海上风力发电机塔架攀爬机器人机体结构的有限元分析

    张越　张印辉　何自芬

    

    

    

    摘 要：通过设计海上风力发电机塔架攀爬机器人的结构，利用有限元分析，对机器人的传动部分、支架部分、攀爬部分进行分析，利用有限元方法以及理论计算进行对照，将传动部分的齿轮、攀爬部分的滚轮、支架部分的压紧块进行了有限元分析，得出结论，机体结构合理，强度较高，疲劳寿命好，振动较低，不易产生共振，可以很好地在海上风力发电机上工作，为后续海上风力发电机塔架攀爬机器人的研究提供了有效的帮助。

    关键词：海上风力发电机;风机塔架攀爬机器人;有限元;静强度

    中图分类号：TP242? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）01-0072-04

    我国很多地区都是高风能地区，除海拔高山外，海上的风力能源更集中，更适合发展风力资源。尤其是2015年莆田平海湾国内海上最大海上风力发电机的建成，更是标志着海上风力能源的有效利用。但风能的开发受到设备的影响，在风力集中的地方，环境也十分恶劣，设备的损坏率较高，对于风力发电设备的运行会产生较大影响。因此为解决风能设备的检修问题，本文通过设计海上风力发电机塔架的攀爬机器人来辅助在海上复杂环境下的海上风力发电机叶片检修工作。

    配合人工海上风力发电机巡检工作的机器人发展已经越来越成为一种趋势。目前，对于工业机器人的研究未来将会在感觉功能、智能化控制、智能化移动人机合作、自我修复、微型化方向发展[1]。而这之中，对于在垂直面的攀爬机器人中，邵杰[2]在基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究中设计了一种仿生类的爬壁机器人，他对机器人进行详尽的分析，并通过实验证明了它的实用性;刘华涛、吴善强[3-4]等所设计的爬壁机器人均为吸盘式爬壁机器人，他们分别对吸盘的吸附力和能耗进行了研究;吴善强、李满天[5]等人对爬壁机器人的无线遥控进行了分析。

    对于零部件的可靠性研究，一般是利用有限元方法进行分析，有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，通过有限元分析软件，可以有效地对零部件进行强度等多方面分析，得到其可靠性。有限元分析可以用在很多方面，廖金深、李健、王开松、张波、姚鹏华[6-10]等人对客车车身、主轴箱、汽车驱动桥壳、变速箱等多种装置进行了有限元分析，都得到了合理的结果。

    本文将通过有限元分析对海上风力发电机塔架攀爬机器人进行强度校核，以得到机器人的使用性能，为后续研究提供指导。

    1 三维模型建立与有限元模型分析

    1.1 三维模型建立与有限元模型分析

    海上风力发电机塔架攀爬机器人主要有几个部分组成，包括了机体支架部分、攀爬部分以及传动部分，如图1所示：

    可以在图中看到海上风力发电机塔架攀爬机器人机体支架主要为支撑板部分，以及后座的方管部分，方管的设计首先可以有效地降低机器人的质量，从而降低传动电机所需施加的力矩，使得机器人更好地向上攀爬，且可以达到小型化、轻量化的要求;而支撑板部分设计为可开合结构，通过电机带动齿轮传动机构令支撑板进行开合动作，使得机器人可以上下攀爬运动。其次，攀爬部分主要有四个小轮及一个大轮组成，下轮安装在支撑板上，大轮安装在方管上，中间小轮与减速机连接，带动整个机体进行运动，大轮作为辅助滑动以及机体运动过程中的支撑部分，可以使得机体稳定地运动。此外，机体支架部分开设了可以安装外设摄像机的内嵌槽，安装后可对海上风力发电机叶片进行损伤检测。

    1.2有限元模型建立分析

    海上风力发电机塔架攀爬机器人在攀爬过程中，海上风力发电机基座立柱部分表面较为光滑，因此，进行有限元分析，首先，确定机器人所需进行分析的部分。

    1.2.1传动部分

    传动结构主要有齿轮及电机，由于传动部分主要工作是机体支架的开合以及运动过程中的夹紧，因此，需要对齿轮进行静强度分析。齿轮部分为两个单级齿轮的串联传动，减速电机输入一个齿轮带动另外两个齿轮。如图2所示，为三个齿轮的传动方式，如表1所示，为齿轮基本参数：

    根据上述分析，由于齿轮之间齿数相同，因此传动比为1：1，且主要受力为夹紧时的受力，因此，分析一对齿轮的静强度。整机质量约为7kg，海上风力发电机立柱直径约4m，立柱摩擦系数取0.3，重力系数取10N/kg，因此可以得到齿轮受载的最大力矩为：

    即齿轮输出的力矩应当在462 N.m。

    1.2.2支撑与滑动部分

    支撑与滑动部分，主要为支撑块以及滚轮的受力，因此，需要对这几个零件进行有限元的强度分析。滚轮在滑动的过程中，主要为大滚轮会分担较多的轴向力。因此，根据滚轮比例确定其受力情况。上文中已经作了分析，因此，径向力为重力乘以摩擦系数μ：

    此外，滚轮与风机立柱表面接触滚动过程中，会受到一定的外部激励，因此需要对风机爬行机器人进行模态分析，模态分析可以有效地分析机体的平顺性和疲劳寿命，其目的在于优化结构以控制机体的模态频率和模态振型。

