基于新型永磁吸附爬壁机器人在风电运维中的应用论文_杨涛,李文明

摘要：风电机组的运维检修中，对于塔筒的油污清洗以及打磨、探伤、喷涂，叶片的检测以及故障定位等施工作业，风场仍然采用人工的方式进行，人员安全无法得到可靠的保障。本文提出一种采用永磁吸附技术的爬壁机器人作业手段，能够有效的替代人工进行高空高危作业，为风场智能运维检修提供一种新的思路和技术手段。通过研究开发和试验，本文所提出永磁吸附爬壁机器人已经完成了常规化的爬壁运行以及塔筒清洗测试，以爬壁机器人为平台，通过信息化和智能化手段，搭载适用于不同应用场景的功能模块，为实现风电机组的运维作业提供了安全有效的解决方案。

关键词：爬壁机器人；塔筒清洗；打磨喷涂；探伤；叶片检测；故障定位；智能运维

1爬壁机器人原理

1.1爬壁机器人技术和背景

爬壁机器人，是一种能够吸附至物体表面，能够垂直甚至倒立运动的新型机器人技术，主要是采用永磁吸附，真空负压吸附等技术手段。永磁吸附技术具备高可靠性，高负载能力，低能耗等特点，但是只能适用于在导磁物体的表面进行作业，真空吸附技术由于其负载能力较低，真空负压设备能耗较大，需要拖拽线缆和真空管道等缺点，其应用局限性较大。

1.2永磁吸附爬壁机器人关键技术和应用难点

永磁吸附爬壁机器人是否能够具备实用性，主要关键技术包括三个方面：（1）永磁吸附能力大小；（2）机器人越障能力；（3）作业能力。

1.2.1永磁吸附能力大小

对于爬壁机器人来说，其永磁吸附能力的大小，直接决定了爬壁机器人的负载能力及安全可靠性，爬壁机器人是否能够携带各种设备进行作业，以及是否具备足够大的吸力能够保障不会失效跌落，都需要以极强的永磁吸附作为前提。而目前永磁吸附爬壁机器人技术，又以履带驱动的机器人为主，通过简单的在履带上附加强磁块，来实现永磁吸附的效果以及机器人驱动的功能。

1.2.2机器人越障能力

对于一般的大型钢结构设备表面来说，在面与面的连接处一般存在高低不等的接缝，焊缝等障碍，机器人如何顺利的越过障碍，并且保障在履带与障碍接触后不影响履带的磁吸附能力，是考验爬壁机器人功能的难点。

1.2.3作业能力

爬壁机器人利用其磁吸附能力以及运动功能，在作业表面提供了稳定可靠的作业平台，如何在平台上有效的搭载辅助设备来进行运维作业施工，使得爬壁机器人能够真正具备实用性，是爬壁机器人能够产业化的关键，针对风电机组的维护来说，主要包括了塔筒清洗、塔筒探伤、塔筒打磨喷涂、叶片检测、叶片修复等各类应用场景，针对这一系列的应用场景，来进行各种应用场景功能模块的开发，是爬壁机器人能够在风电领域真正实现商用价值的关键。

2新型爬壁机器人技术以及在风电机组的应用

2.1新型爬壁机器人技术

基于永磁吸附的原理，我们设计开发了一种适用于风电机组运维作业的新一代爬壁机器人技术，通过对永磁履带结构的创新和改进，超强越障能力履带驱动技术开发，以及各类功能模块的设计，形成了针对风电机组运维作业的爬壁机器人作业体系。

2.1.1永磁吸附技术的改进

根据磁通的连续性原理及磁场的叠加原理，采用永磁体镶嵌至履带内，并在履带与作业表面接触的一侧设计固定磁系，通过磁系的叠加，从而放大永磁履带在经过固定磁系的磁场。永磁材料采用了高性能粉末烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）,其具有较高的磁能积、高的矫顽力和极好的性价比。磁轭材料选用低碳钢材料,原因是其价格低廉,有较好的导磁性、加工性能与机械强度。

通过磁系叠加后，由于履带磁系和固定磁系之间存在相对运动，因此通过Biot-Savart公式，可得固定磁系的气隙磁密，而在履带与作业表面接触的情况下，可将磁吸引力简化为：

其中：-磁吸引力(Kg), -气隙磁密（T）,气隙面积，()

因此通过气隙磁密，固定磁系与活动磁系之间的气隙面积，以及根据活动磁系与吸附作业面的气隙面积，可得总的磁吸引力F。

我们所选用N35性能牌号的烧结钕铁硼强力磁铁，磁铁的最大磁能积为35MGOe，假设我们选择的履带永磁铁表磁大小为3,700Gauss，固定磁系强磁块的表磁大小为4,810Gauss，计算可得磁场叠加后单个履带表面的吸力可达15.76，按照每个永磁履带面积为2计算，叠加后的吸力可达37.83kg，自重比可达1:150。

2.1.2越障功能的实现

履带的运动过程中，通过调整履带的张紧，使得履带能够适应障碍物而产生自适应的变形能力，而基于上述的磁场叠加技术，要使得履带在变形过程中，固定磁系也能够跟随履带一起变形，我们设计了一种通过铰链连接并与履带同轴心旋转的蛇节式固定磁系，使得固定磁系能够跟随永磁履带在越障时同时产生变形而完成越障，同时履带的张紧以及蛇节式固定磁系的张紧都靠弹簧来回位，从而使其在越障时能够自动调整适应并且随时回位，机构简单可靠，通过在蛇节式固定磁系上设计的一系列勾板，还能够使得永磁履带无法脱离固定磁系并保持一定大小的气隙，从而降低在越障过程中对磁场吸力的影响。

2.1.3功能模块的开发及应用

针对塔筒和叶片的各类维护作业，配套设计开发了一系列的功能模块来满足应用场景的各类需求，所有的功能模块都可以快速便捷的安装至爬壁机器人平台进行快速作业。主要包括了塔筒油泥和污垢的清洗作业，塔筒表面以及叶片的检测作业，塔筒的喷涂和打磨作业，塔筒的超声探伤作业等。

3.基于爬壁机器人的信息化和智能化运维

基于爬壁机器人技术平台，通过4G，物联网，大数据等技术手段，可实现风电机组运维检修作业的实时监控和远程操作分析，可将塔筒表面以及叶片表面的情况实时通过爬壁机器人技术平台传送回运维中心，并对故障点进行定位记录，追溯和后期处理，从而能够建立并逐步完善风电机组运维检修数据库以及数据分析平台，进一步提高运维检修的信息化和智能化水平。

4.结语

本文所提出的永磁吸附爬壁机器人，自重40KG，垂向负载能够达到60kg以上，其制造成本较低，运维作业成本较人工能够降低50%以上，通过搭载塔筒清洗和摄像头功能模块，已经完成了初步测试并且具备了实用价值。结合风电场的具体应用需求，通过对爬壁机器技术的不断改进和完善，使其未来能够成为风电机组运维检修的常态和重要工具，不仅能够保障风电场的正常运行，降低企业的风险和成本，更能提高运维检修作业的智能化和信息化水平，促进我国风电行业的技术改造和发展。

参考文献

[1]刘淑霞，王炎，徐殿国，等.爬壁机器人技术的应用[J].机器人，1999,21(2):148－155.

[2]徐泽亮，马培荪.爬壁机器人履带多体磁化结构吸盘的设计及优化[J].机械工程学报，2004,40(3):168-172.

作者简介

杨涛（1983.9-），男，湖南长沙，大学本科，工程师，主要从事水电、新能源生产管理.

论文作者:杨涛,李文明

论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期

论文发表时间:2020/3/16

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