船舶除漆爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置的分析

□ 安 磊 □ 張春光 □ 褚 帥 □ 楊煜兵□ 張俊峰 □ 李上青 □ 劉佳慧 □ 劉嘉瑞

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 沈陽 110043

1 分析背景

為了延長船舶的使用壽命,需要定期對(duì)船舶進(jìn)行維修,除漆是船舶維修過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。國內(nèi)各大修船企業(yè)普遍采用的除漆方法是人工干噴砂除漆,存在污染嚴(yán)重、高空作業(yè)危險(xiǎn)、塵肺病危及健康、勞動(dòng)強(qiáng)度大等弊端[1]。為了消除人工干噴砂的各種弊端,設(shè)計(jì)了船舶除漆爬壁機(jī)器人。船舶除漆爬壁機(jī)器人按照不同的行走方式可以分為履帶式、輪式、步行式,按照不同的吸附方式可以分為真空吸附式、磁吸附式、推力吸附式[2-5]。筆者分析的船舶除漆爬壁機(jī)器人采用輪式行走方案,永磁體與船舶鋼板壁面間產(chǎn)生磁力,使船舶除漆爬壁機(jī)器人吸附在船體表面上,通過高壓往復(fù)泵機(jī)組獲得高壓水進(jìn)行除漆作業(yè)。

永磁吸附裝置是船舶除漆爬壁機(jī)器人的重要子系統(tǒng),需要兼顧船舶除漆爬壁機(jī)器人的可靠吸附和靈活運(yùn)動(dòng),安裝在行走部減速機(jī)安裝板下方,與船舶鋼板壁面間具有一定的氣隙。筆者對(duì)船舶除漆爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置進(jìn)行磁場(chǎng)分析,得出磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、吸附力的分布規(guī)律,以及在不同氣隙和船舶鋼板厚度下的吸附力變化規(guī)律。

2 永磁吸附裝置結(jié)構(gòu)

筆者根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)船舶除漆爬壁機(jī)器人進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),如圖1所示。

▲圖1 船舶除漆爬壁機(jī)器人

船舶除漆爬壁機(jī)器人的行走部如圖2所示。船舶除漆爬壁機(jī)器人在左右兩側(cè)各有一個(gè)行走部,每個(gè)行走部有兩個(gè)輪胎,置于行走部兩側(cè),在兩個(gè)輪胎間有一條皮帶起防護(hù)作用。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)和減速機(jī),安裝在兩個(gè)輪胎間。永磁吸附裝置安裝在減速機(jī)安裝板下方。

船舶除漆爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置如圖3所示。永磁吸附裝置由永磁體、鋁合金板等組成。永磁體有五塊,通過螺釘安裝在鋁合金板上。鋁合金板通過螺釘安裝在減速機(jī)下方。永磁體與船舶鋼板壁面間有一定的氣隙,船舶除漆爬壁機(jī)器人通過永磁體與鋼板壁面的吸附力吸附于船舶表面。

▲圖2 船舶除漆爬壁機(jī)器人行走部▲圖3 船舶除漆爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置

3 磁場(chǎng)理論分析

電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組,永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)為靜態(tài)磁場(chǎng),計(jì)算同樣需要滿足電磁場(chǎng)基本理論。另外,在磁場(chǎng)理論分析中還需要引入本構(gòu)方程和邊界條件[6-8]。

磁路高斯定理為:

(1)

安培環(huán)路定理為:

(2)

本構(gòu)方程為:

B=μH

(3)

式中:▽為哈密頓算子;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;J為電流密度;μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率。

引入矢量磁位A,令:

B=×A

(4)

根據(jù)庫倫規(guī)范,可知:

(5)

根據(jù)式(2)～式(5),可得:

(6)

在直角坐標(biāo)系中展開,得到:

(7)

(8)

(9)

由式(4)可得:

(10)

(11)

(12)

式中:Hx、Hy、Hz依次為磁場(chǎng)強(qiáng)度在X軸、Y軸、Z軸方向上的分量;Bx、By、Bz依次為磁感應(yīng)強(qiáng)度在X軸、Y軸、Z軸方向上的分量;Jx、Jy、Jz依次為電流密度在X軸、Y軸、Z軸方向上的分量。

根據(jù)麥克斯韋張力法,作用在磁體上的吸附力F可用張力張量T的面積分計(jì)算:

(13)

