朱太云 柏祖軍 吳勇軍 張世武 陳忠 胡迪

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，合肥 230000；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230031）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求日益增長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也提出了更高的要求。變壓器在電網(wǎng)中是實(shí)現(xiàn)新能源高效、經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模匯集和構(gòu)建直流輸配電一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備[1]。為保證變壓器安全、正常、高效工作，需要定周期對(duì)變壓器進(jìn)行故障檢測(cè)，消除變壓器的安全隱患。油浸式變壓器正常人工檢修工序復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，使用油浸式變壓器故障檢測(cè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行故障檢測(cè)可以大大提高油浸式變壓器故障檢修效率。

為實(shí)現(xiàn)使用油浸式變壓器故障檢測(cè)機(jī)器人對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行故障檢測(cè)，解決傳統(tǒng)油浸式變壓器故障檢測(cè)施工周期長(zhǎng)的問題。本文提出一種油浸式變壓器故障檢測(cè)仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在機(jī)器人中部和尾部分別使用兩自由度仿生胸鰭和雙尾鰭作為驅(qū)動(dòng)器，并且在重心位置處安裝有沉浮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下的沉浮運(yùn)動(dòng)。完成了仿生機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使用流體仿真工具對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，并且加工制作了試驗(yàn)樣機(jī)。

1 油浸式變壓器故障檢測(cè)仿生機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

1.1 油浸式變壓器內(nèi)部環(huán)境分析

油浸式變壓器內(nèi)部主要有油箱、鐵芯、繞組等組成。變壓器油箱是變壓器的鐵質(zhì)外殼，設(shè)置有人孔，方便不吊罩檢查。鐵芯是變壓器基本的組成部件之一，作為變壓器的導(dǎo)磁通路使用硅鋼片疊成，鐵芯分為鐵芯柱和鐵軛兩個(gè)部分，鐵芯柱上套繞組，鐵軛將鐵芯連接起來使之形成閉合磁路。繞組是變壓器的導(dǎo)電回路，繞組都繞制在鐵芯上。其中繞組和繞組、繞組和油箱之間留有一定間隙，通常在發(fā)生故障的情況下，技術(shù)人員通過油箱上預(yù)留人孔進(jìn)入變壓器內(nèi)部通過預(yù)留的間隙進(jìn)行檢修工作。

油浸式變壓常見故障有絕緣老化、變壓器油油質(zhì)劣化、相間短路[2]等，基本上都可以通過視覺直觀判斷故障類型。加之油浸式變壓器內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜。預(yù)留通過空間有限，不利于人工進(jìn)入其內(nèi)部進(jìn)行檢修工作，使用仿生檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行油浸式變壓器故障檢測(cè)極具優(yōu)勢(shì)。

1.2 仿生機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

油浸式變壓器內(nèi)部環(huán)境的特殊性，決定了仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）仿生機(jī)器人工作在變壓器油中，要求機(jī)器人外殼具有一定的強(qiáng)度能夠抵抗下潛時(shí)變壓器油的壓力，同時(shí)為了便于裝配及后期維護(hù)，仿生機(jī)器人外殼應(yīng)具有可拆卸的密封結(jié)構(gòu)；2）在油浸式變壓器內(nèi)部仿生機(jī)器人要能夠在完成上浮下潛、前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，要求仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠提供足夠方向的驅(qū)動(dòng)力；3）使用仿生機(jī)器人的根本目的是采集變壓器故障信息，所以殼體內(nèi)部需要規(guī)劃合理，預(yù)留空間用于攜帶高清相機(jī)；4）油浸式變壓器內(nèi)部繞組與繞組、繞組與油箱之間空間狹小要求仿生機(jī)器人的整體尺寸能夠控制在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)對(duì)油浸式變壓器故障檢測(cè)工作環(huán)境要求的具體分析，本文設(shè)計(jì)了兩自由度胸鰭與雙尾鰭驅(qū)動(dòng)的仿生檢測(cè)機(jī)器人，實(shí)物圖如圖2所示。從整體上看仿生外殼分為3個(gè)部分：頭部?jī)?nèi)放置攝像頭及兩自由度仿生胸鰭；殼體中部放置有沉浮控制機(jī)構(gòu)、鋰電池及主控；尾端起到密封作用并固定有雙尾鰭驅(qū)動(dòng)器。

