風電塔筒爬壁機器人結構設計與分析**

錢 程，楊 振，時德偉

(1.大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034； 2.天津大學 機械工程學院，天津 300354)

0 引 言

近年來，我國風力發電行業發展迅速，風機數量增長態勢明顯[1]。在風電迅猛發展的同時, 風力機高額的運行維護成本對風場經濟效益的影響也不容忽視[2]。我國風力資源情況較差，風沙較多，風電設備受到嚴重侵蝕，這對風機的維護保養提出了更高的要求。傳統方法一般采用人工清洗方式，其勞動強度大、危險系數高、工作效率低，若采用機器人作業可大大提高工作效率、增強安全性和可靠性[3]。因此，筆者針對風電塔筒的檢測維護需求，通過開展功能分析和方案對比，設計出一種適用于風電塔筒的爬壁機器人，對風電產業的設備檢測與維護工作的智能化發展具有一定推動意義。

1 風電塔筒爬壁機器人主體設計

1.1 工作環境與需求分析

錐形圓柱塔架是目前風電行業中使用最多的風電塔筒結構，塔筒高達70～80 m，塔身以鋼板卷制而成，多段塔筒采用焊接技術或者鋼制法蘭盤配合螺栓進行連接[4]。塔筒表面為錐形曲面，且曲率半徑變化很大，如圖1所示。

圖1 錐形圓柱塔架結構圖

針對風電塔筒的爬壁機器人要求吸附可靠、爬行靈活，具有一定的跨越障礙能力，要求其至少能夠跨越高度為 10 mm 的焊縫，能夠適應曲率范圍為直徑2～4.5 m的塔筒外表面。為保證爬行靈活，減小能源消耗，機器人重量最高不超過20 kg，同時負載能力應大于20 kg，為后續搭載檢測設備和維護設備奠定基礎。

1.2 機器人結構方案

吸附穩定和靈活移動是爬壁機器人的核心技術要求，通過查閱國內外現有的爬壁機器人結構方案[3，5-8]，對比不同吸附方式和移動方式的特點，整理如表1、2所列。

表1 爬壁機器人吸附方式的分類

表2 爬壁機器人移動方式的分類

分析各種吸附和移動方式的優缺點發現，用于風電塔筒的爬壁機器人吸附方案可選擇真空吸附、永磁吸附和電磁吸附，行走方案可選擇輪式、履帶式和腳足式。

從機器人工作安全性和可靠性角度考慮，由于風電塔筒各個塔節之間存在焊縫，且風電塔筒長期處于野外環境，受風沙作用影響，其表面容易銹蝕，壁面真空吸附效果相對較差。從節能環保和經濟性角度考慮，電磁吸附方案雖然可以調節磁力的大小，但需要消耗大量電能，不符合當今社會對于節能減排的要求。相比而言，永磁吸附方案能耗低，使用時間長，經濟性更好。因此，吸附方案選擇永磁吸附。

從機器人負載能力考慮，輪式和足式行走方案與壁面的接觸面積小，履帶式方案與壁面的接觸面積大，擁有更強的吸附力，故而負載能力更強，同時重心低、穩定性更好[9]。從機器人工作平穩性角度考慮，風電塔筒壁面不夠平整，所選方案需具備較強越障能力。三種方案都具有一定的越障能力，但輪式和足式行走方案吸附力較小，且機械足在移動過程中重心難以保持穩定，這兩種方案的穩定性較差。同時，輪式和履帶式機械結構及控制系統簡單，足式結構則相對復雜。因此，行走方案選擇履帶式結構。

根據上述分析討論確定爬壁機器人總體結構布局。其中，磁吸附結構布置在履帶體內部，履帶式行走結構分列兩側，結構完全對稱，通過兩自由度懸架結構安裝在連接梁上。連接梁上安裝有存儲倉，用于容納相關控制元件，同時可作為基座搭載檢測維護裝置。總體結構設計如圖2所示。

