壁面機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)吸附力的仿真與試驗(yàn)*

南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 211800

1 研究背景

近年來(lái),各地高樓拔地而起,成為城市化進(jìn)程的標(biāo)志。與此同時(shí)，高層建筑物壁面的裝飾、清洗等也成為改善城市面貌的重要工作。目前，大部分高樓壁面作業(yè)都由人工來(lái)完成,工作強(qiáng)度大,安全性低。國(guó)內(nèi)外已有專家研究出用于高層建筑物外表面清洗等工作的壁面工作機(jī)器人,給壁面作業(yè)帶來(lái)了極大方便。

對(duì)于壁面機(jī)器人吸附問(wèn)題,目前已有磁吸附、真空吸附、推力吸附等吸附方式發(fā)展成熟,適合應(yīng)用于不同場(chǎng)合。吳善強(qiáng)等[1]基于磁吸附方式設(shè)計(jì)了應(yīng)用于金屬壁面上的機(jī)器人,機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直角壁面的轉(zhuǎn)換,發(fā)揮了磁吸附方式下吸附力切換方便、機(jī)器人移動(dòng)靈活的特點(diǎn)。張聯(lián)盟等[2]研究了采用吸盤(pán)吸附的壁面機(jī)器人吸附模塊姿態(tài)的控制,實(shí)現(xiàn)了吸附模塊與墻面相對(duì)姿態(tài)的自主檢測(cè),滿足自主攀爬的使用需求。騰迪[3]選用離心葉輪加密封腔的負(fù)壓吸附方式設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu),通過(guò)試驗(yàn)分別分析了空氣流量、密封腔材質(zhì)、密封機(jī)構(gòu)安裝高度對(duì)吸附力的影響。

筆者研究了推力吸附方式下影響吸附力大小的因素,應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行仿真,首先驗(yàn)證仿真方法的正確性,然后采用三因素三水平正交試驗(yàn)方法,確認(rèn)影響吸附裝置推力大小的最顯著因素,提出最佳試驗(yàn)組合,提高吸附機(jī)構(gòu)的效率。

2 壁面機(jī)器人的設(shè)計(jì)

壁面機(jī)器人的主要功能包括作業(yè)、吸附、移動(dòng)等。壁面機(jī)器人作業(yè)機(jī)構(gòu)貼近壁面，實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能。壁面機(jī)器人通過(guò)建筑物頂部的提升電機(jī)加線纜的方式，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。吸附裝置用于推動(dòng)壁面機(jī)器人吸附在墻面上，以便于工作[4-5],是壁面機(jī)器人的核心裝置。吸附裝置采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流，使壁面機(jī)器人本體吸附在壁面上。這種吸附裝置對(duì)壁面要求比較低,不存在泄漏問(wèn)題,所以適用于大部分壁面機(jī)器人。筆者選用在壁面機(jī)器人框架外側(cè)的四個(gè)角對(duì)稱安裝螺旋槳的吸附裝置,螺旋槳對(duì)稱安裝能較好地控制壁面機(jī)器人工作和移動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定姿態(tài)[6]。由于壁面機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)含有線纜,將螺旋槳暴露在外部有可能產(chǎn)生安全問(wèn)題,因此設(shè)計(jì)安裝螺旋槳保護(hù)外殼,一方面可以提高吸附機(jī)構(gòu)的安全性,另一方面對(duì)螺旋槳的噪聲也可以起到抑制作用。

3 軟件仿真

在仿真計(jì)算過(guò)程中,控制方程采用雷諾時(shí)均納維-斯托克斯方程,湍流模型采用剪切壓力傳輸k-ω模型[7]。將計(jì)算域分為兩部分,一部分為包含螺旋槳的旋轉(zhuǎn)域,另一部分為外部的靜止域[8]。采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)旋轉(zhuǎn)域、旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面、螺旋槳壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密。入口邊界條件選擇速度入口,入口速度為零,出口邊界條件選擇壓力出口,壁面邊界條件為無(wú)滑移的光滑壁面。

筆者選用文獻(xiàn)[9]研究的一款用于無(wú)人機(jī)的多旋翼螺旋槳來(lái)驗(yàn)證計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真方法的正確性。通過(guò)試驗(yàn)獲得螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下的拉力,同時(shí)應(yīng)用逆向建模的方法獲取螺旋槳的基準(zhǔn)翼型、弦長(zhǎng)分布、安裝角分布等結(jié)構(gòu)參數(shù)?；谌S參數(shù)，應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行三維建模,螺旋槳三維模型如圖1所示。螺旋槳建模完成后，進(jìn)行仿真，推力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示。由圖2可知,螺旋槳推力仿真結(jié)果稍小于試驗(yàn)結(jié)果,這是由于仿真環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境存在差異。推力誤差小于5%,仿真結(jié)果較好,驗(yàn)證了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真方法的正確性。

