風(fēng)機(jī)塔筒攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著技術(shù)的研究*

王景奕，劉 潔

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

風(fēng)機(jī)塔筒攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著技術(shù)的研究*

王景奕，劉 潔

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

以大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的風(fēng)機(jī)塔筒為實(shí)際應(yīng)用載體，結(jié)合風(fēng)機(jī)塔筒的尺寸結(jié)構(gòu)及特殊的外部環(huán)境，通過(guò)介紹以往各國(guó)研制的攀爬機(jī)構(gòu)所應(yīng)用的附著技術(shù)，對(duì)攀爬清洗機(jī)構(gòu)的附著機(jī)理進(jìn)行研究，并根據(jù)力學(xué)原理建立起附著受力的力學(xué)模型，在分析一些目前應(yīng)用較多的附著技術(shù)及相關(guān)原理的基礎(chǔ)之上，研究出一種應(yīng)用附著技術(shù)的正六邊環(huán)型框架絲杠機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用環(huán)型雙層框架結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)的附著能力得到提升和穩(wěn)定，利用絲杠連桿的伸縮來(lái)達(dá)到夾緊的目的。

風(fēng)機(jī)塔筒；攀爬清洗機(jī)構(gòu)；附著技術(shù)；機(jī)械夾緊；環(huán)型絲杠

1 引 言

21世紀(jì)是可再生能源的世紀(jì)，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代的主題，由于風(fēng)能資源非常豐富，所取容易且不會(huì)枯竭，所以風(fēng)能發(fā)電一直是世界上增長(zhǎng)最快的可再生資源?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的大型風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，高聳龐大的風(fēng)機(jī)塔筒設(shè)備成為其主要設(shè)備，如圖1所示。然而，由于風(fēng)能發(fā)電的外部環(huán)境十分惡劣，常年飽受雨雪風(fēng)沙的侵蝕，已經(jīng)嚴(yán)重侵害了風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備的使用壽命。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的清洗已變得至關(guān)重要。而如今，風(fēng)機(jī)塔筒的清洗方式仍舊依賴于人工懸吊的方式，如圖2所示。

圖1 風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備 圖2 人工懸吊清洗方式

因此，需結(jié)合各種諸多清洗機(jī)器人來(lái)研究出一種能代替人工清洗的智能自動(dòng)化的攀爬清洗機(jī)構(gòu)，從而來(lái)完成對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的清洗工作。然而，研究這種機(jī)構(gòu)首先要考慮機(jī)構(gòu)的附著技術(shù)。筆者正是結(jié)合風(fēng)機(jī)塔筒的獨(dú)特結(jié)構(gòu)及其外部環(huán)境的影響，分析各國(guó)的附著技術(shù)，來(lái)研究出一種適用于風(fēng)機(jī)塔筒的附著技術(shù)。

2 攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著技術(shù)綜述

早在20世紀(jì)90年代，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量的人力物力，對(duì)攀爬清洗機(jī)構(gòu)的附著技術(shù)進(jìn)行了理論和技術(shù)的研究，與此同時(shí)，也相繼出現(xiàn)了一些攀爬移動(dòng)的機(jī)器人。

1990年初，在四足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上，日本東京工業(yè)大學(xué)的宏瀨茂男等研究員研究出了NINJA系列的四足壁面移動(dòng)機(jī)器人[1-2]，如圖3所示。NINJA系列的四足壁面移動(dòng)機(jī)器人采用的是單吸盤(pán)式的吸附技術(shù)。圖4為1991年日本清水建設(shè)株式會(huì)社研制的用于玻璃清洗壁面移動(dòng)的機(jī)器人[3]，其附著技術(shù)采用真空吸附技術(shù)。

隨后不久，日本宮崎大學(xué)的西亮教授，又設(shè)計(jì)了一種使用螺旋漿推進(jìn)附著技術(shù)的壁面移動(dòng)機(jī)器人[4]，如圖5所示。而日本技術(shù)開(kāi)發(fā)研究所研制的多用途壁面機(jī)器人[5]，采用的是磁吸附技術(shù)，磁性的車(chē)輪吸附設(shè)計(jì)能夠使機(jī)器人可越過(guò)接縫和一定高度的臺(tái)階。

圖3 NINJA 系列機(jī)器人

圖4 玻璃清洗機(jī)器人 圖5 旋翼式機(jī)器人

英國(guó)的Portmouth大學(xué)于1998年開(kāi)發(fā)了一種框架式結(jié)構(gòu)多吸盤(pán)壁面爬行機(jī)器人，開(kāi)發(fā)這種機(jī)器人是為了檢查及清理核電站里面煤氣管道的連接段[6]。其中機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)框架與框架的相互運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的，再加上采用伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)外框之間的運(yùn)動(dòng)，從而使其目標(biāo)的定位功能得到大幅度的提高。