圖2 仿生故障檢測(cè)機(jī)器人樣機(jī)

2 油浸式變壓器故障檢測(cè)仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 仿生機(jī)器人外殼、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在大自然中魚類具有優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性和靈活性與其合理的流體外形具有密不可分的聯(lián)系。借鑒魚類合理的仿生外形利用仿生學(xué)設(shè)計(jì)出適合仿生內(nèi)檢機(jī)器人的外殼[3]。

從加工及裝配考慮外殼設(shè)計(jì)為3個(gè)部分：頭部外殼、中段外殼及尾部外殼。其中各部分之間通過螺栓連接固定。中部外殼和尾部外殼在連接處設(shè)計(jì)有密封結(jié)構(gòu)，二者連接形成一個(gè)密封閉合的艙體。其中頭部的外殼內(nèi)包含有一個(gè)密封透明艙用于固定高清相機(jī)。整體外殼使用ABS塑料制造，整個(gè)殼體的尺寸為20 cm×16 cm×12 cm，在常用材料中ABS塑料具有優(yōu)異的抗沖擊性能和耐低溫性能、表面光澤性好、易加工成型、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]。

使用O形圈密封主要是靠具有彈性的密封件在壓力的作用下發(fā)生變形，將密封結(jié)構(gòu)的間隙填滿實(shí)現(xiàn)有效密封[5]。密封圈密封原理如圖4所示。密封圈在外力作用下變形對(duì)接觸面有正壓力Pl，當(dāng)一側(cè)進(jìn)入液體時(shí)，液體對(duì)密封圈作用壓力為P，此時(shí)接觸面壓力Pl也相應(yīng)增大變?yōu)镻m。若此時(shí)的接觸壓力Pm大于液體對(duì)密封圈的壓力P，則密封有效；反之則密封失效，密封件會(huì)發(fā)生液體泄漏。在選取密封圈過程中盡量保持足夠的密封接觸面積，避免橡膠圈永久變形[6]。

圖3 機(jī)器人外殼爆炸結(jié)構(gòu)視圖

圖4 O形圈密封示意圖

根據(jù)密封原理，采用可拆裝式的凹槽內(nèi)沉入橡膠圈配合凸臺(tái)壓緊形式的密封方式。相比于常用的橡膠圈直接密封方式密封效果更可靠。在裝配時(shí)先將O形密封圈放入到凹槽內(nèi)，將尾鰭凸臺(tái)對(duì)準(zhǔn)位置再使用螺栓緊固完成連接及密封。密封圈材質(zhì)為丁腈橡膠。根據(jù)GB/T 3452.3-2005受外部壓力的標(biāo)準(zhǔn)密封圈尺寸選用密封圈內(nèi)徑d1=119 mm,密封圈截面直徑d2=1.9 mm。

2.2 檢測(cè)機(jī)器人仿生驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在變壓器油中需要完成上浮下潛、前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)器需要提供3個(gè)平移自由度方向及沿豎直方向旋轉(zhuǎn)自由度的驅(qū)動(dòng)力。使用兩自由度胸鰭配合雙尾鰭驅(qū)動(dòng)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

在考慮到驅(qū)動(dòng)器尺寸和控制的方式，其中兩自由度胸鰭由左右對(duì)稱的4個(gè)防水舵機(jī)構(gòu)成，因此不需要考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)。胸鰭的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由各個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)合成的，每側(cè)兩個(gè)舵機(jī)分別負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)和上下拍翼運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)通過舵機(jī)連接架固定在拍動(dòng)舵機(jī)的輸出軸上，2個(gè)拍動(dòng)舵機(jī)使用舵機(jī)固定架固定在頭部外殼中。按照控制程序設(shè)置的頻率、相位、振幅在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成預(yù)定的各種游動(dòng)模式。

