一種滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人失效分析

劉志輝 蔡 偉 付興偉 袁兵兵 王洪光 宋屹峰

1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京，100038 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng),110016 3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,沈陽(yáng),110169 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049

0 引言

大壩、流道、橋梁等大型混凝土建筑表面在自然環(huán)境下存在裂縫、表面剝落、沖擊坑等缺陷，需要定期進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。大型混凝土壁面高差大、壁面復(fù)雜，傳統(tǒng)檢測(cè)時(shí)分段架設(shè)腳手架，人工登高持設(shè)備檢測(cè)，工作周期長(zhǎng)，危險(xiǎn)性高，檢測(cè)效率低，容易造成缺檢漏檢。

爬壁機(jī)器人吸附于懸垂壁面，與人工檢測(cè)相比具有安全性強(qiáng)、檢測(cè)效率高等突出優(yōu)勢(shì)，在壁面檢測(cè)領(lǐng)域越來越受到人們的重視[1-3]?；炷帘诿鏅z測(cè)爬壁機(jī)器人以負(fù)壓吸附為主[4-8]，具體可以劃分為滾動(dòng)密封與滑動(dòng)密封兩種。滑動(dòng)密封由柔性材料構(gòu)成密封裙，密封裙直接與壁面接觸保持相對(duì)滑動(dòng)，因此容易因摩擦磨損失效。滾動(dòng)密封由移動(dòng)履帶組合構(gòu)成密封裙，密封結(jié)構(gòu)在壁面上滾動(dòng)的同時(shí)保證密封。滾動(dòng)密封磨損小，適應(yīng)于大型混凝土壁面的大面積檢測(cè)，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高，在工況影響下可能產(chǎn)生整機(jī)傾覆、滑移失效，密封結(jié)構(gòu)形變失效。因此，失效判據(jù)的研究對(duì)機(jī)器人安全運(yùn)行至關(guān)重要。

對(duì)于爬壁機(jī)器人，吸附穩(wěn)定性是其作業(yè)的基礎(chǔ)，造成爬壁機(jī)器人密封失效的形式包括重力與重力矩引起的傾覆、滑移，履帶密封結(jié)構(gòu)破壞等，密封失效形式與機(jī)器人的密封機(jī)理及運(yùn)動(dòng)工況密切相關(guān)。針對(duì)滑動(dòng)密封形式，采用靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)方法建立滑移失效與傾覆失效條件[9-14]，采用流體力學(xué)仿真、實(shí)驗(yàn)等方法，使用負(fù)壓、縫隙大小、摩擦因數(shù)等參數(shù)建立密封結(jié)構(gòu)的失效條件[15-18]。滾動(dòng)密封形式最早由KRASNOSLOBODTSEV等[19]于2005年提出，基于此原理，MAGGIO[20-21]研制了滾動(dòng)吸附爬壁機(jī)器人，通過提高密封結(jié)構(gòu)柔性適應(yīng)能力的方法抵抗密封結(jié)構(gòu)失效。XIAO等[22]、LI等[23]設(shè)計(jì)了滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人RISE-ROVER，使用負(fù)反饋控制方法動(dòng)態(tài)控制負(fù)壓，以抵抗傾覆和滑移失效。文獻(xiàn)[19-23]闡述了爬壁機(jī)器人的滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。為研究整機(jī)傾覆、滑移失效條件，因移動(dòng)結(jié)構(gòu)與滑動(dòng)密封機(jī)器人差異較大，而與地面履帶車接近，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所基于地面履帶車轉(zhuǎn)向模型[24-30]建立滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型[2-3]，該模型適用于驅(qū)動(dòng)履帶較窄的樣機(jī)，但未考慮驅(qū)動(dòng)履帶寬度、密封履帶與墻壁接觸面間由泄漏負(fù)壓引起的摩擦力等因素。關(guān)于運(yùn)動(dòng)工況對(duì)密封結(jié)構(gòu)形變失效的影響缺乏研究。

本文面向大型混凝土壁面檢測(cè)的實(shí)際需求，基于滾動(dòng)密封機(jī)理分析，確定滾動(dòng)密封的特殊失效形式。著重分析水平平動(dòng)、豎直平動(dòng)、轉(zhuǎn)向等典型工況對(duì)滾動(dòng)密封狀態(tài)的影響，討論了機(jī)器人重要結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸附失效間的關(guān)系，提出了滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人密封失效判據(jù)，以此為基礎(chǔ)對(duì)滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 滾動(dòng)密封機(jī)理分析