式中:S為包含永磁體的閉合面;n為面積dS的外法線方向單位矢量;μ0為空氣磁導(dǎo)率。

以上為永磁體磁場(chǎng)的理論分析方程,但是在工程實(shí)踐中較難得到問題的解析解,對(duì)此通常采用有限元法等數(shù)值解法得到數(shù)值解。

4 有限元分析

靜態(tài)磁場(chǎng)有限元分析有二維平面分析和三維實(shí)體分析兩種方法,三維實(shí)體分析雖然運(yùn)算速度較慢,但是應(yīng)用范圍廣,結(jié)果更接近真實(shí)情況,因此筆者采用三維實(shí)體分析方法。由式(13)可知,永磁體外需要一個(gè)閉合面,因此建立包含永磁吸附裝置和船舶鋼板的空氣域,空氣域的體積需要達(dá)到永磁體體積的3倍以上,如圖4所示。

▲圖4 空氣域

永磁吸附裝置磁場(chǎng)有限元分析中涉及的材料主要有永磁體、鋁合金板、船舶鋼板和空氣,如圖5所示。

▲圖5 永磁吸附裝置磁場(chǎng)有限元分析涉及材料

永磁體采用N35稀土系永磁材料釹鐵硼[9],外形為扇形,內(nèi)外半徑分別為105 mm和150 mm,夾角為15°,極化方向沿永磁體厚度方向,且相鄰永磁體極化方向相反。永磁體主要性能參數(shù)見表1[10]。

表1 永磁體主要性能參數(shù)

鋁合金板上除安裝永磁體外,還可以起隔磁作用。鋁合金板相對(duì)磁導(dǎo)率為1。船舶鋼板處于不飽和工作狀態(tài),相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為3 000,空氣相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為1。

永磁體布置受到空間結(jié)構(gòu)限制,因此主要對(duì)不同氣隙和不同船舶鋼板厚度下的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。由于行走部中的皮帶處于永磁體和船舶鋼板之間,因此氣隙最小值在5～16 mm之間,每隔1 mm進(jìn)行仿真。船舶鋼板厚度取10 mm、30 mm,對(duì)兩種船舶鋼板厚度下的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。

船舶鋼板厚度為30 mm,氣隙為16 mm時(shí),永磁吸附裝置永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、吸附力分布云圖如圖6所示。由圖6可知,磁場(chǎng)的磁力線主要分布在瓦形永磁體的徑向方向,在寬度方向和周向方向磁力線較少,鋁合金板上方磁力線較多,但數(shù)值很小,吸附力的最大值位于永磁體和船舶鋼板間的氣隙處。

船舶鋼板厚度為30 mm和10 mm時(shí)永磁吸附裝置吸附力與氣隙關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知,永磁吸附裝置吸附力隨著永磁體和船舶鋼板間氣隙的減小而單調(diào)增大。船舶鋼板厚度為30 mm時(shí),氣隙5 mm對(duì)應(yīng)吸附力為氣隙16 mm對(duì)應(yīng)吸附力的3.02倍。船舶鋼板厚度為10 mm時(shí),氣隙5 mm對(duì)應(yīng)吸附力為氣隙16 mm對(duì)應(yīng)吸附力的3.42倍?？梢?永磁吸附裝置的吸附力受永磁體與船舶鋼板間氣隙的影響較大。當(dāng)氣隙相等時(shí),船舶鋼板厚度越大,永磁吸附裝置的吸附力越大。

▲圖6 永磁吸附裝置磁場(chǎng)有限元分布云圖▲圖7 永磁吸附裝置吸附力與氣隙關(guān)系曲線

相等氣隙下,船舶鋼板厚度為30 mm和10 mm時(shí)永磁吸附裝置吸附力的比值在1～1.24范圍內(nèi),可見船舶鋼板厚度雖然對(duì)永磁吸附裝置的吸附力有一定影響,但是影響相對(duì)較小。

5 結(jié)束語

筆者以船舶除漆爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置為研究對(duì)象,對(duì)永磁吸附裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、吸附力進(jìn)行了有限元分析,研究了氣隙、船舶鋼板厚度等參數(shù)與吸附力的關(guān)系。研究表明,氣隙對(duì)永磁吸附裝置吸附力的影響較大,船舶鋼板厚度對(duì)吸附力雖有一定影響,但影響相對(duì)較小。仿真分析為船舶除漆爬壁機(jī)器人的理論計(jì)算提供了參考,并驗(yàn)證了船舶除漆爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性。