圖2 爬壁機器人總體結構圖1.驅動結構 2.吸附結構 3.行走結構 4.存儲倉 5.懸架結構 6.連接梁

1.3 關鍵零部件結構設計

1.3.1 行走機構設計

采用同步帶輪搭配定制皮帶，使用內外兩側的兩塊履帶板作為支撐和連接，共同組成行走機構。為便于介紹內部結構，將外側履帶板隱藏，如圖3所示。其中主動輪與限位板固定連接，成對安裝在主動軸上，并通過電機進行驅動。同步帶兩側邊緣具有圓弧齒，與同步帶輪配合；限位板直徑略大于帶輪齒頂圓直徑，緊靠在同步帶齒側，對其進行限位，防止爬壁機器人轉向或震動而導致皮帶脫離。兩側履帶板皆有通孔，用于安裝吸附結構，兩塊履帶板的區別在于內側履帶板額外預留了軸承孔位，與懸架結構相連接。從動輪結構與主動輪相近。

圖3 內部結構圖1.主動輪 2.限位板 3.皮帶 4.內側履帶板 5.從動輪

1.3.2 吸附機構設計

吸附機構由磁鐵保持架、滾輪、磁鐵、軸和連接塊組成，如圖4所示。

圖4 吸附結構1.保持架 2.滾輪 3.磁鐵 4.軸 5.連接塊

由于磁鐵與壁面直接接觸會產生較大的磨損和阻力，所以將磁鐵和吸附機構布置在履帶體內部，每側履帶體內安裝兩組吸附機構，整部機器人安裝四組，采用多點吸附，受力均勻，穩定性較好，裝置整體由一根階梯軸支撐在兩側的履帶板上，其對兩塊履帶板的連接也起到了加固作用，使得行走機構剛性提高。保持架通過連接塊與階梯軸相連，可以繞軸轉動，同時也作為軛鐵，與安裝在其下方的永磁鐵形成磁路。保持架邊緣安裝有4只小型圓弧齒滾輪，與行走機構的皮帶相配合，將皮帶壓緊在風電塔筒表面。同時，當爬壁機器人通過焊縫等障礙時，前端滾輪被墊高，保持架整體繞軸產生旋轉，后端滾輪將皮帶壓緊在壁面上，防止皮帶與壁面接觸面積過小，從而提高爬壁機器人吸附穩定性。

1.3.3 懸架機構設計

為保證爬壁機器人在任何高度、任何角度時履帶始終與壁面緊密接觸，懸架機構應具備兩個方向的自由度，保證行走機構可以繞擺桿和銷軸分別產生旋轉，如圖5所示。

圖5 懸架結構圖1.連接板 2.支撐座 3.連接梁 4.擺桿 5.銷軸 6.軸承端蓋 7.履帶內側板 8.輔助支撐

懸架機構主要由連接板、支撐座、擺桿、銷軸和輔助支撐組成，支撐座通過連接板與連接梁固接，其上裝有一根銷軸，擺桿套在銷軸中部，可以繞銷軸轉動。擺桿另一端與履帶內側板之間裝有軸承，使用軸承端蓋加以密封固定，履帶內側板可以繞擺桿轉動，保證履帶靈活貼附在壁面上。同時連接板兩側裝有輔助支撐，當塔筒直徑較小，機器人過于貼近壁面時，小滾輪可以撐住壁面，防止連接梁與壁面發生剮蹭。

2 機器人運動學分析

2.1 失效形式分析

壁面上的爬壁機器人靜止不動的受力如圖6所示，受重力G、履帶和壁面間的吸附力Fi、壁面對履帶的支持力Ni，以及履帶和壁面之間的摩擦力Ff。機器人的工作姿態有三種失效形式：吸附力不足導致機器人翻轉并脫離壁面、摩擦力不足導致機器人豎直下滑、動力不足導致機器人豎直下滾[10]。

圖6 機器人受力分析圖

(1) 繞A點翻轉

塔筒外壁可近似看作豎直壁面，由機器人在垂直于壁面的方向上受力平衡可得：

(1)

