船舶除銹清洗爬壁機(jī)器人永磁式履帶研究應(yīng)用

李占鵬

摘? ? 要：船舶除銹清洗作業(yè)在海洋工程裝備制造維修中占有重要的地位。目前我國(guó)企業(yè)船舶除銹多采用人工噴砂除銹方式，不僅效率低下且污染環(huán)境，影響著海洋裝備制造業(yè)的綠色發(fā)展。如何有效開展高質(zhì)、高效、低耗、環(huán)保的船舶除銹清洗爬壁機(jī)器人作業(yè)，其永磁式履帶吸附單元是關(guān)鍵核心技術(shù)之一。本文對(duì)爬壁機(jī)器人永磁式履帶的吸附方式、磁性材料、永磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁路吸附結(jié)構(gòu)仿真進(jìn)行分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了爬壁除銹清洗機(jī)器人永磁式履帶設(shè)計(jì)應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：爬壁;機(jī)器人;船舶除銹;永磁式履帶

中圖分類號(hào)：U671.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Rust removal plays an important role in the manufacture and maintenance of marine engineering equipment. At present， the ship rust removal of Chinese enterprises mostly adopts manual sandblasting， which is not only inefficient， but also pollutes the environment and affects the green development of shipbuilding industry. The operation of the ship rust removal wall-climbing robot is effective with high quality， high efficiency， low consumption and environmental protection and one of the key technologies of the robot is the permanent magnetic track adsorption unit. In this paper， the adsorption mode， magnetic material， permanent magnet adsorption structure design and magnetic path adsorption structure simulation for the permanent magnetic track of the wall-climbing robot are analyzed and experimentally verified， the design and application scheme of the permanent magnetic track of the ship rust removal wall-climbing robot is put forward.

Key words： Wall Climbing; Robot;? Ship rust removal; Permanent magnet track

1? ? ?引言

船舶除銹清洗作業(yè)是船舶涂裝前的首要步驟[1]。由于船舶外殼板長(zhǎng)期沉浸在海水中，不可避免的會(huì)發(fā)生腐蝕。為了提高船舶的使用壽命和增加使用安全性，當(dāng)船舶外板和油漆受損到一定程度時(shí)，必須進(jìn)行除銹油漆處理。

船舶爬壁除銹清洗機(jī)器人不同于常規(guī)機(jī)器人，其特點(diǎn)為依靠吸附于船舶外表面行走，其履帶吸附結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。提高爬壁除銹清洗機(jī)器人負(fù)載能力需要增大永磁履帶上永磁吸附單元的吸附力，吸附力增大會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)橫向摩擦增大，從而使驅(qū)動(dòng)力矩要增大，而驅(qū)動(dòng)力矩增大則導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)元件體積和重量增大。因此，爬壁機(jī)器人的履帶既要考慮到吸附能力，也要考慮到磁力太強(qiáng)會(huì)影響越障性能以及驅(qū)動(dòng)力。因此，如何既能保證爬壁除銹清洗機(jī)器人永磁式履帶的吸附力，又能減少驅(qū)動(dòng)力摩擦，是一大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

2? ? 爬壁機(jī)器人吸附方式選擇

爬壁機(jī)器人常用的三種吸附方式為：真空吸附;負(fù)壓吸附;磁吸附。由于生銹比較嚴(yán)重的船舶外壁面凹凸不平，采用真空吸附或負(fù)壓吸附方式密封困難，導(dǎo)致吸附力穩(wěn)定性差，所以這兩種方式均不適用;電永磁吸附具有磁性可控的優(yōu)勢(shì)，但由于電永磁鐵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提供同樣大小的吸附力電永磁鐵的質(zhì)量要比永磁鐵的質(zhì)量大許多。

綜上所述，采用永磁吸附方式，可以為爬壁機(jī)器人提供穩(wěn)定的強(qiáng)大吸附力，并可減輕爬壁機(jī)器人自身質(zhì)量及減少布線等，是最優(yōu)的吸附方式。

3? ? ?爬壁機(jī)器人磁性材料選擇

永磁材料的選擇：（1）首先應(yīng)考慮永磁材料所提供的吸附力與其質(zhì)量的比值要盡量大，即永磁材料的磁能積要大，以減輕爬壁機(jī)器人的自身重量;（2）由于船舶除銹采用超高壓水射流除銹方式，水射流打擊船舶壁面可形成 90 ℃ 左右的高溫，故永磁材料的工作溫度要求不低于 90 ℃;（3）永磁材料的磁穩(wěn)性要好。機(jī)器人行走過程中磁鐵要與壁面產(chǎn)生撞擊且工作環(huán)境較惡劣，故磁性要能長(zhǎng)久保持。 釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，具有極高的磁能積和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，其中燒結(jié)汝鐵硼材料的各項(xiàng)性能是汝鐵硼材料中較好的，因此永磁材料選擇燒結(jié)汝鐵硼 N42H，其工作溫度可達(dá) 120 ℃。

