一種地埋式污水處理廠巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

汪名峰 施海仁 李馳騁 馮玲玲

摘 要：生物反應(yīng)池是污水處理廠面積最大的惡臭污染源散發(fā)源，特別是地埋式污水處理廠，生物反應(yīng)池還肩負(fù)著人員巡視、設(shè)備運輸?shù)囊?，因此必須加蓋。污水處理廠生物反應(yīng)池加蓋，建成后看不見反應(yīng)池內(nèi)的情況，無法了解曝氣狀況。目前，在池板上開觀察孔，工作人員目測觀察情況為主，存在工作人員工作強度大，具備一定的危險性等情況。針對此類現(xiàn)象，文章設(shè)計了一種地埋式污水處理廠巡檢機器人，可有效解決此類巡視難題。文章對巡檢機器人的系統(tǒng)總體設(shè)計方案、機械結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動裝置等進(jìn)行了設(shè)計分析，通過ANSYS軟件仿真和實物測試的方法，設(shè)計并驗證了巡檢機器人在軌道上的可靠運行，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：巡檢機器人;機械結(jié)構(gòu);軌道強度仿真;救援

中圖分類號：TH113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.011

隨著土地資源的緊缺，城市空間被充分利用，越來越多的市政設(shè)施（污水處理廠、調(diào)蓄池等）趨向于半地下式和全地下式建設(shè)，由此導(dǎo)致了后期運行維護(hù)過程不便、影響維護(hù)人員安全等問題。文章中的巡檢機器人是為適應(yīng)污水處理廠及調(diào)蓄池等趨于地下式發(fā)展的需求，解決運行維護(hù)困難等問題，而研制開發(fā)的一款基于軌道的倒掛式行走巡檢機器人，集成安裝攝像頭、溫濕度、氣體等多種傳感器負(fù)載設(shè)備;其可以在生物反應(yīng)池蓋板下巡檢，觀察生物反應(yīng)池的曝氣情況，判斷曝氣強弱，實現(xiàn)對設(shè)備、環(huán)境的綜合檢測;而且，可以利用其自身的移動功能，通過后臺設(shè)定機器人巡檢方案，實現(xiàn)對污水處理廠及調(diào)蓄池的全天候、全方位、全自主巡檢和監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 巡檢系統(tǒng)總體設(shè)計方案

巡檢機器人系統(tǒng)主要由巡檢機器人、充電樁、現(xiàn)場控制箱、軌道、軌道支架、提升裝置、電動門及通信系統(tǒng)、綜合管理平臺組成，如圖1所示。

巡檢機器人沿固定安裝軌道運行，通過搭載的防爆攝像頭可實時采集檢測區(qū)域內(nèi)的污水參數(shù)和水面曝氣狀態(tài)等信息;充電樁安裝于生物反應(yīng)池混凝土蓋板上方，用于向機器人充電;導(dǎo)軌從充電站開始敷設(shè)，向下通過自動啟閉蓋板后進(jìn)入生物反應(yīng)池內(nèi)，固定在生物反應(yīng)池蓋板下方。巡檢機器人進(jìn)出的孔洞采用自動啟閉蓋板密封，能與巡檢機器人聯(lián)動;巡檢機器人通過無線通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實時傳輸至充電站，充電站與全廠中央控制室設(shè)置主網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸給綜合管理平臺;綜合管理平臺設(shè)置在全廠中央控制室內(nèi)，可以判別生物反應(yīng)池的曝氣狀態(tài)，對巡檢機器人的巡檢進(jìn)行監(jiān)控和管理，自動進(jìn)行報警、形成報表等[1]。

1.2 巡檢機器人總體設(shè)計

巡檢機器人總體結(jié)構(gòu)由動力機構(gòu)、左箱體、右箱體、連接筒、防爆探頭、防爆攝像頭、鎳鎘電池組以及電源轉(zhuǎn)換板、控制板等組成，其中鋰電池組、電源轉(zhuǎn)換板、控制板等安裝于左右箱體內(nèi)，其余部分與外界環(huán)境接觸。充電采用非接觸式充電方式，利用變壓器原理，內(nèi)外電極組成充電磁芯，利用感應(yīng)電流實現(xiàn)充電操作，外露電極無電流電壓，如圖2所示。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 軌道設(shè)計

按巡檢機器人巡檢路徑布局形式，軌道結(jié)構(gòu)可由直軌道及彎軌道等組成。其中，直軌道結(jié)構(gòu)形式采用“幾”字形結(jié)構(gòu)，可使用成型機對不銹鋼板進(jìn)行加工，具備成型效果好、驅(qū)動輪行走面平面度高等優(yōu)點，其材質(zhì)均采用304或316不銹鋼，表面做鈍化處理。

