面向风电塔筒检测的爬壁机器人结构设计与分析
摘 要
风力发电作为一种清洁能源装置，其风力塔筒的维护显得至关重要。然而陆地上的风力塔筒在野外长期遭受风沙摩擦，表面将会产生粉碎、起泡的旧涂层，就可能会影响塔筒美观度；海上风力塔筒长期会受到海水的盐碱腐蚀，严重危及风电塔筒安全。爬壁机器人能够实现在风电塔筒壁面的快速稳定爬行，安装相应的检测和维护设备，代替人工作业，爬壁机器人运用在风电塔筒上，使得风电塔筒维护成本降低，安全性能增加，检测效率增高。结合国内外的爬壁机器人的研究状况，并且综合在风电塔筒壁面的实际工况，设计了一种适用于风电塔筒爬壁检测的机器人。
本文主要做了以下研究：
首先，面向爬壁机器人的技术方案，分析了实际应用的技术难点，对面向风电塔筒的爬壁机器人的行走方案、吸附方案、驱动方案以及检测方案进行了分析和比较，考虑在风电塔筒壁面工作环境，会有强风沙尘干扰，要求爬壁机器人具有稳定可靠的功能，设计了爬壁机器人的履带行走结构、永磁吸附结构，永磁吸附单元可以为爬壁机器人提供可靠稳定的吸附力，解决了爬壁机器人在曲面工作的稳定可靠性。
其次，面向在风电塔筒爬壁的迅速性，设计了爬壁机器的驱动系统，采用了双电机驱动，使得机器人具有移动的灵活性。利用SolidWorks软件建立了爬壁机器人的三维模型。建立了数学模型，对爬壁机器人进行了静力学特性分析，为设计磁吸附力大小提高了依据；利用ADAMS软件对爬壁机器人进行动力学分析与仿真，验证了机器人运动性能。
再次，面向风电塔筒爬行的稳定性，对比了几种磁吸附结构并进行了有限元拟合分析，最后采用了一种吸附能力比较强的永磁吸附结构，建立了吸附磁场力学模型，研究磁路的各个参数对吸附力的影响，采用有限元分析软件Ansoft对永磁吸附结构进行了仿真和分析，选取了磁吸附结构的最优参数，确定了爬壁机器人的最终吸附结构。
最后，搭建爬壁机器人的样机，对爬壁机器人进行各项测验,通过测试，验证了爬壁机器人的各项性能，满足了在风电塔筒壁面稳定爬行的要求。
关键字：爬壁机器人；永磁吸附；静力学特性；动力学分析；有限元拟合
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