相對(duì)我國(guó)而言，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的單車(chē)體壁面移動(dòng)機(jī)器人[7]和北京航空航天大學(xué)研制的雙吸盤(pán)結(jié)構(gòu)的履帶式機(jī)器人[8]，均采用的是負(fù)壓吸附技術(shù)。

近年來(lái)，隨著生物科技技術(shù)的快速發(fā)展，壁面移動(dòng)機(jī)器人又不斷出現(xiàn)一些新的研究[9-10]，許多科研人員開(kāi)始嘗試?yán)眉{米技術(shù)來(lái)探索新的領(lǐng)域。其中，最有成果的研究報(bào)告是波特蘭劉易斯克拉克學(xué)院(Lewis&Clark College)的Kellar Autumn提出的，研究報(bào)告表明：由于壁虎的足端與墻壁之間間隙特別微小，能夠產(chǎn)生分子作用力，所以壁虎能夠平穩(wěn)地吸附于任何壁面，這種分子力被專家命名為范德華力[11]，壁虎通過(guò)對(duì)壁面壓力及與接觸面面積的控制，來(lái)產(chǎn)生大小不同的吸附力，從而實(shí)現(xiàn)壁虎足端對(duì)墻壁的吸附和脫開(kāi)?；趯?duì)壁虎爬墻的研究分析，Kellar Autumn應(yīng)用這種原理研制了一種用于壁面移動(dòng)機(jī)器人的仿生壁虎足端，如圖6所示。

圖6 仿生壁虎足端

3 附著機(jī)理

攀爬清洗機(jī)構(gòu)在正常的工作狀態(tài)下是平穩(wěn)駐留在筒壁上的，并且，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)外部環(huán)境等條件下，機(jī)構(gòu)必須能克服一定的外力干擾，使其保持著附著狀態(tài)，從而才能完成正常的工作。針對(duì)攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著在風(fēng)機(jī)塔筒壁的情況下進(jìn)行分析，機(jī)構(gòu)可能會(huì)表現(xiàn)出滑落的失效形式。滑落失效是指攀爬清洗機(jī)構(gòu)的附著面不脫離開(kāi)筒壁面，但是卻沿著筒壁面直線下落。根據(jù)工程力學(xué)理論原理對(duì)滑落這種失效形式做進(jìn)一步分析，產(chǎn)生滑落失效的最大原因是機(jī)構(gòu)的附著夾緊力不足，該機(jī)構(gòu)利用步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)絲杠傳動(dòng)產(chǎn)生夾緊塊對(duì)壁面壓力，同時(shí)也伴隨著摩擦力。只有當(dāng)摩擦力遠(yuǎn)大于機(jī)構(gòu)重力時(shí)，才能使機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的駐留在壁面上，因此，解決滑落失效的最直接途徑是使機(jī)構(gòu)擁有足夠大的夾緊力，即足夠大的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)對(duì)上述附著機(jī)理的研究分析，筆者將通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)建立力學(xué)模型來(lái)進(jìn)一步分析機(jī)構(gòu)在攀爬時(shí)的附著條件。

4 攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著受力的力學(xué)模型分析

研究分析攀爬清洗機(jī)構(gòu)的附著受力問(wèn)題之前，需根據(jù)特定的工作環(huán)境，對(duì)將要建立的力學(xué)模型假設(shè)兩點(diǎn)前提條件，從而達(dá)到簡(jiǎn)化力學(xué)理論模型的目的。

假設(shè)前提條件：①把攀爬清洗機(jī)構(gòu)看作是一個(gè)剛體來(lái)進(jìn)行力學(xué)分析；②把機(jī)構(gòu)在水平方向即X方向的受力情況看作是平衡狀態(tài)，可忽略不計(jì)。在滿足這兩點(diǎn)前提條件下，結(jié)合攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著在壁面的實(shí)際狀態(tài)，建立起機(jī)構(gòu)附著受力的力學(xué)模型。假設(shè)攀爬清洗機(jī)構(gòu)其中一個(gè)夾緊塊以速度v沿筒壁面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，其受力情況(忽略外界阻力)如圖7所示，其中，夾緊塊底部與筒壁面接觸點(diǎn)為O1，它是夾緊塊產(chǎn)生彎矩的中心點(diǎn)。

根據(jù)力學(xué)原理運(yùn)動(dòng)平衡條件可得出：

(1)

將圖中假設(shè)的各參數(shù)帶入平衡方程式(1)中得：

(2)

式中：G為機(jī)構(gòu)自身重力，N；P為機(jī)構(gòu)附著力(夾緊力)，N；N為筒壁對(duì)夾緊塊的支持力，N；F為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，N；M為N，P向夾緊塊重心簡(jiǎn)化時(shí)，對(duì)O1點(diǎn)的附著力矩，Nm；α為筒壁面與水平面的夾角。

圖7 力學(xué)模型

(3)

由于本機(jī)構(gòu)為六邊型框架結(jié)構(gòu)，故總的機(jī)械夾緊力應(yīng)為：P總=6P

(4)