尾鰭使用放置夾角為30°的2個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，在水平面內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)為本體提供驅(qū)動(dòng)力。通過調(diào)整舵機(jī)的對(duì)稱轉(zhuǎn)動(dòng)中心，可以實(shí)現(xiàn)直線游動(dòng)和左右轉(zhuǎn)彎游動(dòng)。

仿生內(nèi)檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由雙尾鰭和兩自由度胸鰭構(gòu)成。主要的推進(jìn)力由雙尾鰭提供，同時(shí)改變雙尾鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)中心也能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能；兩自由度胸鰭在游動(dòng)過程中主要用來保持仿生內(nèi)檢機(jī)器人平衡、姿態(tài)微調(diào)、小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎及實(shí)現(xiàn)精確游動(dòng)定位等。

2.3 檢測(cè)機(jī)器人沉浮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 密封圈壓縮剖面圖

圖6 兩自由度胸鰭結(jié)構(gòu)

圖7 雙尾鰭結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，仿生魚實(shí)現(xiàn)沉浮的方式主要有胸鰭調(diào)節(jié)、仿生魚鰾調(diào)節(jié)、重心調(diào)節(jié)等[7]。這些方法的原理都是改變仿生魚本體的重力和收到浮力之間的關(guān)系或者是改變胸鰭的受力方向，來達(dá)到仿生魚在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。但是目前所報(bào)道的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)尺寸過大不適用于小型的仿生機(jī)器人。

為增加仿生機(jī)器人在豎直方向上的機(jī)動(dòng)性，本文設(shè)計(jì)一種活塞式沉浮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。主要由減速齒輪組、電動(dòng)機(jī)、氣缸、活塞、螺桿組成。通過直流電電動(dòng)機(jī)控制螺桿上下運(yùn)動(dòng)來控制排出變壓器油的體積，可以改變內(nèi)檢機(jī)器人所受浮力與重力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)垂直方向上的高機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)。為了在調(diào)節(jié)浮力過程中不改變機(jī)器人的姿態(tài)，在安裝沉浮控制機(jī)構(gòu)后需要添加平衡塊微調(diào)重心，使得重心與氣缸中心線重合。

同時(shí)為了避免螺桿位移過度對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成破壞，在氣缸兩端極限位置安裝有霍爾傳感器來限制其運(yùn)動(dòng)極限位置，當(dāng)螺桿運(yùn)行到極限位置時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷信號(hào)停止螺桿向當(dāng)前方向的移動(dòng)。

沉浮機(jī)構(gòu)的性能特征參數(shù)如表1所示?；钊\(yùn)行到極限位置產(chǎn)生的豎直方向上的驅(qū)動(dòng)力為

圖8 沉浮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

有效行程/mm 活塞移動(dòng)速度/（mm·s-1） 最大推力F/N 70 2.3 140?

當(dāng)仿生機(jī)器人處于變壓器底部時(shí)(極限深度h=10 m)，活塞除了承受機(jī)器人內(nèi)外氣壓差產(chǎn)生的壓力FΔp外還要承受變壓器油產(chǎn)生的壓力Fo，為了保證電動(dòng)機(jī)能正常驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞最大推力F要大于所受壓力FΔp、Fo之和。其中：

活塞所受壓力之和為Fp=FΔp+Fo=135 N，小于推桿最大推力140 N，驗(yàn)證了極限情況下的沉浮機(jī)構(gòu)的有效性。

3 動(dòng)力學(xué)分析與仿真

3.1 仿生機(jī)器人胸鰭受力分析

在游動(dòng)過程中，由于胸鰭具有2個(gè)自由度，受力復(fù)雜，對(duì)胸鰭所受的力重點(diǎn)分析。定義左右2個(gè)胸鰭面法線與XZ面夾角為αR、αL；與XY面夾角為βR、βL。在XZ面投影與X軸夾角分別為αRt、αLt；在XY面投影與X軸夾角分別為βRt、βLt。

