風(fēng)載下高壓直流巡檢機(jī)器人磁力矩平衡方法

徐顯金，陳浩達(dá)，胡世超，嚴(yán) 宇

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068;2.國網(wǎng)湖南省電力公司帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004)

1 引言

隨著各國電力部門對機(jī)器人巡護(hù)高壓、超高壓輸電線路需求的增長，日本[1]、美國、加拿大等國家先后開展了高壓線路巡檢機(jī)器人的研究，其中代表性的作品有：加拿大魁北克水電研究院的“LineScout”巡檢機(jī)器人[2-4]，日本HiBot公司Paulo Debenest等人研制出的“Expliner”巡檢機(jī)器人[5]。自20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)相繼展開了輸電線路巡檢機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作(中科院自動化研究所等[6-9]單位)，并取得突破性進(jìn)展，如中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)的地線上行走的轉(zhuǎn)臂式兩臂巡檢機(jī)器人[10]，具備越障和爬坡功能。相比傳統(tǒng)巡檢方法，機(jī)器人巡檢具有能夠?qū)€路實(shí)時(shí)在線監(jiān)控、安全可靠、管理便捷、續(xù)航能力長等優(yōu)點(diǎn)。

高壓輸電線路一般架設(shè)在人煙稀少的空曠地帶。巡檢機(jī)器人在工作時(shí)，容易要受到風(fēng)、冰雪和高溫等環(huán)境因素的影響，其中風(fēng)力影響最為頻繁。風(fēng)作用于架空線路上行駛的巡檢機(jī)器人，在機(jī)器人機(jī)體上形成風(fēng)壓，產(chǎn)生水平方向上的載荷，風(fēng)速越大，風(fēng)壓隨之增大，風(fēng)載荷也越大；當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，機(jī)器人機(jī)身搖擺幅度變大，機(jī)身穩(wěn)定性變差，這樣不僅使機(jī)器人變得難以控制，大大降低巡檢作業(yè)的安全性和效率，并加大了機(jī)器人的能源負(fù)擔(dān)，且容易對行走輪和線路造成有害磨損，對機(jī)器人機(jī)身穩(wěn)定性與作業(yè)安全性造成較大影響。目前，國內(nèi)外所研究的巡檢機(jī)器人較少有涉及到風(fēng)載對其工作影響，文獻(xiàn)[11]分析了機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸對其受風(fēng)載荷大小影響，并對尺寸參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與優(yōu)化；文獻(xiàn)[12]提出一種風(fēng)載荷下巡檢機(jī)器人姿態(tài)檢測與作業(yè)優(yōu)化方法，但它們其并未從根本上解決風(fēng)載荷的影響。

在文獻(xiàn)[13-14]的基礎(chǔ)上，本文提出一種磁力矩平衡方法，為使高壓直流巡檢機(jī)器人在高空作業(yè)中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，建立了一種磁力矩模型來平衡風(fēng)載荷產(chǎn)生的風(fēng)力矩；當(dāng)機(jī)體發(fā)生傾斜時(shí)，通過控制磁力矩裝置的線圈電流產(chǎn)生一個(gè)與風(fēng)力矩大小相等、作用相反的磁力矩，維持機(jī)體在平衡穩(wěn)定狀態(tài)，從而消除風(fēng)載下機(jī)器人的打滑和磨損問題。作者依據(jù)理論設(shè)計(jì)了磁力矩系統(tǒng)物理模型；在60m架空輸電線路的工作環(huán)境下對巡檢機(jī)器人進(jìn)行了受力分析，建立了風(fēng)荷載下機(jī)器人的受力模型，然后運(yùn)用流固耦合的方法對機(jī)器人所受的風(fēng)力矩進(jìn)行了仿真分析；最后，對磁力矩裝置模型進(jìn)行仿真分析，通過仿真值與理論計(jì)算值的對比，驗(yàn)證了該方法理論的正確性。