    2 关键零部件有限元分析

    2.1齿轮静强度分析

    在建立好一对啮合齿轮的三维模型后，將其导入到hypermesh进行网格划分。齿轮网格选择六面体规则网格，网格类型选择solid185，材料取较好的齿轮渗碳钢，接触极限和弯曲极限分别为1070MPa与700MPa;弹性模量及泊松比分别为206000MPa及0.3。

    网格划分完成后进行前处理工作，定义材料属性、网格属性、受力情况、约束情况、齿轮接触面设置等，在齿轮分析中，一般固定从动齿轮的6个自由度，及主动齿轮除轴线旋转自由度外的5个自由度，通过设置主动轮中心与轮缘的刚性连接，转矩施加在中心处，完成前处理。

    前处理完成即可输出至ANSYS进行有限元分析计算。如图3-4所示，为齿轮分析的接触强度与弯曲强度的应力情况：

    由图可知，接触应力约为604MPa，弯曲应力为159MPa。将数据与理论计算值作对比，通过引用机械设计手册齿轮强度校核计算公式，得：

    式中，各个符号分别为基本接触应力值，许用接触应力值，基本弯曲应力值，节点区域系数，弹性系数，重合度系数，接触强度螺旋角系数，切向力，分度圆直径，齿宽，传动比，接触应力极限，接触寿命系数，润滑系数，齿面工作硬化系数，接触强度计算的尺寸系数，最小接触安全系数，基本弯曲应力值，许用弯曲应力值，模数，应力修正系数，弯曲强度螺旋角系数，弯曲极限，试验齿轮应力修正系数，弯曲强度寿命系数，齿根圆角敏感系数，相对齿根表面状况系数，弯曲强度计算的尺寸系数，最小弯曲安全系数。

    具体计算后，得出结果，可知，有限元结果小于理论计算许用值，齿轮设计合理：

    2.2 支撑与滑动部分的有限元分析

    支撑与滑动部分主要是对滚轮以及部分支撑架进行有限元分析，步骤同齿轮有限元分析基本相同。其中滑动部分的滚轮只需对一个大滚轮和一个小滚轮进行分析，支撑架则对支架部分中间的压紧块进行分析。

    2.2.1网格划分及其前处理

    滚轮以及压紧块，均为规则结构，因此网格仍然选用六面体网格更加合理。如图5所示，为滚轮网格划分以及约束条件、受力情况处理效果图：

    2.2.2有限元分析

    前处理完成即可输出至ANSYS进行有限元分析计算。其他分析零部件的基本步骤与上述小滚轮操作步骤基本相同，对轴端面约束，并对滚轮与海上风力发电机接触线施加力载荷，总大小为上述轴向力F数值。其中，压紧块为了方便计算，将安装孔简化。其他不作过多描述，直接计算后得出结果，如图6-8所示，为滚轮及压紧块的受力情况：

    可以明显看出各部分受力较小，最大受力一般为边缘处，分别为29.84MPa、4.12MPa、4.68MPa，应力均较小，满足使用要求。

    3 结论

    根据上文中对海上风力发电机爬行机器人的有限元分析，可以得出以下结论：

    （1）整机结构合理，传动系统保证了机器人可以有效地在海上风力发电机上进行爬行，将外设损伤检测的摄像机连接上机器人，可以很好地对海上风力发电机损伤进行检测。

    （2）通过有限元分析可知，传动部分、滑动部分以及支撑部分的关键零部件强度较高，均符合使用要求。

    参考文献：

    [1] 高鹏. 机器人技术发展浅析[J]. 硅谷， 2010（21）：21-21.

    [2] 邵洁. 基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究[D]. 北京理工大学， 2014.

    [3] 李伟，李力行，叶庆泰.基于概率理论的 RV 减速器的传动误差计算[J].机床与液压，2004，1：122-123.

    [4] 吴善强， 黄佩佩， 武丽君，等. 滑动式爬壁机器人负压吸附机构低能耗设计[J]. 机电工程， 2011， 28（3）：320-323.

    [5] 刘华涛， 钱志源， 赵言正. 爬壁机器人滑动式负压吸盘吸附特性的实验研究[J]. 机电一体化， 2006， 12（3）：43-45.

    [6] 廖金深， 沈光烈， 林圣存. 对某微型客车车身结构的有限元分析[J]. 广西科技大学学报， 2016， 27（1）：58-61.

    [7] 李健， 徐敏， 张宝. 基于模态和灵敏度的主轴箱有限元分析与优化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2016（10）：51-54.

    [8] 王开松， 许文超， 王雨晨. 汽车驱动桥壳有限元分析与轻量化设计[J]. 机械设计与制造， 2016（7）：222-225.

    [9] 张波， 牛志刚， 邬燕波. 运煤列车防冻液喷洒装置的结构设计与有限元分析[J]. 现代制造工程， 2016（3）：146-150.

    [10] 姚鹏华. 基于ANSYS的汽车变速器斜齿轮的有限元分析[J]. 机械研究与应用， 2016， 29（6）：18-20.

    基金項目：

    [1] 国家自然科学基金地区基金： 基于不动点方程解析求解的高动态场景多尺度分割（No. 61461022） ， 2015.01-2018.12

    [2] 国家自然科学基金地区基金：复杂动态场景空时稀疏尺度广义目标分割方法研究（No.61761024） 2018.01-2021.12