4? ? 爬壁機(jī)器人永磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

永磁式履帶由永磁吸附單元和雙排滾子鏈條組成，如圖 1（a）所示。選用帶有彎板和安裝孔的雙排鏈條，將永磁吸附單元安裝在鏈條的彎板上;為減小漏磁并能充分利用永磁體的磁能，選用乙型磁路。乙型磁路由兩塊永磁體、軛鐵和隔磁板組成;釹鐵硼永磁材料屬于硬脆材料且易腐蝕，故永磁鐵表面要鍍鎳保護(hù)。

永磁吸附單元在爬壁機(jī)器人行走過程中不斷的吸合與脫離壁面，為避免永磁鐵因與壁面產(chǎn)生碰撞而損壞，采用鋁框與保護(hù)套封裝保護(hù)。單塊永磁吸附單元的安裝與封裝，如圖 1（b）所示。由于超高壓水射流除銹和夏天陽光照射會(huì)使壁面產(chǎn)生高溫，而且機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)永磁單元與壁面會(huì)產(chǎn)生干摩擦，故采用 2.5 mm 厚的尼龍保護(hù)套保護(hù)汝鐵硼永磁鐵。

由上所述，要提高爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力就需要增大永磁履帶上永磁吸附單元的吸附力，吸附力增大會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)橫向摩擦增大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)元件體積和重量增大。為有效的解決這種矛盾，設(shè)計(jì)了一種永磁萬向輪（見圖2），將其安裝在機(jī)器人最前端，通過增大抗傾覆力矩從而提高機(jī)器人負(fù)載能力。

5? ? 爬壁機(jī)器人永磁吸附結(jié)構(gòu)仿真分析

通過 Ansoft Maxwell 軟件仿真與磁力實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)永磁吸附機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)特性和磁力大小進(jìn)行分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化磁路中各構(gòu)件尺寸參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定吸附力大小。

永磁吸附單元采用乙型磁路，與船舶壁面間的吸附力受永磁體形狀尺寸及永磁體與壁面間的間隙影響。乙型磁路中兩塊永磁體之間通常會(huì)有隔磁黃銅，由于黃銅雖然具有一定的隔磁作用但并不能完全隔磁。

為觀察其效果，通過軟件仿真研究有隔磁銅與無隔磁銅兩種情況下的磁場(chǎng)分布與磁力大小。在 AnsoftMaxwell 軟件中針對(duì)上述兩種情況分別建立仿真模型，采用兩塊長(zhǎng)×寬×高=50×20×15 mm 的矩形汝鐵硼永磁體，在有隔磁銅的仿真模型中磁體間采用厚度為 3 mm的隔磁銅板。兩種模型均設(shè)置軛鐵厚度為 10 mm、永磁體與壁面間距離為 2.5 mm、壁面厚度為 15 mm。通過仿真得出有隔磁銅時(shí)永磁吸附單元的磁吸附力為 495.6 N，無隔磁銅時(shí)磁吸附力為 488.32 N，由此可知乙型磁路中去掉隔磁銅對(duì)磁場(chǎng)分布與磁力影響較小，所以永磁吸附單元不采用隔磁銅。

除磁路結(jié)構(gòu)對(duì)永磁吸附單元與船舶壁面間的吸附力有影響外，磁路中各組成部分的形狀尺寸以及永磁體保護(hù)套厚度都對(duì)磁吸附力有較大影響。由于兩條履帶上共有 94 塊永磁吸附單元，導(dǎo)致機(jī)器人中全部永磁吸附單元的重量占機(jī)器人本體重量的很大比例。為減輕機(jī)器人整體重量，需要在磁路和封裝形式確定的情況下為永磁吸附單元中的各構(gòu)件選擇合理的尺寸。

本文采用控制變量的方法，研究磁路中主要構(gòu)件的尺寸參數(shù)對(duì)永磁吸附單元磁吸附力的影響，并利用軟件平臺(tái)計(jì)算得出單一變量對(duì)磁吸附力的影響。

首先在軟件中建立如圖3所示的乙型磁路模型示意圖。其中，永磁體與船舶壁面間的間隙為S 0 、船舶壁面厚度為 h ;汝鐵硼永磁體為矩形，其長(zhǎng)、寬、高分別為 L 1 、 W 1 、H 1 ;軛鐵也為矩形，其長(zhǎng)、寬、高分別為 L 0 、 W 0 、 H 0，并始終保持 L 0=L 1和 W 0=W 1。

（ 1 ）單塊永磁體長(zhǎng)度L 1對(duì)單元磁吸附力的影響

令 W 1=20 mm、H 1=15mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 L 1? 與磁吸附力的關(guān)系曲線，如圖4所示。