只有當(dāng)機(jī)構(gòu)滿足了P總時(shí)，機(jī)構(gòu)才能平穩(wěn)的駐留在壁面上。

如圖7所示，對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行分析，機(jī)構(gòu)自身的重力可在圖示坐標(biāo)軸上分解為沿Y軸和Z軸兩個(gè)方向的分力。在受力平衡狀態(tài)下，重力在Y軸方向上的分力由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)平衡，而重力所產(chǎn)生的彎矩則是由附著力矩M來(lái)平衡。然而，在實(shí)際中，機(jī)構(gòu)還會(huì)被附著攀爬過(guò)程中所受到的外界干擾力和機(jī)構(gòu)本身驅(qū)動(dòng)裝置所帶來(lái)的慣性等因素影響，因此，機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中所受到的驅(qū)動(dòng)力要遠(yuǎn)比公式中所得數(shù)值大的多。在不考慮摩擦力的前提下，應(yīng)當(dāng)把握住機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置所帶來(lái)的附著力，而附著力矩M通過(guò)公式可知，要把握機(jī)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)和附著技術(shù)兩個(gè)問(wèn)題。因此，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置所帶來(lái)的附著力，機(jī)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)攀爬的附著技術(shù)這三個(gè)關(guān)鍵性因素是研究風(fēng)機(jī)塔筒攀爬清洗機(jī)構(gòu)的附著技術(shù)問(wèn)題時(shí)，所需考慮和深究的。

5 攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著狀態(tài)穩(wěn)定性的分析

通過(guò)對(duì)攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著機(jī)理，附著受力情況及附著技術(shù)的研究，可分析出影響機(jī)構(gòu)附著穩(wěn)定性的兩點(diǎn)因素：①筒壁表面可能會(huì)出現(xiàn)局部缺陷，或者在清洗過(guò)程中，清洗液或污染物等可能會(huì)夾緊塊的摩擦系數(shù)降低，將直接導(dǎo)致附著狀態(tài)不穩(wěn)定；②機(jī)構(gòu)本身自帶的驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和慣性力及在清洗過(guò)程中產(chǎn)生的清洗力等也會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)攀爬的附著穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，根據(jù)上述的分析可知，在設(shè)計(jì)附著技術(shù)時(shí)，要充分考慮各因素之間的影響，才能保證機(jī)構(gòu)附著的穩(wěn)定性、可靠性。

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒攀爬清洗機(jī)構(gòu)附著技術(shù)的深入研究，再結(jié)合風(fēng)機(jī)塔筒所處環(huán)境及塔筒圓錐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研究出一種應(yīng)用附著技術(shù)的正六邊環(huán)型框架絲杠機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)。由于風(fēng)機(jī)塔筒的筒壁為圓錐結(jié)構(gòu)，但傾斜角度幾乎為零，可看作是圓柱體結(jié)構(gòu)，故采用連接方式最穩(wěn)定且牢固的正六邊環(huán)型結(jié)構(gòu)，需將正六邊環(huán)型的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)到與圓柱體底圓外切圓大小即可，這樣就可滿足框架環(huán)繞筒壁附著的穩(wěn)定性；然后通過(guò)絲杠連桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制環(huán)型結(jié)構(gòu)的尺寸大小，使其可通過(guò)導(dǎo)柱自由伸縮，從而達(dá)到對(duì)筒壁的緊密附著；再利用液壓油缸作為驅(qū)動(dòng)伸縮動(dòng)力裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)伸縮來(lái)促使機(jī)構(gòu)上下反復(fù)循環(huán)攀爬，同時(shí)增大攀爬機(jī)構(gòu)的附著力，從而使得攀爬清洗機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定可靠的附著在塔筒上。

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Study on the Attaching Technology for Climbing Cleaning Mechanism of the Wind Turbine Tower

WANG Jing-yi， LIU Jie

(ChangchunUniversityofScienceandTechnology，MechanicalandElectricalEngineeringCollege，ChangchunJilin130022,China)

With large wind power generation equipments of fans tower drum for practical application carrier, combining with the size of the fan tower drum structure as well as the special external environment, through introducing the attaching technology that the developed countries ever used，the attaching mechanism of climbing cleaning institutions is discussed in the paper, and according to the principle of mechanics，the mechanical model of the mechanical is established based on mechanics principle. On the basis of analyzing the present application in some more attaching technology and relative principle, a technology that applies the six ring frame type ball screw machinery clamping agency is researched, the agency adopts ring type double frame structure, the adhesion ability of this mechanism is improved, and achieves the purpose of clamping using ball screw expansion of connecting rod.

fan tower drum；climb cleaning institutions；attached to the technology；Mmechanical grip；ring type ball screw

2013-12-06

王景奕(1964-)，男，吉林長(zhǎng)春人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及檢測(cè)方面的工作。

TH136

A

1007-4414(2014)01-0012-03