大型承壓設(shè)備爬壁機(jī)器人磁橋設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究*

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）

0 引 言

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。

1 爬壁機(jī)器人吸附要求分析

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。

2 爬壁機(jī)器人的磁橋設(shè)計(jì)

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。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

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)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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)。

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