1.1 滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)密封失效形式由密封腔結(jié)構(gòu)決定?；瑒?dòng)密封爬壁機(jī)器人密封結(jié)構(gòu)與吸附機(jī)理如圖1所示，密封裙、密封腔上蓋板圍成負(fù)壓腔，密封裙較移動(dòng)機(jī)構(gòu)邊緣高出長(zhǎng)度k，保持密封裙與壁面始終接觸。機(jī)器人在負(fù)壓吸附時(shí)，密封裙與壁面之間存在微觀氣隙[31-34]，密封裙與壁面之間存在泄漏負(fù)壓。就滑動(dòng)密封而言，提高負(fù)壓P將增大正壓力Fp，從而有效提高其負(fù)載能力，但也提高了泄漏負(fù)壓，使粗糙壁面對(duì)密封裙產(chǎn)生較大摩擦阻力，造成密封裙快速磨損，當(dāng)密封裙磨損量或壁面間隙深度超過k時(shí)，滑動(dòng)密封結(jié)構(gòu)失效。同時(shí)，若負(fù)壓力不足以平衡重力及重力矩，則會(huì)發(fā)生傾覆和跌落失效[9-14]。

(a)密封結(jié)構(gòu)基本組成 (b)完整密封腔

如圖2所示，滾動(dòng)密封通過履帶組和密封腔上蓋板圍成密封腔，履帶組融合了密封裙和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能，滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人直線行走時(shí)，密封履帶跟隨驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，保證密封結(jié)構(gòu)與壁面無相對(duì)滑動(dòng)，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，有效避免了密封裙磨損失效的問題。此外，由于履帶柔軟貼合性好，對(duì)于高度hk

(a)密封結(jié)構(gòu)基本組成

滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)作為一種新型的復(fù)雜密封結(jié)構(gòu)，其失效形式與滑動(dòng)密封差異較大：①典型作業(yè)工況下，履帶間接觸面間因擠壓力、摩擦力產(chǎn)生形變，密封結(jié)構(gòu)失效；②履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)向過程存在滑移，需要得到整機(jī)抗傾覆、滑移失效的最小負(fù)壓條件，以保證吸附可靠。為設(shè)計(jì)滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，需要基于失效形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證吸附穩(wěn)定性。

1.2 滾動(dòng)密封履帶式爬壁機(jī)器人

爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)軸、支撐軸、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)由支撐架固定，組成機(jī)器人底盤框架；驅(qū)動(dòng)履帶、從動(dòng)履帶安裝于底盤框架上；密封腔體安裝于底盤框架中部與支撐架固連，并且四周與驅(qū)動(dòng)履帶和從動(dòng)履帶緊密貼合，當(dāng)機(jī)器人與壁面貼合時(shí)，與壁面形成密封腔；風(fēng)機(jī)安裝于密封腔體中部，當(dāng)風(fēng)機(jī)抽出密封腔內(nèi)空氣時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定負(fù)壓，使機(jī)器人吸附于壁面上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線移動(dòng)和任意半徑轉(zhuǎn)向。

1.驅(qū)動(dòng)軸 2.支撐軸Ⅰ 3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅰ 5.風(fēng)機(jī) 6.支撐軸Ⅱ 7.支撐架 8.支撐軸Ⅲ 9.驅(qū)動(dòng)履帶1 10.從動(dòng)履帶Ⅱ 11.驅(qū)動(dòng)履帶2 12.驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅱ 13.從動(dòng)履帶Ⅰ

1.3 滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)受力分析

分析機(jī)器人傾覆、滑移及密封結(jié)構(gòu)形變下的失效條件需要建立爬壁機(jī)器人受力模型。爬壁機(jī)器人在豎直壁面上的靜力學(xué)模型如圖4所示，首先定義豎直墻壁上隨著爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ，Oxyz為固定在爬壁機(jī)器人上的坐標(biāo)系，O點(diǎn)固定在爬壁機(jī)器人底盤幾何中心。Oy方向?yàn)榕辣跈C(jī)器人直行運(yùn)動(dòng)方向，θ為爬壁機(jī)器人的姿態(tài)角。

