基于圓筒攀爬車磁吸附設(shè)計(jì)的研究

孟憲宇，王笠

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春 130021）

基于圓筒攀爬車磁吸附設(shè)計(jì)的研究

孟憲宇，王笠

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春 130021）

圓筒攀爬車屬于工業(yè)爬壁機(jī)器人的一種，能夠在化工容器圓筒體的垂直壁面平穩(wěn)靈活地移動，綜合應(yīng)用了普通地面移動機(jī)器設(shè)計(jì)與吸附設(shè)計(jì)。針對圓筒攀爬車的工作環(huán)境和自身性質(zhì)選定吸附設(shè)計(jì)；在ANSYS MAXWELL14.0軟件環(huán)境下，建立對應(yīng)靜磁場仿真模型，按對應(yīng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置變量并具體定量分析了現(xiàn)有設(shè)計(jì)在與壁面保持不同距離時(shí)整體所受磁吸附力大小的變化；討論了吸附裝置兩種不同磁場布置的性能優(yōu)劣。在實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)中，檢驗(yàn)了理論分析的結(jié)果，證實(shí)了吸附裝置的運(yùn)行可靠性，并為該型磁吸附裝置的調(diào)節(jié)提供了依據(jù)。

圓筒；爬壁機(jī)器人；磁吸附；靜磁場仿真

20世紀(jì)90年代以來，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)多所著名大學(xué)、科研院所及企業(yè)相繼投入研制開發(fā)爬壁機(jī)器人。爬壁機(jī)器人（wall climbing robot）是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動化機(jī)器人。爬壁機(jī)器人又稱為壁面移動機(jī)器人，是在惡劣、危險(xiǎn)、極限等情況下進(jìn)行特定作業(yè)的一種特種自動化機(jī)械裝置；因?yàn)榇怪北诿孀鳂I(yè)超出人的極限，因此在國外又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，而常見吸附方式有負(fù)壓吸附和永磁吸附兩種。其中負(fù)壓方式可以通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；磁吸附方式則有永磁體和電磁鐵兩種方式，只適用于吸附導(dǎo)磁性壁面。

爬壁機(jī)器人主要用于石化企業(yè)對圓柱形大罐進(jìn)行探傷檢查或噴漆處理，或進(jìn)行建筑物的清潔和噴涂；在核工業(yè)中用來檢查測厚等，還可以用于消防和造船等行業(yè)的設(shè)備維護(hù)及檢查中。本文著重討論應(yīng)用于化工領(lǐng)域中圓柱形容器的履帶式永磁吸附爬壁車的磁吸附技術(shù)。

1 圓筒和磁吸附攀爬車的結(jié)構(gòu)及原理

圓筒儲罐是儲運(yùn)設(shè)備壓力容器的一種，應(yīng)用具有導(dǎo)磁特性的鋼板加工而成，一般采用普通低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼材料，經(jīng)卷制焊接并后處理形成圓筒形狀，隨后在圓筒外表面處理加工用于腐蝕防護(hù)的涂層或鍍層。其中涂層材料主要成分為有機(jī)物，鍍層材料為金屬，個別鍍層材料包含鎳元素，而鍍層的鎳元素能夠改變鋼制壁面的導(dǎo)磁特性，本文分析討論的圓筒殼體包括除外壁面采用含鎳元素鍍層外的絕大多數(shù)圓筒殼體。圓筒按殼體分類可分為厚壁圓筒和薄壁圓筒兩類，工程上一般把殼體厚度與其中面曲率半徑之比小于十分之一的歸為薄殼，反之為厚殼。在化工企業(yè)中，需要用到爬壁機(jī)器人的場合多為中大型圓筒設(shè)備，所用鋼板實(shí)際厚度多在5mm以上（或由多層鋼板復(fù)合制成總厚度大于5mm的筒壁）。

由于薄壁圓筒每單位表面積對應(yīng)的鋼板（導(dǎo)磁材料）體積較?。ㄊ沟梦窖b置所能提供的磁力較?。?，裝置達(dá)到同等吸附效果與同尺寸厚壁圓筒相比更加困難，故該工況的吸附條件典型且有代表性。本文以殼體中徑為2800mm的應(yīng)用于中型壓力容器的較小的薄壁圓筒為例，對該工況圓筒攀爬車的吸附裝置進(jìn)行分析。

攀爬車在立式圓筒儲罐壁工作時(shí)，自身重力由橡膠履帶與鋼制壁面所產(chǎn)生的靜摩擦力（該條件下的靜摩擦系數(shù)主要取決于所采用橡膠的配方和品種，本例中取橡膠與鋼板的靜摩擦系數(shù)為0.9）克服，該摩擦力大小取決于作為正壓力的磁力徑向分量（磁吸附力由吸附裝置提供）；在臥式圓筒儲罐表面工作時(shí)，攀爬車自身重力由吸附裝置所產(chǎn)生的磁力徑向分量直接克服。兩種工況中，前者對吸附裝置吸附能力要求更高，因此本文分析研究圓筒攀爬車在立式圓筒儲罐壁面的吸附情況。

