海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人機(jī)體結(jié)構(gòu)的有限元分析

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摘 要：通過設(shè)計(jì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，利用有限元分析，對機(jī)器人的傳動部分、支架部分、攀爬部分進(jìn)行分析，利用有限元方法以及理論計(jì)算進(jìn)行對照，將傳動部分的齒輪、攀爬部分的滾輪、支架部分的壓緊塊進(jìn)行了有限元分析，得出結(jié)論，機(jī)體結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度較高，疲勞壽命好，振動較低，不易產(chǎn)生共振，可以很好地在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上工作，為后續(xù)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人的研究提供了有效的幫助。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電機(jī);風(fēng)機(jī)塔架攀爬機(jī)器人;有限元;靜強(qiáng)度

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0072-04

我國很多地區(qū)都是高風(fēng)能地區(qū)，除海拔高山外，海上的風(fēng)力能源更集中，更適合發(fā)展風(fēng)力資源。尤其是2015年莆田平海灣國內(nèi)海上最大海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建成，更是標(biāo)志著海上風(fēng)力能源的有效利用。但風(fēng)能的開發(fā)受到設(shè)備的影響，在風(fēng)力集中的地方，環(huán)境也十分惡劣，設(shè)備的損壞率較高，對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行會產(chǎn)生較大影響。因此為解決風(fēng)能設(shè)備的檢修問題，本文通過設(shè)計(jì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的攀爬機(jī)器人來輔助在海上復(fù)雜環(huán)境下的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片檢修工作。

配合人工海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)巡檢工作的機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)越來越成為一種趨勢。目前，對于工業(yè)機(jī)器人的研究未來將會在感覺功能、智能化控制、智能化移動人機(jī)合作、自我修復(fù)、微型化方向發(fā)展[1]。而這之中，對于在垂直面的攀爬機(jī)器人中，邵杰[2]在基于壁虎形態(tài)仿生的爬壁機(jī)器人技術(shù)研究中設(shè)計(jì)了一種仿生類的爬壁機(jī)器人，他對機(jī)器人進(jìn)行詳盡的分析，并通過實(shí)驗(yàn)證明了它的實(shí)用性;劉華濤、吳善強(qiáng)[3-4]等所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人均為吸盤式爬壁機(jī)器人，他們分別對吸盤的吸附力和能耗進(jìn)行了研究;吳善強(qiáng)、李滿天[5]等人對爬壁機(jī)器人的無線遙控進(jìn)行了分析。

對于零部件的可靠性研究，一般是利用有限元方法進(jìn)行分析，有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，通過有限元分析軟件，可以有效地對零部件進(jìn)行強(qiáng)度等多方面分析，得到其可靠性。有限元分析可以用在很多方面，廖金深、李健、王開松、張波、姚鵬華[6-10]等人對客車車身、主軸箱、汽車驅(qū)動橋殼、變速箱等多種裝置進(jìn)行了有限元分析，都得到了合理的結(jié)果。

本文將通過有限元分析對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人進(jìn)行強(qiáng)度校核，以得到機(jī)器人的使用性能，為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

1 三維模型建立與有限元模型分析

1.1 三維模型建立與有限元模型分析

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人主要有幾個(gè)部分組成，包括了機(jī)體支架部分、攀爬部分以及傳動部分，如圖1所示：

可以在圖中看到海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人機(jī)體支架主要為支撐板部分，以及后座的方管部分，方管的設(shè)計(jì)首先可以有效地降低機(jī)器人的質(zhì)量，從而降低傳動電機(jī)所需施加的力矩，使得機(jī)器人更好地向上攀爬，且可以達(dá)到小型化、輕量化的要求;而支撐板部分設(shè)計(jì)為可開合結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)帶動齒輪傳動機(jī)構(gòu)令支撐板進(jìn)行開合動作，使得機(jī)器人可以上下攀爬運(yùn)動。其次，攀爬部分主要有四個(gè)小輪及一個(gè)大輪組成，下輪安裝在支撐板上，大輪安裝在方管上，中間小輪與減速機(jī)連接，帶動整個(gè)機(jī)體進(jìn)行運(yùn)動，大輪作為輔助滑動以及機(jī)體運(yùn)動過程中的支撐部分，可以使得機(jī)體穩(wěn)定地運(yùn)動。此外，機(jī)體支架部分開設(shè)了可以安裝外設(shè)攝像機(jī)的內(nèi)嵌槽，安裝后可對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行損傷檢測。

1.2有限元模型建立分析

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架攀爬機(jī)器人在攀爬過程中，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)基座立柱部分表面較為光滑，因此，進(jìn)行有限元分析，首先，確定機(jī)器人所需進(jìn)行分析的部分。

1.2.1傳動部分

傳動結(jié)構(gòu)主要有齒輪及電機(jī)，由于傳動部分主要工作是機(jī)體支架的開合以及運(yùn)動過程中的夾緊，因此，需要對齒輪進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。齒輪部分為兩個(gè)單級齒輪的串聯(lián)傳動，減速電機(jī)輸入一個(gè)齒輪帶動另外兩個(gè)齒輪。如圖2所示，為三個(gè)齒輪的傳動方式，如表1所示，為齒輪基本參數(shù)：