▲圖1 螺旋槳三維模型

4 正交試驗(yàn)

螺旋槳保護(hù)外殼提高了壁面機(jī)器人的安全性,但是保護(hù)外殼同時(shí)改變了空氣流域,對(duì)螺旋槳的推力產(chǎn)生影響[10]。對(duì)于壁面機(jī)器人吸附裝置的最佳工作方式，需要考慮螺旋槳保護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)、安裝等因素的影響。筆者在試驗(yàn)獲取螺旋槳參數(shù)的基礎(chǔ)上，將螺旋槳直徑改為431.8 mm,將基準(zhǔn)翼型改為更適合懸停狀態(tài)的Clark Y翼型[11],其余參數(shù)與上述試驗(yàn)螺旋槳參數(shù)相同。螺旋槳保護(hù)外殼為壁厚5 mm的豎直圓形通道,內(nèi)徑為440 mm。吸附機(jī)構(gòu)如圖3所示。

▲圖2 螺旋槳推力對(duì)比▲圖3 吸附機(jī)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析多變量多水平對(duì)吸附力的影響,考慮壁面機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作狀態(tài),筆者應(yīng)用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究[12]。螺旋槳保護(hù)外殼與壁面間隙記為A，螺旋槳保護(hù)外殼寬度記為B，螺旋槳轉(zhuǎn)速記為C。其中，A因素選取110 mm、130 mm、150 mm，B因素選取120 mm、140 mm、160 mm，C因素選取4 000 r/min、4 500 r/min、5 000 r/min。優(yōu)化因素如圖4所示，選擇L9(34)正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)組合,試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1[13]。

▲圖4 優(yōu)化因素

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真過(guò)程中,在螺旋槳保護(hù)外殼內(nèi)部設(shè)置旋轉(zhuǎn)域,螺旋槳保護(hù)外殼被包含在靜止域中。采用布爾運(yùn)算,將螺旋槳保護(hù)外殼表面設(shè)置為無(wú)滑移的壁面,在吸附裝置入口前部根據(jù)試驗(yàn)安排設(shè)置壁面。仿真結(jié)果速度矢量如圖5所示。

表1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

▲圖5 仿真結(jié)果速度矢量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用極差分析法對(duì)三種因素影響的主次順序和趨勢(shì)進(jìn)行分析[14]。吸附力極差分析結(jié)果見(jiàn)表2,其中ki值為對(duì)應(yīng)因素水平的吸附力試驗(yàn)結(jié)果平均值,R為極差值。

表2 吸附力極差分析 N

由表2可知,影響吸附力大小的各個(gè)因素主次順序?yàn)槁菪龢D(zhuǎn)速、螺旋槳保護(hù)外殼與壁面距離、螺旋槳保護(hù)外殼寬度。螺旋槳保護(hù)外殼與壁面間隙增大,吸附力減小。仿真結(jié)果可知,當(dāng)與壁面距離較小時(shí),螺旋槳保護(hù)外殼上產(chǎn)生垂直于壁面的負(fù)壓吸附力,且距離越小,負(fù)壓吸附力越大,從而使吸附機(jī)構(gòu)產(chǎn)生更大的吸附力。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速加快,吸附力呈直線增大,表明螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)吸附力的影響最大。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)改變螺旋槳轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)吸附力是最便捷有效的方法。螺旋槳保護(hù)外殼寬度增大,吸附力呈淺V形變化,吸附力增大效果不明顯?？紤]螺旋槳保護(hù)外殼寬度增大會(huì)增大機(jī)器人整體的質(zhì)量,當(dāng)寬度對(duì)吸附力的影響較小時(shí),應(yīng)盡量減小螺旋槳保護(hù)外殼的寬度?；谝陨戏治?最佳參數(shù)組合為螺旋槳保護(hù)外殼與壁面距離110 mm、螺旋槳保護(hù)外殼寬度120 mm、螺旋槳轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了螺旋槳保護(hù)外殼對(duì)壁面機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)推力的影響,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某款多旋翼螺旋槳進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合良好,驗(yàn)證了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件仿真方法的正確性。通過(guò)正交試驗(yàn)，分析螺旋槳保護(hù)外殼與壁面距離、螺旋槳保護(hù)外殼寬度、螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)壁面機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)吸附力的影響。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果極差分析，確認(rèn)試驗(yàn)因素的重要性次序。兼顧效率和吸附力，得到最佳參數(shù)組合,具有參考價(jià)值。