本例中圓筒攀爬車采用鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予整車框架鋁合金材料，框架質(zhì)量約為5.5073kg，折合重力55.073N，橡膠履帶與鋼筒壁面摩擦系數(shù)為0.9，所需磁吸附力FM1=G/0.9=61.192N；實(shí)際應(yīng)用中將裝載步進(jìn)電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)、通訊裝置和無損（探傷）檢測裝置及其可能需要配置的幾米到幾十米長的中高壓軟管（可用于磁粉檢測或滲透檢測）或噴涂和清洗裝置及其相配套的幾米到幾十米長充滿液體的中高壓軟管，實(shí)際工況中一個完整的攀爬車的負(fù)載大于26kg折合重力254.8N，即所需額外磁吸附力FM2=G/0.9=283.1N。綜和考慮必要的安全余量，吸附裝置必須能夠提供300N及300N以上的磁吸附力。該設(shè)計(jì)的吸附力指標(biāo)定為300N。

基于圓筒壁導(dǎo)磁性質(zhì)，結(jié)合吸附力指標(biāo)、磁吸附機(jī)器人吸附功能和應(yīng)用條件特點(diǎn)，確認(rèn)采用永磁吸附設(shè)計(jì)。

圖1 攀爬車工況模型

所采用履帶式磁吸附攀爬車結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳動部分和吸附裝置構(gòu)成。攀爬車重力由其橡膠履帶與鋼材的摩擦力克服，該摩擦力最大值大小由作為正壓力的磁吸附力決定，方向沿圓筒軸向豎直向上（圖1中z軸正向）。為保證攀爬車穩(wěn)定吸附于壁面不脫落，需要確定吸附裝置的吸附能力。吸附裝置的吸附能力取決于每組吸附單元產(chǎn)生的磁吸附力大小，而磁吸附力大小與吸附單元和所附著鋼板間的間隙距離緊密相關(guān)。攀爬車模型如圖1所示圖2中每個永磁體圓環(huán)單元底面外徑20mm，內(nèi)孔直徑6mm，高10mm，倒圓角后，體積約2713立方毫米，共（4排5列）20個永磁體單元。橡膠履帶與鋼筒壁面摩擦系數(shù)取0.9。

圖2 永磁體單元

2 ANSYS MAXWELL仿真分析

2.1 設(shè)定材料幾何參數(shù)

針對該情況下需求，使用Ansys software Maxwell（version14.0），建立磁吸附模型，（從設(shè)計(jì)安全性和可靠性角度出發(fā)，本例中鋼板厚度取攀爬車其他參數(shù)一定，所受磁吸附力最弱時(shí)的最小厚度）選定圓筒壁厚為5mm，出于對圓柱形容器外表面存在的無導(dǎo)磁特性的涂層或鍍層的考慮，按實(shí)際工況保留一定設(shè)計(jì)余量，故將永磁體與鋼板間距定在0.2mm以上，因除磁體外小車主要采用鋁合金或其他無導(dǎo)磁特性制造，故忽略其他零件導(dǎo)磁性不計(jì)。

由分析可知小車永磁體組模塊前后對稱，故取2排5列（10個）永磁體單元進(jìn)行仿真，計(jì)算整體裝置一半的磁場力。并設(shè)定percentage offset為100%的靜磁場（magnetostatic）求解域模型如圖3所示，由于距離永磁體20mm以上處鋼板所受吸附力小于1%，故忽略部分鋼板體積，精簡后如圖4所示。

圖3 永磁體組初建模

圖4 最終計(jì)算模型

2.2 材料屬性設(shè)置

吸附裝置將在空氣，永磁體，吸附壁面中運(yùn)行。

2.2.1 永磁體

選定（NdFe35）燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，其性能參數(shù)如下表1所列，建模中磁體沿軸向（x軸正方向或負(fù)方向）磁化，為獲得較大磁吸附力，改進(jìn)了永磁體排列方式，使永磁體組中各個相鄰單元磁化方向反向排列。

2.2.2 空氣

空氣導(dǎo)磁率與與真空基本相同，為4π×10-7H/m，相對磁導(dǎo)率μ=1.0000004；

本例中取空氣相對磁導(dǎo)率μ=1.0，在空氣域（Region）中僅定義電場和磁場，不設(shè)置重力場或其他無關(guān)力場。

2.2.3 鋼材壁面

受實(shí)際工作表面影響，本例中被吸附鋼材取用美國ASTM A576（與GB711中10號鋼完全一致）中優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼steel1010，其B-H曲線如圖5所示。