根據(jù)上述分析，由于齒輪之間齒數(shù)相同，因此傳動比為1：1，且主要受力為夾緊時(shí)的受力，因此，分析一對齒輪的靜強(qiáng)度。整機(jī)質(zhì)量約為7kg，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)立柱直徑約4m，立柱摩擦系數(shù)取0.3，重力系數(shù)取10N/kg，因此可以得到齒輪受載的最大力矩為：

即齒輪輸出的力矩應(yīng)當(dāng)在462 N.m。

1.2.2支撐與滑動部分

支撐與滑動部分，主要為支撐塊以及滾輪的受力，因此，需要對這幾個(gè)零件進(jìn)行有限元的強(qiáng)度分析。滾輪在滑動的過程中，主要為大滾輪會分擔(dān)較多的軸向力。因此，根據(jù)滾輪比例確定其受力情況。上文中已經(jīng)作了分析，因此，徑向力為重力乘以摩擦系數(shù)μ：

此外，滾輪與風(fēng)機(jī)立柱表面接觸滾動過程中，會受到一定的外部激勵，因此需要對風(fēng)機(jī)爬行機(jī)器人進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析可以有效地分析機(jī)體的平順性和疲勞壽命，其目的在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)以控制機(jī)體的模態(tài)頻率和模態(tài)振型。

2 關(guān)鍵零部件有限元分析

2.1齒輪靜強(qiáng)度分析

在建立好一對嚙合齒輪的三維模型后，將其導(dǎo)入到hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。齒輪網(wǎng)格選擇六面體規(guī)則網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選擇solid185，材料取較好的齒輪滲碳鋼，接觸極限和彎曲極限分別為1070MPa與700MPa;彈性模量及泊松比分別為206000MPa及0.3。

網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行前處理工作，定義材料屬性、網(wǎng)格屬性、受力情況、約束情況、齒輪接觸面設(shè)置等，在齒輪分析中，一般固定從動齒輪的6個(gè)自由度，及主動齒輪除軸線旋轉(zhuǎn)自由度外的5個(gè)自由度，通過設(shè)置主動輪中心與輪緣的剛性連接，轉(zhuǎn)矩施加在中心處，完成前處理。

前處理完成即可輸出至ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算。如圖3-4所示，為齒輪分析的接觸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的應(yīng)力情況：

由圖可知，接觸應(yīng)力約為604MPa，彎曲應(yīng)力為159MPa。將數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值作對比，通過引用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算公式，得：

式中，各個(gè)符號分別為基本接觸應(yīng)力值，許用接觸應(yīng)力值，基本彎曲應(yīng)力值，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，彈性系數(shù)，重合度系數(shù)，接觸強(qiáng)度螺旋角系數(shù)，切向力，分度圓直徑，齒寬，傳動比，接觸應(yīng)力極限，接觸壽命系數(shù)，潤滑系數(shù)，齒面工作硬化系數(shù)，接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)，最小接觸安全系數(shù)，基本彎曲應(yīng)力值，許用彎曲應(yīng)力值，模數(shù)，應(yīng)力修正系數(shù)，彎曲強(qiáng)度螺旋角系數(shù)，彎曲極限，試驗(yàn)齒輪應(yīng)力修正系數(shù)，彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)，齒根圓角敏感系數(shù)，相對齒根表面狀況系數(shù)，彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)，最小彎曲安全系數(shù)。

具體計(jì)算后，得出結(jié)果，可知，有限元結(jié)果小于理論計(jì)算許用值，齒輪設(shè)計(jì)合理：

2.2 支撐與滑動部分的有限元分析

支撐與滑動部分主要是對滾輪以及部分支撐架進(jìn)行有限元分析，步驟同齒輪有限元分析基本相同。其中滑動部分的滾輪只需對一個(gè)大滾輪和一個(gè)小滾輪進(jìn)行分析，支撐架則對支架部分中間的壓緊塊進(jìn)行分析。

2.2.1網(wǎng)格劃分及其前處理

滾輪以及壓緊塊，均為規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)格仍然選用六面體網(wǎng)格更加合理。如圖5所示，為滾輪網(wǎng)格劃分以及約束條件、受力情況處理效果圖：

2.2.2有限元分析

前處理完成即可輸出至ANSYS進(jìn)行有限元分析計(jì)算。其他分析零部件的基本步驟與上述小滾輪操作步驟基本相同，對軸端面約束，并對滾輪與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)接觸線施加力載荷，總大小為上述軸向力F數(shù)值。其中，壓緊塊為了方便計(jì)算，將安裝孔簡化。其他不作過多描述，直接計(jì)算后得出結(jié)果，如圖6-8所示，為滾輪及壓緊塊的受力情況：

可以明顯看出各部分受力較小，最大受力一般為邊緣處，分別為29.84MPa、4.12MPa、4.68MPa，應(yīng)力均較小，滿足使用要求。

3 結(jié)論

根據(jù)上文中對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)爬行機(jī)器人的有限元分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，傳動系統(tǒng)保證了機(jī)器人可以有效地在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行爬行，將外設(shè)損傷檢測的攝像機(jī)連接上機(jī)器人，可以很好地對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)損傷進(jìn)行檢測。

（2）通過有限元分析可知，傳動部分、滑動部分以及支撐部分的關(guān)鍵零部件強(qiáng)度較高，均符合使用要求。

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