一種新式風電塔筒清洗機器人的設計

陳馳昊 王錦豪 張宗偉 史鳴 龔耀威

摘 ?要：風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。目前，越來越多的大型風機發(fā)電設備競相出現(xiàn)，而風電場都建設在野外等惡略環(huán)境中。塔筒作為風機的主要支撐結構，由于吊、運過程中的損傷，且經日久運行，風沙、雨雪等的侵蝕，很多風電塔筒表面大都會出現(xiàn)脫漆乃至銹蝕現(xiàn)象，影響美觀并可能危及風機安全，已不能滿足風電場安全文明生產管理標準的要求。因此，對于風機塔外部的清洗就變得至關重要。

關鍵詞：風力發(fā)電 ?清洗機器人 ?清潔能源

一、研究背景及目的

目前，越來越多的大型風機發(fā)電設備競相出現(xiàn)，而風電場都建設在野外等惡略環(huán)境中。塔筒作為風機的主要支撐結構，由于吊、運過程中的損傷，且經日久運行，風沙、雨雪等的侵蝕，很多風電塔筒表面大都會出現(xiàn)脫漆乃至銹蝕現(xiàn)象，影響美觀并可能危及風機安全甚至可能引發(fā)安全隱患，不能滿足風電場安全文明生產管理標準的要求。因此，對于風機塔外部的清洗就變得至關重要。

現(xiàn)在對于風機塔的維護清理方式依然是利用自提式吊籃、吊車懸掛吊籃以及蜘蛛人的人工作業(yè)方式，清理時間長、維護成本高、人工工作量大且安全保障較低。目前我國正處于高速發(fā)展階段，傳統(tǒng)的作業(yè)方式已經不能滿足目前的社會需求。

鑒于此，我們研究和設計了一種針對風機塔表面受侵蝕具體情況，結合人工智能及自動化技術，專門用于清理其表面的清潔機器人來取代人工清潔的操作方式，從而提高清潔風機塔表面的工作效率，節(jié)約維護成本。同時也提高了清理工作的安全系數，降低了人工的安全事故的發(fā)生。

二、風電塔筒清洗機器人結構設計

2.1、機器人功能設計

本項目設計的風電塔筒清洗機器人可分為吸附驅動裝置，清洗裝置兩部分。設計方案為采用永磁鐵單元塊組成的磁吸板作為機器人的吸附裝置，能使機器人穩(wěn)定吸附在豎直的風電塔筒光滑表面。通過電機驅動車輪行走作為機器人的移動方式，控制轉向系統(tǒng)通過角度傳感器檢測機器人與豎直方向的偏移角度，再驅動電動推桿微調前橋轉向，使機器人能始終保持豎直向上行走。另外，在前方設置可伸縮的清洗裝置，由微型減速電動機、旋轉盤、清洗刷、仿形彈簧、伸縮液壓桿、連接桿、彎臂連桿等組成，電機驅動清洗刷保持一定速率旋轉，以達到清洗風電塔筒表面的目的，足夠的伸縮量能適應不同曲率的清洗表面。

2.2、機器人結構設計

（1）吸附裝置

履帶式爬壁機器人的吸附單元（磁鐵）全部集中在雙側履帶上，機器人在實際運行過程中，雙側履帶和機器人本體屬于2個單獨機構。爬壁機器人需要長時間連續(xù)在傾斜角為 90°～180°的立面上工作，其兩側的履帶需要承受機器人本體和負載的重量（一般在 1000 N 以上）。當機器人在壁面上沿著水平方向運行時，可能會發(fā)生履帶與機器人本體脫離的現(xiàn)象。

針對以上問題，我們提出一種新式履帶結構，如下圖所示。原有履帶采用鏈輪和鏈條結構，齒形比較小，齒數較多，連續(xù)運行時鏈輪可能脫離。優(yōu)化為下圖所示新式履帶結構后，齒數變少，齒形變大，履帶張緊后齒輪較難從履帶中脫離。另外在齒輪外增加1個擋片，也可以防止履帶從齒輪中脫離。這樣在雙重防護下，解決了爬行機器人履帶脫離問題。

履帶采用橡膠一體加工成型，在保證足夠強度的前提下，既減輕機器人的重量，還增大機器人與吸附壁面之間的摩擦力，保證機器人穩(wěn)定行走。圖 5 整體式橡膠履帶結構由圖5可看到，永磁鐵交替布置在橡膠履帶中間，且永磁鐵高度略小于橡膠高度（約 0.5 mm）。當機器人吸附在壁面上工作時，在磁吸附力的作用下磁鐵周圍的橡膠發(fā)生變形。利用橡膠的減震性，使永磁鐵和壁面間的剛性接觸轉變?yōu)槿嵝越佑|，在保證足夠磁吸附力的同時保護磁鐵不發(fā)生斷裂，機器人吸附穩(wěn)定可靠性優(yōu)化爬壁機器人保證穩(wěn)定可靠地吸附在壁面。

（2）清洗裝置

清洗機器人的可伸縮性的清洗裝置是由滾架、滾刷、仿形彈簧、伸縮液壓桿、連接桿、彎臂連桿等組成，如圖2 所示。清洗滾刷安裝在滾架上，滾架通過仿形彈和連接桿連接，足夠的伸縮量可以適應不同曲率的清洗表面，滾刷內部裝有微型減速電機驅動滾刷轉動，兩組伸縮液壓桿可根據不同的清洗區(qū)域調節(jié)滾刷高度，保證清洗質量。

三、結語

我國現(xiàn)在正處于科技發(fā)展高速時代，用機器代替人力更高效進行工作也更加迎合時代需求。同時，隨著風能的不斷開發(fā)，風力發(fā)電產業(yè)的不斷擴張，無可避免會有一批風電塔筒安置在環(huán)境惡劣的野外，這就給人工清潔造成了更大的阻礙，而使用風電塔筒清潔機器人，可以更便利的對塔筒進行清潔，保證了清潔人員的安全，提高了清潔工作的效率，降低了清潔工作的成本。

參考文獻：

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