郭偉燦,鄭慕林,凌張偉,陳永貴
(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020)
通常,球罐、儲(chǔ)罐等大型承壓設(shè)備的定期檢驗(yàn)中,打磨、檢測(cè)等作業(yè)需要在罐體內(nèi)外搭建腳手架,依靠人工借助磨光機(jī)、無損檢測(cè)設(shè)備完成。登高作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大,作業(yè)環(huán)境惡劣;同時(shí),搭建腳手架耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。
采用爬壁機(jī)器人可以克服以上檢測(cè)工作的缺點(diǎn)。由于永磁吸附方法安全可靠,對(duì)壁面光潔度的要求不高,大型承壓設(shè)備爬壁機(jī)器人通常采用永磁吸附的方式。其運(yùn)動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、框架式、多足步行式和仿生式5種[1-3]。其中,輪式爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向容易、控制靈活、移動(dòng)速度快,但由于車輪與壁面接觸面積過小,保持一定的吸附力比較困難,且負(fù)載能力弱[4]。
永磁吸附通常采用磁輪和磁鐵塊兩種吸附方法。磁輪的優(yōu)點(diǎn)是與壁面距離近,缺點(diǎn)是磁體重量較大,且磁輪在行走過程中會(huì)粘附鐵銹,磁輪表面的橡膠薄膜容易破損;磁鐵塊吸附方式的吸附力減弱,但可通過磁橋方式增加磁場(chǎng)強(qiáng)度。
筆者在前期的爬壁機(jī)器人研制中曾采用磁輪吸附方式,但未能解決橡膠薄膜破損和鐵銹粘附問題;本研究在原結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn),采用磁輪加磁橋組合方式,并對(duì)吸附力性能進(jìn)行數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究。
球罐、儲(chǔ)罐等大型承壓設(shè)備檢驗(yàn)作業(yè)用的輪式爬壁機(jī)器人,應(yīng)滿足轉(zhuǎn)彎、越障等通過性能力要求,具備抗滑移、抗傾覆能力[5]。針對(duì)大型球罐,爬壁檢測(cè)機(jī)器人行走時(shí),其與地面的傾角在0°~90°之間變化,為防止機(jī)器人下滑,與壁面接觸的輪子必須提供足夠的靜摩擦力。因此,必須提供合適的磁吸附力[6]。
前期研制的一款爬壁機(jī)器人,前輪為驅(qū)動(dòng)輪,后輪為從動(dòng)輪,從動(dòng)輪阻力忽略不計(jì),其單側(cè)磁輪受力狀態(tài)如圖1所示。
圖1 爬壁機(jī)器人單側(cè)磁輪受力狀態(tài)
在圖1中,要使機(jī)器人不沿壁面下滑,需滿足條件如下:
f≥Gsinθ
(1)
f=μN(yùn)
(2)
式中:f—摩擦力,N;G—機(jī)器人自重,N;μ—摩擦系數(shù);N—正壓力,N;θ—機(jī)器人的水平傾角。
機(jī)器人在球罐表面法線方向上(X、Y軸方向)的力平衡條件為:
N+Gcosθ-F吸=0
(3)
其中:F吸=F吸前+F吸后,N=N前+N后。
由上述公式可導(dǎo)出:
(4)
因大型球罐壁面狀況復(fù)雜,機(jī)器人行走過程中要跨越焊縫及受到局部碰撞。因此,實(shí)際設(shè)計(jì)吸附力值為理論設(shè)計(jì)吸附力值的2倍,即:
(5)
在垂直于球罐壁面的方向上,機(jī)器人受重力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩力,若吸附力不足將導(dǎo)致機(jī)器人繞后輪或前輪向后翻轉(zhuǎn)。機(jī)器人在前輪朝上和后輪朝上時(shí)的力矩平衡方程為:
(F吸前-N前)L-GHsinθ-GL1cosθ=0
(6)
(F吸后-N后)L-GHsinθ-G(L-L1)cosθ=0
(7)
式中:L—機(jī)器人前后輪輪距,mm;H—機(jī)器人重心到罐壁壁面的高度,mm。
要使機(jī)器人不傾翻,其前輪和后輪的吸附力應(yīng)滿足以下條件:
(8)
(9)
針對(duì)爬壁打磨作業(yè)的工況要求,確定下述基本參數(shù):帶輪半徑50 mm,前后輪軸距L=400 mm,其他各種負(fù)載的總質(zhì)量為20 kg,重心高度H=70 mm,重心離后輪距離為L(zhǎng)1=300 mm,前輪與球罐壁面的摩擦系數(shù)μ=0.5,取安全系數(shù)2。
爬壁機(jī)器人滿足抗滑移、抗傾翻要求所需的前后輪的吸附力可根據(jù)式(6,7)計(jì)算得到。將式(6,7)代入式(5,8,9),可得到吸附力與傾斜角度之間的變化關(guān)系曲線,如圖2所示。