2 磁力矩平衡實(shí)現(xiàn)原理

2.1 磁力矩裝置模型

磁力矩裝置模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，為配合巡檢機(jī)器人越障時(shí)的開合動作(如圖2所示)，將磁力矩裝置設(shè)計(jì)成關(guān)于高壓線左右對稱的左機(jī)體和右機(jī)體，通電線圈分別纏繞在磁力矩裝置的左、右機(jī)體的凸臺上。利用高壓線周圍產(chǎn)生方向確定的環(huán)形磁場的特性，在高壓線周圍合理地布置通電線圈，使線圈在環(huán)形磁場中產(chǎn)生安培力；線圈在高壓線周圍磁場中產(chǎn)生的安培力力矩很小，不足以克服風(fēng)載荷產(chǎn)生的風(fēng)力矩，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行于高壓線上，因此利用強(qiáng)導(dǎo)磁材料的強(qiáng)導(dǎo)磁、聚磁特性，設(shè)計(jì)特殊的外型結(jié)構(gòu)(如圖3所示)來改變磁感線方向，增大載流線圈在磁場中所受的安培力力矩，從而達(dá)到克服風(fēng)載荷作用的要求。

圖1 磁力矩裝置模型

圖2 巡檢機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

2.2 磁力矩平衡原理分析

磁力矩裝置的作用是為巡檢機(jī)器人提供克服風(fēng)載荷的力矩，其磁芯結(jié)構(gòu)如圖3所示，磁芯把高壓線周圍的環(huán)形磁感線誘導(dǎo)為沿著磁芯外型結(jié)構(gòu)的磁感線，為使通電線圈產(chǎn)生的力矩最大，將所有線圈都布置于高壓線直徑延長線方向，使其所受安培力垂直于高壓線直徑方向，其任意兩邊夾角為α。強(qiáng)導(dǎo)磁磁材料因其強(qiáng)導(dǎo)磁特性，將高壓線磁場強(qiáng)度大幅提高，使嵌入在強(qiáng)導(dǎo)磁材料中的通電導(dǎo)線受到較大的安培力，產(chǎn)生足夠的磁力矩以克服風(fēng)力矩。纏繞在磁力矩裝置的線圈所受安培力如圖4所示。

圖3 磁力矩裝置原理圖

圖4 磁力矩裝置受力圖

通電線圈在經(jīng)過強(qiáng)導(dǎo)磁材料誘導(dǎo)的高壓線磁場中受到安培力作用，根據(jù)安培定律可得任一凸臺上的第i個(gè)通電線圈所受的安培力為

Fi=2BI0Lsinθ

(1)

由于強(qiáng)導(dǎo)磁材料的強(qiáng)導(dǎo)磁、聚磁作用，使穿插于凸臺導(dǎo)向孔中的通電線圈周圍磁場大幅提高，所在磁場強(qiáng)度為

(2)

因?yàn)橥娋€圈與經(jīng)過誘導(dǎo)后磁場的磁感線相互垂直，即θ等于90°，所以每個(gè)線圈置于強(qiáng)導(dǎo)磁材料中的邊所受的安培力為

(3)

式(3)中，ur為軟磁材料的相對磁導(dǎo)率，u0為空氣磁導(dǎo)率(u0=4π×10-7H/m)，I0為線圈電流，I1為高壓線電流，L為磁力矩裝置厚度，R1為線圈兩受力邊與高壓線的距離。則該線圈產(chǎn)生的磁力矩為

(4)

通電線圈的其余兩邊分別置于空氣中，因空氣中磁導(dǎo)率u0很小，這兩邊在高壓線產(chǎn)生磁場中所受安培力很小，其對磁力矩裝置的影響可忽略不計(jì)。

由式(4)可知，磁力矩Mi與距離R1無關(guān)，即每個(gè)通電線圈受力邊所產(chǎn)生的力矩大小相等。假設(shè)磁力矩裝置的凸臺數(shù)為m，每個(gè)凸臺上線圈個(gè)數(shù)為n，則整個(gè)磁力矩裝置所受的力矩為

(5)

