玻璃鋼技術(shù)在變電站巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用研究

曹 濤，王明瑞，孫大慶，楊 墨，王 飛

（山東電力研究院 國(guó)家電網(wǎng)電力機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250000）

0 引言

變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以全自主控制方式，在無(wú)人值守變電站對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡視[1]。通過(guò)攜帶的可見(jiàn)光攝像機(jī)、遠(yuǎn)程紅外熱成像攝像機(jī)、高性能定向傳感器，完成變電站設(shè)備的遠(yuǎn)程紅外檢測(cè)、遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控、聲音檢測(cè)、移動(dòng)物體闖入偵測(cè)等[2]，并記錄相關(guān)信息，提供異常報(bào)警。操作人員只需通過(guò)后臺(tái)基站計(jì)算機(jī)收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖像等信息，即可完成變電站設(shè)備的巡檢工作。同時(shí)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的非接觸式移動(dòng)檢測(cè)與變電站綜合自動(dòng)化的接觸式監(jiān)控結(jié)合，可以真正形成全監(jiān)控方式，大大提高變電站設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性[3]。

采用變電站巡檢機(jī)器人又一優(yōu)勢(shì)，可以降低變電站環(huán)境中的惡劣氣候[4]、噪聲污染[5]、電磁輻射[6]等對(duì)巡檢工作人員造成的傷害。變電站智能巡檢機(jī)器人是代替巡檢人員對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行巡查，減少了變電站環(huán)境對(duì)工作人員的影響。同時(shí)變電站巡檢機(jī)器人自身的防護(hù)也成為重點(diǎn)研發(fā)工作，通過(guò)針對(duì)巡檢機(jī)器人虛擬樣機(jī)研究分析[7]，選取成本低，性能優(yōu)越的外殼材料，對(duì)巡檢機(jī)器人的研發(fā)工作和發(fā)展方向有著重要的意義。

1 玻璃鋼材料的應(yīng)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(qiáng)化塑料，通常指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹(shù)脂與酚醛樹(shù)脂基體。以玻璃纖維或其制品用作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱謂為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，即所謂的玻璃鋼[8]。玻璃鋼材料是20世紀(jì)材料科學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一類新材料，因其獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[9]。已經(jīng)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(wèi)浴、游艇泊船、體育用材、環(huán)衛(wèi)工程等相關(guān)十多個(gè)行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，并深受贊譽(yù)，成為材料行業(yè)中新時(shí)代商家的需求首選。

玻璃鋼復(fù)合材料已與金屬、高聚物、陶瓷并列為四大材料。其發(fā)展速度和規(guī)模、應(yīng)用范圍、對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)進(jìn)步的影響和推動(dòng)，以及其自身的科學(xué)研究深度和廣度等諸多方面來(lái)看，現(xiàn)代復(fù)合材料領(lǐng)域中所取得的成就，都超過(guò)人類歷史上曾使用過(guò)的任何材料。以至于一個(gè)國(guó)家、地區(qū)的復(fù)合材料水平，都成為衡量其科學(xué)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)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(jié)合，即玻璃纖維和合成樹(shù)脂間的結(jié)合。玻璃鋼集中了玻璃纖維同合成樹(shù)脂的特性，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕[12]、電絕緣性好，透過(guò)電磁波、隔音、減震和耐瞬時(shí)高溫?zé)g等特點(diǎn)。因此，玻璃鋼已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(shù)脂結(jié)合而成。玻璃纖維作為承擔(dān)載荷的主要材料，樹(shù)脂基體作為粘結(jié)材料，同時(shí)將玻璃纖維粘合固定，并給以保護(hù)。在應(yīng)力作用下樹(shù)脂基體可產(chǎn)生塑性移動(dòng)進(jìn)而將負(fù)荷傳遞到玻璃纖維上去。玻璃纖維的強(qiáng)度與彈性模量遠(yuǎn)高于樹(shù)脂，其他性能也有顯著區(qū)別。如表1所示。

表1 玻璃纖維與聚酯樹(shù)脂性能對(duì)比

因此，由于玻璃纖維承受的主要是由經(jīng)向拉伸負(fù)荷，同時(shí)在纖維垂直方向上基本上不能承受負(fù)荷，因而，玻璃鋼的整體強(qiáng)度隨著玻璃纖維的布向而異。因此，這種材料的整體強(qiáng)度也就具有良好的可設(shè)計(jì)性[13]，可以按相應(yīng)的分布和大小來(lái)合理安排玻璃纖維的數(shù)量、分布和方向，使材料發(fā)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(jī)械強(qiáng)度，某些方面甚至能接近普通碳鋼的水平。按強(qiáng)度計(jì)算，玻璃鋼不僅能超過(guò)普通碳鋼，而且可達(dá)到和超過(guò)某些特殊合金鋼的水平。玻璃鋼有優(yōu)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(jí)，在用相同樹(shù)脂的情況下，至少可以提高一個(gè)等級(jí)。 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(dǎo)熱系數(shù)卻比較低，只是金屬材料的1/00～1/1000。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題[16]

2.1 應(yīng)力集中[17]問(wèn)題

根據(jù)玻璃纖維材料的拉伸試驗(yàn)[18]的結(jié)果，我們可以得出玻璃鋼材料直到破壞都沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，這說(shuō)明玻璃鋼具有小小的塑性，并沒(méi)有金屬的緩和應(yīng)力作用，所以它在部件連接處附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