圖4 爬壁機(jī)器人受力分析

密封履帶上橫向和縱向上的摩擦力合力為零，對(duì)機(jī)器人形心取矩為密封履帶所受摩擦阻力距Mfb，驅(qū)動(dòng)履帶所受摩擦阻力力矩為Mf,所提供的驅(qū)動(dòng)力矩為MT?？紤]到爬壁機(jī)器人力平衡，有以下平衡方程：

(1)

式中，F(xiàn)1x、F2x，F(xiàn)1y、F2y分別為內(nèi)外側(cè)履帶所受摩擦力在x軸、y軸方向分量。

本文中的物理參數(shù)見表1。

表1 基本物理參數(shù)

負(fù)載在Oxy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向阻力矩MN=-NSsinθ，S為線纜重力載荷作用點(diǎn)偏離機(jī)器人形心的距離。爬壁機(jī)器人勻速轉(zhuǎn)彎時(shí)，受力狀態(tài)可描述如下：

轉(zhuǎn)向力矩平衡方程為

MT+Mf+MN+Mfb=0

(2)

力平衡方程為

(3)

穩(wěn)定吸附履帶受力條件為

(4)

式中，μ為摩擦因數(shù)。

將履帶上的力假設(shè)為線性分布[24-30]，而壁面履帶車由于受重力矩影響，履帶上側(cè)受力小于履帶下側(cè)，故可假設(shè)壁面履帶機(jī)器人對(duì)壁面正壓力為線性梯形分布fni(i=1,2)，可等效為集中力Fni。

2 滾動(dòng)密封失效形式分析

如圖5所示，滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人的失效通常包括以下形式：①由于負(fù)壓吸附系統(tǒng)產(chǎn)生的吸附力不足，整機(jī)將因重力和重力矩的作用產(chǎn)生傾覆、滑移失效；②密封結(jié)構(gòu)遇到障礙或因受力原因發(fā)生彈性形變，與壁面間產(chǎn)生縫隙，使密封失效。針對(duì)前一種失效，需要建立機(jī)器人在壁面運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型進(jìn)行分析；針對(duì)后一種失效，需要針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形式下的密封裙進(jìn)行受力變形分析。

圖5 失效形式

2.1 豎直平動(dòng)失效分析

滾動(dòng)密封腔對(duì)壁面正壓力因重力傾覆作用，呈現(xiàn)上小下大的梯形分布。當(dāng)因密封腔氣體泄漏量增大引起負(fù)壓降低時(shí)，爬壁機(jī)器人對(duì)壁面壓力分布退化為三角形，進(jìn)而引起傾覆、下滑失效。

機(jī)器人靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的力平衡條件(式(4))下，需要保證fni(i=1,2)恒大于0，負(fù)壓應(yīng)該滿足的條件為

(5)

若滿足上式，則不發(fā)生傾覆和滑移失效。

機(jī)器人行走過程中，驅(qū)動(dòng)履帶和密封履帶會(huì)隨著機(jī)器人的移動(dòng)發(fā)生彎曲變形。如圖6所示，從平動(dòng)部分E段運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)部分R段，再運(yùn)動(dòng)到與壁面接觸且與壁面相對(duì)靜止部分U段。從E段到R段過程中，受泊松效應(yīng)影響，履帶的外側(cè)受圓周切向的拉力，造成履帶外側(cè)沿著圓周切向拉長(zhǎng)，同時(shí)沿著履帶寬度方向收窄；履帶的內(nèi)側(cè)受力壓縮，同時(shí)沿著履帶寬度方向膨脹。履帶截面變化如圖6所示，截面的上部對(duì)應(yīng)履帶內(nèi)側(cè)，截面下邊沿對(duì)應(yīng)履帶外側(cè)。

圖6 履帶形變導(dǎo)致失效

如圖6所示，履帶截面隨時(shí)間變化，驅(qū)動(dòng)履帶與密封履帶間發(fā)生擠壓，履帶外側(cè)與壁面之間形成寬度為s的縫隙，縫隙高度等于履帶厚度h。顯然，履帶卷繞直徑D越小，履帶厚度h越厚，彎曲形變?cè)酱?，易產(chǎn)生密封失效。驅(qū)動(dòng)履帶和密封履帶共有4個(gè)接觸面，總泄漏面積A1=2sh。在履帶內(nèi)側(cè)彎曲半徑相同的情況下，s與h的關(guān)系為

s=h/(kxi+kxo)

kxo=Kxm/hkxi=Kxb/h

式中，kxo、kxi分別為驅(qū)動(dòng)履帶、密封履帶的橫向剛度；h為密封履帶和驅(qū)動(dòng)履帶的厚度；Kx為比例系數(shù)。

則泄漏面積A1為

(6)