（ 2 ）單塊永磁體寬度W 1對(duì)單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、H 1=15 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 W 1? 與磁吸附力的關(guān)系曲線，如圖5所示。

（ 3 ）單塊永磁體高度H 1對(duì)單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 H 1 與磁吸附力的關(guān)系曲線，如圖6所示。

（ 4 ）軛鐵高度H 0對(duì)單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 1=15 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 H 0? 與磁吸附力的關(guān)系曲線，如圖7所示。

綜合以上仿真結(jié)果，并分析每個(gè)因素對(duì)磁力增加的影響大小，最終獲得永磁體吸附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，如圖8所示。

6? ? 爬壁機(jī)器人永磁吸附磁力實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)以上仿真結(jié)果，最終確定爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)中各關(guān)鍵組成件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為證明仿真結(jié)果的合理性，同時(shí)為確定永磁吸附單元與永磁萬向輪的實(shí)際磁吸附力，需要進(jìn)行磁力實(shí)驗(yàn)。該磁力實(shí)驗(yàn)類似做材料拉伸實(shí)驗(yàn)，萬能材料試驗(yàn)機(jī)的上夾頭用于夾持永磁吸附單元或永磁萬向輪，下夾頭拆下，在安裝下夾頭的法蘭盤上固定材料為 Q235 的鋼板。搭建完實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖9）后，使上夾頭勻速上升，可測(cè)出位移與磁吸附力的曲線圖，此處的位移即為永磁吸附單元或永磁萬向輪與壁面的間隙。

在 Ansoft Maxwell 系統(tǒng)中，利用磁場(chǎng)瞬態(tài)仿真方法模擬該實(shí)驗(yàn)過程，軟件系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)按照實(shí)驗(yàn)實(shí)際參數(shù)設(shè)置，仿真計(jì)算得到永磁吸附單元磁吸附力與位移的關(guān)系曲線，如圖10所示。

由圖10可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，可認(rèn)為利用 Ansoft Maxwell 系統(tǒng)仿真得出的結(jié)果可信。其中，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的永磁吸附單元與壁面緊密接觸時(shí)的實(shí)際磁吸附力為 498 N;當(dāng)永磁吸附單元與壁面之間的間隙超過 4 mm 時(shí)，磁吸附力衰減為緊密貼合時(shí)的一半以下。

7? ? 結(jié)論

本研究提出了一種基于超高壓水射流技術(shù)的新型船舶除銹爬壁機(jī)器人永磁式履帶，主要研究成果包括：

（1）結(jié)合船舶除銹工藝和超高壓水射流清洗技術(shù)， 提出一種基于超高壓水射流的船舶除銹爬壁機(jī)器人裝備技術(shù)，將超高壓水射流除銹、真空系統(tǒng)抽干并排渣和爬壁機(jī)器人執(zhí)行除銹作業(yè)三者成套設(shè)計(jì)于一體。利用超高壓水射流對(duì)船體除銹，對(duì)環(huán)境污染少;采用真空抽干水分并回收銹渣，防止返銹;應(yīng)用大負(fù)載爬壁機(jī)器人來搭載除銹清洗器進(jìn)行遙控作業(yè)，操作安全可靠，實(shí)現(xiàn)船舶綠色、高效、高質(zhì)量除銹清洗;

（2）根據(jù)船舶外殼板面除銹的實(shí)際工作環(huán)境，提出一種新型永磁吸附的履帶式爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案：履帶上永磁吸附單元提供主吸附力;機(jī)器人最前端的永磁萬向輪提供輔助吸附力的新型吸附方式;

（3）通過分析永磁吸附單元的靜態(tài)受力，建立靜態(tài)穩(wěn)定的力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值仿真分析，在保證爬壁機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定前提下，永磁萬向輪的輔助吸附作用有助于減輕履帶的吸附負(fù)擔(dān)，從而減小履帶與壁面的正壓力，使轉(zhuǎn)向的摩擦阻力矩減小而使驅(qū)動(dòng)更加容易;

（4）提出永磁吸附單元與永磁萬向輪的磁路與封裝方式。采用有限元分析軟件 Ansoft Maxwell ，仿真分析得出永磁吸附單元各構(gòu)件參數(shù)中，汝鐵硼永磁體的寬度磁力影響因子最大，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化獲得永磁吸附單元的結(jié)構(gòu);

（5）采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)永磁吸附單元與永磁萬向輪進(jìn)行磁力測(cè)試，證明了仿真分析的準(zhǔn)確性;

（6）通過大量的實(shí)驗(yàn)并結(jié)合有限元仿真分析，獲得最佳優(yōu)化的爬壁機(jī)器人的永磁吸附結(jié)構(gòu)參數(shù)，大大促進(jìn)了基于超高壓水射流的船舶除銹爬壁機(jī)器人滿足船廠的實(shí)際作業(yè)需求。

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