對于直軌道，單根長度為1.5 m;筆者建立模型，導(dǎo)入ANSYS有限元分析對其進(jìn)行受力分析，模擬工程使用中軌道安裝的情景，對導(dǎo)軌的兩安裝端添加固定約束，模擬2組懸吊輪對導(dǎo)軌施加壓力向下方向的載荷，取值F=300 N，主要分析整個導(dǎo)軌的形變和應(yīng)力[2]。

如圖3、圖4所示，可以看出導(dǎo)軌的最大形變量為0.23 mm，此數(shù)值很小，對巡檢機器人的穩(wěn)定運行不會造成影響，同時通過受力圖可以看出，軌道中間和固定位置出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力為23.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度207 MPa。通過軟件受力分析得到結(jié)論，軌道承載力足夠滿足使用需求，結(jié)構(gòu)合理。

對于彎軌道，設(shè)計為90°彎的結(jié)構(gòu)形式，保證巡檢機器人通過性好，其最小彎曲半徑由巡檢機器人長度和前后懸吊輪的間距決定，筆者在此設(shè)計最小彎曲半徑為1.2 m。

2.2 驅(qū)動裝置設(shè)計

2.2.1 驅(qū)動阻力的計算

巡檢機器人在水平導(dǎo)軌上勻速行駛時，阻力主要來源于導(dǎo)軌的滾動阻力和空氣阻力;巡檢機器人必須首先克服最大靜摩擦力，才能保證能啟動，正常行駛時滾動阻力總是比靜摩擦力小得多，因此，計算啟動阻力即可[3]。

最大靜摩擦力用符號F1表示，空氣阻力用符號F2表示;同時，當(dāng)巡檢機器人在軌道上行駛時，因為軌道安裝等因素，軌道存在一定的坡度，因此還必須克服重力沿軌道的分力，稱為坡度阻力，用符號F3表示;巡檢機器人加速行駛時需要克服的阻力稱為加速阻力，用符號F4表示。因此，巡檢機器人運行的總阻力為：

∑F=F1+F2+F3+F4

最大靜摩擦力的計算：

F1=μ*FN

式中：μ為最大靜摩擦系數(shù)，即驅(qū)動輪滾動臨界時所需的推力與對應(yīng)導(dǎo)軌的正壓力FN之比。通過試驗，筆者取靜摩擦系數(shù)μ=0.6進(jìn)行計算：

F1=0.6*300=180（N）

空氣阻力的計算?？諝庾枇=KV，其中，K為空氣阻力系數(shù)，計算公式為：K=ρ*V2*C*A/2;式中，ρ為空氣密度;V為速度，C為空氣阻力系數(shù)，A為巡檢機器人迎風(fēng)面積。因為巡檢機器人行駛在相對密閉的室內(nèi)空間，同時，機器人迎風(fēng)面積也比較小，因此，空氣阻力對巡檢機器人行駛的影響忽略不計。因此，計算F2=0（N）。

坡度阻力的計算。軌道因為安裝問題，存在較小的安裝坡度，取最大安裝坡道角為α=5°，則坡道阻力為：F3=G*sin5°=26.1（N）。式中，G為巡檢機器人重力。

加速阻力的計算。巡檢機器人在加速行駛過程中，因加速運動時產(chǎn)生的慣性力，即加速阻力F4;設(shè)巡檢機器人從起始靜止?fàn)顟B(tài)經(jīng)過位移S=l m時，其車速達(dá)到最大值Vmax=1.2 m/s，則巡檢機器人的加速度為：a=Vmax/2=1.2/2=0.6m/s2。

故加速阻力為：F4=m*a=18（N），因此巡檢機器人運行的總阻力為：

∑F=F1+F2+F3+F4=224.1（N）

結(jié)合巡檢機器人軌道的結(jié)構(gòu)形式，筆者分別對直軌狀態(tài)下起動和彎軌狀態(tài)下起動進(jìn)行分析：

直軌狀態(tài)下起動。牽引巡檢機器人運動的驅(qū)動力與速度，不僅取決于電機功率和減速器，同時還受到主動輪直徑大小的影響，主動輪直徑越大，運動速度將增大，驅(qū)動力則減小;相反，主動輪直徑變小時，最后的運動速度將降低，驅(qū)動力則增大;結(jié)合巡檢機器人的結(jié)構(gòu)外形尺寸，設(shè)計主動輪直徑D=87 mm。因為總的運動阻力為：ΣF=224.1 N，則總的運動阻力矩為：∑T=∑F*D/2=9.75（Nm）