表1 永磁體參數(shù)

圖5 Steel1010的B-H特性曲線

2.3 參數(shù)化掃描設(shè)置

圖6 鋼板所受力設(shè)置

如圖6所示，定義鋼板所受場力為Force_1（virtua）（宏觀上空氣域中無洛倫茲力），鋼板無外加電荷，設(shè)定鋼板與永磁體最小間距為0.2mm+mx（實(shí)際工況中圓筒壁面必然存在無導(dǎo)磁性涂層或鍍層，故保留0.2mm非導(dǎo)磁層余量），定義變量mx為0.1mm～1.7mm（圖6），每0.2mm一步（perlinear step）執(zhí)行第一次參數(shù)掃描。使用maxwell14.0仿真模擬出圖2中定義的空氣域（Region）內(nèi)的磁場分布，而后單擊parameter analysis令軟件根據(jù)空氣域內(nèi)的磁場分布和間距設(shè)置分別準(zhǔn)確計(jì)算出不同間距下鋼板所受空氣域內(nèi)力場（即磁場）作用力大小即Force_1；便得到圖10所示磁場力雖間距mx大小變化的曲線。

圖7 變量定義

圖8 磁化方向設(shè)定

為確定永磁體組中各個相鄰單元磁化方向反向排列是否具有更強(qiáng)磁吸附能力，重新統(tǒng)一定義所有磁體磁化方向?yàn)閤軸負(fù)方向，如圖8所示，保持變量mx不變，執(zhí)行第二次參數(shù)掃描；

重新定義變量（圖9）mx為1.7mm～3.9mm，每0.2mm一步（per linear step），執(zhí)行第三次參數(shù)化掃描分析，分別進(jìn)行磁場力計(jì)算，如圖10-12所示。

圖9 添加變量變化范圍

2.4 仿真結(jié)果分析

圖10 永磁體單元磁化方向沿軸線完全平行反向時(shí)的磁力-間距曲線

圖11 永磁體單元磁化方向一致時(shí)的磁力-間距曲線

圖12 間距變化幅度較大（0.3～3.7mm）時(shí)的磁力-間距曲線

2.4.1 間距對磁場吸附力的影響

在永磁體單元總數(shù)（20）和所行走壁面厚度（5mm）一定條件下，對吸附裝置磁吸附力隨間距參數(shù)mx變化的規(guī)律進(jìn)行了分析。

從圖10和圖11中曲線可知，磁吸附力在0.2mm～1.45mm隨距離變化顯著，由800N陡降至375N，磁力隨距離增大而迅速減小，依然大于所需吸附力值61.2N。

工作條件下，磁場力隨磁體與鋼板間距變化關(guān)系如圖12所示，在間距大于（1.25+0.2）1.45mm后，磁場力隨間距mx變化趨于平緩，大于3.7mm小于4.1mm時(shí)，磁力基本穩(wěn)定在125N，大于整車所需正壓力61.2N，能夠保證該結(jié)構(gòu)下圓筒攀爬車在壁面上穩(wěn)定吸附而不脫落。

2.4.2 永磁體磁極排列方式對磁吸附力的影響

對比圖11和圖12，可發(fā)現(xiàn)相鄰永磁體磁化方向互相平行且相反時(shí)，相較所有永磁體磁化方向統(tǒng)一情況下磁場力增大接近100N。在圖11中，可發(fā)現(xiàn)磁化方向統(tǒng)一的排列方式對應(yīng)的曲線整體向下偏移近100N，故該磁極排列方式對磁吸附能力的改善是一固定值。

2.4.3 吸附裝置校驗(yàn)

如圖10中磁力-間距曲線所示，當(dāng)吸附間距在1.75mm以內(nèi)時(shí)，吸附裝置能提供330N以上的吸附力；如圖11所示，即使永磁體單元磁化方向一致，當(dāng)吸附間距在1.35mm以內(nèi)時(shí)，吸附裝置也能提供300N以上的吸附力；該吸附裝置達(dá)到吸附力指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)合格。

3 實(shí)驗(yàn)論證

按照預(yù)先材料加工制造的由鋁合金框架、標(biāo)準(zhǔn)螺栓及螺母、橡膠制履帶、釹鐵硼磁體加工裝配而成的圓筒攀爬車吸附實(shí)例如圖13所示，圓筒壁為中型圓筒容器的局部，吸附裝置中永磁體單元磁化方向沿軸線完全平行反向，理論上對應(yīng)于圖10所示曲線；