圖2 吸附力隨角度變化的曲線
從圖2中可以看出:機(jī)器人在變角度爬壁時(shí),機(jī)器人與地面成63.64°,機(jī)器人所需的吸附力達(dá)到最大值;所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人單個(gè)前輪吸附力為360 N,單個(gè)后輪吸附力為120 N。上述設(shè)計(jì)可滿足機(jī)器人在作業(yè)過程中不會(huì)發(fā)生下滑和前后傾覆。
將研制的輪式爬壁機(jī)器人應(yīng)用于球形儲(chǔ)罐焊縫打磨的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),在實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人存在向上爬行打滑和橫向爬行后輪側(cè)滑的狀況。原因一是后輪的磁吸附力和摩擦系數(shù)均較??;二是若一對(duì)磁輪的極性相同,則在轉(zhuǎn)向產(chǎn)生相互的斥力。由于磁輪與球罐壁面為線接觸,在磁輪吸附力和摩擦力都較小時(shí)兩磁輪在行進(jìn)時(shí)不能夠保持完全的同向性,加劇了打滑現(xiàn)象;兩磁輪極性相反時(shí)亦然,兩磁輪在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互干擾。
改造方案有兩種:一種是加大后輪寬度;另一種是用高摩擦系數(shù)、質(zhì)量較輕的橡膠輪替代磁輪,并在橡膠輪附近加裝磁鐵塊。由于兩個(gè)后輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空余的空間已不多,且加大后輪寬度后相互干擾更加嚴(yán)重,本研究采用第二種改造方案,采用磁輪加磁橋組合吸附方式,通過兩種磁體位置布置來調(diào)節(jié)機(jī)器人的吸附力。
筆者采用N50鐵釹硼稀土永磁磁軛式磁橋結(jié)構(gòu),其磁特性如表1所示。
表1 N50鐵釹硼稀土永磁體磁特性參數(shù)表
磁橋優(yōu)化設(shè)計(jì)目的在于既能夠提供足夠吸附力,又能保證越障性能,其結(jié)構(gòu)主要由N50鐵釹硼稀土永磁體磁極、空氣間隙、被測(cè)壁面、銜鐵組成。其吸附力與氣隙高度、體積參數(shù)、銜鐵的磁導(dǎo)率和厚度,以及壁面材料的磁特性和厚度等相關(guān)[7-8],其示意圖如圖3所示。
圖3 磁橋結(jié)構(gòu)示意圖
在圖3中,假設(shè)磁場(chǎng)在磁橋結(jié)構(gòu)兩個(gè)磁極、銜鐵、壁面及空氣間隙形成閉合的磁回路,且磁場(chǎng)在各回路中均勻分布。設(shè)磁極高度為h,磁極面積為S,氣隙高度為δ,銜鐵和壁面的磁場(chǎng)通過長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2,通過截面積為S1和S2,磁體、銜鐵和壁面的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為μr、μr1和μr2,則磁橋的總磁阻Rm為:
(10)
永久磁鐵磁極和鋼板之間的磁吸力F為:
(11)
式中:B—磁感應(yīng)強(qiáng)度,T。
在空氣中磁場(chǎng)沒有外泄的條件下,B可近似表示為:
(12)
式中:F勢(shì)—永磁體磁勢(shì);δ當(dāng)—磁回路中的磁阻折合成空氣間隙時(shí)的相當(dāng)間隙。
由式(10)可得:
(13)
因此,結(jié)合公式(11,12),永磁體磁極和鋼板之間的磁吸力可近似表達(dá)為:
(14)
對(duì)磁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮磁橋安裝空間和自身重量等參數(shù)。筆者采用ANSYS對(duì)磁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,求解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下,磁橋與壁板間的磁感應(yīng)強(qiáng)度,進(jìn)而求得磁橋結(jié)構(gòu)與壁板間的吸附力。
ANSYS分析模型由磁橋結(jié)構(gòu)和被檢壁板構(gòu)成。其中,磁橋由銜鐵和永磁體粘結(jié)成橋式結(jié)構(gòu),且永磁體磁極的極性相對(duì)。銜鐵材質(zhì)為電工純鐵,銜鐵厚度的主要考慮保證磁橋中的磁場(chǎng)不泄漏。最終磁橋結(jié)構(gòu)的銜鐵的長(zhǎng)、寬、高確定為120 mm×60 mm×15 mm。
由式(11,14)可知:永磁體尺寸及磁橋與壁板間的氣隙高度直接影響磁橋吸附力的大小。筆者利用永磁體厚度h、永磁體寬度w及磁橋與壁板之間的氣隙高度δ等參數(shù),對(duì)磁橋吸附力的影響進(jìn)行了有限元仿真。
