趙軍友, 張亞寧, 畢曉東, 閆成新, 董亞飛

(1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東濰坊 261000)

目前對于大型油罐進(jìn)行的除銹主要是由人工手持噴槍進(jìn)行除銹作業(yè),除銹過程造成大量粉塵及噪音污染。爬壁機(jī)器人作為特種機(jī)器人的分支,能夠代替工人通過攜帶噴槍,在油罐壁面上執(zhí)行除銹任務(wù)[1-6]。近年來,國內(nèi)外從不同方面對爬壁機(jī)器人進(jìn)行了研究,如熊雕等[7]對履帶式爬壁機(jī)器人進(jìn)行受力分析和穩(wěn)定性仿真研究,但沒有深入研究履帶式爬壁機(jī)器人穩(wěn)定可靠運(yùn)行的條件;王瑞等[8]對三角履帶爬壁機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真,并實(shí)現(xiàn)了越障功能,但是負(fù)載能力不足;目前國內(nèi)爬壁機(jī)器人存在負(fù)載能力不足、穩(wěn)定性較差等問題,而且對于磁吸附單元的研究較少。磁吸附結(jié)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)的核心部分,為爬壁機(jī)器人正常爬行提供吸附力保證。為了產(chǎn)生較大的吸附力必然要求增加磁吸附結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量,這影響爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性,增大了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載。優(yōu)化設(shè)計(jì)磁吸附單元,以兼顧爬壁機(jī)器人的可靠吸附和靈活運(yùn)動(dòng),是爬壁機(jī)器人研制的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-10]。為此,筆者通過對爬壁機(jī)器人不下滑和不傾覆兩種力學(xué)模型分析,為爬壁機(jī)器人磁吸附單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。對磁吸附單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量分析,得到各個(gè)參數(shù)與吸附力之間的變化規(guī)律,使磁吸附單元在一定體積范圍內(nèi)提供更大的吸附力。同時(shí)設(shè)計(jì)輔助吸盤,增加爬壁機(jī)器人抗傾覆能力,減小磁吸附單元的負(fù)擔(dān)。

1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力分析

1.1 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人主要包括機(jī)器人框架、磁性履帶、輔助吸盤、電機(jī)、減速器及控制單元和噴砂回收器,如圖1所示。爬壁機(jī)器人由磁性履帶提供與壁面間的吸附力,磁性履帶由磁吸附單元組成,輔助吸盤安裝在機(jī)器人前端,用于提供輔助吸附力。機(jī)器人后腔用于安裝噴砂回收器,噴砂回收器上有噴砂管和噴砂回收管,可實(shí)現(xiàn)噴砂除銹和回收再利用的功能。

圖1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.2 輔助吸盤設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人在重力和負(fù)載的作用下,在越障的過程中,存在著發(fā)生縱向傾覆的危險(xiǎn),磁性履帶第一個(gè)磁吸附單元與壁面形成的吸附力為機(jī)器人提供抗傾覆力矩。為增加抗傾覆力矩和吸附性能,在機(jī)器人前端設(shè)計(jì)輔助吸盤,圖2為輔助吸盤。輔助吸盤包括輔助吸盤主體、萬向輪、越障裝置、磁吸附單元,越障裝置在爬越障礙物時(shí)可以將輔助吸盤翹起,輔助吸盤主體的兩側(cè)各有一排萬向輪,中間部分排布磁吸附單元。磁吸附單元與壁面距離為2 mm,故輔助吸盤只有萬向輪與壁面接觸,因此與壁面之間只存在很小的滾動(dòng)摩擦力,有利于減小磁吸附單元的負(fù)擔(dān),從而減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩負(fù)擔(dān)。

圖2 輔助吸盤

1.3 爬壁機(jī)器人靜力分析

對爬壁機(jī)器人不下滑和不傾覆兩種力學(xué)模型[11-13]進(jìn)行分析,為磁吸附單元的吸附力設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

首先對不下滑力學(xué)模型進(jìn)行分析。

一般狀態(tài)下,即輔助吸盤吸附時(shí),爬壁機(jī)器人在滿足不下滑條件下所需每個(gè)磁吸附單元的吸附力及在輔助吸盤不吸附狀態(tài)時(shí)所需每個(gè)磁吸附單元的吸附力Fm分別為

(1)

(2)

式中,Ga為爬壁機(jī)器人自重,N;Gb為爬壁機(jī)器人負(fù)載,N;α為油罐傾斜角度;Fc為輔助吸盤吸附力,N;Fa為負(fù)壓吸附力,N;Fy為噴砂反沖力,N;μ為摩擦系數(shù);n為單側(cè)履帶上磁吸附單元與壁面接觸的個(gè)數(shù)。

