油脂類罐體壁清刮機器人的力學仿真分析*

韓海敏

(河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042)

0 引言

油罐是應用最廣的一種儲油裝置，主要儲存中央或地方儲備油[1]。由于油液黏度大、質量較輕、不易揮發，儲存這類油液一般采用大型立式圓筒形固定頂鋼板罐[2]，采用Q235-B碳素鋼板焊接而成。長時間使用后油液容易粘附在油罐內壁，影響油液存儲質量的同時，還容易造成油罐內壁腐蝕受損，因此需要定期對油罐內壁進行清洗[3]。為便于油罐內壁的清洗，常采用機器人進行作業[4，5]。

經調研，為了保證機器人的穩定性，常將永磁鐵設置在行走輪足或者行走履帶上，然而很難實現磁吸附力大小與靈活移動之間的調節，難以做到輕量化設計。為此，提出了一種在油脂類儲罐作業的爬壁機器人，通過建立機器人力學模型對其進行分析，并對機器人磁吸附裝置的吸附力進行驗證。

1 爬壁機器人的總體設計

1.1 設計要求

爬壁機器人設計要求如表1所示[6]。

表1 爬壁機器人設計要求

1.2 總體結構設計

結合總體方案的設計要求，設計出了油脂類罐體壁爬壁機器人的整體結構，其三維模型如圖1所示。該機器人主要由行走裝置、吸附裝置、清刮裝置三部分組成。在以上裝置有機結合下，完成油脂類罐體壁的清洗任務。其中，行走裝置中，行走輪與行走電機連接，且行走輪與輔助萬向輪呈方形分布，如圖2所示。承載板表面設置有升降組件，其升降端伸入承載板下方且連接有吸附裝置，升降組件帶動吸附裝置，實現與油罐內壁之間的距離調節，從而實現吸附力大小的調節。

1-承載箱；2-調高電機；3-調高絲杠；4-導向柱；5-調高板；6-固定架；7-轉軸；8-鎖緊螺母；9-蝸輪；10-承載柱；11-彈性伸縮桿；12-刮板；13-輔助萬向輪；14-蝸桿；15-行走輪；16-行走電機；17-門型架

使用時，通過變磁力吸附裝置將機器人吸附在油罐內壁，通過調高組件帶動承載柱下降，使刮板與油罐內壁相接觸，利用彈性伸縮桿的彈力推動刮板，使刮板始終與油罐內壁充分接觸。該裝置整體結構簡單，大大降低了裝置的重量和成本。進行油罐內壁清潔時，行走輪的軸線與油罐的軸線平行，行走電機驅動行走輪旋轉，從而使裝置整體沿油罐內壁做圓周移動，刮板隨著裝置移動對油罐內壁進行清刮，圓周清刮完成后需要改變行走路線，承載箱內部的轉向電機帶動門型架旋轉，使行走輪的軸線與油罐的軸線相垂直，行走電機驅動行走輪旋轉，使裝置整體沿著油罐的軸向移動，移動完成后轉向電機帶動門型架恢復原狀態，重復對油罐內壁進行圓周清刮。在清掃路線的調整過程中，裝置沿油罐軸線直線運動，不會造成清掃遺漏，使用效果好。

13-輔助萬向輪；15-行走輪；16-行走電機；17-門型架；18-吸附裝置；19-轉向電機；20-升降組件

2 爬壁機器人安全吸附力學分析

通過查閱資料，爬壁機器人在立式罐體壁面上工作時，主要出現了機器人沿豎直壁面下滑及傾覆脫落兩種失穩形式[7]，為確定機器人的臨界吸附力，需要對以上兩種情況進行受力分析，如圖3所示。

圖3 機器人沿壁面受力分析

由于所研究的油脂類罐體較大，為方便研究，將罐壁面假設為平直面[8]。機器人在壁面上運動時，安全系數K取1.7，機器人總重量(自重及載荷)G為45 kg,機器人質心到壁面之間的距離H為110 mm, 左右兩輪距離L為490 mm,罐體因使用時間較長壁面會殘留一定的油污，根據參考文獻[9]，橡膠車輪與鋼板接觸的摩擦因數μ為0.5～0.8。

2.1 沿壁面下滑

爬壁機器人各輪的支持力大于0；輔助萬向輪和壁面之間為滾動摩擦，摩擦力可以忽略。為防止機器人沿壁面下滑，需要以下約束條件：

(1)

(2)

(3)

其中：Ffi為罐體壁對第i個行走輪的靜摩擦力,i=1，2；Ni為機器人第i個行走輪所受到支持力；Fp為磁吸附裝置的磁吸附力。由此得到：

Fp≥G/μ.

(4)

2.2 傾覆脫落

為防止機器人出現傾覆脫落的情況，在機器人正中央下方取點A，對點A列出力矩方程，得：

(5)

聯立式(3)、式(5)得：

Fp≥2HG/L.

(6)

2.3 機器人的安全吸附力

通過以上分析，要使機器人不會沿壁面下滑和傾覆脫落，還要考慮到安全系數。經分析比較，易發現式(6)的值小于式(4)的，故爬壁機器人所需的最小吸附力[Fp]為：

[Fp]≥K·max(G/μ).

(7)

將機器人各項參數代入式(7)中，當摩擦因數取0.5時，機器人磁吸附機構所需要的臨界吸附力最大，至少為1 530 N。

3 磁吸附裝置磁路設計及仿真分析

吸附裝置為板式磁鐵，根據結構設計要求，其安裝空間約為200 mm×200 mm，磁路結構選用的是磁能利用率較高的乙型磁路[10，11]。吸附單元之間按照一定的方式組合而成[12]，所選磁塊尺寸為：27 mm×35 mm,27 mm×70 mm，54 mm×35 mm,54 mm×70 mm。永磁體充磁方向如圖4所示。

圖4 永磁體充磁方向圖

在Ansoft軟件中，建立吸附裝置的三維模型并采用自加密網格劃分，得到其有限元模型，如圖5所示。

圖5 吸附裝置三維模型及網格劃分

對不同磁吸附力情況下的磁場狀況進行有效的仿真分析。圖6為仿真中工作距離設定為 7 mm和10 mm這兩種情況下的磁通密度分布比較。

使用Ansoft軟件對磁吸附裝置在不同工作距離下進行磁場仿真，得到磁吸附力與工作距離之間的關系如圖7所示。由圖6和圖7可知，隨著吸附裝置與壁面之間距離的不斷增大，磁場逐漸減弱，磁吸附力也逐漸減小。當吸附裝置離罐壁面的距離取為8 mm時，其磁場仿真的磁吸附力大小與理論計算臨界吸附力大小基本吻合，滿足正常工況的要求。

圖6 工作距離為7 mm和10 mm時的磁通密度分布圖

圖7 磁吸附力與工作距離之間的關系

4 結束語

在滿足結構安全可靠、輕量化及成本低的原則下，設計出了爬壁機器人的整體機械結構。建立了機器人不沿壁面下滑及傾覆脫落兩種情況下的力學模型，得到了爬壁機器人在壁面運行時的安全吸附力。對磁吸附裝置的磁路進行設計，并利用Ansoft有限元軟件對磁吸附裝置三維模型進行仿真，比較了不同壁面距離下磁通密度的分布情況，得出了吸附力與工作距離之間的關系，結果表明仿真結果與理論計算臨界吸附力大小基本吻合，滿足正常工況的要求。