磁粉探傷爬壁機器人設計與研究

王吉岱，王晨宇，孫愛芹，王智偉，盧坤媛

(1.山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590;2.青島黃海學院智能制造學院，山東青島 266427)

0 前言

石油天然氣等行業對鋼制管道有很高的需求量，鋼制管道由于惡劣的工作條件，表面易出現銹蝕、斷裂、疲勞裂紋等現象，從而嚴重影響所儲物資的安全性能，導致事故發生率增加。其檢測維護主要依靠人工手持相應的設備，存在效率低、成本高和安全隱患大等問題。磁粉探傷爬壁機器人是能夠取代人工的一種非常有效的檢測方式。目前，用于鋼鐵壁面檢測的爬壁機器人多為永磁吸附式,其結構簡單、運動靈活，在工業各領域都具有廣泛用途。

采用交叉磁軛技術可實現較高的檢測速度，提高檢測效率。本文作者設計一種新型磁粉檢測永磁輪爬壁機器人，該機器人攜帶交叉磁軛，可代替人工對鋼制管道壁面進行探傷。該機器人可跨3 mm焊縫，在運行過程中磁極始終與壁面保持0.5 mm間隙，保證檢測效果且不損傷檢測壁面。

1 磁粉探傷原理及機器人機械結構設計

1.1 磁粉探傷原理

磁粉探傷時先將磁粉液噴灑到待檢工件，探傷磁軛磁化工件后若其表面存在缺陷，磁粉液會因漏磁場作用聚集成磁痕，放大缺陷。工件上的磁感線總數目一定，磁感線優先通過磁導率高的位置，由于同性磁極相互排斥，部分磁感線從缺陷下方繞過壓縮磁感線，另一部分磁感線依照折射定律跨過缺陷又貫穿工件形成漏磁場。工件的焊縫位置最易出現缺陷，機器人攜帶交叉磁軛進行探傷時，交叉磁軛提升力為177 N滿足探傷要求，操作如圖1所示。

圖1 交叉磁軛操作示意

1.2 機械結構設計

圖2所示為機器人整體裝配圖，機器人長300 mm、寬300 mm、高200 mm，主要包括兩側把手、電池控制箱、橫梁、交叉磁軛、直流電機以及永磁輪吸附機構。機器人探傷的速度為4 m/min，轉向方式為差速。

圖2 整體裝配圖

圖3所示為機器人永磁輪自適應裝置，機器人在一定曲率壁面工作時，4個永磁輪必須充分與壁面接觸才能安全吸附。法蘭套安裝在機器人橫梁上，彈簧最大壓縮量為10 mm，其下端與輪架連接，輪架上端方形凸臺可以穿過橫梁上與之配合的方形通孔，整體帶動電機、輪架、永磁輪上下浮動。可通過旋轉法蘭套上的螺栓調節彈簧壓縮量。

圖3 行走輪自適應裝置

圖4所示為機器人跨越焊縫原理圖，交叉磁軛共有4個磁極，每個磁極都安裝4個小的從動行走輪，使得每個磁極與壁面有0.5 mm間隙，保證不損壞檢測壁面。交叉磁軛可沿導柱上下滑動，其下表面有彈簧支撐，使得磁極與壁面有3 mm間隙。交叉磁軛通電會產生177 N的吸附力，其自身質量為3.5 kg，吸附力會克服彈簧彈力使磁極與壁面靠攏。斷電后磁極失磁被彈簧彈起，機器人攜帶交叉磁軛越障。

圖4 跨越焊縫原理

2 靜力學分析

本文作者所研究的爬壁機器人的工作空間為大型鋼制管道壁面，機器人體積相對較小，機器人本體4個永磁輪能與鋼制壁面充分接觸。為研究方便，將機器人工作壁面假設為平面。為確保機器人在工作壁面上穩定吸附與可靠工作，對機器人沿豎直壁面下滑、沿水平壁面傾覆兩種危險情況進行分析。

將機器人的幾何中心設定為質點，如圖5所示，前后輪之間的距離為240 mm，每個永磁輪吸附力大小相等為，支持力為(=1,2,3,4)，機器人重力預估為200 N。機器人沿豎直壁面吸附時，若不下滑，其吸附力應該滿足式(1)：

圖5 機器人受力分析

(1)

機器人沿水平壁面吸附時，若不繞點傾覆，其吸附力應該滿足式(2):

(2)

永磁輪與壁面之間的靜摩擦因數為0.2，由式(1)(2)可得，單個磁輪吸附力至少為250 N。

3 永磁輪設計優化

機器人吸附方式采用普通永磁輪吸附方式，吸附力完全由4個永磁輪提供，符合麥克斯韋張量。其結構具有對稱性，主要由前、后軛鐵，圓形釹鐵硼永磁鐵組成。永磁輪吸附如圖6所示。