3 風(fēng)載荷分析

3.1 風(fēng)載下機(jī)器人受力模型與風(fēng)力分析

巡檢機(jī)器人在工作中受風(fēng)力影響較為頻繁，其中橫風(fēng)對機(jī)器人姿態(tài)的影響最大。因此，分析風(fēng)載荷對于在架空高壓線路上作業(yè)的巡檢機(jī)器人的影響，具有實(shí)際的研究意義。結(jié)合巡檢機(jī)器人在60m架空輸電線路作業(yè)環(huán)境，建立風(fēng)載荷下巡檢機(jī)器人受力模型，如圖5所示。風(fēng)載荷下，機(jī)器人所受風(fēng)力可分解為x，y，z三個(gè)方向的分力：橫向風(fēng)力Fx，豎直方向分力Fy，平行于線路方向的分力Fz。其中，橫向風(fēng)力Fx，豎直方向分力Fy對機(jī)器人影響較大，引起機(jī)器人在x，y兩個(gè)方向的擾動，分別是以線路為中心的左右橫向擺動和上下振動；分力Fz與機(jī)器人運(yùn)行方向同向或逆向，主要對機(jī)器人沿高壓線運(yùn)行的速度、加速度有影響。

圖5 風(fēng)載荷下機(jī)器人受力模型

已知機(jī)器人總質(zhì)量m=30kg，在不考慮極端條件高壓線隨風(fēng)擺動的情況下，一般風(fēng)速下由風(fēng)載荷引起的豎直方向分力Fy<

(6)

式中，ρ為空氣密度，通常下取1.225kg/m3；α為風(fēng)速不均勻系數(shù)；K為空氣動力學(xué)系數(shù)；Kh為高空風(fēng)速增大系數(shù)；A為受風(fēng)投影面積，單位為m2；v為風(fēng)速，單位為m/s。

在60m高度的架空輸電線路作業(yè)環(huán)境中，空氣動力學(xué)系數(shù)K=1.3，高空風(fēng)速增大系數(shù)Kh=1.31，風(fēng)速不均勻系數(shù)α與風(fēng)速有關(guān)[15]，見表1。

表1 風(fēng)速不均勻系數(shù)

當(dāng)風(fēng)級超過6級時(shí)，高壓線擺幅無法滿足機(jī)器人的工作條件。為了計(jì)算巡檢機(jī)器人行駛過程中不同風(fēng)級下風(fēng)力對機(jī)器人的最大影響，風(fēng)速v取風(fēng)力6級時(shí)地面風(fēng)速的最大值13.8m/s，將風(fēng)速不均勻系數(shù)α取1.0代入式(6)中化簡得：

Fx=198.65A

3.2 巡檢機(jī)器人受風(fēng)載荷影響分析

為便于分析，對復(fù)雜的巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的等效簡化，將分析無關(guān)或關(guān)系較小的部件刪除，簡化后如圖6所示。假設(shè)機(jī)器人左右完全對稱，計(jì)算風(fēng)載荷下機(jī)器人所受橫向風(fēng)力Fx，及其產(chǎn)生的風(fēng)力矩M風(fēng)。顯然，開合機(jī)構(gòu)關(guān)于線路上下對稱，風(fēng)載荷作用在其上產(chǎn)生的力矩相互抵消，所以這部分面積不計(jì)入計(jì)算。測得巡檢機(jī)器人的受風(fēng)投影面積A=0.089m2，則機(jī)器人在6級風(fēng)力、地面最大風(fēng)速13.8m/s下，機(jī)器人承受的橫向風(fēng)力Fxmax=17.679N，F(xiàn)xmax是巡檢機(jī)器人在線路上正常作業(yè)所能承受的最大的風(fēng)載荷值。

圖6 巡檢機(jī)器人簡圖

在風(fēng)載荷作用下，橫向風(fēng)力Fx產(chǎn)生的風(fēng)力矩M風(fēng)會使機(jī)器人姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，特別是在上坡路段運(yùn)行時(shí)，會導(dǎo)致靜摩擦力不足以克服重力而導(dǎo)致打滑，增大行走輪與高壓線之間的摩擦，減小行走輪的使用壽命，加大系統(tǒng)能耗。在越障過程中，過大幅度的擺動可能會造成行走輪脫離導(dǎo)線道路，甚至機(jī)器人摔落，導(dǎo)致巡檢作業(yè)失敗。