將Gb=1 400 N,Fc=400 N及其他各參數(shù)代入式(1)和式(2),并用Maple軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,可得在不下滑模型中,兩個(gè)狀態(tài)所需磁吸附單元磁力與油罐壁面角度之間的曲線圖,如圖3所示?？芍趦煞N狀態(tài)下,壁面傾斜角為11°所需磁吸附單元吸附力最大。其在一般狀態(tài)下所需單個(gè)磁吸附單元吸附力為224 N,輔助吸盤不吸附的狀態(tài)下所需吸附力為232 N。這是由于輔助吸盤萬向輪與壁面之間為滾動(dòng)摩擦,僅提供吸附力,滾動(dòng)摩擦力可忽略不計(jì),故輔助吸盤對于爬壁機(jī)器人是否保持不下滑狀態(tài)影響很小。

圖3 不下滑模型中吸附力與壁面角關(guān)系

其次對不傾覆力學(xué)模型進(jìn)行分析。

一般狀態(tài)下,爬壁機(jī)器人在滿足不傾覆的條件時(shí)所需每個(gè)磁吸附單元的吸附力及輔助吸盤不吸附狀態(tài)時(shí)所需每個(gè)磁吸附單元的吸附力模型分別為

(3)

(4)

式中,Fm1為第一個(gè)磁吸附單元的吸附力,N;l1為重心沿壁面與第一個(gè)吸附單元中心的距離,m;la為機(jī)器人中心沿壁面與最后一個(gè)吸附單元中心的距離,m;lb為負(fù)載重心沿壁面與最后一個(gè)吸附單元中心的距離,m;lc為輔助吸盤中心沿壁面與最后一個(gè)吸附單元中心的距離,m。

將Gb=1 400 N,Fc=400 N及其他各參數(shù)分別代入式(3)和式(4),用Maple軟件進(jìn)行數(shù)值仿真,如圖4所示。分析圖4可得,壁面傾斜角為54.3°時(shí)所需磁吸附單元吸附力最大。在一般狀態(tài)下,所需磁吸附單元吸附力為114 N,輔助吸盤不吸附狀態(tài)時(shí)為374 N。相較不下滑模型相差較大,這是因?yàn)榕辣跈C(jī)器人傾覆時(shí)從最上端開始掀起,輔助吸盤作用在爬壁機(jī)器人最上端,恰好彌補(bǔ)了最上端一個(gè)磁吸附單元的吸附力,增加了抗傾覆力矩。

圖4 不傾覆模型中吸附力與壁面角關(guān)系

通過分析圖3和圖4可得,在輔助吸盤不吸附的狀態(tài)下,油罐壁面傾斜角為54.3°時(shí)為最危險(xiǎn)角度,所需單個(gè)磁吸附單元吸附力為374 N。故爬壁機(jī)器人每個(gè)磁吸附單元的吸附力至少為374 N時(shí),即可保證在任意傾斜角度的油罐壁面正常爬行。

2 磁吸附單元磁力仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁吸附單元由隔磁板、軛鐵板、加強(qiáng)筋、橡膠圈和永磁鐵組成,如圖5所示。隔磁板采用強(qiáng)力膠與軛鐵板粘連,永磁鐵由內(nèi)六角螺栓固定于軛鐵板上,兩側(cè)橡膠圈用于增加爬壁機(jī)器人與油罐壁面間的摩擦力。

圖5 磁吸附單元

2.1 永磁材料的選擇及參數(shù)化建模

燒結(jié)釹鐵硼[14]具有較高的矯頑力、磁能積和能量密度,是目前磁性能最高的永磁材料。選擇燒結(jié)釹鐵硼N35H,軛鐵材料選為Q345鋼。選擇工作面內(nèi)磁力線密集且磁感應(yīng)強(qiáng)度較大的乙型回路。在Ansoft軟件中建立磁吸附單元參數(shù)化模型,由于磁吸附單元安裝在特殊設(shè)計(jì)的鏈條上,所以磁吸附單元的寬度固定,將磁鐵塊的寬度b設(shè)為20 mm,長度l為20～40 mm,高度h為5～20 mm,軛鐵厚度n為1～3 mm,隔磁板厚度m變化范圍為1～5 mm。

2.2 永磁鐵長度及厚度參數(shù)化分析

分別控制單一變量對永磁鐵長度l及厚度h進(jìn)行參數(shù)化仿真,將仿真結(jié)果繪制成如圖6所示的曲線。

圖6 參數(shù)化仿真

分析圖6(a)可以看出,永磁鐵的吸附力隨其長度的增大而增大,長度增加一倍,吸附力從251.62 N增長到434.10 N,增加了72.5%。這是由于乙型回路的磁力線主要集中在磁吸附單元的中間和兩端,隨著磁體長度增大,中間和兩端的磁力回路不發(fā)生變化,利用率降低,所以磁鐵塊的長度不應(yīng)過長。

分析圖6(b)可以看出,吸附力隨厚度增加呈拋物線增長。厚度從5 mm增加到11 mm,吸附力增加較快,厚度增加了1.2倍,吸附力從188.32 N增加到407.69 N,增加了116.49%,本階段磁鐵的利用率較高,原因是工作面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度持續(xù)增大;當(dāng)永磁鐵厚度大于寬度的0.6倍時(shí),即大于12 mm時(shí),厚度持續(xù)增加對吸附力的貢獻(xiàn)減小,原因是工作面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于飽和。所以永磁鐵的厚度取值范圍應(yīng)不大于寬度的0.6倍,即厚度取值為10～11 mm。