在圖14中，可見當(dāng)僅一半永磁體組與壁面間距保持在2.5mm～3.75mm時(shí)，圓柱攀爬車穩(wěn)定吸附于鋼制圓筒而不墜落；該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有力地支持了前文仿真分析的初步結(jié)果。

圖13 圓筒攀爬車吸附試驗(yàn)

兩圖中機(jī)構(gòu)均未包含實(shí)際工況下所必需裝備的電動機(jī)、各種檢測模塊、通訊模塊和供電模塊（如通信及供電線纜）等較大質(zhì)量負(fù)載，考慮到風(fēng)載荷等安全余量影響因素；為確保圓筒攀爬車平臺實(shí)際運(yùn)行中安全可靠，質(zhì)量為27kg、57kg和73kg的重物塊被分別系于吸附裝置永磁體組對應(yīng)設(shè)置了1.7mm、0.8mm和0.3mm間距的攀爬車鋁合金框架，以校驗(yàn)仿真分析的圖表結(jié)果。

先將間距mx手動調(diào)整至1.7mm，手動分別旋合用于固定永磁體的10個螺栓連接，觀察到所有受調(diào)整螺栓上所套彈簧受力繃緊后，確定間距調(diào)整完成；隨后固定履帶和小車，加載（系上）27kg負(fù)載，觀察到車體幾乎沒有移動，證實(shí)可行。再將間距mx調(diào)整至約0.8mm，加載57kg負(fù)載，觀察結(jié)果同上。最后將間距mx調(diào)整至約0.3mm，加載73kg負(fù)載，觀察結(jié)果同上。實(shí)地實(shí)驗(yàn)的3個結(jié)果基本符合軟件計(jì)算并生成的磁力-間距曲線上對應(yīng)的3個標(biāo)志性點(diǎn)（圖10曲線上接近兩端和中點(diǎn)處）的數(shù)據(jù)，證明了前文仿真分析結(jié)果的正確性。

圖14 吸附實(shí)況（近景）

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)過程和圖14中顯示的吸附裝置結(jié)構(gòu)，顯然，在現(xiàn)有吸附裝置基礎(chǔ)上可以加裝或者改裝一個適用的伺服機(jī)構(gòu)，參考壁面弧度并按控制要求實(shí)現(xiàn)單個或局部分別旋動這些螺栓，借鑒于千分尺工作原理，通過調(diào)控螺栓連接的旋合圈數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)不同精確程度的吸附裝置（永磁體）與壁面的間距控制。從而使攀爬車：1）在更厚的圓筒壁面工作時(shí)可以參考圖9-12可以適當(dāng)提高間距；2）在不同大?。床煌霃剑煌《龋┑膱A筒表面，可以實(shí)現(xiàn)近似圓弧的永磁體單元空間排布；3）在攀爬車負(fù)載隨時(shí)間變化情況下，借助控制系統(tǒng)能夠幾乎實(shí)時(shí)改變吸附裝置的間距；以減小多余的摩擦力，進(jìn)而既能夠保證攀爬車的穩(wěn)定吸附，又能降低動力裝置的電動機(jī)耗功減小攀爬車主框架結(jié)構(gòu)上的不必要的應(yīng)力，提高圓筒攀爬車的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）運(yùn)用有限元計(jì)算軟件ANSYS MAXWELL對該車進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測了吸附裝置與圓筒無焊縫壁面間距參數(shù)變化對整車所受磁吸附力的影響，反映了工作條件下吸附裝置整體相對圓筒壁面升降時(shí)整車吸附的可靠性，為吸附裝置相對壁面高度的調(diào)節(jié)幅度提供了依據(jù)。

（2）綜合圖表結(jié)果及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該圓筒攀爬車除本體外，正常吸附狀態(tài)下還可以承載質(zhì)量小于73kg的負(fù)載重物。

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Research on Magnetic Adsorption Design of Wall Climbing Robot for Cylinders

MENG Xianyu，WANG Li
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The wall-climbing vehicle for cylinders is a kind of wall-climbing robots that are enable to move neatly and steadily on vertical wall of a chemical cylindrical vessel according to the theories of magnetic design and mechanical design.Referring to the working environment and the adsorption device of wall climbing vehicle for cylinders，a numerical model was established to adapt its magnetostatic field simulation in software.The variations of the force with different parameters on distance，which between the device and the wall，was assigned and analyzed quantificational by using Ansys maxwell14.0.An actual experiment was completed to verify the analysis.This passage demonstrated that the magnetic absorption is reliable and provided an adjustment reference to the adsorption device.

cylinders；wall climbing robot；magnetic adsorption；magnetostatic field simulation

TH164

A

1672-9870（2016）06-0031-05

2016-09-23

孟憲宇（1980-），男，碩士，講師，E-mail：mengxianyu@cust.edu.cn