若爬壁機器人繞A點翻轉，則履帶上端處于吸附狀態的第一個永磁吸附單元將首先脫離壁面，對A點取矩，有：

(2)

式中：L為第一個吸附單元到A點的距離；H為整機的重心到壁面的距離。

當首個吸附模塊居于臨界狀態即馬上發生脫離時，應有N1=0。單個磁鐵吸附力應滿足條件：

(3)

(2) 沿壁面下滑

為使機器人靜止于塔筒壁面上，機器人與塔筒壁面之間的靜摩擦力應大于其沿壁面方向上所受的外力之和，即應滿足條件：

(4)

式中：μ為履帶與塔筒壁面間的靜摩擦系數。

(3) 沿壁面下滾

N1與F1的合力矩克服重力矩GH的作用，同時驅動裝置的制動力矩MD和阻力矩Md要能夠阻止履帶沿壁面下滾。應滿足條件：

(5)

2.2 運動狀態分析

為使機器人沿壁面勻速向上爬行，電機的驅動力矩M應克服重力矩作用：

(6)

電機輸出轉速后要經過減速機減速，則電機的輸出轉矩M1應滿足：

M1·i·η≥M

(7)

式中：i為減速比，取i為14。

根據技術要求，機器人最大自重20 kg，當搭載檢測或維護裝置時，取最大總負載Fmax=200 N，最高爬行速度vmax=20 m/min，則機器人的有效功率P有為：

(8)

傳動系統的總效率為：

(9)

式中：η錐為齒輪傳動的效率；η帶為同步帶傳動的效率；η滾為滾動軸承傳動的效率；η行為行星齒輪傳動的效率。

取η錐=0.97；η帶=0.98；η滾=0.99；η行=0.95。則電機功率為：

(10)

考慮到轉彎所需扭矩較大，式中KS為安全系數，取KS=0.4。

為使塔身機器人沿壁面勻速向上爬行，電機的驅動力矩M應克服重力矩G作用，因而有：

(11)

式中：H為整機的重心到壁面的距離，取H=60 mm。

綜上，機器人所需動力較為合理，裝置整體具有可行性。

3 機器人結構性能分析

3.1 磁鐵性能分析

3.1.1 磁鐵參數初選

綜合考慮剩余磁感應強度、矯頑力、最大磁能積三個參數來衡量永磁材料的性能，文中選取的永磁材料為釹鐵硼N35，其性能參數見表3。

表3 釹鐵硼N35的性能參數

依據經驗公式，當釹鐵硼磁鐵緊密吸附導磁材料時，釹鐵硼磁鐵所能產生的磁力是自身質量的500倍。即：

F吸=ρ×V×500

(12)

式中：ρ為磁鐵密度，取ρ=7.5 g/cm3；V為磁鐵體積。

在機器人吸附機構中，磁鐵布置在履帶體內部，與風電塔筒的金屬壁面不能緊密貼合，所需磁力較直接接觸工況下更大。同時，機器人由靜止狀態起步時需要克服靜摩擦力，對吸附力提出了更大要求。綜合上述問題，初選磁鐵尺寸40 mm×40 mm×15 mm。

3.1.2 磁鐵參數對磁力的影響

磁鐵的結構尺寸直接決定了所能產生的磁力大小，為保證機器人在壁面上吸附穩定可靠，選用的磁鐵必須提供足夠大的吸附力。同時，在滿足磁力要求的前提下，應當盡可能減小磁鐵的尺寸，降低自重提高負載能力。因此，有必要深入探討磁鐵的幾何參數對磁力的影響[11]。

