等局部地方使用，其特點是裝拆方便，容易檢查，但是減少了受力面積，產生的應力較為集中，降低了接點疲勞強度。膠接連接主要應用在結構件與本體間連接（如風扇結構、接口面板結構、安裝接觸面等），設計過程中考慮如何提高接縫連接的強度，使其達到整體結構的強度，避免出現應力集中現象。

2.2 彈性模量[21]低

玻璃鋼主要分為熱固性玻璃鋼和熱塑性玻璃鋼兩類：

熱固性玻璃鋼是指以玻璃纖維為增強材料和以熱固性樹脂為基體構成的復合材料。這種材料具有生產工藝簡單、強度高、密度低、耐腐蝕、介電性高等特點，與熱塑性玻璃鋼相比，具有較高的耐熱性。這種玻璃鋼的主要缺點就是彈性模量低，剛性偏差。

熱塑性玻璃鋼是以玻璃纖維為增強材料和以熱塑性樹脂為基體構成的復合材料。熱塑性玻璃鋼與熱固性玻璃鋼相比，強度和疲勞性能均可提高2～3倍以上，沖擊韌度也可提高2～4倍，抗蠕變能力也有相應提高。同時針對結構設計時需要考慮外殼承重，防止其受力形變，可以通過整體成型、增加剖面模數、增加加強筋和夾層結構等方法彌補剛性低的缺點。

2.3 材料性能[22]的不穩定性

一般材料如：陶瓷材料、高分子材料等等。它們是根據材料的物質成分來分類和定義的。但是，玻璃鋼作為一種復合材料，定義是由兩種或兩種以上的物質，以物理結合的方式（同時自保持其原有屬性）組成的物質，顯然，復合材料沒有什么材料物質成分概念。因此，影響結構設計的一個重要因素就是玻璃鋼力學性能的不穩定性。

3 玻璃鋼材料在巡檢機器人中的應用

3.1 玻璃鋼材料應用

由于變電站巡檢機器人的研發，處于小批量生產過程，與注塑相對比，玻璃鋼材料的應用更適合現巡檢機器人產品的生產。而巡檢機器人外殼上承載部分設備，結構復雜，如圖1所示，使整體無法由玻璃鋼整體加工而成。

圖1 變電站巡檢機器人外形示意圖

以外殼主體為例，玻璃鋼模型加工，需要采用特殊工藝處理。即整體結構、大面積平面、大曲面采用玻璃鋼模型加工，玻璃鋼模具無法加工的小曲面、復雜結構（左側風扇通風結構、右側風扇通風結構、充電門整體機構、拾音器安裝部分整體結構、指示燈安裝部分整體結構等）采用其他加工方式，在通過機械連接或膠接連接方式固定到玻璃鋼模型主體上，然后在經過表面處理，內部增加屏蔽層[23]等處理，最終完成玻璃鋼材料的外殼主體加工。

圖2 玻璃鋼主體加工模型示意圖

3.2 基于巡檢防護外殼對玻璃鋼材料分析

機器人殼體樣機模型建立主要使用三維軟件UG、PROE等對各部分零件圖進行三維模型創建。由于機器人本體殼體結構較為復雜，又同各零件之間有準確的配合和定位，因此這個模型建立是一個復雜而繁瑣的過程。

通過三維數據模型，最后將各個零件組成預先規劃好的裝配體中，按照實際的裝配過程明確各個零件間的配合關系，生成一個裝配關系明確的三維數據模型，通過數據格式轉換，可在有限元分析軟件中使用。

在有限元分析過程中，首先根據選取確定殼體的屬性，定義殼體材料的屬性，將殼體與分析軟件數據庫相連接，分析軟件依據定義在零件間的約束狀態、附加在零件上的載荷，自動為殼體進行網格劃分，同時設計者也可以根據實際需求，針對殼體局部網格進行細化。劃分網格之后即可運行分析，經過軟件計算分析，得到分析結果。

分析軟件可以提供一個可視化的分析界面，將應力、應變、位移、變形等設計檢查項目用圖像、圖表、動畫方式表達。通過對殼體每個接觸面的受力分析，可以判斷出殼體的受力情況和材料的應用是否正確。