2.3 軛鐵板厚度及隔磁板厚度參數(shù)化仿真

軛鐵板厚度和隔磁板厚度對吸附力有不同程度的影響,軛鐵板的厚度越小,軛鐵磁化后則容易磁飽和;隔磁板厚度越小,則磁回路越往中間集中,造成中間吸附力大而兩邊吸附力小的情況,過大則難以形成回路。為得到最佳尺寸,軛鐵厚度n設(shè)為1、2和3 mm分別進(jìn)行3次仿真計(jì)算,每次計(jì)算中隔磁板厚度設(shè)為1～5 mm,變化間隔為1 mm,其計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 磁吸附單元參數(shù)化仿真

分析圖7可知,隨著隔磁板厚度增加,吸附力總體呈先增大后減小的趨勢。隔磁板厚度大于3 mm后,吸附力小于385 N,原因是隔磁板厚度增大導(dǎo)致兩側(cè)磁鐵間隔過大,難以形成磁回路;當(dāng)隔磁板厚度和軛鐵板厚度同時(shí)為2 mm時(shí),磁吸附單元吸附力最大。通過對磁吸附單元的仿真及分析結(jié)果,在保證吸附力的同時(shí)減小磁吸附單元體積[15-16],最終設(shè)計(jì)出磁吸附單元各尺寸:磁鐵長度、高度和寬度分別為35、10和20 mm,軛鐵板厚度為2 mm,隔磁板厚度為2 mm。

3 爬壁機(jī)器人各項(xiàng)性能試驗(yàn)

3.1 磁吸附結(jié)構(gòu)吸附力

按照設(shè)計(jì)尺寸加工并組裝出磁吸附單元,如圖8(a)所示。采用萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)測試其在不同吸附間隙下的吸附力,上夾頭夾裝磁吸附單元,下夾頭夾裝Q345鋼板,用于模擬油罐鋼板,試驗(yàn)過程如圖8(b)所示。

圖8 磁吸附單元吸附力測試試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中,上夾頭勻速向上拉升,最后得到圖9所示的吸附力與間隙之間的關(guān)系。由圖9可知,吸附間隙小于3 mm時(shí),吸附力隨著間隙增大而驟減,在吸附間隙為0.255 mm時(shí)獲得最大吸附力380.8 N,這是因?yàn)槭褂美煸囼?yàn)機(jī)測吸附力是一個(gè)從0間隙緩慢施加拉力的過程,開始拉伸時(shí)無法準(zhǔn)確測出吸附力。

圖9 吸附力與間隙關(guān)系

3.2 爬壁機(jī)器人負(fù)載、越障及除銹試驗(yàn)

對爬壁機(jī)器人進(jìn)行組裝,磁吸附單元個(gè)數(shù)為58個(gè),附壁個(gè)數(shù)為23個(gè)。圖10(a)為爬壁機(jī)器人空載時(shí)在54°試驗(yàn)臺上附壁圖,圖10(b)為爬壁機(jī)器人在垂直試驗(yàn)臺上負(fù)載兩個(gè)成年人(約140 kg)的附壁圖,圖10(c)、(d)分別為爬壁機(jī)器人越障及現(xiàn)場噴砂除銹效果圖。通過爬壁機(jī)器人性能試驗(yàn)可知,在固定負(fù)載的情況下,爬壁機(jī)器人可在任意傾斜角度的油罐壁面穩(wěn)定吸附,且有一定的越障能力。在保證工業(yè)除銹質(zhì)量等級達(dá)到Sa2.5的前提下,爬壁機(jī)器人最大爬行速度為0.25 m/s,除銹寬度為100 mm,即在最大爬行速度下除銹效率為90 m2/h,約為人工除銹效率的兩倍?？捎糜趦?chǔ)油罐、船舶、海洋平臺等大型鋼鐵裝備的除銹作業(yè)。

圖10 爬壁機(jī)器人性能試驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1)輔助吸盤在不傾覆模型中對爬壁機(jī)器人吸附能力影響較大。油罐壁面傾斜角為54.3°時(shí)是最危險(xiǎn)角度,此時(shí)所需磁吸附單元吸附力為374 N,所設(shè)計(jì)的磁吸附單元實(shí)際吸附力為380～390 N,可保證在任意傾斜角度的油罐壁面穩(wěn)定吸附。

(2)用多因素設(shè)計(jì)優(yōu)化方法確定各尺寸參數(shù),進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在提高吸附力的同時(shí)減小磁吸附單元體積。加工組裝出磁吸附單元樣品,驗(yàn)證其吸附力滿足設(shè)計(jì)要求;加工并組裝出爬壁機(jī)器人樣機(jī),在試驗(yàn)室內(nèi)能夠進(jìn)行垂直壁面和54°壁面的附壁、負(fù)重、越障及噴砂除銹試驗(yàn)。