當(dāng)永磁體長(zhǎng)度與寬度不變,磁橋與壁板之間的間隙為δ=10 mm時(shí),得到不同厚度永磁體所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,將B代入式(11)求得不同厚度永磁體磁橋吸附力。
吸附力-磁橋結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系如圖4所示。
圖4 吸附力-磁橋結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系曲線
由圖4可以看出:在5 mm~25 mm范圍內(nèi),磁體厚度與吸附力呈遞增趨勢(shì);但隨著磁體厚度的增加,磁體的自重也隨之增大。由于工程實(shí)踐中,要求磁吸附力與磁體自重比值盡可能大,且在磁體吸附面積恒定的條件下,磁體的厚度不宜過大,筆者選擇磁體的厚度h=15 mm。
同理,在永磁體厚度h=15 mm、永磁體長(zhǎng)度為60 mm時(shí),改變磁體的寬度即改變磁極的面積,筆者分析了磁體寬度為20 mm~60 mm時(shí)磁橋的磁感應(yīng)強(qiáng)度,并代入式(11)得到了磁體寬度和磁橋吸附力之間的關(guān)系。
由圖4可以看出:在磁體高度和磁體長(zhǎng)度恒定的情況下,磁橋的吸附力隨磁體寬度先增大后減小,當(dāng)永磁體寬度w=40 mm時(shí),磁橋的吸附力取得最大值;當(dāng)永磁體的寬度w>40 mm時(shí),磁橋的吸附力隨著永磁體寬的增大而減??;當(dāng)永磁體寬度w=60 mm時(shí),兩塊永磁體將互相連接,永磁體之間無空隙存在。若兩塊永磁體相對(duì)于壁面的極性是相對(duì)的,則此時(shí)的兩塊永磁體與銜鐵組成磁橋;若兩塊永磁體相對(duì)于壁面的極性是相同的,則此時(shí)的兩塊永磁體則連接成為一塊面積是原來2倍的永磁體,此時(shí)永磁體與銜鐵則不能組成磁橋。
這兩種情況下磁橋結(jié)構(gòu)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁橋吸附力F如表2所示。
表2 永磁體寬度w=60 mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁橋吸附力
由表2可知:當(dāng)w=60 mm時(shí),兩塊永磁體極性相同時(shí),其吸附力為兩塊永磁極性相對(duì)組成磁橋吸附力的36.06%;當(dāng)w=40 mm時(shí),其吸附力為磁橋吸附力的33.99%。
綜合上述分析,并考慮到磁橋所處的空間尺寸約束,筆者確定磁體長(zhǎng)度、磁體寬度、磁體厚度分別為60 mm、40 mm和15 mm。
本研究仿真分析得到了磁橋吸附力與氣隙高度δ之間的關(guān)系。從圖4可以看出磁橋吸附力隨著氣隙高度的增加而降低。根據(jù)機(jī)器人作業(yè)實(shí)際情況,筆者選擇氣隙高度為10 mm。
為了對(duì)磁橋空氣間隙與吸附力的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,筆者設(shè)計(jì)了磁吸附力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,如圖5所示。
圖5 磁吸附力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
圖5中,把吸附單元固定到拉伸試驗(yàn)臺(tái),置于水平放置的鋼板之上,通過螺栓調(diào)整磁橋的空氣間隙,用可記錄峰值拉力的測(cè)力計(jì)沿垂直方向?qū)⒋艠蛱崞?,測(cè)量垂直方向的作用力,減去磁橋的自重就是磁橋的吸附力。
筆者針對(duì)40 mm的磁鐵間距,對(duì)空氣間隙與吸附力的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn),得到了吸附力-氣隙高度關(guān)系實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果,如圖6所示。
圖6 吸附力-氣隙高度關(guān)系實(shí)驗(yàn)對(duì)比
由圖6可知:(1)試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本吻合;(2)氣隙高度減小,磁橋吸附力會(huì)迅速增大,同時(shí)也增大了爬壁機(jī)器人行進(jìn)阻力,爬壁機(jī)器人需要更大的驅(qū)動(dòng)力,難以滿足越障要求;(3)氣隙高度增大,磁橋吸附力減弱,難以滿足機(jī)器人防滑移或傾覆的要求。