進行基于Ansoft Maxwell的磁力仿真，分析磁鐵幾何參數和整體磁力的關系。將磁鐵長方體正對金屬壁面的矩形的邊長分別定義為長度和寬度，磁鐵長方體垂直于金屬壁面的棱長定義為高度。如圖7所示，在高度固定的情況下，隨著磁鐵的長度(寬度)增大，磁力逐漸增加，但增加的趨勢越來越緩；在長度(寬度)固定的情況下，隨著磁鐵的高度增大，磁力逐漸增加，且增加的趨勢逐漸變大。通過仿真分析，在設計磁鐵的結構尺寸時，應當選取較高的磁鐵高度，磁鐵的長度(寬度)則應當加以限制。

圖7 磁鐵的長度(寬度)和高度對磁力的影響

所設計的爬壁機器人吸附機構安裝在履帶體內部，磁鐵和風電塔筒壁面存在一定的間隙，有必要分析磁鐵與鋼板之間的距離對磁力產生的影響。磁力仿真結果如圖8所示，橫坐標取磁鐵長方體正對金屬壁面的一側到壁面之間的距離，磁鐵與鋼板的距離越大，有效磁力越小，因此履帶厚度不宜過大。

圖8 磁鐵與鋼板之間的距離對磁力的影響

3.1.3 磁力仿真

由 Maxwell 張力法可知，作用在壁面上的磁吸附力為：

(13)

式中：T為張力張量；S為吸附裝置及壁面所組成的封閉空氣包；n為面積ds的外法線方向單位矢量；B為閉合面S上的磁感應強度；μ為空氣的相對磁導率。

通過以上分析比較，選定磁鐵尺寸長寬高為50 mm×40 mm×20 mm，機器人磁鐵與壁面間距為10 mm, 由Maxwell求解磁力，得到單塊磁鐵可提供磁力為124.76 N，滿足所需。

3.2 關鍵零件有限元分析

機器人轉彎時，中軸、銷軸及履帶側板受力最大，利用Ansys Workbench軟件進行應變與應力分析，完成這些零件的校核。

3.2.1 中軸有限元分析

對中軸左端面施加固定約束，取極限情況，中軸右側受力178.36 N，彎矩26.75 N·m，模擬應力、應變情況如圖9、10所示。

圖9 中軸應力分析圖 圖10 中軸應變分析圖

中軸變形量最大為0.039 mm，型變量與壁厚的比值k為：

(14)

綜上，中軸的尺寸參數滿足要求。

3.2.2 銷軸有限元分析

對銷軸中間施加固定約束，取極限情況，銷軸端側受力178.36 N，彎矩17.84 N·m，模擬應力、應變情況如圖11、12所示。

圖11 銷軸應力分析圖響 圖12 銷軸應變分析圖

銷軸最大變形量為6.54×10-5mm，綜上，銷軸尺寸參數滿足要求。

3.2.3 履帶側板有限元分析

對履帶側板施加固定約束，取極限情況，履帶側板受力178.36 N，彎矩10.26 N·m，模擬應力、應變情況如圖13、14所示。

圖13 履帶側板應力分析圖

圖14 履帶側板應變分析圖

履帶側板最大變形量為0.011 mm，型變量與壁厚的比值k為：

(15)

綜上，履帶側板的尺寸參數滿足要求。

4 結 語

隨著工業機器人技術的發展，用于風電檢測維護的機器人技術將越來越成熟，目前常見的風電檢測機器人主要有塔筒檢測機器人、葉片檢測機器人、風電場巡檢機器人等。文中基于風電塔筒實際結構和工作要求，提出一種新型爬壁機器人結構，其運動靈活，吸附穩定，具有較好的越障能力和較高的負載能力。同時，通過運動分析、磁場仿真和關鍵零件應力應變有限元分析驗證了機器人結構設計的可行性。該新型爬壁機器人可以攜帶各種檢測維護儀器，實現對風電機組關鍵部件的早期損傷檢測及維護保養，實現了對陸上風電機組某些不易到達部位的檢測，也可以代替巡檢人員完成對設備的檢測和數據收集，大大提高檢測效率，降低人員勞動強度，新型爬壁機器人將成為保證風電安全運行的重要工具，應用前景廣闊。