4 風(fēng)載荷的仿真分析

4.1 建立有限元仿真模型

運(yùn)用AnsysWorkbench17.0仿真軟件，按照上節(jié)中簡化的機(jī)器人結(jié)構(gòu)在軟件中建模，仿真采用單向流固耦合的分析方法[16-17]。然后應(yīng)用CFX模塊進(jìn)行風(fēng)載荷有限元分析，建立流場域，即創(chuàng)建一個(gè)模擬六級風(fēng)速并將機(jī)器人包裹的風(fēng)場環(huán)境；其次再對機(jī)器人運(yùn)用Static Structure模塊進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，將上一步計(jì)算求出的機(jī)器人表面風(fēng)壓轉(zhuǎn)化為其受風(fēng)表面的靜壓力，進(jìn)而求得機(jī)器人在風(fēng)載下所承受的風(fēng)力矩M風(fēng)。

風(fēng)載荷分析時(shí)，將機(jī)器人模型抑制，只在流場區(qū)域生成網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格用途為CFD網(wǎng)格，求解器設(shè)置為CFX，網(wǎng)格生長方式為Patch conforming。靜力分析時(shí)，將流場區(qū)域抑制，只對機(jī)器人模型生成網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分對分析結(jié)果十分重要，應(yīng)盡量讓劃分的網(wǎng)格規(guī)則、網(wǎng)格畸變程度要小，如圖7所示。網(wǎng)格共有638719個(gè)節(jié)點(diǎn)、377899個(gè)單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.7826，平均網(wǎng)格畸變度為0.227，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。

圖7 網(wǎng)格劃分后的機(jī)器人有限元模型

4.2 仿真分析

在CFX求解器中設(shè)置求解類型，選擇無熱傳遞，同時(shí)選擇模型k-Epsilon，穩(wěn)態(tài)求解。選擇不可壓縮空氣為流體材料，設(shè)置流體的材料為25℃空氣；然后設(shè)置邊界條件的各項(xiàng)參數(shù)，定義入口條件Inlet，設(shè)置normal speed為13.8m/s，定義出口條件Outlet，壓力為0Pa；流場域四周設(shè)置設(shè)置成壁，即為Wall，機(jī)器人也設(shè)置成壁，模擬其固體的屬性。求解計(jì)算后機(jī)器人表面壓力云圖及流線圖如圖8所示。

圖8 機(jī)器人表面壓力云圖及流線圖

將風(fēng)場分析的結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞到Static Structure中進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，在求解器中定義材料屬性；設(shè)置流固耦合面，將機(jī)器人所有與風(fēng)接觸的外表面設(shè)置為耦合面，使流體域與固體域之間順利完成數(shù)據(jù)傳遞；給機(jī)器人上部圓筒內(nèi)壁施加固定約束，模擬機(jī)器人風(fēng)載平衡時(shí)的狀態(tài)；求解后得到風(fēng)力矩M風(fēng)=3.35N·m。在基本參數(shù)及網(wǎng)格劃分方法不變的情況下，再對機(jī)器人模型進(jìn)行單獨(dú)的結(jié)構(gòu)靜力分析，將橫向風(fēng)力Fxmax=17.679N設(shè)置為面壓力代入仿真計(jì)算得力矩為3.84N·m。單獨(dú)靜力分析得到的力矩比單向流固耦合分析的結(jié)果大，是因?yàn)槟Ｐ蜎]有完全等效簡化，造成受風(fēng)投影面積減小。

5 磁力矩仿真分析

5.1 建立仿真物理模型

為了驗(yàn)證磁力矩裝置模型理論分析的正確性，將各參數(shù)實(shí)例化。取高壓電流I0=1000A，高壓線外電流密度為1000/(0.02×0.02π)A/m2，磁力矩裝置內(nèi)徑R0=0.04m，外徑R2=0.09m，壁厚為0.005m，夾角α=22.5°，凸臺個(gè)數(shù)m=8，強(qiáng)導(dǎo)磁材料材料采用MnZn鐵氧體，相對磁導(dǎo)率ur取1000N/A2，線圈電流I1=10A，線圈外電流密度為10/(0.0015×0.0015π)A/m2，磁力矩裝置的長度L=0.02m，線圈截面半徑r=0.0015m，為便于仿真分析，將實(shí)體模型中纏繞的線圈等效簡化為單獨(dú)的線圈。在上述條件下建立仿真物理模型。