以側面安裝孔為例，材料選取如表格2所示。

表2 玻璃鋼材料屬性表

安裝時，固定安裝孔所受到一定拉力，可以轉化為固定安裝孔不動，而殼體受到一定拉力，設定極限瞬時拉力為400N時通過軟件分析，得出了一系列相應的應力、應變、位移圖，如圖4～圖6所示。

由圖4得出單最大應力遠小于玻璃鋼的屈服極限；圖5得出z向的最大變形位移為0.262536 mm，說明在載荷400N的作用下，玻璃鋼材料是足夠安全的。

已安裝定位孔為例，針對玻璃鋼材料外殼做有限元分析，玻璃鋼材料的強度完全復合巡檢機器人防護外殼功能的需求。

4 結論

這幾年，玻璃鋼復合材料已經在我國有著突飛猛進的發展，生產工藝日漸成熟。將玻璃鋼材料應用于變電站巡檢機器人產品研發中，在降低生產成本的同時，也大大縮短了產品的生產周期。在產品研發、樣品試制過程中也為企業的決策者提供了更多的選擇空間。

圖3 算例-網格

圖4 算例-應力

圖5 算例-位移

圖6 算例-應變

表3 力學分析結果

[1]孫國凱,韓剛.變電站巡檢方式對比及智能巡檢機器人[J].農村電氣化,2008, 04.

[2]魯守銀,蘇建軍.機器人在變電站設備巡檢中的應用[J].機器人技術與應用,2007, 05.

[3]魯守銀,錢慶林,張斌,王明瑞.變電站設備巡檢機器人的研制[J].電力系統自動化,2006,13.

[4]張志新.城市氣候的特征及危害[J].農業與技術,2003,03.

[5]葉建斌,陳雁.變電站環境噪聲現場測試分析討論[J].廣東電力,2005,10.

[6]周粉妹.電磁輻射對人體的影響[J].南通職業大學學報,2000,01.

[7]曹濤,欒貽青,肖鵬.變電站巡檢機器人虛擬樣機系統開發及其研究 [J].機械工程師,2011,07.

[8]韓瑋,陳南梁.玻璃鋼發展綜述及經編織物作為玻璃鋼增強基布的發展前景[J].國際紡織導報,2000,04.

[9]王秋霞.世界復合材料強國與我國的復合材料現狀及發展動向[J].玻璃鋼復合材料,1999,01.

[10]陳南梁.地組織結構及材料對多軸向經編增強復合材料拉伸性能的影響[J].東南大學學報,2002,01.

[11]張信田.純聚氯乙烯泡沫塑料夾層結構在玻璃鋼造船中的應用(下)[J].纖維復合材料,1999,01.

[12]胡鉅才.玻璃鋼腐蝕特性評價試驗[J].玻璃鋼/復合材料,1987,06.

[13]何宇聲.玻璃鋼的特性和應用[J].中國建材,1984年03期.

[14]沈開猷.玻璃鋼結構設計[J].玻璃鋼復合材料,1989,05.

[15]周祝林.無機復合材料(玻璃鋼)性能[J].上海建材,2008,04.

[16]邱建新.玻璃鋼材料在船舶結構設計中應注意的問題[J].中國水運(理論版),2007, 01.

[17]陳古耀.談冶金設備應力集中的危害和預防[J].軋鋼,1994,02.

[18]譚金彪.玻璃/纖維環氧復合材料靜態拉伸試驗[J].萍鄉高等專科學校學報,2011,03.

[19]胡寶剛.復合材料結構件的機械連接工藝[J].導彈與航天運載技術,1995,06.

[20]沃西源.復合材料膠接連接工藝 [J].航天返回與遙感,1996,01.

[21]馮廣占,柏學遂,韓最順,余茂益.玻璃鋼力學性能的測試及分析 [J].玻璃鋼/復合材料,1984,06.

[22]李湘渝,李峰,秦嶺,王林.玻璃鋼結構的力學性能實驗[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2011,01.

[23]楊帆,姚德貴,彭卉,何為.高壓變電站工頻電磁場屏蔽效能測試及分析[J].高壓電器,2010,01.