由于大型承壓設(shè)備內(nèi)外表面分布著大量焊縫,焊縫余高一般控制在3 mm以內(nèi),磁橋磁極與壁面的間隙應(yīng)大于3 mm;同時(shí),由于磁橋磁極會(huì)吸附鐵銹,磁極與壁面的間隙應(yīng)在焊縫余高的基礎(chǔ)上再加一定裕量,但間隙不宜過大。因此,爬壁機(jī)器人磁橋的設(shè)計(jì)必須在保證機(jī)器人能順利跨越焊縫的同時(shí),依然能提供足夠大的吸附力,以保證機(jī)器人不發(fā)生滑移或傾覆。
綜上所述,筆者在設(shè)計(jì)磁橋時(shí)取氣隙高度為10 mm,此時(shí)磁橋可提供675 N左右的吸附力。原爬壁機(jī)器人后輪為磁輪,試驗(yàn)測(cè)得單個(gè)磁輪的磁吸附力為140 N,磁輪自重20 N,兩磁輪提供的吸附力的綜合為280 N,自重為40 N;而磁橋結(jié)構(gòu)的自重為25 N,提供的磁吸附力大于原先的2個(gè)后輪吸附力之和;同時(shí)10 mm的氣隙高度可以保證機(jī)器人順利跨越焊縫。為保持力的平衡,磁橋應(yīng)布置在前后兩組輪之間并靠近后輪的位置,且不妨礙后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。為此,筆者選擇在機(jī)器人中軸線離后輪連線100 mm處布置磁橋;通過計(jì)算,后輪具有353 N的吸附力。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)前期磁輪吸附方式的爬壁打磨機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn),采用了磁輪的吸附方式,并加裝了所設(shè)計(jì)的磁橋結(jié)構(gòu)。
為了解決大型承壓設(shè)備輪式爬壁機(jī)器人磁輪吸附力不足的問題,筆者對(duì)爬壁機(jī)器人磁吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:
(1)采用磁輪加磁橋組合吸附方式,通過兩種磁體位置布置來調(diào)節(jié)機(jī)器人的吸附力,可以既減輕重量,又提高整體的吸附力;
(2)磁橋的吸附力與空氣間隙、永磁體的磁化能力、銜鐵的磁導(dǎo)率和厚度、容器壁的材料和厚度、磁極間距等因素相關(guān);
(3)試驗(yàn)結(jié)果表明:空氣間隙對(duì)磁橋的吸附力影響大,氣隙高度減小,磁吸力會(huì)迅速增大;為保證爬壁機(jī)器人吸附力的同時(shí)兼顧其越障性能,應(yīng)選擇合適的空氣間隙;
(4)根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)磁橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),繼而將改進(jìn)后的爬壁打磨機(jī)器人應(yīng)用于某石化公司大型球罐內(nèi)表面焊縫打磨的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),有效解決了向上爬行時(shí)的打滑和橫向爬行時(shí)后輪側(cè)滑的問題,且機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)(References):
[1]潘佩霖,韓秀琴,趙言正,等.日本磁吸附爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)器人,1994,16(6):379-382.
[2]FISCHER W, TACHE F,SIEGWART R. Magnetic Wall Climbing Robot for Thin Surfaces with Specific Obstacles[C]. Proceedings of FSR 2007,Chamonix:IEEE,2007.
[3]劉淑霞,王 炎,徐殿國(guó),等.爬壁機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用[J],機(jī)器人,1999,21(2):148-155.
[4]李 航,孫厚芳,林青松,等.兩輪移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓,2006(7):179-180.
[5]聞 靖,頓向明,繆松華,等.變磁力吸附爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與爬越焊縫特性[J].機(jī)器人,2011,33(4): 405-410.
[6]沈青青. 磁粉探傷爬壁檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2014.
[7]任吉林.電磁檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.
[8]林錫忠,鄒俊芬,林 育.論電磁軛提升力[J].無損檢測(cè),2000,22(10):439-441.