2.2 水平平動(dòng)失效密封分析

機(jī)器人水平平動(dòng)工況如圖7a所示，此時(shí)θ=90°，滿足式(5)，則機(jī)器人不發(fā)生傾覆失效。如圖7b所示，在接觸面上密封履帶相對(duì)驅(qū)動(dòng)履帶速度方向不同，存在一個(gè)垂直壁面的速度分量，驅(qū)動(dòng)履帶與密封履帶間存在垂直壁面的摩擦力fi，使密封履帶產(chǎn)生內(nèi)側(cè)彎曲變形hi：

(a)受力分析 (b)失效形變分析

(7)

并造成氣體泄漏，泄漏面積A2=hib/4。驅(qū)動(dòng)履帶與密封履帶之間的摩擦因數(shù)為fd，水平移動(dòng)時(shí)因爬壁機(jī)器人受到的摩擦力與重力平衡，使得驅(qū)動(dòng)履帶沿著壁面?zhèn)认蜃冃?，增大了?qū)動(dòng)履帶對(duì)密封履帶的壓力并增大形變hi，進(jìn)而得到泄漏面積公式：

(8)

式中，kZ為密封履帶Z方向剛度，kZ=KZ/h。

2.3 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)密封失效分析

轉(zhuǎn)向時(shí)，若吸附力不能平衡重力矩，則發(fā)生整機(jī)傾覆失效，若吸附力引起的摩擦力小于機(jī)器人重力，則發(fā)生整機(jī)滑移失效。轉(zhuǎn)向工況下履帶微元受力如圖8所示，若吸附力不變，接觸面微元的摩擦力方向與該微元的運(yùn)動(dòng)方向相反，此時(shí)摩擦力存在縱向分量和橫向分量，縱向分量小于直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的縱向摩擦力，導(dǎo)致豎直方向上重力大于摩擦力，整機(jī)發(fā)生滑移失效。

圖8 履帶微元受力

為分析滑移失效機(jī)理，建立爬壁機(jī)器人壁面力學(xué)方程：

fqi=fni-kd+(0.5b+xi)P

(9)

(10)

(11)

其中，fqi為履帶上的壓力分布函數(shù)，是xi方向的線性函數(shù)。α表示面積微元dxdy所在位置，如圖8所示。建立力平衡方程和力矩平衡方程：

(12)

Mfb=-2Pmn(L-2n)

(13)

其中，Mfb為摩擦力矩。一方面為避免發(fā)生傾覆和滑移失效，必須增大吸附力、縱向摩擦力及抗傾覆力矩；另一方面也應(yīng)防止橫向摩擦力過大而導(dǎo)致形變失效，如圖9所示，其中，s為因形變產(chǎn)生的縫隙寬度。因此，理想的安全吸附條件為防止轉(zhuǎn)向滑移的最小吸附力。

圖9 履帶受力形變

機(jī)器人質(zhì)心下滑距離為kyB，水平滑動(dòng)距離為kxB，ky、kx分別為縱向、橫向滑移系數(shù)?？紤]理論轉(zhuǎn)向半徑為0時(shí)的滑移，vq1=-vq2，滿足滑移系數(shù)限制條件：

(14)

的最小吸附力Fp記為Fp3。δ1、δ2分別為履帶1和履帶2的滑移率，實(shí)際速度和理論速度的比值，發(fā)生滑移時(shí)，該值小于1。即可得到轉(zhuǎn)向工況下抗傾覆、滑移失效條件：

(15)

2.4 爬壁機(jī)器人失效判據(jù)

負(fù)壓風(fēng)機(jī)通過抽氣維持密封腔內(nèi)維負(fù)壓P，當(dāng)風(fēng)機(jī)不能平衡負(fù)壓時(shí)會(huì)造成負(fù)壓降低，密封失效。要保證氣體泄漏速度在允許條件內(nèi)，需滿足兩個(gè)要求：①整機(jī)不傾覆和滑移；②履帶形變?cè)斐傻男孤┟娣e足夠小，使得風(fēng)機(jī)能夠平衡負(fù)壓。由此得到爬壁機(jī)器人的失效判據(jù)：