5.2 仿真分析

利用COMSOL軟件進(jìn)行仿真，選擇物理場為磁場，設(shè)定磁力矩裝置模型材料屬性，網(wǎng)格劃分采用自由剖分三角形網(wǎng)格極端細(xì)化的劃分方式；通過設(shè)定自動計(jì)算電流及選擇穩(wěn)態(tài)求解器直接求解方式進(jìn)行模型求解計(jì)算?；诜抡嫖锢砟Ｐ蛥?shù)的設(shè)定，擬取線圈數(shù)n分別為2、4、6、8、10。如圖9所示，線圈數(shù)分別取2和8情況下的磁力矩裝置模型仿真截面圖。

圖9 不同線圈數(shù)仿真截面圖

從圖9中可以看出，嵌入在強(qiáng)導(dǎo)磁材料中線圈的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于置于空氣中線圈的磁場強(qiáng)度；磁芯把高壓線周圍的環(huán)形磁場誘導(dǎo)為繞磁芯外型結(jié)構(gòu)的磁感線，使其受到圍繞高壓線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。該仿真結(jié)果與理論分析基本-致，證明了本文提出方法的正確性。當(dāng)n分別取2、4、6、8、10時(shí)，仿真力矩Ms與理論計(jì)算結(jié)果M總?cè)绫?所示。

表2 不同線圈個(gè)數(shù)下的仿真磁力矩

由表2可知，隨著線圈數(shù)n的增加，仿真力矩與理論力矩的誤差越來越大，這是因?yàn)槔碚摲治鲞^程中沒有考慮磁耦合效應(yīng)，而且隨著n的增加，線圈分布越來越密集，磁耦合效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致線圈周圍磁場強(qiáng)度比理論強(qiáng)度??；從仿真圖中的面箭頭可以看出，磁感線并不是完全沿著理論預(yù)期的軌跡，這是導(dǎo)致誤差的主要因素。

根據(jù)不同線圈個(gè)數(shù)所受的磁力矩，利用MATLAB軟件擬合磁力矩裝置所受力矩與線圈個(gè)數(shù)n之間存在的關(guān)系曲線圖，如圖10所示。

圖10 力矩-線圈個(gè)數(shù)關(guān)系曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)特性，采用二次多項(xiàng)式曲線類型擬合，得到力矩與線圈個(gè)數(shù)之間關(guān)系的多項(xiàng)式為

Ms=-0.0126n2+0.7125n-0.3428

(7)

將風(fēng)載荷仿真結(jié)果M風(fēng)=3.35N·m代入上式中，得n=5.772，即在六級風(fēng)速下僅需每個(gè)凸臺6個(gè)通電線圈，再通過調(diào)整線圈電流的大小即可滿足平衡風(fēng)力矩的要求。

6 結(jié)論

針對高壓直流巡檢機(jī)器人高空作業(yè)過程中易受風(fēng)載荷影響，本文提出了一種基于高壓直流磁場的磁力矩平衡方法，根據(jù)高壓直流輸電線路周圍的磁場及強(qiáng)導(dǎo)磁材料的強(qiáng)導(dǎo)磁、聚磁特性建立了磁力矩裝置模型，通過理論計(jì)算證明在該模型下磁力矩的存在；建立了風(fēng)載下機(jī)器人的受力模型，并分析了風(fēng)載荷對其影響；然后機(jī)器人模型分別在風(fēng)場與磁場下進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果證明了方法的正確性。鑒于仿真結(jié)果出現(xiàn)的偏差，磁芯部分的設(shè)計(jì)有待優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)，該模型設(shè)計(jì)能夠滿足多種條件的使用要求，可以通過改變線圈電流方向來改變力矩方向，也可以改變線圈的電流大小來滿足不同風(fēng)力下所需磁力矩的大小。