玻璃鋼部件有兩種方法連接，即機(jī)械連接[19]和膠接連接[20]。機(jī)械連接，主要在設(shè)備安裝、部件安裝等局部地方使用，其特點(diǎn)是裝拆方便，容易檢查，但是減少了受力面積，產(chǎn)生的應(yīng)力較為集中，降低了接點(diǎn)疲勞強(qiáng)度。膠接連接主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件與本體間連接（如風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、接口面板結(jié)構(gòu)、安裝接觸面等），設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮如何提高接縫連接的強(qiáng)度，使其達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)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(qiáng)材料和以熱固性樹(shù)脂為基體構(gòu)成的復(fù)合材料。這種材料具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕、介電性高等特點(diǎn)，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(diǎn)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(qiáng)材料和以熱塑性樹(shù)脂為基體構(gòu)成的復(fù)合材料。熱塑性玻璃鋼與熱固性玻璃鋼相比，強(qiáng)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(yīng)提高。同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮外殼承重，防止其受力形變，可以通過(guò)整體成型、增加剖面模數(shù)、增加加強(qiáng)筋和夾層結(jié)構(gòu)等方法彌補(bǔ)剛性低的缺點(diǎn)。

2.3 材料性能[22]的不穩(wěn)定性

一般材料如：陶瓷材料、高分子材料等等。它們是根據(jù)材料的物質(zhì)成分來(lái)分類和定義的。但是，玻璃鋼作為一種復(fù)合材料，定義是由兩種或兩種以上的物質(zhì)，以物理結(jié)合的方式（同時(shí)自保持其原有屬性）組成的物質(zhì)，顯然，復(fù)合材料沒(méi)有什么材料物質(zhì)成分概念。因此，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素就是玻璃鋼力學(xué)性能的不穩(wěn)定性。

3 玻璃鋼材料在巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用

3.1 玻璃鋼材料應(yīng)用

由于變電站巡檢機(jī)器人的研發(fā)，處于小批量生產(chǎn)過(guò)程，與注塑相對(duì)比，玻璃鋼材料的應(yīng)用更適合現(xiàn)巡檢機(jī)器人產(chǎn)品的生產(chǎn)。而巡檢機(jī)器人外殼上承載部分設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示，使整體無(wú)法由玻璃鋼整體加工而成。

圖1 變電站巡檢機(jī)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(jié)構(gòu)、大面積平面、大曲面采用玻璃鋼模型加工，玻璃鋼模具無(wú)法加工的小曲面、復(fù)雜結(jié)構(gòu)（左側(cè)風(fēng)扇通風(fēng)結(jié)構(gòu)、右側(cè)風(fēng)扇通風(fēng)結(jié)構(gòu)、充電門(mén)整體機(jī)構(gòu)、拾音器安裝部分整體結(jié)構(gòu)、指示燈安裝部分整體結(jié)構(gòu)等）采用其他加工方式，在通過(guò)機(jī)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(jīng)過(guò)表面處理，內(nèi)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(hù)外殼對(duì)玻璃鋼材料分析

機(jī)器人殼體樣機(jī)模型建立主要使用三維軟件UG、PROE等對(duì)各部分零件圖進(jìn)行三維模型創(chuàng)建。由于機(jī)器人本體殼體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，又同各零件之間有準(zhǔn)確的配合和定位，因此這個(gè)模型建立是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過(guò)程。

通過(guò)三維數(shù)據(jù)模型，最后將各個(gè)零件組成預(yù)先規(guī)劃好的裝配體中，按照實(shí)際的裝配過(guò)程明確各個(gè)零件間的配合關(guān)系，生成一個(gè)裝配關(guān)系明確的三維數(shù)據(jù)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，可在有限元分析軟件中使用。

在有限元分析過(guò)程中，首先根據(jù)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(shù)據(jù)庫(kù)相連接，分析軟件依據(jù)定義在零件間的約束狀態(tài)、附加在零件上的載荷，自動(dòng)為殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)設(shè)計(jì)者也可以根據(jù)實(shí)際需求，針對(duì)殼體局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。劃分網(wǎng)格之后即可運(yùn)行分析，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算分析，得到分析結(jié)果。

分析軟件可以提供一個(gè)可視化的分析界面，將應(yīng)力、應(yīng)變、位移、變形等設(shè)計(jì)檢查項(xiàng)目用圖像、圖表、動(dòng)畫(huà)方式表達(dá)。通過(guò)對(duì)殼體每個(gè)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(yīng)用是否正確。

以側(cè)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(shí)，固定安裝孔所受到一定拉力，可以轉(zhuǎn)化為固定安裝孔不動(dòng)，而殼體受到一定拉力，設(shè)定極限瞬時(shí)拉力為400N時(shí)通過(guò)軟件分析，得出了一系列相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移圖，如圖4～圖6所示。

由圖4得出單最大應(yīng)力遠(yuǎn)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(shuō)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(duì)玻璃鋼材料外殼做有限元分析，玻璃鋼材料的強(qiáng)度完全復(fù)合巡檢機(jī)器人防護(hù)外殼功能的需求。

4 結(jié)論

這幾年，玻璃鋼復(fù)合材料已經(jīng)在我國(guó)有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝日漸成熟。將玻璃鋼材料應(yīng)用于變電站巡檢機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)中，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。在產(chǎn)品研發(fā)、樣品試制過(guò)程中也為企業(yè)的決策者提供了更多的選擇空間。

圖3 算例-網(wǎng)格

圖4 算例-應(yīng)力

圖5 算例-位移

圖6 算例-應(yīng)變

表3 力學(xué)分析結(jié)果

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