(1)傾覆和滑移失效判據(jù)。實(shí)際工作負(fù)壓P小于離心風(fēng)機(jī)額定負(fù)壓PN(Fp為滿足式(15)的吸附力；S為安全系數(shù)，表示在密封腔內(nèi)負(fù)壓不穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠通過提高一定輸出功率維持負(fù)壓穩(wěn)定)：

(16)

式中，c為材料壓縮比。

(2)履帶形變判據(jù)。履帶形變產(chǎn)生的縫隙A1、A2均小于安全值A(chǔ)min(Amin由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到)：

(17)

3 機(jī)器人改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 原理樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

為獲得最佳的壁面通過性，原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)為：D=130 mm，h=15 mm。此外，圖6所示密封履帶張緊需要張緊滾子支撐，受實(shí)際機(jī)械限位限制，張緊滾子軸線距離n≥D-2h，因此選擇n=100 mm。同時(shí)，綜合考慮電機(jī)、風(fēng)機(jī)、電子元器件等的安裝需要，確定L=500 mm。以初始尺寸m=150 mm、b=100 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到機(jī)器人物理參數(shù)G1、H1、G2、B、H2、N等。機(jī)器人原理樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)

開發(fā)的原理樣機(jī)能夠靜止吸附在壁面上，滿足靜止?fàn)顩r下抗傾覆和滑移失效要求。但在豎直平動(dòng)、水平平動(dòng)、轉(zhuǎn)向工況下，如圖11所示，存在密封結(jié)構(gòu)形變失效、整機(jī)傾覆、滑移失效，失效原因分別如下：在豎直或水平移動(dòng)過程中不滿足密封結(jié)構(gòu)形變失效判據(jù)式(17)，密封結(jié)構(gòu)形變量A1、A2過大；機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)不滿足整機(jī)抗傾覆、滑移失效判據(jù)式(16)，所需負(fù)壓超過風(fēng)機(jī)額定負(fù)壓。

(a)豎直平動(dòng)失效情況

3.2 基于失效判據(jù)的機(jī)器人改進(jìn)設(shè)計(jì)

依據(jù)失效判據(jù)式(16)、式(17)，對(duì)滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)為fd、Kx、Kz、h、c、hmin。

(1)基于履帶形變判據(jù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。依據(jù)失效判據(jù)式(17)，在驅(qū)動(dòng)與密封履帶間增加減摩材料，減小摩擦因數(shù)fd。密封結(jié)構(gòu)形變失效A1、A2分別與h3、h2成正比，與Kx、Kz成反比。為了減小履帶形變，需要在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇更小的h，其次選擇更大的Kx、Kz。進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)如下：h=10 mm,D=110 mm。Kx、Kz隨著履帶型號(hào)的增大而增大(表2)，c減小。因此，需在滿足失效判據(jù)式(16)的基礎(chǔ)上選擇最小的c，以提高Kx、Kz。

表2 不同型號(hào)泡棉壓縮比c

(2)基于傾覆和滑移失效判據(jù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。將最大障礙物高度hmin=4 mm作為設(shè)計(jì)輸入，結(jié)合失效判據(jù)式(16)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：c=0.4，此時(shí)兼顧最小的h與盡可能最大的Kx、Kz；更換大功率風(fēng)機(jī)，按照式(1)～式(15)求解爬壁機(jī)器人抗傾覆和滑移所需的密封腔負(fù)壓P。以理論轉(zhuǎn)向半徑為0，對(duì)不同負(fù)載下機(jī)器人的負(fù)壓力與滑移系數(shù)ky等參數(shù)進(jìn)行仿真求解，如圖12所示。圖12a顯示轉(zhuǎn)向半徑越小，滑移系數(shù)越大；圖12b顯示相同結(jié)構(gòu)下，不考慮滑移時(shí)，負(fù)載大小與最小所需負(fù)壓力在一定范圍內(nèi)成正比；圖12c顯示，不考慮滑移條件時(shí)滑移系數(shù)為1，意味著每轉(zhuǎn)向90°機(jī)器人下滑一個(gè)機(jī)器人寬度，下滑量過大，安全性低。因此，基于式(16)對(duì)抑制滑移的最小負(fù)壓進(jìn)行仿真，如圖12d所示，提高最小負(fù)壓力顯著抑制了滑移量。