因此，驅(qū)動系統(tǒng)電機驅(qū)動力矩至少為：T=9.75 Nm，同時要考慮留有一定的余量。

彎軌狀態(tài)下起動。巡檢機器人在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，行駛速度為直軌狀態(tài)下行駛速度的1/3，筆者取速度V=0.4 m/s;設(shè)開始起動后1 s內(nèi)達(dá)到正常運行速度，取最大值0.4 m/s進(jìn)行計算;巡檢機器人轉(zhuǎn)向時，因單電機驅(qū)動，主動輪行駛速度相比直軌狀態(tài)下較小，因此，總的運動阻力矩比直軌狀態(tài)下小[4]。

2.2.2 電機及減速器機的選定

按照巡檢機器人驅(qū)動力的計算需求，綜合電機和傳動裝置的尺寸、重量、成本等多因素，直流無刷電機輸出功率選為90 W，其性能參數(shù)如表1所示。

然后確定傳動裝置的總傳動比：總傳動比i=30;選用紐卡特行星減速機，該減速機結(jié)構(gòu)緊湊、回程間隙小、精度較高，其性能參數(shù)如表2所示。

因此，總驅(qū)動力矩T=0.43*30*97%=12.5（Nm），滿足設(shè)計需求。

2.3 救援裝置

在設(shè)計過程中，筆者考慮到巡檢機器人運行到地下水池內(nèi)部時，由于驅(qū)動或機械故障，會導(dǎo)致巡檢機器人無法返回檢修平臺或充電樁，因此筆者為巡檢機器人設(shè)計救援裝置，由救援機器人對其進(jìn)行牽引并拉回檢修平臺。

巡檢機器人前后端均設(shè)計有拉環(huán)機構(gòu)，當(dāng)操縱救援鉤至巡檢機器人的拉環(huán)機構(gòu)時，內(nèi)置的彈性裝置會削弱巡檢機器人的驅(qū)動輪與軌道之間的摩擦力，從而使巡檢機器人能夠被牽引回檢修平臺。

3 實物測試及分析

根據(jù)巡檢機器人測試需求，筆者搭建了巡檢機器人測試系統(tǒng)，包含巡檢軌道、安裝支架、變軌裝置、充電樁及現(xiàn)場控制箱等。巡檢機器人試驗狀態(tài)圖如圖5所示。

巡檢機器人試驗裝置主要由以下幾部分組成：

巡檢軌道：用于巡檢機器人運行導(dǎo)向支撐，巡檢機器人沿軌道行走并進(jìn)行工作;該軌道分為直軌道、水平彎軌等;

安裝支架：用于巡檢軌道吊掛支撐，采用方管焊接，支架放置在水平橫梁上，局部做加強處理，滿足試驗軌道強度的要求;

變軌裝置：通過電動推桿運行，實現(xiàn)直軌與彎軌變換。當(dāng)變軌裝置變?yōu)閺澻墪r，使巡檢機器人在閉環(huán)軌道上運行完成巡檢任務(wù);當(dāng)變軌裝置變?yōu)橹避墪r，巡檢機器人可從充電樁駛?cè)胙矙z軌道，或者機器人巡檢完成后從巡檢軌道返回充電樁進(jìn)行充電;

充電樁：巡檢機器人完成巡檢后返回充電樁中，在充電樁內(nèi)為巡檢機器人充電;

現(xiàn)場控制箱：巡檢機器人現(xiàn)場控制箱用于控制電動門與巡檢設(shè)備聯(lián)動，控制變軌裝置配合巡檢任務(wù)，隨時變更直軌或彎軌，以及控制巡檢機器人充電回路;現(xiàn)場控制箱配置有觸摸屏，可實現(xiàn)巡檢機器人現(xiàn)場控制，執(zhí)行相應(yīng)的巡檢任務(wù)。

4 結(jié)語

通過對巡檢機器人及巡檢機器人控制平臺的多次試驗，巡檢機器人本體機械結(jié)構(gòu)性能得到了驗證，具體為巡檢機器人的運動功能、軌道運行及爬坡提升能力等方面滿足工程功能需求。目前，該巡檢機器人在上海白龍港污水處理廠、肥東店埠河調(diào)蓄池等項目上投入使用，該機器人可有效解決人工觀測生物反應(yīng)池水面曝氣難題，觀察調(diào)蓄池內(nèi)部設(shè)備及進(jìn)行環(huán)境的綜合檢測，從而實現(xiàn)污水處理廠等的自動化維護(hù)管理。

參考文獻(xiàn)

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