圖6 永磁輪吸附示意

永磁輪軛鐵與壁面接觸，在永磁鐵形狀尺寸都確定的情況下，影響吸附力的因素主要有兩側導磁軛鐵厚度、軛鐵半徑以及導磁壁面厚度。其中，導磁壁面厚度為影響吸附力的外部因素，兩側導磁軛鐵厚度、導磁軛鐵半徑為影響磁吸附單元吸附力的內部因素。永磁輪采用的永磁鐵尺寸為直徑40 mm、厚度10 mm，導磁壁面的厚度為10 mm。永磁輪優化主要涉及導磁軛鐵厚度、導磁軛鐵半徑，取值范圍如式(3)所示:

(3)

為減少磁損進行優化，增大磁能利用率，在滿足最小吸附力時，使較小尺寸的磁輪吸附效率盡量高。定義式(4)：

(4)

式中:為間隙式磁吸附單元實際磁吸力;為單個磁輪所需最小吸附力,取250 N;為磁輪自重。優化的目標即為求取。圓柱形永磁鐵尺寸形狀是確定的，故其重力可利用密度與體積求出，計算公式為

=

(5)

同理，軛鐵重力計算公式為

=

(6)

永磁輪重力為

=+

(7)

其中:重力加速度為10 m/s;為永磁鐵的密度,取7.4×10kg/mm;為軛鐵的密度，取7.85×10kg/mm。

綜上，得到最終的優化模型:

(8)

在Ansoft Maxwell中建立以上優化模型，選擇它提供的連續非線性規劃(SNPL)算法，用響應面法逼近有限元響應特性，設置其最大迭代次數為500次。在迭代了101次之后，完成收斂，此時兩側導磁軛鐵厚度為6 mm，導磁軛鐵半徑為20 mm，磁吸附力為348.27 N，優化目標此時取得最大值46，其磁場仿真結果如圖7所示。此時最大磁感應強度主要集中工作間隙內，損失的磁能最少，吸附模型最大磁感應強度為2.070 4 T，導磁壁面最大磁感應強度為2.073 4 T。

圖7 永磁輪磁場分布及壁面磁感應強度云圖

圖8所示為軛鐵厚度為6 mm時，磁吸附力隨軛鐵半徑增大的變化曲線。可知：吸附力隨導磁軛鐵半徑的增大不斷減小，即有更多的磁力線先通過空氣后再進入壁面。

圖8 h1=6 mm時磁吸附力隨導磁軛鐵的半徑變化曲線 圖9 R=20 mm時磁吸附力隨導磁軛鐵的厚度變化曲線

圖9所示為導磁軛鐵的半徑為20 mm時，磁吸附力隨軛鐵厚度增大時的變化曲線。可知：磁吸附力隨軛鐵厚度的增大而增大，即有更多的磁力線直接通過永磁輪與壁面。

4 機器人樣機驗證

將設計好的各部件進行加工組裝，將機器人吸附在壁面上，用拉力測力計連接機器人重心，豎直向上拉動直至機器人脫離壁面，測得機器人吸附力。用拉力測力計水平拉動機器人,測得機器人摩擦力的大小。多次測量取其平均值，結果如表1所示。

表1 磁吸附力與摩擦力實驗數據

由表1可知:機器人最大吸附力為1 197 N，最小為1 176 N，平均值為1 188.125 N，單個永磁輪吸附力為297.03 N，低于仿真數值。這是由于機器人永磁輪在設計過程中為方便安裝在軛鐵上開有通孔，截斷了一部分磁感線。設計的爬壁機器人質量為20 kg，磁輪吸附力可以滿足吸附要求。圖10所示為機器人在豎直以及水平壁面運動圖，交叉磁軛通電時壓縮彈簧磁極的行走輪能夠與壁面接觸使磁極與壁面之間有0.5 mm間隙。機器人運動平穩無劇烈振動，驗證了設計的合理性。

圖10 機器人運動

5 結論

針對目前鋼制管道壁面的檢測維護主要依靠人力的情況，設計出磁粉檢測輪式爬壁機器人。分析影響永磁輪吸附力的因素，在永磁鐵尺寸一定的情況下進行尺寸優化，得到導磁軛鐵厚度為6 mm、導磁軛鐵半徑為20 mm為較優尺寸。在軛鐵厚度不變時分析了導磁軛鐵半徑對吸附力的影響，可知吸附力隨導磁軛鐵半徑的增大不斷減小，即有更多的磁力線先通過空氣后再進入壁面。在導磁軛鐵的半徑不變時分析了軛鐵厚度對吸附力的影響，可知磁吸附力隨軛鐵厚度的增大而增大，即有更多的磁力線直接通過永磁輪與壁面。所設計的機器人具有足夠的吸附力，運行平穩無劇烈振動，能夠完成探傷任務，具有較好的應用前景。