最終研制了具有高吸附穩(wěn)定性、大負(fù)載能力的工程樣機(jī)并進(jìn)行密封實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)下負(fù)壓變化如圖12e所示。轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生因柔性密封結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，導(dǎo)致一定程度泄漏，負(fù)壓不穩(wěn)定，通過提高負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率的方式來保障負(fù)壓。由圖12e可知，在轉(zhuǎn)向工況下實(shí)際負(fù)壓P一直控制在額定負(fù)壓PN下，說明改進(jìn)設(shè)計(jì)后爬壁機(jī)器人能夠穩(wěn)定吸附。

(a)ky-R關(guān)系

3.3 工程樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

圖13、圖14所示為工程樣機(jī)在三峽大壩流道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。相比圖11實(shí)驗(yàn)，在同樣吸附功率的條件下，機(jī)器人以8 m/min的速度在壁面的豎直移動(dòng)、水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性大幅度提高；機(jī)器人在攜帶11 kg負(fù)重(6 kg檢測(cè)模塊+5 kg模擬負(fù)重)工況下，無嚴(yán)重壁面缺陷(最大直徑超過90 mm的孔，或首尾距離大于400 mm的縫隙)的條件下，能夠穩(wěn)定吸附和靈活移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的滾動(dòng)密封失效判據(jù)式(16)、式(17)的有效性。

(a)滑動(dòng)密封裙磨損情況(b)滾動(dòng)密封履帶磨損情況

(a)流道壁面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)(c)缺陷重構(gòu)與標(biāo)記

為了檢驗(yàn)滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人的密封結(jié)構(gòu)壽命，基于同等吸附壁面與爬行時(shí)間進(jìn)行滑動(dòng)密封與滾動(dòng)密封的對(duì)比測(cè)試。密封裙磨損情況如圖14所示，以相同速度累計(jì)爬行時(shí)間20 h，按照Z(yǔ)形路徑在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)壽命實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)區(qū)域面積為50 m×12 m。經(jīng)過2 h爬行后，滑動(dòng)密封機(jī)器人的密封裙磨損嚴(yán)重，機(jī)器人的吸附穩(wěn)定性大幅度下降，需要回收機(jī)器人并更換密封裙；而滾動(dòng)密封機(jī)器人經(jīng)過累計(jì)20 h爬行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示密封結(jié)構(gòu)沒有明顯磨損，可繼續(xù)正常使用。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了滾動(dòng)密封機(jī)理的密封結(jié)構(gòu)耐磨性強(qiáng)，適用于大型混凝土壁面長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。爬壁機(jī)器人采用滾動(dòng)密封機(jī)理，具有更好的密封結(jié)構(gòu)耐磨性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的滾動(dòng)密封失效判據(jù)的有效性。

4 結(jié)論

(1)通過分析滾動(dòng)密封機(jī)理和滾動(dòng)密封結(jié)構(gòu)滑移、形變、傾覆等失效形式發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)密封失效條件：產(chǎn)生和維持所需負(fù)壓所需功率大于風(fēng)機(jī)額定功率，導(dǎo)致實(shí)際負(fù)壓不足；柔性履帶密封結(jié)構(gòu)被破壞。

(2)采用動(dòng)力學(xué)方法分別面向傾覆、滑移失效與形變失效提出對(duì)應(yīng)密封失效判據(jù)。失效判據(jù)顯示：滾動(dòng)密封的可靠性與密封腔大小、密封材料的壓縮比及厚度、密封履帶的尺寸和剛度等有關(guān)。

(3)基于失效判據(jù)對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在三峽大壩流道開展現(xiàn)場(chǎng)巡檢實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人在改進(jìn)設(shè)計(jì)后大幅提高了吸附穩(wěn)定性與可靠性，證明提出的失效判據(jù)可用于指導(dǎo)滾動(dòng)密封爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

未來的研究工作主要著眼于增強(qiáng)機(jī)器人面向溝槽、障礙等環(huán)境的適應(yīng)性、提高機(jī)器人控制自主性與檢測(cè)智能性等方面。