假定胸鰭是剛性的，運(yùn)動(dòng)過程中左右胸鰭受到流體正壓力分別為FR、RL。通過對(duì)右側(cè)胸鰭受力分析可知，胸鰭在運(yùn)動(dòng)過程中仿生機(jī)器人本體受到沿坐標(biāo)軸分力[FxFyFz]為

圖9 胸鰭受力分析示意圖

通過調(diào)節(jié)左右2個(gè)胸鰭不同的攻角和擺角就能獲得方向大小不同的驅(qū)動(dòng)力[FxFyFz]，依靠?jī)勺杂啥刃伥捑涂梢詽M足上浮下潛、前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作，為了獲得更好的機(jī)動(dòng)性，設(shè)計(jì)雙尾鰭來增加推進(jìn)力。

3.2 仿生機(jī)器動(dòng)力學(xué)仿真

使用通用的計(jì)算流體力學(xué)分析軟件Fluent對(duì)仿生機(jī)器人的水動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析。首先對(duì)仿生機(jī)器人外殼模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真。首先在劃分網(wǎng)格[8]后仿真出運(yùn)動(dòng)過程中流場(chǎng)內(nèi)速度等值線的分布圖，如圖10所示。

圖1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)

圖10 運(yùn)動(dòng)過程中速度等值線

通過結(jié)果可以看出，運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)周圍流場(chǎng)干擾程度較小，較符合外殼設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了研究雙尾鰭的推進(jìn)性能，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)通過用戶自定義函數(shù)（user defined functions,UDF）控制尾鰭的擺動(dòng)來得到所需的流場(chǎng)信息。

當(dāng)尾鰭以實(shí)際擺動(dòng)頻率2 Hz、擺動(dòng)幅度為±45°運(yùn)動(dòng)時(shí)，流場(chǎng)速度矢量形狀如圖11所示，通過觀察流場(chǎng)變化可以看出，雙尾鰭造成的流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相互耦合來增加尾鰭的推力。

圖11 雙尾鰭XY平面內(nèi)流場(chǎng)速度矢量圖

在對(duì)雙尾鰭推力性能進(jìn)行仿真分析時(shí)增加了另外兩組形狀不同的尾鰭作為對(duì)照組，以便為后期尾鰭優(yōu)化提供思路。對(duì)仿真結(jié)果分析可知，雙尾鰭產(chǎn)生的推力是周期交變的，推力峰值出現(xiàn)在兩個(gè)尾鰭匯合時(shí)。在不同形狀尾鰭推力圖（圖12）中可以看出仿生尾鰭的推力性能更好，驗(yàn)證了仿生尾鰭在實(shí)際中推力效果更好的現(xiàn)象。

圖12 不同形狀的尾鰭產(chǎn)生的推力

4 結(jié)語

本文從油浸式變壓器故障檢測(cè)需求出發(fā)，從殼體、密封設(shè)計(jì)、仿生鰭設(shè)計(jì)、沉浮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析與流體仿真等方面對(duì)本文進(jìn)行的工作進(jìn)行介紹。提出了一種用于油浸式變壓器內(nèi)部故障檢測(cè)的仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)沉浮機(jī)構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力大小及有效性進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，并對(duì)兩自由度胸鰭和雙尾鰭進(jìn)行了分析和流體仿真。計(jì)算分析及仿真結(jié)果表明，沉浮機(jī)構(gòu)在極限深度情況下可以產(chǎn)生豎直方向的驅(qū)動(dòng)力完成沉浮動(dòng)作，仿生兩自由度胸鰭及尾鰭可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力滿足上浮下潛、前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎等機(jī)動(dòng)動(dòng)作需求。為下一階段仿生檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)用于油浸式變壓器故障檢測(cè)奠定良好的基礎(chǔ)。